1 MES概述
由于制造企业内部信息化程度很难跟上外部市场竞争环境的变化，为了获得更多的生存机会，迫切适应市场变化和竞争压力，制造企业商们纷纷规划企业自身的自动化和信息化发展蓝图，然而更多的制造企业仅关注车间的自动化程度和企业的管理水平，忽略了位于自动化控制层和计划管理层之间的生产执行层。
制造执行系统(MES，Manufacturing Execution System)恰恰能弥补这一断层。MES将生产自动化与经营活动结合起来，将经营目标转化为生产操作目标，实现经营和生产自动化间的协调统一，真正使经营计划周期形成“闭合回路”。MES提供设备控制系统、过程控制系统无法实现的车间级调度管理功能，提供ERP等管理信息系统无法实现的生产数据的获取与分析功能，成为车间生产和企业管理之间的桥梁，可以为企业带来现实的或潜在的经济效益悼1。MES在企业生产管理中的数据流程图和所处定位如图1所示。
图1 MES在企业生产管理中的数据流程图和所处定位
可见，MES与上层ERP等业务系统和底层DCS／PCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统，一是把业务计划的指令传达到生产现场，二是将生产现场的信息及时收集、上传和处理。
MES扮演着生产活动最佳化的信息传递者。生产管理是MES的基础和核心，它是整个车间生产数据的集合体，从执行的角度担负起将计划落到实处的职能。它将生产现场的实时数据提交给质量检验系统进行分析和全面质量跟踪，通过采集衡器计量系统的计量数据准确跟踪物料的投入量和产出量，通过与控制层设备的链接实时监督生产过程中的工艺参数监测和统计结果，及时向上反馈生产的结果和问题，及时得到上层的指示和指导，确保整个生产流程的连续性，提高整个生产车间的优化能力。因此，以研究基于MES的生产管理在制造企业中的实施和应用具有重要意义。
这里以一个大型冶炼企业的车间生产业务为研究背景，将生产管理作为MES系统中的一个模块，实现对生产现场的数据采集，通过与质量检验系统和衡器计量系统的有机结合，将生产的全部数据实时传递给上层ERP。
2 MES生产管理业务需求分析
该大型冶炼企业有五个生产制造车间，从进厂的原材料到最终产成品的形成，需要经过多段生产、多段运输、多地存储，期间物流种类多、工序多且形式不一，并伴有多种副产品的产生。同时，伴随着投料和收料数据的质量检验和计量，这使得生产制造过程具有一定的复杂性。然而，车间生产的大量数据均依靠各个岗位工人的手工记录，在进行月结生产数据整理时，需要在大堆的纸质报表中进行不方便的查询、汇总、统计和分析，这样很容易出现数据的不准确和遗漏，更是难以追踪到岗位或个人的职责，致使车间管理粒度粗糙，体现不出车间管理的价值。又因为生产制造活动需要大量的特征值来描述，而底层工业自动控制设备的监控和分析数据不能及时传递给生产执行层，使得生产制造层不能及时运用准确的数据，响应和指导车间生产活动。信息化程度不高进一步造成计划管理层无法及时获知生产现场的实时事件，更是无从将解决方案和命令下达到生产执行层。于是，出现严重的中间生产执行的信息断层。
通过详细实地调研发现，底层企业业务管理系统均是来自不同厂商，系统之间的融合度差。生产执行层的制造管理系统分散于不同车间，车间之间的生产数据无法流通和共享，底层控制系统采集到的数据无法到达中间生产执行层和顶部计划管理层。于是，对于冶炼企业来说，首要任务是规划它的整体信息架构层级：L1为一级设备控制系统，L2为二级过程控制系统，L3为三级制造系统MES，L4为四级企业级资源计划系统ERP，L5为五级企业管理系统和决策支持系统，其中L1和L2为控制层，L3为生产执行层，L4和L5为计划管理层。由于L1、L2在该冶炼企业中已经成功建立和成熟使用，L5被列入三年后的信息化蓝图中，目前信息化的重点是ERP和MES。通过MES打通企业三层管理链路，实现从上到下(ERP——MES——DCS／PCS)和从下到上(Dcs／PCS——MEs——ERP)的双向信息通道，将各个信息岛屿连成一个企业级的网络通路系统，以强化企业的管理深度和优化企业自身的知识资源。
该冶炼企业MES重点是将5个生产车间的业务整合起来，MES接受来自ERP的月生产订单，MES将ERP的月生产订单按照5个生产车间的业务特点由调度进行排产，生成各自车间的日作业计划，生产调度以周或天进行日作业计划下达，岗位工人依据日作业计划进行投料和收料操作，将物料的投入和产出连成线，前一车间的产出物是后一车间的投入物，期间需要对特定物料进行质量检验、衡器计量和移库。当岗位工人完成投收料相关数据的人工采集和设备的自动采集后，经过当班班长的审核。MES自动将数据实时上传ERP，ERP成功接收MES的生产数据后立即将对应凭证下达至MES，以告知MES本次投料、收料、移库数据成功上传ERP。图2是对5个车间的生产业务的抽象和统一。
图2 车间生产管理业务流程
同时，车间管理要求，为了细分和跟踪车间岗位工人的职责，MES需要依据产线和工序的不同，规定岗位的具体操作生产订单和作业计划以及具体投收物料清单，记录投收料物料名称、物料代码、操作时间、操作人、更新时间、更新人等动作信息，以便阻止错投、误投物料的操作；还需要考虑在质量检验系统和衡器计量系统不能正常工作的条件下如何人工补录数据等问题，以便促使岗位工人尽守职责，尽可能地保证生产数据的有效性和正确性，为上层的决策提供可靠、可信的数据支持。
3 MES生产管理功能模型
由于该冶炼企业目前已有质量检验系统、衡器计量系统，所以MES生产管理模块在不打破现运行良好的质量检验和衡器计量系统的前提下，与其进行优化联合处理车同业务，将控制层的生产状态和中间层的生产结果反馈给计划层的ERP。
整个MES的生产管理功能简介如下：
(1)生产计划管理：操作对象为各个车间的调度室，主要接收来自ERP的月生产订单，启用生产订单，然后通过系统自动加人工调整的方式进行排产，按周或天下达MES日作业计划于各个岗位。在生产的过程中，若出现设备检修、人为事故的情况，调度人员可立即暂停对相相应作业计划的投收料操作，等排除故障后，重新启动作业计划，开始正常数据的传输。若完成对该日作业计划的生产，则关闭该作业计划，防止对该作业计划的过量投入和产出。
(2)生产实绩管理：操作对象为具体的岗位，位于不同产线和工序的岗位工人只能操作系统配置好的生产订单和作业计划以及投收的具体物料，系统自动记录岗位工人的操作痕迹，提高车间的管理精度。完成生产过程中投入物料和产出物料的质量检验和计量，通过班长的审核和出入库签收，将投收料数据自动上传ERP。
(3)生产移库管理：在生产制造过程中，需要厂际、厂内之间来回调拨物料，这样为了确保物料的来源和去向，要料方需要向供料方提出要料申请，供料方同意，供料方制作．核对移库单，要料方同意接收物料，双方共同确认物料的卸货归位，MES自动将移库物料和移库量等信息上传ERP，保证ERP库存管理的准确性。移库结束，系统自动打印出移库凭证以作备份。
(4)接口管理：MES生产过程中的物料需要质量检验部门检验的，则MES需发检验委托单至质量检验系统，质量检验系统完成检验并将结果返回给MES判定处置；同样MES生产过程中的物料需要衡器计量的，则需发计量委托单至衡器计量系统，衡器计量系统完成计量并将结果返回给MES判定处置。MES最终需将正确的投料和收料数据上传ERP。其他接口等同作用。
(5)生产配置管理：为了提高MES的灵活性和系统处理变化的能力最统管理员在此可将生产过程中用到的常数据进行预先配置，减少现场操作人员的人工输入量，保证数据来源和流向的简化性和正确性。
(6)查询统计分析：这里只做条件查询，查询结果以符合生产要求的报表格式展出，支持一定格式的网形分析和导出。
4 MES生产管理系统实现
MES考虑到5个车间网络设备情况，决定在车间数据操作层采用C／S客户机／服务器方式，在行政管理层进行信息浏览和查询时采用B／S浏览器／服务器方式总的系统架构采用现今比较流行的三层结构后台以Oracle数据库服务器作为支撑环境，前台采用c#开发语言。MES系统的三层结构分别为：
(1)表现层(Web浏览器／客户机)，是用户与系统间信息交互的界面，负责结果展示及数据收集。车间层数据操作用户通过访问客户端应用程序，完成数据的人工录人和提交；行政管理层用户通过访问WEB浏览器进行信息浏览和查询。
(2)应用逻辑层，实现系统业务逻辑，包括基础业务功能和业务流，即将生产计划、生产实绩、生产移库、查询统计分析等功能置于该层。当客户端提出任务请求时，应用逻辑层首先向数据服务层的数据库提出数据提取请求，并对提取出来的数据进行处理，将处理的结果通过应用服务器传送回客户端。
(3)数据服务层，通过底层的数据库管理系统向上层提供全面的资源访问支持，屏蔽数据源差异，接受应用逻辑层传来的对数据库数据的操作要求，实现对数据库数据的查询、修改和更新等。
这种体系结构的本质在于通过对服务功能的分布实现分工服务。客户机主要负责管理用户界面，接收用户数据，处理应用逻辑生成数据库服务请求，然后将这些请求按照一定的格式返回给用户。客户端不直接与数据库交互，所有的业务处理都放在了中间层的应用服务器上，一旦数据库结构或业务逻辑发生变化，只需要修改相关的业务逻辑组件，无需对客户端做任何改动，大大降低了系统的维护成本。
5 总结
在整个系统实施周期内，始终有关键用户陪伴着MES的开发始末，客户的意见和想法给了MES人很多思路。在软件的开发过程中，以月为单位进行开发，每个月底MES会发布小版本更新用户手册，提供现场培训和跟踪指导，以供更多用户进行方便快捷地体验，进一步汇集用户的意见和问题，从而制定下一个月的工作计划和任务。通过小版本发布和计划矫正的不断循环过程，关键用户、普通用户与整个MES开发团队达成共识，并得到高层领导的支持和协助，使得MES生产管理模块具有本冶炼企业生产制造的特点，在既保证车间之间生产流程的连续性和整体性之外，MES还通过良好的解决方案将特殊业务特殊处理，这样，车间生产原有的手工报表记录和人工跟踪工作轻松地被MES中生产管理功能模块所替代。底部控制层的数据通过接口传递给MES，MES将生产结果和问题通过接口上传给ERP，ERP将生产任务和生产指令通过接口下达到MES车间，车间调度指挥各岗位工人更有效地完成工作，整个生产过程通过MES桥连接形成一个有序的信息环路。
由此可见，MES不仅能够解决企业内部信息的生成和管理决策层的矛盾，而且帮助制造企业逐渐实现从人工粗放式管理到系统精细化管理，将有限的资源合理配置使用以最大化实现生产制造效益。
