MES制造执行系统的原理与实现.docx
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MES制造执行系统的原理与实现
前言
在中国制造业蓬勃发展的大潮中，随着竞争的发展，对产品质量的要求越来越高，对于制造流程控制的要求不断提升。
许多企业为了增强竞争力，不惜重金实施ERP系统，通过实施ERP来强化管理以求缩减成本控制、缩短供货周期。
然而，企业的生产计划管理受市场影响越来越大，明显感到计划跟不上变化。
面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多产品的改型，订单的不断调整，企业决策者认识到，计划的制订要依赖于市场和实际的作业执行状态，而不能完全以物料和库存回报来控制生产。
同时，ERP解决的是资源计划问题，ERP能处理昨天以前发生的事情（作历史分析），亦可预计并处理明天将要发生的事件，但对今天正在发生的事件却留下了缺口。
计划目标经常被系统崩溃、过量库存、材料短缺、产品缺陷、设备停机和各种浪费等各种各样的因素破坏，因此就需要提高一个企业的执行力。
因为在今天的激烈竞争时代，“执行”才是企业赢得竞争和取得收益的关键因素——ERP系统并不能彻底解决这些经常发生的问题，在企业的内部生产控制上，需要一个完善成熟的生产控制平台。
于是，MES成为企业用户关注的焦点，越来越多的企业在考虑或实施自己的MES系统。
MES全称ManufacturingExecutionSystem制造执行系统，它的核心功能与传统的生产流程卡类似，即通过流水号控制生产工序。
MES通过创建产品的序列号来取代流程卡号，生产过程中的任何一个工序通过产品序列号（Serialnumber）访问数据库，得到所有相关的生产控制信息。
第一章什么是MES
1.1MES的功能
在传统的加工生产企业中，往往用流程卡来进行生产的跟踪控制。
在流程卡上印刷工序列表，每经过一个工位，则由作业人员打勾、签名、标注日期。
这样产品在生产线上流转时，我们可以检查产品是否经过了所有的必须工序。
流程卡在生产完成之后即作废，而序列号却一直保存在企业的数据库中，所以可以作为产品今后的跟踪依据，方便质量管理。
简单地说，MES有两大核心功能：
根据序列号进行工序的控制，根据序列号进行历史数据的跟踪。
1.2MES与ERP的关系
ERP即EnterpriseResourcePlanning企业资源计划，是生产企业的核心模块，所有的生产都是由ERP（通过工单）发起、由ERP（通过发货单）结束的。
可以把MES看成ERP生产模块的专业化。
因此MES与ERP的接口应保持逻辑上的一致性。
第二章产品、工单、序列号
2.1产品（Product）
MES的流程通常是由ERP系统发起的，因此对于产品的定义必须与ERP保持一致。
通常，用Serialnumber（产品编号或者item_no和item_revision（产品版本）的组合）来定义一个产品（product）。
从ERP的角度而言，产品等同于物编码。
一个完整的产品周期可能包含以下环节，这些环节都与产品相关，如图2-1所示：
对于MES而言，产品除了物料属性以外，还有一些其它与生产密切相关的属性，如工艺流程、装配结构、测试规范等。
2.2工单（WorkOrder）
一个工单定义了一次加工作业，包含以下信息：
待加工产品、数量、加工起点、原材料输出仓库、成品输入仓库，以及工单状态、计划完成时间等辅助信息。
一个标准的MES系统是由工单驱动的。
首先由计划员在ERP中定义工单，然后将此工单刷新到MES，车间的主管将工单落实到具体的产品工艺路线，操作人员按照工艺路线进行作业。
如图2-2：
2.3序列号（SerialNumber）
在传统的生产过程中，我们往往用流程卡来指导产品的生产。
在MES系统中，我们用序列号来代表一个具体的产品。
序列号代表系统里唯一的一个产品，它具有item_no属性（ERP物料号），此外，它必须与工单关联，这样才能够用工单进行驱动。
对于制造件和装配件，它们的序列号规则是不一样的。
对于制造件，其序列号可以全部由MES系统分配产生，而采购件的序列号是供应商产生的，只能作为外来数据导入MES，同时赋予其item_no属性。
在一些情况下，序列号是企业的重要资源。
如对于网卡MAC地址，其前6位是企业代号，后6位是企业内部的MAC流水号，MAC地址的申请需要向相关组织缴纳费用。
另如中国GSM手机的IMEI号码，是由政府信息产业部分配的。
在某些情况下，序列号并不代表ERP中明确定义的产品。
如有一款手机产品G10，其ERP物料号为10010，MES系统会为其分配一序列号20061100001（item_no属性为10010），然而在ERP的BOM中并没有定义IMEI，为了保持序列号格式的一致，我们为IMEI定义一个“虚拟”（ERP中没有此物料号）的item_no：
IMEI。
这样此手机在生产完成之后，至少有2个序列号，1个是10010对应的序列号，1个是IMEI对应的序列号。
车间的操作人员在作业时，将序列号与工单建立关联关系，这样工艺路线就落实到每一个具体的序列号了。
产品、工单、序列号三者之间的关系如图2-3所示，序列号继承自产品，工单通过与序列号关联的方式驱动产品。
2.4条形码
为了提高序列号输入的效率，MES系统采用条形码（以下简称条码）来记录序列号。
条码是用条码打印设备，把序列号打印在尺寸裁切好的不干胶贴纸上，然后用激光扫描设备识别。
常用的条码打印设备有zebra公司的系列条码打印机。
常用的激光扫描识别设备有symbol公司的手持激光扫描枪系列。
常用的条码编码规范有39码和128码，在一些包装工厂，还用二维码来记录大量数据信息。
第三章工艺路线
3.1工位（Step）
在现代化生产中，批量生产多采用流水作业，流水线由若干个独立作业的工位组成。
工位是产品生产周期中的一个点，或者说一次作业。
工位是一个逻辑概念，一个工位可以对应若干个实际的工作台，比如电脑的主板装配工位，可以由4个工人、在4个工作台上做相同的装配作业，那么我们说这4个工作台对应于同一个工位。
在MES系统中，工位的定义可以和实际的作业有一定的出入。
还是举主板装配工位为例，在实际生产中可能作进一步的细化，分成定位、焊接、固定3个工位，但在MES系统中只定义一个工艺路线控制点，那么我们可以看作是一个工位。
3.2工艺路线（Route）
工艺路线是指产品的生产方法。
通常我们用流程图来表示工艺路线，流程图由当前工位、结果、下一工位组合而成，如图3-1。
工艺路线表达了产品完整的生产周期。
一个产品可以定义若干个工艺路线，如试生产工艺路线、量产工艺路线、返工工艺路线等。
但是一个工单只能驱动一条工艺路线，因此工单从ERP刷新到MES后，在生产之前，必须由车间主管或生产线组长指定工单到某一工艺路线。
简单地说，工艺路线是产品的一种属性，由工位组成，受工单驱动。
3.3当前工艺状态（RouteStatus）
生产控制的目的，是为了实现“在指定的工位，做指定的产品”。
我们在工艺路线里已经定义了当前工位、结果、下一工位的组合关系，因此我们只要再记录某个序列号对应的产品当前的工位和结果，就可以得到下一工位，由此可以进行工艺检查和工艺记录。
对当前工位的定义方法有两种。
第一种定义刚刚结束的工位是当前工位。
这样在工艺状态表里记录了序列号、当前工位名、当前工位结果。
第二种定义下一工位是当前工位。
这样在工艺状态表里记录了序列号、当前工位名。
3.4工艺检查（RouteCheck）
工艺检查是判断序列号是否出现在正确的工位。
方法如下：
按第一种定义，前台录入工单、序列号、作业工位。
后台根据工单得到工艺路线；根据序列号得到当前工位和结果；然后根据工艺路线和当前工位、结果，得到下一工位；比较下一工位和作业工位，得到工艺检查的结果。
如图3-2所示：
按第二种定义，前台录入序列号、作业工位。
后台根据序列号得到当前工位；比较当前工位和作业工位，得到工艺检查的结果。
如果3-3所示：
3.5工艺记录（RouteUpdate）
工艺记录是指工位作业完成后，对工艺的状态进行更新。
按第一种定义，前台录入序列号、作业工位、结果，后台直接将此数据更新到工艺状态表。
如图3-4所示：
按第二种定义，前台录入工单、序列号、作业工位、结果；后台根据工单得到工艺路线；根据工艺路线、作业工位、结果，得到下一工位；根据序列号、下一工位更新工艺状态。
如图3-5所示：
我们可以看出，两种方法的区别是：
第一种方法在routecheck时引用工艺路线，第二种方法在routeupdate时引用工艺路线。
第一种方法在routecheck时较为繁琐，但是适合以下这种特殊情况，即当前工位和结果的组合，对应的下一工位有多条记录，如图3-6：
3.6工艺历史（RouteHistory）
在进行RouteUpdate的时候，同时产生一条log记录，包括作业时间、作业人员、作业工单、序列号、当前工位、结果。
当生产结束的时候，一个序列号有多条routelog记录，这些记录就构成了一个序列号的工艺历史RouteHistory，也就是一个完整的生产周期的记录。
3.7工艺初始化（RouteInitial）
工艺的起始点比较特殊，因为有了它之后才能进行工艺检查。
为了设计的方便，我们在所有的工艺路线中，均设计其起始点为工艺初始化点，此点之后的工位就可以使用routecheck和routeupdate方法了。
初始化的方法有两种。
第一种是在序列号创建之时就进行初始化。
第二种是在routecheck时检查是否有routestatus记录，如果没有，则先进行初始化。
初始化是一种特殊的routeupdate，其工位名是initial。
3.8工艺结束（RouteClose）与工单关闭
工艺结束点也是较为特殊的一个工位，它是所有工艺路线的最后一个工位。
按照routeupdate的第二种方法，则系统通过routeupdate自动产生close工位。
关闭工单时，系统得到此工单驱动的所有序列号；然后routecheck其当前工位是否都是close；如果全部close则允许关闭工单，否则需强行关闭工单。
按照routeupdate的第一种方法，则routehistory里不包括close工位，所以必须手动关闭。
关闭工单时，系统得到此工单驱动的所有序列号；然后routecheck其当前工位是否都是close；如果全部close则允许关闭工单，否则需强行关闭工单。
可以在关闭工单时，将其驱动的序列号routeupdate到close工位。
3.9故障与维修
故障工位与维修工位是较为特殊的route工位，因为它们在routeupdate的同时，还要记录相应的故障与维修记录。
故障与维修信息可以看成routeupdate的扩展信息，每一次的故障与维修记录，都通过外键关联到一条routelog历史记录，因此route与故障、维修的动作就接合在一起，可以通过序列号找到它们之间的关联。
3.10自动测试
在现代企业的生产中，为保证产品的质量，往往在生产周期中设置若干个测试点，在大批量的生产中，这些点往往采用自动测试完成。
具体的操作是：
首先根据产品与工位定义testprofile测试模板，然后输入实测数据，生成测试数据文件，并关联到序列号。
由于测试文件与测试模板是关联的，因而能够根据testprofile进行分类统计。
自动测试是一个特殊的route工位，操作前需要routecheck，完成后进行routeupdate并生成routelog。
测试数据与routelog进行关联，因而可以根据routehistory直接定位测试数据。
3.11产品、工单与工艺路线
产品、工单与工艺路线的关系，见图3-7，装配结构、包装结构、材料跟踪的定义参见后面的章节。
第四章装配
4.1装配（assembly）与子装配（sub-assembly）
ERP中的产品不仅是物料，它同时还是一个装配件，通过BOM表达它的装配结构。
一个装配件由若干个子装配件组成。
比如一台PC，包含的子装配件有主板、CPU、显卡、硬盘、显示器等，其BOM的结构如图4-1：
这个结构表示一台PC由1件主板、1件CPU、1件显卡、2件硬盘、1件显示器、1件机箱组成。
这种结构可以看成PC这种产品的一个属性。
在MES系统中，这种结构通过产品工艺路线的若干个工位体现，如图4-2：
图4-2表示PC的装配工艺共分散在4个工位中。
为了记录产品与其子装配之间的关系，我们需要将产品的序列号与子装配的序列号进行关联。
具体的操作如表4-3：
关联完成之后，MES数据库里就保留了产品与其装配件之间序列号的关联关系，如图4-4：
从技术的角度而言，有两种方法记录序列号的关联关系。
第一种方法是在数据库里保存产品的结构，然后各相关序列号指向这种结构。
第二种方法是直接记录各序列号之间的关联关系，形成一棵“树”。
比较而言，第一种方法方便形成批量数据关联关系的报表，而第二种方法隔离了序列号数据与产品结构，所以产品的结构变了也不会影响历史数据。
我们更倾向于采用第二种方法，因为这对于后面要说到的序列号关联替换、注销等操作更为方便。
4.2序列号关联表的设计
考虑到关联的结构，用父-子节点来定义树状结构是非常方便的，效率也比较高。
如图4-5所示的结构：
ID字段是序列号所在的节点，SN是序列号，father_id是序列号的父节点，如为负数则表示此父节点并没有对应的序列号存在，也就是说此SN是该节点数上的根节点，为方便，我们称负数的节点为虚节点。
4.3新增序列号关联
按照节点的设计，任何一次关联动作可以看成把某一节点设置为另一节点的父节点，为方便叙述，我们统一称为把SN1的节点设置为SN2的父节点，或者把SN2关联到SN1上。
新增序列号关联的方法为：
更新序列号关联表，设置SN2的父节点等于SN1的节点。
为避免逻辑上的混乱，我们在关联之前必须进行检查，规则为：
1）SN2的父节点必须为虚节点，也就是说SN2是根节点，这样做是为了保证任何一个SN只能有一个父节点。
2）SN2的父节点不能是SN1所在树上的根节点。
例如，将2221关联到1116上，如图4-7
则2221必须没有父节点，这样不会造成大于1个父节点。
而且2221必须不等于1116树上的根节点（1111）。
4.4序列号关联替换
输入旧序列号SN_old、新序列号SN_new，以进行替换。
替换的前提条件：
1）SN_new的父节点必须是虚节点，也就是说，SN_new必须是根节点。
2）SN_new不能等于SN_old所在树上的根节点。
替换的方法为：
1）设置sn_new的父节点等于sn_old的父节点。
2）设置sn_old的父节点为一个新的虚节点，这样sn_old仍可以看成以sn_old为根的一棵树。
如图4-8的已有关联：
以6666替换3333的结果如图4-9：
4.5序列号关联注销
对于在序列号关联表中已有记录的序列号，它不仅有自己的节点，而且也可能是其它序列号的父节点，因此在注销时可能对其它序列号产生影响。
序列号关联注销的动作为：
1）定义该序列号的父节点为一新的虚节点；
2）更新所有该序列号的子节点，分别定义其父节点为新的虚节点。
例如：
注销1113，如图4-10所示：
4.6序列号关联查询
输入单个序列号进行关联查询的方法为：
1）追溯至此序列号的根节点。
2）以根节点做递归查询，列出所有树状结构的子节点。
3）在每个节点上，通过关联表得到序列号的相关信息。
这种方法很容易还原生成序列号关联关系的树，而且也不存在效率的问题。
但是在实际的生产中，经常需要做大批量的查询，并且生成格式统一的报表，比如根据工单输出所有的关联序列号。
象这种情况，如果还要逐个序列号进行迭代查询的话那么效率就会有很大的影响。
解决方法是，在查询之前，系统定期对关联数据进行后台处理，把树表展成平表，这样查询时就无需迭代，一条SQL就可以跑出所有的数据。
具体的实现方面，需要数据库设计方面的技巧，也可以参考数据仓库的原理。
第五章包装
5.1包装的概念
在MES系统中，我们定义包装的概念为，将一个产品放在某一个不能代表此产品的容器中的动作。
举个例子，将手机放入礼品盒的动作不是包装，因为礼品盒序列号与手机的序列号是一一对应的，可以用礼品盒的序列号来描述此手机，因此两者之间是序列号关联关系。
而将多件手机礼品盒打包到托运箱的动作是包装，
因为一个包装箱里包含了若干只手机，因此不能用包装盒来代表某一件具体的手机产品。
我们可以将包装理解为在产品生产完成之后，为发货而准备的一个动作。
图5-1是一个典型的包装例子：
5.2包装的实现
就技术的角度而言，包装和关联实现的方法基本一致，都是用数据库储存树状的结构。
但是由于包装箱和产品的属性还是有较大的差异，因此我们有必要分别处理。
具体的来说，首先我们定义包装箱的属性，如尺寸、重量、物料号等，然后建立产品序列号与包装箱序号的引用关系。
图5-1的包装箱属性，如表5-2所示：
包装的基本动作是装箱与拆箱，对应于数据库层面的新增引用关系和删除引用关系。
5.3包装与发货
发货意味着产品生产周期的结束，在许多企业里，往往有一个独立于ERP与MES的发货管理系统。
在执行发货的动作时，作业人员录入箱号，然后从MES系统里得到此箱所有产品的序列号，以及按照物料汇总的统计信息；然后将序列号信息录入到发货管理系统，将物料汇总信息录入到ERP。
为了发货的方便，通常将一些发货的信息反映到包装箱上，如张贴A4报表，或者贴二维条码，以及反映相应的发货单号等。
由于许多信息是从MES系统中取的，为了提高效率，往往将这些动作提前放在包装时进行。
也就是说，在包装时就预先记录了部分发货信息。
MES与ERP、发货系统的关系，如图5-4所示：
图5-4
第六章材料跟踪
6.1为什么需要跟踪材料
在许多情况下，我们需要对生产过程中用到的材料进行跟踪，特别是针对一些关键的采购件。
比如PC生产商发现一批CPU有严重质量缺陷，那么必须知道这批CPU已经被应用到哪些产品中，也就是说必须根据CPU的批次信息，找到与之关联的产品序列号。
MES中的材料跟踪模块，就是为实现这个功能而设计的。
6.2定义材料
这里所说的材料，是指产品BOM中要跟踪的零部件列表，通常分散在若干个工位中。
要跟踪的零部件列表是产品的一种属性，定义方式如图6-1：
6.3定义物料
材料跟踪与装配的不同之处在于，子装配件都有独立的序列号，而待跟踪材料没有独立的序列号，只有物料和批次信息。
比如对于常用的电阻电容，由于同一批次内的产品差异性不大，我们不会追踪到每一个独立的物料。
通常对物料的定义建立在最小包装单位上的，如对于盘状包装的贴片元器件，其最小包装单位是盘，也就是说每一个单独的包装盘，都有一个唯一的最小包装物料编号，在此包装单位的所有物料具有完全的可替代性。
最小包装序列号包含以下属性：
ERP物料号、单位、数量、供应商信息、进料日期、失效日期。
6.4关联
物料的关联通过一个特殊的route工位进行，具体的操作是关联产品序列号与最小包装物料号。
关联的实现方法与装配的方法较为类似，区别在于，装配的时候，所有的序列号之间是一一对应的，而物料关联时，一个最小包装物料号允许关联到多个产品中。
如图6-2：
由图可以看出，最小包装1被应用到产品1、产品2中，最小包装4被应用到产品2、产品3中。
假设产品1应用到的物料1数量等于2，那么这个物料有可能是在同一个最小包装里的，也有可能是在不同的包装里的，那么怎么区分定义呢？
在贴片加工的工艺中，除了要定义物料的编号外，还要定义物料的位置，相同物料在同一位置出现的数量只能是1，因此在跟踪时只要记录产品关联的最小包装物料号与位置即可。
而在非贴片加工的工艺中，往往对位置的信息并不敏感，因此在关联时只要记录产品序列号，以及与之关联的最小包装物料号和数量即可。
6.5跟踪
通常有两种跟踪方式。
第一种是根据序列号跟踪物料。
根据工单或其它产品信息，得到产品序列号的集合，然后根据序列号集合得到物料的批次信息。
第二种是根据物料跟踪序列号。
跟踪的依据都是最小包装物料号和序列号的关联关系
第七章架构
从逻辑上来说，MES系统应包含以下3种服务器：
http服务器、ftp服务器、email服务器。
7.1模块
MES主要由资源管理、流程控制、报表查询3个大的模块组成，如图7-1所示：
MES中的资源包括工单、产品、序列号。
工单从ERP导入，产品的基本信息也在ERP中定义。
序列号根据工单和产品信息，在MES系统本地产生。
流程控制模块包括工艺路线控制、装配控制、包装控制、材料跟踪控制。
这些控制模块都根据产品定义，然后基于序列号进行控制。
尽管工单、产品、序列号几乎贯穿于所有流程控制模块，但是我们会将它们的扩展属性与基本属性分离，并拆分到各相应的控制模块中，这样就保证了各控制模块的逻辑分闭。
数据中心模块包括数据整理和数据查询。
此模块将资源管理和流程控制中的数据，定期在后台按照一定的规则进行整理归类，然后提供统一的接口进行分析查询。
由于MES中的数量非常庞大，各类数据之间的引用关系又较为复杂，数据不整理的话，进行统计查询的效率会非常低。
7.2角色
表7-2列出了MES系统中的基本角色及其功能。
7.3数据库
由于MES系统的数据量庞大，连接数和并发量都比一般的系统大得多，所以必须采用支持这种特性的数据库，如oracle和sqlserver。
7.4服务器
从逻辑上来说，MES系统应包含以下3种服务台：
http服务器、ftp服务器、email服务器。
http服务器提供以下服务：
Webservice、权限管理、报表查询、其它后台数据处理。
ftp服务器提供以下服务：
文件存储、版本更新。
email服务器提供以下服务：
与外界接口、系统消息发送。
7.5客户端
系统采用三层架构，客户端通过webservice进行事务处理。
客户端根据角色的不同，提供不同的功能。
对于制造工程师，客户端提供的功能是定义产品的工艺路线。
工艺路线由工位组成，而装配结构、包装结构、物料跟踪结构、测试模板均定义在工位上，因此客户端的核心功能是对工位的定义。
对于生产主管而言，客户端提供的功能是激活工单，即将工单关联到具体的序列号。
对于生产作业人员而言，客户端提供的功能是产生序列号和实现各工位的具体操作，因此其核心功能是解析系统对工位的定义，并展现相应的结构，实现数据录入和流程控制。
第八章外部数据管理
8.1外部数据
目前生产外包的现象已经非常普遍。
为了方便生产数据的综合分析，必须将外部数据集中到企业的中央数据库。
图8-1是一个典型的外部数据管理流程。
由图8-1可以看出，OEM控制系统是一个逻辑封闭的系统，与MES的中央数据库通过接口进行数据交换。
OEM的数据经过整理之后进入数据中心，就可以象本地的数据一样，采用统一的报表进行查询分析。
8.2数据分类
为了方便对OEM数据的统一管理，应该分析数据的特性，按照数据类型进行分类，经过分类的数据类型适用于所有的OEM厂商。
OEM最基本的数据类型有：
序列号基础信息、装配信息、包装信息、测试信息等。
对于已定义的数据类型，所有的OEM厂商都以相同的格式存储数据。
8.3数据传输
最方便的数据传输方式是通过FTP传输。
OEM的数据首先在本地汇集到一台PC上，然后通过FTP上传到企业的FTP服务器上。
可以在FTP上，根据数据类型的不同，创建若干个子目录，以方便数据的后续处理。
由于数据类型和OEM厂商无关，所以所有的OEM厂商都可以用同一个数据传输程序进行数据上传，有助于数据安全和控制。
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