《工业MES实施与应用》-项目1 MES系统总计设计

目录content“”1任务1系统需求分析2任务2体系结构设计项目背景

了解制造企业车间的管理活动

理解数字化车间的特征和构成

掌握MES的定义和特点

熟悉MES的设计原则和体系结构

熟悉MES软硬件的基本框架结构

能够对MES进行需求分析和功能规划

能够对MES的体系结构进行规划设计

能够对MES的软硬件环境框架进行构建

培养学生信息收集、筛选、整理的能力

培养学生判断分析能力和敏锐的观察力

培养学生系统思考和独立思考的能力

培养学生对行业领域、政策制度的敏锐性

培养学生树立文化自信、民族自豪感和爱国主义情怀知识目标能力目标素质目标学习目标项目背景制造业是中国国民经济的基础产业，是实现社会主义现代化建设的原动力，是国家实力的支柱。“中国制造2025”的核心就是实现制造业智能升级。中国制造2025实现智能制造，就必须重视企业上层信息化系统与底层设备自动控制系统的衔接，MES是实现两者间衔接的桥梁。01系统需求分析任务描述通过学习相关知识，了解制造生产的两种组织形式，深刻体会数字化车间升级转型对实现智能制造的重大意义，理解数字化车间的构成和特征，明确MES在数字化车间中的应用价值，掌握MES的需求分析要点，以缸体智能加工车间MES（CYL-MES）为例，准确、完整和描述企业对MES系统的用户需求，为MES系统的实施做好需求分析。

车间的生产人员结构及主要生产管理活动

数字化车间的主要构成MES的定义与特征MES在数字化车间生产中的应用MES的需求分析内容相关知识流程制造是指物料均匀、连续地按照一定工艺顺序运动，采用按库存，批量、连续的生产方式。特点：设备运行越稳定，利用效率越高，则产量越大，质量越好，成本越低，企业的生产运行效果就越好流程制造离散制造是装配式的生产，即在合格生产条件下，经过加工、装配、检验及包装等环节，将物料变成产品的过程。特点：管理出效益离散制造流程制造与离散制造MES对于离散型生产企业的作用更加明显智能制造车间管理活动离散制造原理智能制造车间管理活动离散制造实例缸体加工生产线：实现产线全过程质量数据采集和过程记录应用效果：实现多种缸体混流生产，提升缸体产能10%以上智能制造车间管理活动离散制造实例美科智能家电全生命周期解决方案销售订单组装测试出厂物流体验经销售后需求设计成品系统需求研发制造智能制造车间管理活动离散制造实例主板生产过程市场调研与可行性预测→选题→确定指标→预设计→仿真与实验→修改→画原理图→工艺设计→生成PCB图→印制板制作→制作样机→试生产→鉴定→正式批量生产电子产品研制过程智能制造车间管理活动该生产什么设备状态全局生产管控生产统计作业指导生产防错系统产品及时发运物料准时配送质量管控车间场景智能制造车间管理活动车间组织结构岗位名称业务联系部门职责车间主任所有外部部门车间生产的全过程管理生管员计划部、物料部、工程部、质量部和设备部根据作业计划，定义、调整、检查和关闭产品生产过程，保证生产资源和作业计划的动态、有效匹配物管员物料库、成品库和质量部根据物料需求计划和车间生产要求，领取、分发、跟踪和管理物料和工装，负责在制品跟踪管理和产品入库质管员质量部、研发部和工程部根据质检计划，对物料、产品和设备进行检查，控制质量保证过程，确保生产对象、条件和过程符合质量要求机管员设备部，后勤部根据设备维护计划和车间生产要求，管理、调配和维护设备，检测设备状态、保证生产正常进行技术调控员研发部、工程部、质量部和技术保障中心根据产品技术文档和工艺清单，检查、协调、控制和报告生产中的技术执行过程，保证产品生产的技术规范性。

过程调控员质量部、财务部、人事部和技术保障中心根据生管员拟定的计划和规程，跟踪、检查、协调、控制和报告生产过程，保证生产过程按照计划和规程进行作业组长工程部、技术部负责作业组的全面管理及与车间其他岗位的协调，确保生产任务按时、按量、按质完成作业工

根据生产指令执行生产作业并反馈执行结果主要职责智能制造车间管理活动制造企业车间生产管理流程生产管理物料管理质量管理设备管理销售订单→制订主生产计划→物料需求计划→仓库备料→物料采购计划→生产作业计划→生产线准备→物料接收→生产线执行→首件报工→质量控制→批量生产→成品→成品质量检验→产品验收→产品发货制造企业数字化升级生产过程可见信息记录与交换手段落后生产计划与控制方法粗糙010203传统车间升级的原因产品质量难以追溯04制造企业数字化升级数字化车间是基于生产设备、生产设施等硬件设施，以降本提质增效、快速响应市场为目的，在对工艺设计、生产组织、过程控制等环节优化管理的基础上，通过数字化、网络化、智能化等手段，在数字虚体环境中，对“人、机、料、法、环”等生产资源与生产过程进行设计、管理、仿真、优化与可视化等工作，以信息数字化及数据流动为主要特征，对生产资源、生产设备、生产设施以及生产过程进行精细、精准、敏捷、高效地管理与控制。依照三体智能制造理论模型，可以通俗的定义为：数字化车间=传统车间+车间数字虚体制造企业数字化升级数字孪生实体产线（物理实体）虚拟产线（数字虚体）预见设计质量和制造过程推进设计与制造高效协同确保设计和制造准确执行010203数字虚体是传统车间中的实体和行为在数字空间的映射。实体映射包括“人、机、料”的数字化表现，表达形式有图片、表格、视频、虚拟现实等制造企业数字化升级生产控制层主要强调的是生产计划控制和执行，通过MES把ERP/MRP与企业的现场控制有机地集合起来。现场执行层主要强调的是设备的控制。制造企业数字化升级数字化车车间架构传感层

实现车间现场层的数据采集和操作指令接收功能。控制层

实现层与层之间的数据通信执行层

实现车间生产控制层的功能MES的定义与内涵AMR提出制造业信息化三层模型，将位于计划层和控制层中间的执行层称为MESAMR1993MESA也提出了MES功能组件和集成模型，该模型包括11个功能模块ISAMESA19902004ISA提出了MES集成模型，包括了工厂管理、工厂工艺设计、过程管理和质量管理4个主要功能1997MESAMESA更新了MES模型，提出了系统MES体系结构（c-MES），该模型侧重于核心业务活动如何与业务运行交互集成MES的发展历程MES的定义与内涵MES提供实现从订单下达到完成产品的生产活动优化所需的信息；运用及时准确的数据，指导、启动、响应并记录车间生产活动，能够对生产条件的变化做出迅速的响应，从而减少非增值活动，提高效率。按业务MES是处于制造企业计划层(ERP)与控制层(PCS)之间的执行层，是企业资源计划系统和设备控制系统之间的桥梁和纽带，是制造企业实现敏捷化和全局优化的关键系统。按架构MES的作用是把企业有关产品的质量、产量、成本等相关的综合生产指标目标值转化为制造过程的作业计划、作业标准和工艺标准，从而产生合适的控制指令和生产指令，驱动设备控制系统使生产线在正确的时间完成正确的动作。按指标MES的定义AMRISAe-worksMESAMES的定义与内涵0105040203特点信息中枢

MES通过双向通信，提供横跨企业完整供应链的有关车间生产活动的信息实时性高

实时收集生产过程中的数据和信息，并做出相应的分析处理和快速响应个性化差异大

不同行业甚至同一行业的不同企业实施的MES个性化差异明显二次开发较多

MES在实施时，二次开发的工作量较大软硬一体化集成运行

随着工业互联网技术和CPS技术的发展，MES呈现出软硬一体化集成运行的特点MES的定义与内涵MESPDMERPMES与其他系统关系ERP系统需要MES提供的成本、制造周期和预计产出时间等实时的生产数据。MES还要从其他系统中获取相关的数据，以保证MES在工厂中的正常运行MES的定义与内涵MES的业务价值MES是产品研发、生产、营销等活动的枢纽，是制造企业的核心信息化系统制造业信息化枢纽加快计算机辅助设计仿真、制造执行系统、产品全生命周期管理等共育软件产业化，强化软件支撑和定义制造业的基础性作用关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见★MES的重要性不仅体现在智能制造方面，同时在工业互联网中，MES的地位同样重要MES的定义与内涵MES的业务价值现在，越来越多的制造企业逐渐认识到信息化的重要性，很多企业陆续实施了以管理研发数据为核心的PLM系统，以物料管理、财务管理、生产计划为重点的ERP系统，以及企业日常事务处理的OA系统，这些系统在各自领域都发挥了积极的作用如何使计划和实际生产密切结合？如何使企业和生产管理人员在最短的时间内掌握生产现场的变化，从而做出准确判断和快速应对？如何保证生产计划得到合理而快速的修正？MES能使企业生产管理数字化、生产过程协同化、决策支持智能化，有力地促进精益生产落地及企业智能化转型升级MES在数字化车间的应用MES在数字化车间的应用生产资源数字化01生产过程数字化02物料管理数字化03质量管理数字化04设备管理数字化05MES的需求特点01020304核心功能需求数据采集需求基础数据需求基本性能需求05信息集成需求继承性：可实现系统内部各功能模块的集成，并可提供外部系统的集成灵活性：可以在系统内根据企业的生产特点、灵活设置生产工作流程可视性：具备以数据采集为基础的生产、消耗、质量、设备等信息统计分析并提供丰富的信息表达方式实时性：系统应具备良好的实时响应的功能可扩展性：系统应具有良好的开放性和可扩展性，提供可柔性组合定制的用户界面、业务模块以及简易的二次开发功能可靠性：系统应具有较高的安全意识和安全保证MES的需求特点01020304核心功能需求数据采集需求基础数据需求基本性能需求05信息集成需求企业的组织结构人员及角色设备资源工作流及操作规范产品及产品谱系制造BOM、工艺路线在制品状态MES的需求特点01020304核心功能需求数据采集需求基础数据需求基本性能需求05信息集成需求MES的需求特点01020304核心功能需求数据采集需求基础数据需求基本性能需求05信息集成需求

数据采集种类，覆盖面广，关联性高

通信协议与接口种类繁杂

生产数据采集体量巨大，处理难度加大

质量数据采集备受关注

数据安全性要求高是一件工程实践性强、覆盖面广、技术要求高、执行难度大的工作数据采集的特点数据采集的内容类型岗位名称人操作人员、作业数据（所在工序/工位，操作时间，操作数据）机设备运行状态信息，

实时工艺采集参数信息、故障信息、维修/维护信息料物料名称、物料属性（品种、型号、批次）、库存记录（库位、库存量）、消耗记录法生产计划、工序过程、产品加工时间、加工数量、加工参数、产品完工率、生产异常信息环地点、时间、光纤、温度、湿度、污染度测设备信息（设备类型、编号、地点）、检验信息（检验对象、批号、检验方法、检验时间、检验标准、检验结果）、计量信息（计量对象、批号、计量方法、计量时间、计量标准、计量结果）能水、电、气、风等主要能耗数据MES的需求特点01020304核心功能需求数据采集需求基础数据需求基本性能需求05信息集成需求常见的数据采集方式RFID采集方式设备控制系统采集方式PLC采集方式手持终端采集方式条码扫描采集方式手工录入采集方式MES的需求特点01020304核心功能需求数据采集需求基础数据需求基本性能需求05信息集成需求MES的需求特点01020304核心功能需求数据采集需求基础数据需求基本性能需求05信息集成需求中间文件转换数据复制数据聚合消息中间件的集成XMLAPI接口信息集成方式任务实施生产排程不够灵活化

车间生产计划的编制和调整上均采用人工排产的方式，生产调度高度依赖于车间调度员个人的能力，无法保障生产计划的合理化1A企业问题分析无法实现生产现场实施监控由于缺乏有效的管控方式，车间现场作业计划的完成情况及相关异常无法实时反应，人员、设备、物料、质量、效率等各类信息不能共享，不透明2无法实现全过程无纸化的自动追溯

无法快速精准地查询到每批次产品的所有相关溯源数据3从传统管理方式到信息化全面管控的转变CYL-MES实施目标重构生产执行层信息化架构，促进公司信息化总体架构优化。采用微服务理念的技术架构，实现业务流程的快速建模和功能实现，并支持快速升级。建立厂级数据中心，以元数据、主数据、编码中心理念重构数据体系。融合制度约束于系统功能，由事后查错转化为过程防错；建立车间级问题管理流程，促进公司问题管理体系建设。提升计划编制合理性、提升计划执行力。现场展示看板，实时监控生产计划执行情况，现场异常及变更能及时反馈并柔性调度。实现并优化车间设备维护管理业务流程，实现设备定检、巡检及故障风险报警。产品制造记录无纸化、产量报告无纸化、且自动进行绩效核算，能进行产能分析。构建单机质量BOM，实现产品质量快速追溯。实现车间外协项目投产和进度管理。实施目标：生产管理规划方案CYL-MES需求分析人机交互自适应工况自主决策环境感知，路径规划；智能识别，自主决策工况识别感知控制算法及策略多功能感知，智能Agent，语音识别，信息融合报表管理0102030405车间质量管理生产过程追溯在制品管理生产作业计划与调度物料管理0607数据采集、分析与集成02体系结构设计任务描述通过学习相关知识，了解MES系统的业务流程和体系框架，结合企业的真实需求，以缸体智能加工车间MES（CYL-MES）为例，掌握MES系统设计的目的原则，能够合理规划MES的框架结构，为MES系统的开发与部署做好准备工作。MES规划设计原则和目标。MES硬件支撑环境和数据采集方法。MES软件结构和主要功能。相关知识成本控制目标一致性整体性和扩展性010203系统安全性可维护性稳定性040506MES设计原则和目标MES硬件支撑环境MES硬件支撑环境分布式数控系统NC程序上传和下载制造数据的传送NC程序管理与其他系统进行通信底层状态监控和执行信息采集系统机床状态数据采集与监控刀具预调和监控装置嵌入式数字制造生产任务执行现场信息采集装置自动物料传送和存储设备装卸和搬运物料暂时保存物料数字化检测设备在线检测线外测量装置其他数字化测量装置MES软件体系架构MES系统中典型的IT体系结构生产运行维护运行质量运行库存运行MOM主要范畴生产管理运行活动模型任务实施CYL-MES系统整体服务架构包括生产过程中不同品牌、规格、型号的传感器、PLC、条码、数控机床、机器人等感知和执行单元主要实现制造过程数据采集与传输实现系统业务逻辑，即将生产管理、设备管理、人员管理、质量管理和物料管理等功能置于该层。是用户与系统间信息交互的接口，负责结果展示及数据收集CYL-MES硬件环境架构工位一（铸造）工位二（热处理）工位三（粗加工）工位四（清洗试漏）工位五（精加工）工位六（打标）工位七（包装总体布局环形生产线CYL-MES应用的缸体数字化车间主要包括一个环形产线和五个线边工位CYL-MES网络拓扑结构

基于有线网络/4G/5G网络实现每一单独工件、每道加工工序的身份识别；

基于工业协议转换器链接每一台设备的控制器，实现所有设备的互联互通互操作；

基于数据层实现机器视觉、温度传感、能源仪表等各种智能传感和仪表的互联及数据采集。

有限网络、无线网络覆盖整个车间，连接设备、传感器、智能仪表、卡看板、现场终端等几百个网络节点。CYL-MES数据采集方案CYL-MES进程通信控制器通过标准化接口提供多样化的设备连接车间物理连接CYL-MES系统通过通信控制器与设备、装置、控制系统和刀架等其他生产设施间实施通信，承担了所谓的车间物理连接服务。进程通信控制器拥有支持多种协议和接口技术的丰富的驱动程序库。CYL-MES数据采集方案在BDE上简单对话例子和工人自检验AIP应用采集和信息面板CYL-MES数据采集方案在智能手机上CYL-MES系统应用的例子备用的数据采集功能CYL-MES软件功能设计系统功能结构主要实现对产品、产品物料清单、产品工艺的管理及工厂日历的管理主要实现编制各车间生产计划，参考各车间信息实时生产进度，协同监控各车间生产计划执行情况用于实现对原料、零件、半成品、成品进行管理用于提供工序质检结果的记录功能用于实现对设备整个生命周期的管理CYL-MES软件功能设计软件部署生产管理客户端提供了所有生产管理功能。车间大屏用于实时显示车间的各种生产数据。工位生产客户端用于接收工位生产任务，采集工位生产数据库存管理客户端包含的功能有：物料库位管理、物料出入库管理、成品库库位管理和成品出入库管理线边库收发料客户端主要功能是接收库房发来的物料包，按照工序物料需求，将物料精准配送到生产工位上。维修客户端用于处理从环形产线上的工位传来的维修任务FQA客户端接收和检查最后一道工序传来的产品信息装机量工作站看客户端用于处理物料异常，首检检验和巡检知识拓展01美国“再工业化”国家制造技术创新联盟使用本国页岩气和石油02德国保持工业领先地位持续创新机制高出口量工业4.0为新的指导原则03中国发展高端技术实现产品升级工资上涨质量驱动的自动化需求节能立法工业4.0参考架构模型2013年4月，汉诺威工业博览会，德国推出“工业4.0”是以智能制造为主导的第四次工业革命旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂基础：网络实体系统及物联网。重要前提：工业自动化，主要在机械制造和电气工程领域。内涵：实现由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴目标：建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。工业4.0参考架构模型数字工厂概念模型实物层：包括产品构件和工厂生产资源两部分虚拟层：是对实物层的物理实体进行语义化描述工具应用层：用来实现从实物层到虚拟层的工具工业4.0参考架构模型工业4.0概念智能工厂智能产品横向集成纵向集成端到端集成工业4.0的核心内容可以归纳为一套系统，即信息物理系统CPS；两大主题，即智能工厂和智能产品；三大集成，即横向集成、纵向集成和端到端集成。企业内部灵活可重组的网络化制造系统的纵向集成通过价值链及网络实现企业间的横向集成全生命周期管理及端到端系统工程工业4.0参考架构模型中国制造20252015年5月19日，国务院正式印发《中国制造2025》计划《中国制造2025》从国家层面确定了我国建设制造强国的总体战略明确提出：要以创新驱动