0 引言
近年來，企業信息化在各個領域有了長足地發展：一方面，企業ERP系統如火如茶，過程控制領域PLC、DCS在高效的車間級流程管理也得到大量應用。但是在工廠以及企業范圍信息集成的實踐過程中，仍這樣的問題：在計劃過程中無法準確及時地把握生產實際狀況，另一方面則在生產過程中無法得到切實可行的作業計劃做指導；在生產過程中難以跟蹤產品的狀態數據、不能有效地控制在制品庫存等等。產生這些問題的主要原因仍然在于生產管理業務系統與生產過程控制系統的相互分離，計劃系統和過程控制系統之間的界限模糊、缺乏緊密的聯系。
針對這種狀況，逐漸出現了一種新型的企業信息化結構模式，即三層應用體系結構。上層為ERP系統，中層為生產執行系統(MES)，有的將其稱為制造執行系統。下層為生產自動化控制系統。MES處于ERP和生產過程控制系統之間，負責調度排程、資源(人和設備等)優化調度、物料管理、生產質量、工藝控制、能源供應控制、生產過程監控以及必要的數據信息轉換等數據集成和應用。
因此，鑒于企業實際需求與先進管理思想的引進，青州卷煙廠在2009年--2010年實施了生產執行系統。為講述方便，對青州卷煙廠的MES系統，以下簡稱QZMES。
1 系統實施目標
以MES理論為指導，將現代企業生產管理思想、理念引入企業生產管理，對企業生產管理流程進行重組和優化，推動生產管理信息化、自動化、數字化，提高企業的市場競爭力。
系統總體建設目標如下：①實現以市場為導向，按訂單生產的快速響應機制；②整合可用資源，聯接企業的計劃層和操作層，整合信息孤島；③優化生產流程，通過項目實施來梳理、優化現行生產業務流程；④完善管理手段，將制造過程中的生產計劃、進度安排、物料流動、物料跟蹤、過程控制等活動全面集成起來，有機協調這些活動的執行，提高精細化加工水平。
2 現狀調研
2.1 主要生產過程
主要生產流程是，計劃調度處制定生產任務，并向制絲車間、卷包車間下達；制絲車間根據生產指令，按照配方加工煙葉、煙梗，生成成品煙絲。卷包車間根據生產指令將煙絲進行卷接、包裝，最后生成成品。主要生產任務，在ERP系統內制定；兩個車間的生產控制，由制絲中控系統、卷包數采系統、物流系統支撐進行，但各系統之間數據缺乏信息集成。
2.2 生產調度
根據原輔材料供給情況以及工藝標準等，制定煙絲和成品的生產訂單，主要面向制絲生產和卷包生產。
2.3 制絲生產
制絲車間生產，包括葉絲處理線：預混處理、一次加料、切絲、二次加料、平庫處理、摻配加香、裝箱入庫；梗絲處理線：梗預處理、切梗加料、梗絲處理十個工序。
連續性生產由制絲中控系統控制執行；物料管理由物流系統進行管理；兩個系統共同支撐制絲車間的生產過程。
2.4 卷包生產
卷包生產的由14套卷接包裝機組進行生產。每套機組為連續性生產，各套之間為離散型生產。生產過程由卷包數采系統和物流系統共同毒撐。
3 需求分析
3.1 確定MES系統的主要任務
確定QZMES的主要任務是接收ERP系統的生產訂單，按照生產工序／機臺進行分解成工單，并向生產自動化系統下達；生產結束后，按照生產工單收集生產信息，匯總處理后向ERP系統反饋，完成從執行到信息反饋的閉環控制。
3.2 QZMES參與的生產業務流程
3.2.1 接收、分解訂單
在ERP中制定制絲煙絲生產訂單和卷包成品生產訂單后，通過集成將訂單傳遞到MES系統，MES系統根據兩個車間的生產流程，分解為生產工單。
3.2.2 排產與生產執行
QZMES將分解后的生產工單，通過集成傳遞至生產自動化系統，自動化系統根據生產工單負責工序機臺的運行，物流系統根據生產工單進行原輔材料的出庫、半成品和成品的出入庫等。
3.2.3 生產信息收集
生產結束后，生產自動化系統把生產信息反饋至QZMES，QZMES匯總處理后再向ERP系統反饋。從而完成生成完整的生產執行、生產信息反饋的流程。
3.3 技術路線
技術工具采用MES系統專用開發工具與現場開發兩者結合的方式。專用工具采用西門子公司的SIMATICIT套件，具有與$95標準所規定的功能組件模塊，提供圖形化界面開發工具，結構清晰，將生產管理流程圖形化，并且在國內有多家成功的應用。現場開發采用ASP.NET、C#技術。
3.4 確定數據集成架構
由于ERP系統、QZMES、自動化系統都是相互獨立的系統，其技術架構都不同，因此，為了保證數據信息的正確、及時的進行流轉，確定在QZMES中建立DIS服務器，所有信息都通它進行信息交換。
4 功能設計
根據需求分析結論、采用的技術實現方式、QZMES管理思想，從排產調度、制絲生產、卷包生產、集成等模塊進行了詳細的功能設計。
4.1 排產調度模塊
排產調度業務，是QZMES業務實現的關鍵所在。該模塊擔負著接收ERP生產誣單，根據生產車間各工序或機臺生產能力及換牌時間等參數，將生產訂單按照工序和機臺進行分解，并在QZMES自動計算各工單的計劃開始時間，最后生成符合生產實際需求的生產工單。QZMES再將工單通過接口下達給制絲中控、卷包數采、物流等生產自動化系統，以控制生產。
調度人員可以根據實際需求，調整自動生成的工單。包括工單蕨序、生產起止時間等，然后根據實際生產安排，選定工單向底層系統進行下發。
4.2 制絲、卷包生產模塊
根據生產流程，結合自動化系統指導生產所需的生產信息，以及ERP系統生產訂單的詳細內容，研究制定了以下內容：①QZMES生產工單信息詳細內容：包括ERP生產訂單號、QZMES生產工單號、生產牌號、批次、生產工序(機臺)、生產班次、生產起止時間等內容；②工單與各系統之間的關聯關系：QZMES與ERP以ERP生產訂單號進行關聯，與自動化系統以工單號進行關聯；③生產信息反饋機制：生產信息反饋，以工單為單位，在工單結束時由底層系統向QZMES進行反饋；QZMES以訂單為單位向ERP系統進行反饋。
4.3 集成
在QZMES范圍內搭建DIS服務器，各系統安裝客戶端。在DIS服務器中配置各系統的傳輸通道及接口數據信息內容。
5 開發實施
5.1 基礎數據模塊
5.1.1 設備模型
針對車間工序、卷接機、包裝機、裝封箱機、喂絲機等設備，在SIMATIC IT Framework圖形化組件中進行了詳細的模型設計，將工序和機臺的生產能力、換牌時間等信息進行了詳細開發和定義。
5.1.2 班組管理
生產班次、班組采用SIMATIC IT套件中Shift Calendar組件進行開發，定義了白班、上半夜、下半夜3個生產班次，甲、乙、丙、丁4個班組。
5.1.3 工廠日歷
結合Shift Calendar組件以及C8語言現場開發結合，根據實際需求自動按照班次與班組順序進行生成任意時間段的工廠日歷。
5.2 工單管理模塊
5.2.1 訂單分解
QZMES接收ERP系統的生產訂單之后，按照設計工序和機臺模型數據，采用估算法和二分法相結合的數學算法，結合實際生產需求(卷包機組齊開或齊停原則)，在系統內把生產訂單進行分解，生成具體的生產工單。
5.2.2 工單執行
在工單與底層系統指導生產過程中，MES采用1+1(生產+預備)工單生產指導，由中控系統在每個工藝段發出工單申請，QZMES收到工單申請信號后，若滿足條件，則將生產工單下達到生產自動化系統。
5.2.3 工單信息反饋
各系統將生產結束的生產信息，包含產量及消耗，以工單為單位，將數據信息打包，傳遞到DIS服務器。QZMES接收后，以工單號為主信息，將生產信息匯總并打包，按訂單傳到ERP系統。
6 系統試運行
在測試穩定的基礎上，QZMES進行了上線試運行，將功能交與了最終用戶的業務使用。系統試運行主要內容包括生產訂單的分解排產、工單的下達及執行、生產信息的歸集及上報。在運行過程中驗證了功能的完整性及流程的合理性、數據的準確性。
7 效果
7.1 系統技術創新性
7.1.1 生產建模的運用
QZMES利用SIMATIC IT Framework圖形化的生產建模工具，將生產企業中的生產資源、生產操作流程進行對象化的設計，來實現各種生產業務流程，并通過系統集成實現模型與外部系統的交互、協調和調用。
7.1.2 閉環的應用集成
QZMES是集成制造的關鍵應用，通過集成實現協同制造。ERP、MES、自動化系統三層高度融合，形成RE—PAC閉環。
7.2系統管理創新性
本企業QZMES在對從訂單下達開始到產品完成的整個生產過程進行優化管理，有效的支持各個關鍵業務管理以及業務集成，降低了管理成本，提高工廠精細化管理水平。
7.3 系統擴展性
QZMES采用的建模平臺，由模型驅動優化排產、指揮調度、質量管理、設備管理等關鍵業務。而當生產工藝及管理業務發生變化時，只需修改相應的模型即可。這種基于模型的新型系統架構是系統具有良好擴展性的保證。
8 結束語
總體來講，QZMES項目的建成，將使山東中煙青州卷煙廠的制造業信息化建設在技術平臺上實現一次大的飛躍，由此還將帶來應用功能上的增強，精細化加工水平的提高，從而進一步提高企業的競爭力。
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本文標題：企業生產執行系統MES的構建與實施
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