MES結構設計及其在染色工業中的應用

0 引 言
　　隨著生產過程控制和信息技術的不斷發展，利用信息化提升傳統工業化水平已經成為紡織工業企業尤其是規模以上企業生產發展的必然趨勢．紡織企業面對國內外激勵市場競爭，如何在競爭中求得生存和發展，必須采用高新技術來提升企業的生產能力，減低產品消耗。目前國內許多紡織企業，在不同程度上開展了企業資源計劃（ERP）管理、企業客戶關系管理（CRM）、企業供應鏈管理（SCM）和電子商務管理（EC）等企業信息化建設，不同程度地實施了產品銷售、采購、庫存、客戶、訂單、財務、運輸等管理，解決了部分企業內部的資源的有效管理和資源的節省等問題，并從中獲得了效益，但是，進一步的節能降耗需要從精益生產中獲取。隨著紡織企業生產裝備的智能化和數字化，客觀上為紡織企業進行精益生產提供了條件，并在很大程度上可以實現生產過程控制、管理和執行的協調一致，實時反映車間作業過程，為企業快速應變市場提供了一個有效控制的響應機制，同時也為企業開展大規模的信息化工程提供的機會和條件．紡織企業原有的ERP系統大多數管理靜態數據，與生產過程不直接關聯，ERP管理數據與車間實時作業數據之間采用手工方式進行傳遞，信息自動化程度不高，大量手工操作和數據擺渡，降低了信息傳遞時效，不可避免產生管理漏洞和操作誤差，不利于企業開展管理和生產過程一體化；不利于企業領導快速決策．這種半信息化的工作方式，導致了生產和管理信息之間的中間斷層和隔離，上層管理無法實時了解車間實際生產的動態信息，形成管理和生產各自的信息孤島。因此，為了克服中間的信息“鴻溝”，實現企業管理和生產一體化已經成為現代紡織企業未來發展需要。制造執行系統也就是在這樣的條件下應允而生。制造執行系統l1 （Manufacturing Exe cutionSystem，簡稱MES）是現代集成制造系統中制造管理自動化領域的一項重要技術。它定位于企業上層ERP與底層設備自動控制系統之間的、面向車問作業層的管理系統，解決企業信息“鴻溝”問題，加強計劃管理層與底層控制之問的溝通，起到了承上啟下的作用 。
　　目前，國內的紡織企業經過幾次的裝備的升級和改造，就裝備本身的加工性能和條件已經達到國際先進水平，主要存在的問題是軟件環境和條件的不足，企業生產過程控制自動化和管理自動化之間的脫節，形成不了完成的企業生產和管理一體化的過程，降低了企業生產綜合管理能力，不能充分發揮智能設備在企業生產管理中的作用。
　　筆者以紡織行業的染紗企業為例，依據染紗企業ERP系統和染缸控制系統，研究MES的體系結構和功能組成，以及和工藝管理、能源管理、生產調度、看板管理、集中控制、數據通訊和數據交換等關系，并將研究結果應用到大型染紗企業中。
1 業務需求
　　根據規模以上染紗企業的調查分析，這幾年通過企業信息化建設，基本上實現了ERP管理，關鍵性染紗設備都配備智能化儀器或自動控制系統。為了進一步提高自動化水平需要解決是ERP系統與車問過程控制系統PCS之問實時監控的問題，而這一問題的解決，除了需要考慮車間染缸群集中控制以外，還需要考慮集中控制系統與客戶訂單、車間作業安排、生產現場調度、工藝流程監控、看板管理、物料需求安排、人員安排等生產現場管理和控制。
1．1 項目總體需求
　　依據現代控制理論和方法，結合企業實際情況，運用優化控制技術、信息管理技術和數據通訊技術，建立起企業ERP、車間制造執行管理（MES）和染缸設備控制（PCS）的三位一體化管理模型，實現多任務、分批次生產作業在有限資源的約束條件下生產過程控制和管理的智能化，以便提高生產效率，減低車間能源消耗，節約生產成本，最終提高企業的經濟效益。
1．2 染紗工藝流程
　　以下是染紗基本工藝流程，內容主要包括松筒、裝紗、前處理、染色 、后整理，排水、卸紗、脫水、烘干等過程，如圖1所示；


1．3 關鍵性需求
　　（1）通過分析現有的染色工藝，研究和優化工藝過程，建立工藝數據庫和工藝知識庫。
　　（2）在單臺染缸自動控制系統和集中工藝數據庫建設的基礎上，建立染缸車問集中控制系統，在保證產品質量和生產效率的前提下，有效控制能耗，降低成本。
　　（3）在滿足訂單任務的基礎上，研究面向生產車間低能耗的優化作業調度模型和能耗考核管理模型，優化生產作業，建立生產能耗管理系統與作業調度系統，實現單臺設備能耗控制，超標預警、工段和車間作業的過程的動態跟蹤和管理。
　　（4）研究生產過程控制系統和企業的ERP系統集成，建立上下兩層數據接口的規范，實現生產過程控制和管理一體化。
2 MES結構設計
　　在開展MES項目之前，很多企業的信息化建設項目和車間設備技術改造項目基本上是獨立運行的，很少聯合．現在需要考慮如何實現企業兩者之間的聯合和一體化的問題．難度自然是可以想象．一方面原有系統要保持運行，另一方面需要考慮車間實施MES系統后，對原有系統的提出新的要求，升級改造，新舊系統之間接口，尤其在數據采集規范、接口和集中通訊等參數和性能等協調問題，相應增加了設計復雜度，在進行系統設計之前，需要仔細分析和評估可能存在的風險，設計到位，確保設計后的新系統能順利完成任務[5]．
　　由于染紗車問生產過程涉及到訂單、原料、顏料、工藝、配方、染缸、作業安排、調度、質量監控、供排水、蒸汽等方面控制和管理問題，實際上是一種多任務、多批次的復雜的控制和管理系統．分析設計需要采用系統工程的設計思想和方法進行指導，在把握總體目標的前提下，研究各子系統的功能結構和定位，然后，進一步考慮項目之間的內在關系，形成一個完整的大系統．本文基于這種思想提出了“三層體系構架（PCS／MES／ERP）”的集成設計方法和技術，來解決染色工業中的現場控制和管理的問題。
2．1 MES總體結構設計
　　針對染紗企業的業務需求和實際生產情況，考慮到企業內部已經建立的ERP系統和染缸的生產過程控制系統，提出了以染缸生產過程控制和管理技術為核心的MES系統結構，其核心部分主要以PCS，MES和ERP三大部分所組成的一體化結構。在體系構架上，設計位于頂層是企業ERP系統，主要實現功能是企業內部資源管理，與本系統發生密切關系的是生產計劃模塊；位于中問層是MES系統，主要實現功能是接受上層計劃指令，組織車間作業、優化調度作業流程，實時監控生產過程，下達作業任務；位于下層是PCS系統，主要實現功能是生產過程控制系統，屬于設備級的控制，主要任務完成工藝要求的生產過程，并提供生產現場的實時數據，實現生產過程數據的自動化采集和發送，實現與執行層之問的溝通．染紗工業屬于典型的流程工業，其中染缸的控制涉及到電、水、蒸汽的控制、工藝控制，以及污水排放控制．以下是三層體系構架設計圖，如圖2所示．


2．2 MES結構設計
　　MES結構主要以“三層體系構架（PCS／MES／ERP）”的集成為核心進行設計，使其貫穿于整個染紗企業內部的業務管理和車間生產流程中．下圖3為系統總體結構圖．


2．2．1 過程控制系統（Processing Control System：PCS）
　　過程控制系統是現場操作層，染色車間一般有幾十臺到上百臺的染缸需要集中控制．為了實現一體化設計，需要將單臺染缸的PCS控制系統和復雜的中央控制系統實現工業聯網，并要求支持以太網絡的通訊，實現數據在MES和PCS系統之間進行傳輸．主要實現的控制功能：主缸和副缸的溫度控制、精確的浴比控制、轉速控制、PH 值控制、多路進水、洗水、排水、監控、工藝、網絡通訊等．系統可以實時監測染缸的各種工作狀態，包括啟動、停機、暫停、進排水和蒸汽、參數、報警等；實現MES系統對下位的PCS控制器的參數整定。
2．2．2 制造執行系統（Manufacturing Exe cutionSystem ：MES）
　　MES是主要面向車間層的制造執行管理．關鍵性設計包括兩個方面，一是對來自ERP的生產管理信息進行細化、分解，并將來自計劃層操作指令，經過工藝優化、作業調度，將加工工藝和參數傳遞給底層控制層，而底層控制層嚴格按照工藝要求進行程序化生產；二是采集染缸的溫度、液位、運行設備和儀表的狀態數據，以實時監控底層設備的運行狀態，為MES提供生產現場的實時數據，編排作業進程，優化調度作業流程。
　　研究以節約能源和生產能力最大化為目標的生產優化調度策略，向生產過程控制器下達控制指令和優化的工藝參數，控制染缸的開啟、停止、供水、排水、升降溫度等過程，集中控制車間生產作業過程（PCS）．并實時檢測水、電、蒸汽、溫度、壓力和液位等生產狀態指標，動態跟蹤整個生產過程．對異常和意外事件或能源的超標等現象，實施故障報警和超標預警．染缸投運后，MES實時監控車間染缸群體的運行狀態，實時上傳現場運行參數，并在看板上直觀顯示各種工藝過程的運行情況，并將運行結構反饋到上層的ERP系統中，為企業領導者的生產決策提供依據，實現整個生產過程的閉環控制和管理。
2．2．3 企業資源管理系統（Enterprise ResourcesPlanning：ERP）
　　企業資源管理系統是企業物流、信息流、資金流的集成管理系統，主要以企業資源計劃與控制為核心，強調有限資源的充分利用，發揮最大的經濟效益．根據企業的生產能力，通過合理安排生產計劃和車間作業流程，控制最小的庫存量，優化人力資源的配置，按需組織生產，提高企業生產能力，節省有限資源，為企業創造管理效益。
　　在本設計系統中主要考慮根據客戶所制訂的生產計劃與車間實際的作業安排之間的協調和響應，在滿足客戶需求的條件下，實現能源節約。
3 MES在染色工業中的應用
　　根據MES總體結構設計的要求，將系統分為九大功能模塊，分別是染缸集中監控系統、車間作業管理、染色工藝管理、生產調度系統、染缸設備管理、作業人員管理、能源考核管理、車間生產統計、數據通訊接口．系統功能結構如圖4所示。

　　（1）車間集中監控制系統：由監控中心主機、通訊集線器和幾十臺染缸控制器組成，系統以主機為中心形成多機通信網絡，利用工業以太網連接ERP系統和MES系統 ．主機向每個控制器發送生產工藝和接收控制器傳送的運行數據，控制器既可以聯網運行，又可以脫離主機獨立控制染缸．染缸控制器以P89C51RD2XX單片機為核心，這是一種功能先進的單片機，外置有A／D，D／A 轉換電路和抗干擾監視器，使控制器的電路隔離性能更好、抗干擾性能更強．該控制器除了具有染缸所需的各種控制功能之外，還具有很強的數據通訊功能，能方便實現接收主機傳送的生產工藝，并向的主機發送運行數據。
　　（2）工藝管理系統：染紗工藝是企業生產制造的重要環節，是產品技術準備的重要組成部分，工藝設計不但影響產品的染紗周期，而且對產品質量和生產成本起到至關重要得作用．提高企業工藝標準化水平和工藝管理水平，縮短工藝技術準備周期，提高工藝設計效率．系統需要建立工藝標準數據庫，優化工藝模型，進行工藝配方管理．按照原料和工藝要求，建立工藝配方數據庫．提供染色工藝編制，工藝知識管理，快速建立染紗工藝數據，縮短工藝設計時間，消耗、工作量等進行分類統計，生成各類統計報表，內容包括日、月、季度、年產量、能源（水、電、蒸汽）、工作量等。
　　（3）車問作業和調度管理：主要實現功能是接受生產訂單、安排作業任務、實施生產調度、控制工藝流程，確保產品質量．根據染色企業的規模和任務需要，吸收看板管理（JIT）、約束理論（TOC）、敏捷制造、智能制造等生產管理的思想，選擇優化作業安排和調度策略，實現面向車間生產過程的敏捷化管理。
　　（4）車間染缸管理：染缸設備管理主要是以染缸的狀態管理為目的，設備屬性主要有靜態和動態特性：設備靜態屬性主要包括染缸的基本信息，規格、型號、生產單位、容量、使用年限等屬性；設備動態屬性主要包括訂單信息、客戶信息、加工信息、運行狀態、運行時問、開始時問和預估的結束時問等．利用設備的動態信息可以實現車間的看板管理，通過看板可以直觀了了解到車問全部染缸的運行狀態，及時了解訂單執行情況。
　　（5）作業人管理：車問作業人員管理主要包括出勤、作業考核、計薪酬，工作績效、培訓，以及車問作業人員的安排、班次管理。
　　（6）能源考核管理：根據車間總能耗（水、電、蒸汽）、典型染缸能源檢測，以及生產過程的運行狀態和工藝過程信息，依據軟測量方法和數據模型，計算單臺染缸的能耗．在此基礎上，計算車問作業能耗，實施能源超標報警，建立以車間產量與綜合能源消耗比重（產能比）為考核指標體系，實施能源考核管理。
　　（7）生產統計：車問班組日產量、原料日報表、單臺染缸和車問能源消耗報告等。
　　（8）數據接口：為了實現企業ERP、車問MES和染缸PCS控制系統的集成，需要建立統一業務流程規范和數據標準，并確定數據交換方式和流向．MES／PCS系統接口采用標準的數據通訊協議（RS485）或轉換為標準協議的方法，將生產現場的若干PCS控制器實現數據實時通訊．主要實現方法是通過一個“通訊集線器或網關”實現若干臺PCS控制器與MES之間數據通訊、保存，實現集中控制和管理．ERP／MEs系統接口可以采用關系數據庫和XML技術，將ERP的生產計劃、工藝要求數據與MES車伺作業計劃實現數據傳輸和交換。
4 結 論
　　在分析染紗企業信息化現狀的基礎上，對染紗企業的MES系統進行了總體的規劃和設計，以染色企業為例提出了一種ERP／MES／PCS三層結構體系的設計思想，并在一家大型的染色企業中得到成功應用，較好地解決了染色企業生產作業過程和管理的問題，實現了染缸的集中監控、生產作業管理、生產調度和優化、工藝管理、能源管理、崗位管理、人員管理和數據通訊管理等功能，達到了企業生產過程和管理的一體化，提高企業的生產管理能力，為企業帶來良好的社會和經濟效益．