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MES

MES的技術架構

  2011年06月14日  

        MES在工廠綜合自動化系統中起著中間層的作用——在MRP II、ERP系統產生的長期計劃的指導下,MES根據底層控制系統采集的與生產有關的實時數據,對短期生產作業的計劃調度、監控、資源配置和生產過程進行優化。那么,MES依靠哪些技術、模塊實現這一目標?尤其是與ERP、控制系統如何實現協作呢? 
        作為一種計算機輔助生產管理系統,MES重要使命就是實現企業的連續信息流。它包含了許多功能模塊。通過實踐,MESA(MES國際聯合會)歸納了十一個主要的MES功能模塊,包括工序詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文檔控制、產品跟蹤和產品清單管理、性能分析和數據采集等模塊。
  對于這個歸納,業界還有一點爭議。NIST(美國國家標準與技術研究組織)在向OMG(Object Management Group,對象管理組織)提交的《NIST Response to MES Request for Information》報告中就認為:MESA的歸納中,過程管理不應單獨作為一個功能模塊,而應該添加一個物料管理模塊。我們也認為,MES應具有物料管理功能。
  攜手上下層、優化數據流

  通過上述這些模塊有效協作,MES在工廠綜合自動化系統中起著中間層的作用。在MES下層,是底層生產控制系統,包括DCS、PLC、NC/CNC和SCADA或這幾種類型的組合;在MES上層,則是高層管理計劃系統,包括ERP、MRP II。
  從時間因素分析,在MES之上的計劃系統考慮的問題域是中長期的生產計劃(時間因子=100倍),執行層系統MES處理的問題域是近期生產任務的協調安排問題(時間因子=10倍),控制層系統則必須實時地接收生產指令,使設備正常加工運轉(時間因子=1倍)。它們相互關聯、互為補充,實現企業的連續信息流。
  從層次角度分析,制造企業的控制結構可劃分為工廠層(或公司層)、車間層、單元層和設備層。其中,單元層相當于一般企業的工段或班組。通常,ERP系統處于工廠層和車間層,有時會擴展到單元層。設備控制系統處于設備層,有時會擴展到單元層。而MES則總是處于車間層與單元層。因此,MES與ERP在車間層(有時包括單元層)在功能上會有部分重復,MES與設備控制系統在單元層有時也會有部分功能重疊,如圖1所示。

 


  圖1 計劃控制與信息反饋流程及MES與ERP、設備控制系統之間的關系

  在MRP II、ERP系統產生的長期計劃的指導下,MES根據底層控制系統采集的與生產有關的實時數據,進行短期生產作業的計劃調度、監控、資源配置和生產過程的優化等工作。圖2描述了MES在企業中的數據流圖。


   圖2 MES在企業中數據流圖

 

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  控制與信息反饋流程以及MES與ERP、設備控制系統之間的關系。在圖1中,計劃與控制指令自上而下越來越詳細與具體,而由分布在生產現場的數據采集系統采集的實時數據自下而上經過層層匯總,數據的綜合性越來越強。
  在信息交互的具體內容方面,MES向上層提交周期盤點次數、生產能力、材料消耗、勞動力和生產線運行性能、在制品(WIP)存放位置和狀態、實際定單執行等涉及生產運行的數據;向底層控制系統發布生產指令控制及有關的生產線運行的各種參數等。圖3描述了MES與計劃層和控制層的信息交互關系。


  圖3 MES與計劃層及控制層信息交互

  與ERP優勢互補
  ERP的不足
  雖然ERP能夠很好地解決生產計劃問題,但是在車間這一層次的控制卻往往不夠完善。例如,ERP里面的車間控制模塊計劃功能一般很弱,主要是執行MRP計劃。它把MRP計劃變換為車間加工單和調度單,并按車間加工單和調度單執行,同時對計劃執行情況進行反饋,并進行投入與產出控制。
  ERP系統車間加工單和調度單的時間跨度(或計劃期)常常比較長,通常為周。車間加工單和調度單中的設備資源,則是以工作中心為單位的,但對工作中心的定義往往沒有嚴格規定,完全根據系統的實施要求和控制細度來確定的。通常,工作中心在ERP中被定義為一組設備資源,所有信息的反饋與成本的核算等都是以工作中心為單位進行的。
  ERP通常采集主要工序現場信息的時候,基本靠手工錄入,不僅效率低、易出錯,而且輸入的數據是基本上是前一個班或前一天的數據,信息滯后。
  MES的優勢
  MES的計劃調度功能與ERP車間層的功能有些類似,但MES的計劃調度的功能比較強,制定的計劃也比較詳細。
  MES一般按車間層和單元層分級制定作業計劃,并對車間的每一臺設備或操作人員分派任務。MES中的車間加工單與ERP的類似,MES中的調度單是對車間加工單在時間和空間范圍內的進一步分解,通常會細化到計劃期內每個單元每臺設備每天(或每班)的生產任務。同時,以分派工單的形式把第二天或下一班的生產任務分派到每一個操作人員(或設備)上。
  MES系統反饋的數據不僅包括每臺設備、每個工序和每個操作人員的數據,還包括加工過程中的狀態數據,而且由于采用自動化數據采集技術,使狀態數據可實時采集。采集的數據經過層層匯總,最后可得到整個工廠的生產現場數據。
  如果把MES與ERP集成起來,不僅能充分發揮它們各自的優勢;同時,可使MES系統的生產計劃更合理,使ERP系統的數據更及時有效,工作效率更高。MES與ERP間的集成數據與MES、ERP間的界面劃分有關。一般而言,即可以由MES來承擔所有車間層和單元層的功能,也可以由ERP承擔車間層的功能,由MES來承擔單元層的功能。但從系統的集成角度看,由MES來承擔所有車間層和單元層的功能實施比較容易。
  MES的獨到技術
  MES涉及的技術領域,很多方面與MRP II、ERP所用技術相類似。這里,僅就MES中較有特色的技術進行說明。
  運行狀態實時采集技術
  這種技術是對機床的開/停、加工運行狀態進行實時采集,為計劃控制和動態調度提供及時、準確的信息支持,使車間管理與控制真正做到實時。
  機床的開/停、加工運行狀態進行實時采集的技術方案,將根據機床設備的具體情況確定。對于可以直接上網、支持OPC的機床,采用基于OPC的狀態信息采集方案,通過標準的OPC接口和必要的軟件配置,直接讀取機床的各種狀態信息即可。
  對于不支持OPC的數控設備開/關機與運行狀態信息采集,要通過測量數控設備中的控制面板、機床電氣控制電路中有關點的模擬信號及其變化,并進行適當的轉換,再利用DNC接口上的I/O接口來實現。
  車間控制器可根據各單元設備配置情況與所記錄的狀態信息,可顯示車間內各單元的數控設備分布情況及運行狀態,并對設備的運行時間、停機時間和設備利用率等進行統計。

 

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  NC程序的傳輸技術
  對不同的數控機床進行NC程序的雙向傳輸,對機械制造業MES系統具有十分重要的意義。在MES系統中,NC程序的雙向傳輸主要解決具有不同傳輸協議的數控系統NC程序的傳輸問題。
  通常,NC程序的雙向傳輸采用基于RS-232C的點對點通信聯接。這種聯接方式結構簡單、傳輸可靠,在拓撲上為星形結構,通信協議簡單,通訊速率一般在110-9600bit/s之間,技術上比較成熟,系統組成也相對簡單,易于實現,是一種應用較多而又經濟可靠的一種方案。
  但是,盡管RS-232C標準傳輸電平擺幅較大,抗干擾能力提高,但由于允許電容負載,因而傳輸距離受限。當主機與數控機床通訊距離超過30M(波特率為4800bps)時,不能直接用RS-232C進行通訊。延長通訊距離的方法有多種,如采用MODEM、串口服務器、RS-485/RS-422轉換、長線收發器等。
  不同的數控系統與PC計算機的握手信號是不同的,通常有硬件握手、軟件握手兩種形式。如FANUC數控系統通常采用軟件握手,Siemens的數控系統采用硬件握手,硬件握手信號有DTR、DSR、RTS和CTS。數控系統通信協議一般有XON/XOFF協議和自動重復請求的ARQ協議兩大類。對不同的握手信號與通信協議,需要采用不同的通信控制方式。
  維修知識庫的建立與維修向導技術
  維修知識庫的建立與維修向導技術,也是MES的一項關鍵技術,它可以實現輔助故障診斷,診斷故障模塊更多地考慮結構化問題的分析與判斷。
  在對故障的統計、歸類分析的基礎上,建立故障現象與原因之間的關系,通過決策樹的方式支持故障診斷。考慮到維修知識庫的建立與完善是一個漸進的過程,因此考慮開發具有自學習功能的數控機床維修管理信息系統,將成功的維修案例記錄到系統中,系統能提取相關信息,對決策樹進行擴充,實現知識的積累。系統面向零件主題組織機床零備件更換的工藝,并將操作復雜,拆/裝工藝要求高的操作過程保存為影像資料,便于以后的機床維修或維修操作培訓參考。
  名詞解釋
  ARQ:Automatic Repeat reQuest,自動重復請求
  CNC:Computer Numerical Control,計算機數控
  CTS:Clear To Send,清除發送
  DCS:Distributed Control System,大規模分布式控制系統
  DSR:Data Set Ready,數據設備準備好
  DTR:Data Terminal Ready,數據終端準備好
  MESA:MES Association,國際聯合會)
  MRP:Material Requirement Planning,物料需求計劃
  MRP II:Manufacturing Resources Planning,制造資源計劃
  NC:Numerical Control,數控
  NIST:National Institute of Standards & Technology,美國國家標準與技術研究組織
  OLE:Object Link and Embed,對象的鏈接和嵌入

  OMG:Object Management Group,對象管理組織
  OPC:OLE for Process Control,用于處理控制的OLE。
  PLC:Programmable Logic Controllers,可編程邏輯控制器
  RS-232C:即EIA RS-232C,是美國電子工業協會EIA(Electronic Industry Association)在1969年頒布的串行接口標準。RS是Recommended Standard)的縮寫,表示是“推薦標準”;232是標識號碼;而C則表示該標準已被修改的次數。
  RTS:Request To Send,請求發送
  SCADA:Supervisory Control and Data Acquisition,數據采集與監控系統
  WIP:Work in Process,在制品
  Xon/Xoff: 流量控制方式兩種之一,X代表Transmission,Xoff表示停止發送,Xon表示繼續發送。

 

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  MES部分模塊介紹
  資源分配和狀態管理
  (Resource Allocation and Status)
  這個模塊管理機床、工具、人員、物料、其它設備以及其它生產實體(例如進行加工必須準備的工藝文件、數控加工程序等文檔資料),用以保證生產的正常進行。它還要提供資源使用情況的歷史記錄,確保設備能夠正確安裝和運轉,同時提供資源的實時狀態信息。對這些資源的管理,還包括為滿足生產計劃的要求對其所作的預定和調度。
  工序詳細調度(Operations/Detail Scheduling)  在編制生產作業計劃中,該模塊提供與指定生產單元相關的優先級(Priorities)、屬性(Attributes)、特征(Characteristics)以及處方(Recipes,此為可選項)的作業排序功能。其目標是通過良好的作業順序最大限度減少生產過程中的準備時間。
  這種調度,是基于有限能力的調度并通過考慮生產中的交錯、重疊和并行操作來準確計算出設備上下料和調整時間。
  生產單元分配(Dispatching Production Units)

  這一模塊以作業、訂單、批量、成批和工作單等形式管理生產單元間的工作流。當車間有事件發生時,要提供一定順序的調度信息并按此進行相關的實時操作。生產單元分配模塊,能夠調整車間已制訂的生產進度,對返修品和廢品進行處理,用緩沖管理的方法控制任意位置的在制品數量。
  文檔控制(Document Control)
  此模塊控制、管理并傳遞與生產單元有關的信息文檔,包括工作指令、配方、工程圖紙、標準工藝規程、零件的數控加工程序、批量加工記錄、工程更改通知以及各種轉換操作間的通訊記錄,并提供了信息編輯功能。
  文檔控制模塊將各種指令下達給操作層,包括向操作者提供操作數據或向設備控制層提供生產配方。此外,它還包括對其它重要數據(例如與環境、健康和安全制度有關的數據以及ISO信息)的控制與完整性維護。當然,還有存儲歷史數據功能。
  數據采集(Data Collection/Acquisition)
  該功能通過數據采集接口來獲取并更新與生產管理功能相關的各種數據和參數,包括產品跟蹤、維護產品歷史記錄以及其它參數。這些現場數據,可以從車間手工方式錄入或由各種自動方式獲取。數據采集的時間間隔差別很大,有時可達到分鐘一級的精度。
  過程管理(Process Management)
  該模塊監控生產過程、自動糾正生產中的錯誤并向用戶提供決策支持以提高生產效率。這些活動,可能是針對一些比較底層的操作,它們主要集中在被監視和被控制的機器上,需要連續跟蹤生產操作流程。
  過程管理模塊還應包括報警功能,使車間人員能夠及時察覺到出現了超出允許誤差的加工過程。通過數據采集接口,過程管理可以實現智能設備與制造執行系統之間的數據交換。

 

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