20世紀90年代，美國先進制造協(xié)會(AMR)首先提出了制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution Systern，MES）的概念并引起廣泛關注。工業(yè)發(fā)達國家對MES技術開展了系統(tǒng)的研究，提出了完整的軟件體系架構，研制開發(fā)了許多比較成功的MES軟件產品。國內對MES的研究起步較晚．在國家863計劃資助下進行了流程工業(yè)MES的理論、內涵、體系結構、軟件和應用等方面的廣泛和深入的研究。并取得了一定的成果。但是在面向離散制造行業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件方面相對較弱。由于生產模式的多變性以及自動化程度的差異性。MES的實施和應用受到了極大的挑戰(zhàn)。我國航天制造企業(yè)的生產特點是單件、小批量、多品種、批產與研制相結合。由于起步比較晚，自動化程度比較低，信息化環(huán)節(jié)較薄弱，存在的普遍問題有：
(1)紙質卡片貫穿在整個零件加工過程中，零件加工的每一個步驟都需要人工填寫相應的生產數(shù)據(jù)。
(2)管理層信息化程度比較高，ERP／MRPⅡ得到了廣泛的應用，但車間層基本上仍然采用傳統(tǒng)的手工作坊式生產與管理，自頂向下表現(xiàn)為對生產指令的反應緩慢，自底向上表現(xiàn)為生產執(zhí)行信息不能及時得到反饋。
(3)缺乏有效的監(jiān)控生產運行的手段，進度信息以紙質文檔或口頭的形式傳達，缺乏實時性，有效性也存在問題。
(4)車間管理層與控制層之間缺乏良好的信息交互手段，與生產相關的各部門間信息流通不暢，信息粗糙、滯后，追溯困難。
本課題針對某航天制造企業(yè)的生產模式和單件小批量、產研結合的生產特點，以實現(xiàn)MES系統(tǒng)最終目標為指導并結合車間的實際情況．成功地構建并實施了MES系統(tǒng)的解決方案。
1 系統(tǒng)設計
1．1 總體架構設計
經過需求調研分析，該MES系統(tǒng)應用的部門有科研生產處、加工車間、數(shù)據(jù)中心和倉庫等，地理位置分散。結合企業(yè)軟硬件的實際情況，分析了3種網絡體系結構的優(yōu)缺點，采用瀏覽器／服務器(BrowsedServer)的3層網絡體系結構，標準的關系型數(shù)據(jù)庫以及J2EE平臺作為系統(tǒng)的運行環(huán)境，來構建基于B／S的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)�？傮w結構包括用戶界面層、應用系統(tǒng)層、系統(tǒng)支持及數(shù)據(jù)庫層等三大部分。為適應網絡應用和擴展性的需要，系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)中采用Freemarker+Webwork+Spring+Hibemate的多層B/s架構，在應用實現(xiàn)的層面上對MES系統(tǒng)體系結構作了進一步的劃分。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。
圖1 MES系統(tǒng)總體架構
(1)用戶界面層(即表示層)。通過瀏覽器作為系統(tǒng)的前端，實現(xiàn)信息的錄入、查詢與分析結果的可視化展現(xiàn)。這一層包括采用符合MVC模式的Freemarker／Webwork取代傳統(tǒng)JSP／Servlet的界面開發(fā)方式，以實現(xiàn)更為靈活、柔性的用戶交互界面。
(2)應用系統(tǒng)層。該層是所有業(yè)務邏輯的實現(xiàn)層，是MES系統(tǒng)的核心部分。這一層負責接收客戶端的請求，并將數(shù)據(jù)庫層返回的業(yè)務數(shù)據(jù)進行運算處理返回到用戶界面。OSWorkflow工作流引擎負責驅動零件加工流程的自動流轉。在Hibernate基礎之上封裝了持久性訪問層，把所有的持久性邏輯全部放到這一層實現(xiàn)。為了能夠最大程度地重用系統(tǒng)模塊，同時又能和工作流引擎很好地配合。采用了輕量級的Spring框架體系。
(3)系統(tǒng)支持及數(shù)據(jù)庫層。使用Hibernate取代JDBC數(shù)據(jù)連接和操作方式，實現(xiàn)關系數(shù)據(jù)到可操作對象實例的映射，并維護數(shù)據(jù)庫連接和數(shù)據(jù)緩存，提升效率。
1．2 系統(tǒng)功能設計
該系統(tǒng)實施的目標生產車間存在的主要問題是完全沒有作業(yè)計劃，生產計劃的執(zhí)行和進度的控制由若干名計調員人工掌握，經常導致生產任務不能按節(jié)點完成；加工過程的流轉以紙質零件周轉卡為中心．負責任務的標識和派發(fā)，記錄質量檢驗的數(shù)據(jù)等。容易造成生產數(shù)據(jù)的遺失而無法在出現(xiàn)質量問題時得到很好的追溯。該系統(tǒng)主要包括計劃調度、派工管理、質量管理、監(jiān)控管理、用戶權限管理和資源管理模塊。
圖2 MES系統(tǒng)功能樹
(1)用戶權限管理。按照用戶、角色、權限的層次關系構造本系統(tǒng)的權限管理。系統(tǒng)中定義多個不同的角色，每個角色被賦予各自的功能權限。注冊用戶被賦予一個或多個角色．建立用戶與權限的映射關系。通過在系統(tǒng)的入口處對登陸用戶的權限實施強行檢查。
(2)計劃調度。通過與計劃系統(tǒng)的接口獲取生產計劃和月考核計劃，結合車間設備的生產能力，對下發(fā)的生產計劃進行分解，制定具有可執(zhí)行性的生產作業(yè)計劃。通過手工拖動可編輯的甘特圖實現(xiàn)作業(yè)計劃的調度排序并給相應的任務分配制造資源。
(3)質量管理。該模塊分為質量檢驗和質量問題統(tǒng)計兩大部分。質量檢驗有首件三檢、工序檢驗、總檢和軍代表檢驗；質量問題統(tǒng)計則是對采集到的質量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并以圖表的形式展現(xiàn)給用戶，有利于管理者確定出現(xiàn)質量問題的生產環(huán)節(jié)并采取相應的措施加以控制。
(4)派工管理。該模塊主要根據(jù)甘特圖排產的結果生成派工單。如果是開始工序則打印零件周轉卡，將生產任務派發(fā)到人或設備進行生產。
(5)監(jiān)控管理。監(jiān)控每一項生產計劃的實施進度和每一批零件的工序進度，同時監(jiān)控設備和人員的實時狀態(tài)．為生產任務的派工提供依據(jù)。
(6)資源管理。包括工藝文檔的借閱管理，工裝、刀具的出入庫管理。設備基本信息的維護和設備保養(yǎng)、維修的管理15l以及人員管理，用以保證生產的正常進行，提供資源使用情況的歷史記錄，確保設備能夠正確運轉，同時提供資源的實時狀態(tài)信息。
1．3 數(shù)據(jù)庫設計
使用Embarcadero公司的CASE工具產品ER—Studio建立數(shù)據(jù)庫邏輯模型和物理模型，在轉換為平臺相關的物理模型之前將邏輯模型進行了嚴格的規(guī)范化，使數(shù)據(jù)庫的設計完全符合第三范式的要求，消除數(shù)據(jù)冗余，消除部分依賴和傳遞依賴。
整個數(shù)據(jù)庫的結構在邏輯上分為3部分：第1部分是支持用戶權限管理模塊的系統(tǒng)用戶表、角色表、權限表和維護它們之間對應關系的分解表；第2部分為支持工作流引擎運行所必需的系統(tǒng)表．考慮到該工作流系統(tǒng)只是在車間內部運行，用戶權限管理模塊定義的表已能夠很好地滿足要求。因此沒有定義額外的與工作流相關的組織機構管理表；第3部分也是最重要的部分，是支持企業(yè)商業(yè)規(guī)則的一系列的表�？紤]到企業(yè)的生產性質，通過在第3部分的每一張表里添加一個標識位以達到數(shù)據(jù)假刪除的目的，雖然在表現(xiàn)形式上數(shù)據(jù)已被刪除，但用戶的刪除操作只是改變數(shù)據(jù)的標識位而該記錄仍然存在于數(shù)據(jù)庫相關表中。這種做法的缺點是隨著數(shù)據(jù)的日積月累，數(shù)據(jù)量的不斷增大而導致系統(tǒng)性能的降低，考慮到企業(yè)在數(shù)據(jù)維護方面的技術能力比較強，可以通過人為的定期備份或刪除一定的數(shù)據(jù)來達到瘦身的目的。數(shù)據(jù)庫物理模型主要部分如圖3所示。
圖3 數(shù)據(jù)庫物理模型
2 關鍵技術
2．1 工作流模型驅動
OSWorkflow是Opensymphony組織開發(fā)的一個基于JAVA的開源工作流引擎，它的最大特點就是極高的靈活性，更重要的是它可以很容易地同MES系統(tǒng)使用的輕量級J2EE框架Spring整合到一起并很容易地得到依賴解析、組件裝配和生命周期管理的支持。
OSWorkflow的核心是XML格式的工作流描述文件。一個工作流描述文件描述了針對特定流程所有的步驟(Steps)、狀態(tài)(States)、路徑(Transitions)和方法(Functions)。在MES系統(tǒng)中，從CAPP系統(tǒng)獲得的零件生產工藝規(guī)程就是工作流描述文件自動生成的依據(jù)。每一道工序對應工作流的一個步驟，每一個步驟有一個或多個動作，動作可以被設置為是否自動執(zhí)行．或者通過與用戶的交互來由程序選擇執(zhí)行，因此零件生產過程中的首件檢驗、工序檢驗就是流程中步驟的動作，在步驟的動作里完成零件生產執(zhí)行數(shù)據(jù)的持久化和跳轉到下一個步驟。由于零件的生產過程必須嚴格按照工藝規(guī)程定義的工序步驟順序進行，完成了上一道工序的加工才能進入到下一道工序的加工，因此每一個流程都只有一條路徑。描述文件生成后立即被加載到工作流引擎解釋執(zhí)行，調度員可以根據(jù)實際情況選擇掛起或終止某一個流程。
2．2 數(shù)據(jù)對象的持久化
傳統(tǒng)的JDBC連接方式存在的問題是，每一次數(shù)據(jù)訪問必須經過建立數(shù)據(jù)庫連接、打開數(shù)據(jù)庫、存取數(shù)據(jù)、關閉數(shù)據(jù)庫這一系列步驟，這樣既消耗資源又費時．頻繁發(fā)生會導致系統(tǒng)性能急劇下降，甚至崩潰，如果在程序段中沒有正確關閉ResuhSet、Statement、Connection資源，執(zhí)行該段程序時留下沒有關閉的連接，還會造成數(shù)據(jù)庫連接泄露。MES系統(tǒng)采用對象關系映射(Object—Relation Mapping，ORM)工具Hibernate完成對數(shù)據(jù)的持久化操作。Hibernate內建的連接池提供和控制開放的數(shù)據(jù)庫連接，因此可以重用已經存在的數(shù)據(jù)庫連接，避免打開和關閉數(shù)據(jù)庫帶來的延遲：二級的數(shù)據(jù)緩存機制顯著地降低了數(shù)據(jù)庫的操作頻率：數(shù)據(jù)庫中的關系數(shù)據(jù)被映射成為操作方便的普通JAVA對象，提高了開發(fā)效率。
2．3 基于模版的表現(xiàn)層技術
Freemarker是基于JAVA實現(xiàn)的模版引擎技術。模版+數(shù)據(jù)模型=輸出，通過改變數(shù)據(jù)模型的內容實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)輸出。與傳統(tǒng)的HTML頁面不同的是，用Freemarker標記替換需要動態(tài)輸出的部分，形成模版文件，服務器端根據(jù)客戶端請求返回數(shù)據(jù)內容，將對應的模版文件加載到模版引擎中，在引擎中完成模版與數(shù)據(jù)模型的綁定，并用數(shù)據(jù)模型中的內容替換模版中的相應標記，最后把最終結果返回到客戶端。通過使用Freemarker模版技術，能夠很好地將表現(xiàn)層和邏輯層分離開來。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)及特點
3．1 生產進度實時監(jiān)控
在MESA定義的MES系統(tǒng)功能模型中，非常重要的一個功能點就是生產過程的實時監(jiān)控。當生產任務開始執(zhí)行后。工作流引擎解釋過程模型文件，根據(jù)過程模型和工作流相關數(shù)據(jù)為批次作業(yè)的生產過程進行導航，提供便捷的現(xiàn)場信息采集與執(zhí)行反饋的實現(xiàn)手段，利用客戶端采集的任務狀態(tài)數(shù)據(jù)驅動過程執(zhí)行，并實時通知工人更新任務監(jiān)視界面，保證正確的工人在正確的時候得到正確的信息，實現(xiàn)在制品加工過程的自動流轉。同時工作流引擎根據(jù)客戶端采集的工序加工的進度和質量信息，匯總后為管理員提供圖形化的實時生產進度信息，如圖4所示。
圖4 生產進度監(jiān)控
3．2 強大的統(tǒng)計分析能力
(1)工作流引擎在驅動生產過程自動運行的同時，在每一個活動都會把重要的生產信息通過Hibernate提供的接口存入到數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的統(tǒng)計分析提供信息的來源。
(2)質量信息統(tǒng)計與分析：分類查看不同時間段內生產過程中發(fā)生質量問題的次數(shù)以及相應的處理情況，并以圖形化方式匯總展現(xiàn)質量問題產生的原因。
(3)工時信息的統(tǒng)計：多層次統(tǒng)計零件生產工時信息，包括工人工時、班組工時、產品工時、車間月工時統(tǒng)計，一方面為工人報酬計算提供可靠的數(shù)據(jù)，另一方面為零件工藝規(guī)程的改進提供參考。
3．3 可配置與可重用
(1)可配置主要體現(xiàn)在系統(tǒng)功能上。系統(tǒng)管理員根據(jù)人員的變動和角色的轉換，為用戶靈活分配系統(tǒng)操作權限，在避免越權行使職能的同時也解決了重要系統(tǒng)用戶無法完成本職工作而導致業(yè)務邏輯無法順利執(zhí)行的問題。
(2)可重用主要體現(xiàn)在功能模塊上。得益于系統(tǒng)架構的靈活性，MES系統(tǒng)各功能模塊是相互獨立、完備的功能模型，通過不同的組合適應企業(yè)發(fā)展過程中需求的變更，具備良好的可重用性和可擴展性。
3．4 甘特圖排產
車間詳細作業(yè)計劃的制定和排產是MES的核心功能之一，是提高車間生產效益的基礎和關鍵。系統(tǒng)通過采用富客戶端技術。實現(xiàn)了對作業(yè)計劃進行基于甘特圖的可視化的拖動編輯。為車間制定計劃時提供每一臺設備完整的任務信息。減少了計調員的工作量。極大地提高了系統(tǒng)的易操作性，如圖5所示。
圖5 甘特圖排產
4 結束語
本課題最終實現(xiàn)了面向航天離散制造企業(yè)的MES系統(tǒng)，目前已在該企業(yè)得到全面的應用，在很大程度上改善了車間的生產管理，在提高車間執(zhí)行能力和應變能力的同時為企業(yè)領導層決策提供準確的信息。促進了企業(yè)信息化的發(fā)展進程。下一步工作將是根據(jù)用戶的需求對功能進行完善和擴展。
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