详解MES系统集成技术

2022-04-25 09:24:56 江苏省企业技术改造协会 57

1. MES系统集成需求 」

1)MES与ERP系统的集成

从生产计划的角度看,ERP在生产计划的前端,MES在生产计划的后端。ERP的生产计划是以订单为对象制定的无限产能计划。MES则是以执行为导向,考虑约束条件生成以生产物料和生产设备为对象的生产排程,即基于时间的有限产能计划。MES需要得到ERP生成的“粗"计划作为其计划的源头和基础。车间任务开工前,MES需要根据现场任务的进度安排到ERP系统中领料;车间任务完成后,MES需要将完工信息反馈给ERP进行入库登记,ERP自动关联到相应订单并进行完工处理,从而实现计划的闭环控制管理。

车间工作订单信息、物料编码基本信息、产品BOM信息、配套加工领料单信息、物资库存及质量信息、配套单据及配套结果等基础信息存储在ERP中。车间领料信息、在制品信息、车间完工反馈信息等在生产车间的信息存储在 MES中。

ERP系统与MES集成主要包括如下功能:

(1)ERP系统向MES提供车间生产任务数据,作为MES排程计划的依据。

(2)MES向ERP系统提供领料需求及领料请求,以实现系统自动领料。

(3)ERP系统向MES提供零件领料的详细信息,使车间及时了解生产准备情况。

(4)MES向ERP系统提交完工信息、半成品/成品人库信息,以实现自动入库。

(5)ERP系统接收MES提供的零部件完工信息后自动反馈到生产计划,使生产管理人员及时掌握车间任务进度。

2)MES与APS系统的集成

APS通常被用来制定车间作业计划,是一套基于优化生产原理的生产排产软件。对于高级计划与排程功能,最重要的是基础数据的准确及业务管理需求的明确。

APS需要的基础数据如下:

(1)物料信息:包括生产提前期、采购提前期、最大/最小库存量、现存量、可用量、在途量、安全库存量、经济批量等。

(2)物料清单BOM:包括BOM版本、材料消耗定额、替代件等。

(3)工艺信息:包括工艺路线、替代工序、工序优先级、工序制约关系、工序加工、准备时间、转移时间等。

(4)工作中心信息:包括设备能力、设备效率、替代设备、瓶颈设备等。

输入到APS的信息包括:

(1)生产任务:MES向APS提供车间的生产任务信息。

(2)加工工艺:由MES或者其他系统向APS提供工艺规程上要求的内容,至少包括加工工序,各工序所需要的工装工具及其他物料,各工艺加工工时和所需工种,所需加工设备组(工作中心),图样、加工说明等辅助性的内容。

(3)库存数据:由MES或者其他系统向APS提供包括制定计划时的物资库存、可用工装工具刀具库存,近期计划可用入库等信息。

(4)设备信息:由MES或者设备管理系统向APS提供可用设备能力、时间模型,设备所属设备组(工作中心)等内容。

(5)工人信息:由MES或者人力资源管理系统向APS提供各工人加工技能、时间模型及所属班组等信息。

APS向MES输出的信息包括:

(1)排程仿真及结果对比分析:由于APS引擎内置大量的排程策略,采用不同的排程策略将得到不同的排程结果。因此,要将得到的不同排程结果进行对比分析,得到需要的结果。

(2)排程结果:准备下达给车间的排程方案,可细化到某时某工人在某设备上加工某工序,同时需要配备何种工装工具及刀具,准备哪些物资辅料。比较好的排程结果还包括该工序的详细制造指令(FO )。

3)MES与PDM/PLM系统的集成

PLM是管理产品数据和产品研发过程的工具,PLM系统保存了结构化工艺文件数据。PLM和MES的集成,需要保障 MES能够按照产品BOM结构和总生产任务要求展开工艺级别的生产计划进行排产和调度,集成的主要工艺数据包括工艺过程信息(包括各工序)、BOM结构、配料清单等。

PLM系统向MES提供的信息包括产品的加工图样、产品的工艺信息、每道工序的作业指导文件等。MES收集生产现场各类数据,为后期产品的生产工艺、产品装配指导等进行优化,反馈至设计部门,进行改型、设计变更。

4)MES与质量管理系统(或ERP质量管理模块)的集成

MES虽包括部分质量管理功能,但与质量管理系统侧重点有所不同。质量管理系统是为生产提供质量标准,并进行质量标准及相关内容的管理,其精度是产品及车间关键点的检查。MES主要针对车间生产的每个工位、工序的质量跟踪,其精度是对每个工位、工序,实时性要求更高。

质量管理系统向MES提供质量标准信息,以实时呈现工位、工序的质量检验结果合格状况。MES向质量管理系统提供关键点的质量检测结果。

5)MES与设备管理系统的集成

MES包括部分设备管理功能,但设备管理系统的功能更全面。设备管理系统存储设备的基础信息和各类计划信息。设备基础信息主要包括设备台账信息、设备操作、日检、保养、维修规程信息、设备技术精度信息等;计划信息主要包括各类保养计划、维修计划、润滑计划等。

MES向设备管理系统提供的信息主要有作业实施信息、生产调度信息、设备状态信息和设备运行信息。通过对这些信息的统计分析,获取设备管理的决策信息,如设备故障频率、设备能力数据等。

6)MES与人力资源管理系统的集成

人力资源管理系统提供给MES人员基本信息、岗位信息、技能信息、技能等级。MES反馈给人力资源系统的信息主要是产线人员的精细化考勤数据和排班数据,以便清晰了解产线人员的工作状况和技能状况,并向统计分析企业的人员绩效提供基础信息。

7)MES与过程控制系统PCS的集成

MES向过程控制系统PCS提供执行指令,PCS向MES反馈执行结果及 MES需要实时采集的工艺参数、设备性能参数等。

过程控制系统PCS或数据采集与监控系统SCADA将设备编号、设备状态、设备运行参数、任务单号、产成品数、生产过程信息等信息反馈给MES。

2. MES系统集成方式 」

MES系统集成方式主要有API函数调用、基于中间件技术以及基于XML的信息集成等,这些集成方式主要适用于MES与其他软件系统的集成。

1)封装调用集成模式

封装就是指对象的属性和操作方法同时封装在定义对象中。用操作集来描述可见的模块外部接口,从而保证了对象的界面独立于对象的内部表达,接口作用于对象的操作集上是对象唯一可见的部分。用户看不到对象的内部结构但可以通过调用的方式来使用对象。封装以后通过接口调用就可以有效实现系统集成。比较典型的调用方法有:基于API的函数调用方法,如JDBC/ODBC API等。

API目前在系统集成中使用非常普遍,而且许多软件本身具有API接口。两个应用系统之中的数据通过设在其间的应用适配器的接口进行传输,从而实现集成。该方法适合异构系统之间的信息集成。图1所示为基于API的MES系统集成模型,它通过API接口、数据传输与通信实现MES信息集成。

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图1 基于API的MES系统集成模型

2)直接集成模式

直接集成模式就是两个系统直接对各自数据库进行操作,并交换数据。要实现这种集成模式一般将MES系统的数据存放在其他系统的数据库中,实现两个系统的数据库的真正共享。这种方法对于开发一套整体的企业信息系统是最好的,因为这种集成的紧密度比较高,但这种方法并不适合在几个成熟的商业软件之间进行系统集成,而现今大多数企业是直接采用商业软件的,这也是此方法的局限性。

3)数据复制

数据复制应用在同构的数据库中,保持数据在不同数据模型中的一致性。数据复制中,需要建立不同数据模型中数据转化和传输的机制及关系,以屏蔽不同数据模型间的差异。在此基础上,将数据从源数据库中抽取和导入到目标数据库中,采用数据复制方式,实现系统集成。

4)数据聚合

数据聚合是一种将多个数据库和数据库模型聚合成为一种统一的数据库视图的方法,聚合的过程可以看成构建一个虚拟数据库的过程,而此虚拟数据库包含了多个实际存在的数据库。这个构建的过程对于处于数据库以外的应用层的各具体应用的用户来说是完全透明的,用户可以访问数据库的通用方法访问企业中任何相连的数据库。但是对于企业中存在的多种异构数据源而言,有时难以构建一个良好的通用接口来访问所需的数据。

5)中间件集成模式

中间件集成模式主要包括通过中间文件,中间数据库,XML数据流以及消息中间件等来实现各种系统与MES系统的集成。

(1)通过中间文件实现MES系统与其他系统的集成。可以把MES系统需求的其他系统文档做成适合MES系统数据格式的或者统一格式的文件,通过访问中间文件库实现系统的集成。

(2)通过中间数据库集成模式。建立中间数据库实现共享数据格式统一定义,通过访问中间数据库抽取数据实现其他系统与MES系统的信息集成。这种集成模式的关键是多数据库集成技术的应用,比较适合完整的ERP/MES系统的自行开发和实施。

(3)通过消息中间件的集成模式。MOM(message oriented middleware)指的是利用高效可靠的消息传递机制进行平台无关的数据交流,并基于数据通信来进行分布式系统的集成。通过提供消息传递和消息排队模型,它可在分布环境下扩展进程间的通信,并支持多通讯协议、语言、应用程序、硬件和软件平台。目前流行的MOM中间件产品有IBM的MQSeries、BEA的Message Q等,消息中间件适用于任何需要进行网络通信的系统,负责建立网络通信的通道、进行数据或文件发送。消息中间件的一个重要作用是可以实现跨平台操作,为不同操作系统上的应用软件集成提供服务。

图2所示为美国政府资助的NIIIP-SMART联盟提出的基于对象请求代理(ORB)的MES系统集成参考模型。ORB 是一个中间件,它在对象间建立客户-服务器的关系。通过 ORB,一个客户可以很简单地使用服务器对象的方法而不论服务器是在同一机器上还是通过一个网络访问。ORB 截获调用然后负责找到一个对象实现这个请求,传递参数和方法,最后返回结果。客户不用知道对象在哪里,是什么语言实现的,他的操作系统是什么,以及其他和对象接口无关的东西。

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图2 基于对象请求代理(ORB)的MES系统集成参考模型

6)基于XML的信息集成方式

XML是可扩展标记语言(extensible markup language)的缩写,它是一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言。XML的关键特点是它作为不同应用数据交换的通用格式。在XML 技术出现之前,为了将某一数据源的数据转换到各个不同的目标数据源中去,只能在每个应用系统中都实现一次数据分析处理。数据解析只是在两个点到点的系统之间产生作用,而无法用于其他系统中。而XML作为一种对数据格式进行描述的通用元语言标准,目前来看是跨平台的数据集成的最佳解决方案。XML在MES系统集成实践中得到广泛应用,例如在MES 与ERP 等系统的集成中,采用XML能够使不同数据库的数据通过XML数据流进行集成。

基于XML的Web Services技术为基于Web的MES系统集成提供了理想的解决方案。简单地讲,Web service 就是一个应用程序,它向外界暴露出一个能够通过Web进行调用的API,而XML正是Web services平台中表示数据的基本格式。图3所示为基于Web Services的MES系统集成架构。

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图3 基于Web Services的MES系统集成架构

ERP、CAPP和DNC等系统各有不同的数据存储和表现格式,不同的系统由于其使用层次及涉及的数据不同,其软件结构也有很大的不同,而且可能是异构系统。该架构采用基于Web Services 的平台无关的技术来实现MES与上述各应用系统的集成。Web Services是完全与平台无关的,它定义应用程序在Web上的互相通信,而与各应用程序的底层实现无关,从而屏蔽了不同系统的底层实现细节。不同的系统对外提供统一的调用接口,MES与各系统集成的底层接口分别封装成Web Services。例如:MES系统可以通过Web调用封装了DNC接口的Web Services。反之DNC 也可以调用 MES的 Web Services,两者通过Web互相调用,关系是对等的。MES系统和DNC系统互为Web Services的客户端和服务器端,客户端和服务器之间用SOAP协议通信。在客户端,两个系统之间采用XML格式进行信息交换,各自通过数据交换封装接口把各自的内部数据格式转换成XML数据格式发送请求,收到 XML 格式的数据之后也是通过数据交换封装接口把收到的XML数据解析为各自的内部格式。同样,MES系统可以与其他系统在Web Services平台上实现集成。

3. 数据集成平台(DI) 」

MES系统作为制造车间集成生产信息化管理的最佳解决方案,为生产管理信息化的实现提供了统一的、平台化的数据集成平台,同时MES数据集成平台也为MES系统集成化的高效车间生产管理提供了强大的支撑,特别对于流程工业的MES/PCS数据集成来说,提供了最佳解决办法。

1)MES数据集成平台的产生

MES的关键是实现整个生产过程的优化,它需要收集生产过程中大量的实时数据,并对实时事件进行及时处理。由于这些数据产生于各种底层设备,如生产设备、检测设备、物流设备等,这直接导致了数据来源的多样性及复杂性,如源自PLC、DCS、RFID、PDA等数据源。这些数据源可能具有各自不同的数据协议格式,如果不给数据分类并统一数据格式,MES系统直接与PCS层进行信息交互就会使得MES对PCS层支撑环境的依赖性较强,造成应用系统与集成环境缺乏良好的开放性和可移植性,同时也很难解决异构信息和异构环境的集成问题,进而影响MES系统的整体运行效率,为此产生了基于数据平台的MES数据集成技术。MES数据集成平台提供统一的数据访问接口和数据存储格式,为上述问题的解决提供了最佳解决方案。

2)MES数据集成平台的结构与功能

MES数据集成平台通过采用RTDP实时数据库,使得MES系统能够实现对生产现场数据的实时采集、整理、分析、报警生成、事件记录、时间同步、历史归档、管理与维护,实现覆盖全工厂的集成化生产管理。

同时,MES数据集成平台也是MES系统的日常生产管理运行平台,为生产控制提供准确及时的指导,也为企业上层信息管理系统提供各种实时、历史数据服务。MES数据集成平台总体结构如图4所示。

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图4 MES数据集成平台的体系结构

MES数据集成平台的主要功能如下:

(1)数据通信功能。MES数据集成平台集成了OPC、DDE、ODBC等数据集成接口,使MES系统能够轻松将底层自动化工业控制系统、监控软件、应用程序和各种数据库中各方面的生产数据集成到MES数据集成平台上;同时也能将上层生产指令快速及时下达至底层。

(2)数据录入与输出。MES系统可以对于进出MES数据集成平台各种数据、信息、指令进行处理,包括数据统计、数据格式转换、量程转换、报警设定、历史数据归档等功能。

(3)网络监控与重连。为保证数据的正常传输,MES数据集成平台通过RTDB实时数据库,实现对生产信息网络和控制网络的实时监控与自动重连。当车间信息化网络出现故障时,MES数据集成平台能够及时提示或报警;当网络恢复时,能够检测到并自动重连。

(4)在线数据维护与查询。为保证数据的连续性,MES数据集成平台提供在线维护功能,并能根据用户不同要求,提供数据查询与组态功能。

(5)数据安全保证。由于MES系统处在连接上下层的信息枢纽位置,MES数据集成平台需要与上下控制系统、互联网相连,且MES系统中的信息关系到企业的生产信息,必须保证数据传输安全性,因此,MES数据集成平台设立安全机制,绝对防止未经授权的操作,保证整个信息系统的安全。

MES数据集成平台为MES系统的生产信息化管理提供一个统一的集成化平台,为制造业智能工厂架设提供支撑平台。

3)MES数据集成平台的特点

MES中PCS层采集的生产数据具有如下几个特征:①海量的数据采集。这类数据集成无论是采集范围还是数据规模都是海量的。②实时的数据集成。这类数据集成面向实时计算、实时分析、实时应用,而且数据是有时效性的,因为延时的记录和存储将会导致应用的错误甚至失败。③复杂的数据源。这类数据集成往往要考虑到复杂的数据源类型、异构的网络接口等因素。④面向多种应用的数据集成,集成目标往往要面对ERP、MES甚至控制系统的应用。

因此,支持MES系统的数据集成平台具有如下特点:①通过数据平台可以实现不同应用系统之间的数据共享和应用集成。数据平台为MES中其他模块提供了统一的集成环境,便于应用开发与集成。②数据库能及时地接纳大量实时现场数据,能够有效地集成异构控制系统提供分布式的数据服务。高性能的数据归档系统用来有效地采集、存储和检索任何基于时间的生产相关信息。③提供数据透明性。基于平台数据集成能够大大简化开发工作,MES开发人员可以直接面向数据集成平台进行开发,而不必考虑下层数据的结构或通信模式,这些工作全部由数据集成平台负责完成。④通过统一的OPC接口实现双向数据传输及可靠连接。OPC接口是目前工业控制软件中广泛采用的一项技术,凭借其开放性、可靠性已经成为一种国际标准而得到广泛应用,各个自动化厂商的产品可以通过OPC 接口实现无缝的连接。


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