MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的原理與實現

1、  近些年來，我國已經涌現了大量的制造型企業(yè)，隨著競爭的發(fā)展，對產品質量的要求越來越高，特別是在電子制造型的企業(yè)里，對于制造流程控制的要求不斷提升。許多企業(yè)為了增強競爭力，不惜重金實施ERP 系統(tǒng)，以求縮減成本控制、縮短供貨周期。但在內部生產控制上，卻沒有一個完善成熟的平臺。MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)就是在這種背景上，受到大家越來越多的關注，越來越多的企業(yè)在考慮啊或實施自己的MES系統(tǒng)。   本書系統(tǒng)地介紹了MES 的功能模塊和實現的邏輯。本人在國內大型的電子產品制造企業(yè)擔任多年的工藝工程師和工廠控制系統(tǒng)業(yè)務分析師，對制造的流程非常熟悉，參與設計了所在企業(yè)的M

2、ES 系統(tǒng)。本書是作者多年經驗的總結。     希望本書有助于大家理解MES 系統(tǒng)，有助于國內制造企業(yè)的流程控制和質量提升。   第一章 什么是制造執(zhí)行系統(tǒng)  1.1MES 的功能      在傳統(tǒng)的加工生產企業(yè)中，往往用流程卡來進行生產的跟蹤控制。在流程卡上印刷工序列表，每經過一個工位，則由作業(yè)人員打勾、簽名、標注日期。這樣產品在生產線上流轉時，我們可以檢查產品是否經過了所有的必須工序。    MES 全稱Manufacturing

3、Execution System制造執(zhí)行系統(tǒng)，它的核心功能與流程卡類似，即通過流水號控制生產工序。MES 通過創(chuàng)建產品的序列號來取代流程卡號，生產過程中的任何一個工序通過序列號訪問數據庫，得到所有相關的控制信息。      流程卡在生產完成之后即作廢，而序列號卻一直保存在企業(yè)的數據庫中，所以可以作為產品今后的跟蹤依據，方便質量管理。簡單地說，MES 有兩大核心功能：根據序列號進行工序的控制，根據序列號進行歷史數據的跟蹤。其它功能還有裝配、包裝、物料跟蹤，我們在具體的模塊中詳細介紹。     1.

4、2MES 與ERP 的關系     ERP即Enterprise Resource Planning 企業(yè)資源計劃，是生產企業(yè)的核心模塊，其主要功能是物料管理和成本控制。     所有的生產都是由ERP(通過工單)發(fā)起、由ERP(通過發(fā)貨單)結束的。     一些ERP 系統(tǒng)也包含了簡單的生產模塊。我們可以把MES 看成ERP 生產模塊的專業(yè)化。因此MES 與ERP的接口應保持邏輯上的一致性。第二章 產品、工單、序列號  2.1產品(P

5、roduct)  MES的流程通常是由ERP系統(tǒng)發(fā)起的，因此對于產品的定義必須與ERP保持一致。   通常，用item_no(產品編或者item_no和item_revision(產品版本)的組合來定義一個產品(product)。從ERP的角度而言，產品等同于物編碼。     一個完整的產品周期可能包含以下環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都與產品相關，如圖2-1所示：  對于MES而言，產品除了物料屬性以外，還有一些其它與生產密切相關的屬性，如工藝流程、裝配結構、測試規(guī)范等。我們在后面的章節(jié)中將陸續(xù)展開。 

6、60;  2.2工單(WorkOrder)  工單又稱任務單、計劃單。一個工單定義了一次加工作業(yè)，包含以下信息：待加工產品、數量、加工起點、原材料輸出倉庫、成品輸入倉庫，以及工單狀態(tài)、計劃完成時間等輔助信息。一個標準的MES系統(tǒng)是由工單驅動的。首先由計劃員在ERP中定義工單，然后將此工單刷新到MES，車間的主管將工單落實到具體的產品工藝路線，操作人員按照工藝路線進行作業(yè)。如圖2-2：  2.3序列號(SerialNumber)  在傳統(tǒng)的生產過程中，我們往往用流程卡來指導產品的生產。在MES系統(tǒng)中，我們用序列號來代表一個具體

7、的產品。序列號代表系統(tǒng)里唯一的一個產品，它具有item_no屬性(ERP物料號)，此外，它必須與工單關聯，這樣才能夠用工單進行驅動。對于制造件和裝配件，它們的序列號規(guī)則是不一樣的。對于制造件，其序列號可以全部由MES系統(tǒng)分配產生，而采購件的序列號是供應商產生的，只能作為外來數據導入MES，同時賦予其item_no屬性。在一些情況下，序列號是企業(yè)的重要資源。如對于網卡MAC地址，其前6位是企業(yè)代號，后6位是企業(yè)內部的MAC流水號，MAC地址的申請需要向相關組織繳納費用。另如中國GSM手機的IMEI號碼，是由政府信息產業(yè)部分配的。     在某些情況下，序列

8、號并不代表ERP中明確定義的產品。如有一款手機產品G10，其ERP物料號為10010，MES系統(tǒng)會為其分配一序列號20061100001(item_no屬性為10010)，然而在ERP的BOM中并沒有定義IMEI，為了保持序列號格式的一致，我們?yōu)镮MEI定義一個“虛擬”(ERP中沒有此物料號)的item_no：IMEI。這樣此手機在生產完成之后，至少有2個序列號，1個是10010對應的序列號，1個是IMEI對應的序列號。     車間的操作人員在作業(yè)時，將序列號與工單建立關聯關系，這樣工藝路線就落實到每一個具體的序列號了。產品、工單、序列號三者之間的關系

9、如圖2-3所示，序列號繼承自產品，工單通過與序列號關聯的方式驅動產品。    為了提高序列號輸入的效率，MES系統(tǒng)采用條形碼(以下簡稱條碼)來記錄序列號。條碼是用條碼打印設備，把序列號打印在尺寸裁切好的不干膠貼紙上，然后用激光掃描設備識別。常用的條碼打印設備有zebra公司的系列條碼打印機。常用的激光掃描識別設備有symbol公司的手持激光掃描槍系列。常用的條碼編碼規(guī)范有39碼和128碼，在一些包裝工廠，還用二維碼來記錄大量數據信息。(E-WORKS)第三章工藝路線        3.1工位(S

10、tep)        在現代化生產中，批量生產多采用流水作業(yè)，流水線由若干個獨立作業(yè)的工位組成。工位是產品生產周期中的一個點，或者說一次作業(yè)。工位是一個邏輯概念，一個工位可以對應若干個實際的工作臺，比如電腦的主板裝配工位，可以由4個工人、在4個工作臺上做相同的裝配作業(yè)，那么我們說這4個工作臺對應于同一個工位。在MES系統(tǒng)中，工位的定義可以和實際的作業(yè)有一定的出入。還是舉主板裝配工位為例，在實際生產中可能作進一步的細化，分成定位、焊接、固定3個工位，但在MES系統(tǒng)中只定義一個工藝路線控制點，那么我們可以看作是一個工位。 &#

11、160;      3.2工藝路線(Route)        工藝路線是指產品的生產方法。通常我們用流程圖來表示工藝路線，流程圖由當前工位、結果、下一工位組合而成，如圖3-1。    工藝路線表達了產品完整的生產周期。一個產品可以定義若干個工藝路線，如試生產工藝路線、量產工藝路線、返工工藝路線等。但是一個工單只能驅動一條工藝路線，因此工單從ERP刷新到MES后，在生產之前，必須由車間主管或生產線組長指定工單到某一工藝路線。簡單地說，工藝路線是產品的一種屬性，由工位

12、組成，受工單驅動。    3.3當前工藝狀態(tài)(RouteStatus)        生產控制的目的，是為了實現“在指定的工位，做指定的產品”。我們在工藝路線里已經定義了當前工位、結果、下一工位的組合關系，因此我們只要再記錄某個序列號對應的產品當前的工位和結果，就可以得到下一工位，由此可以進行工藝檢查和工藝記錄。對當前工位的定義方法有兩種。第一種定義剛剛結束的工位是當前工位。這樣在工藝狀態(tài)表里記錄了序列號、當前工位名、當前工位結果。第二種定義下一工位是當前工位。這樣在工藝狀態(tài)表里記錄了序列號、當前工位名。

13、  3.4工藝檢查(RouteCheck)        工藝檢查是判斷序列號是否出現在正確的工位。方法如下：        按第一種定義，前臺錄入工單、序列號、作業(yè)工位。    后臺根據工單得到工藝路線；根據序列號得到當前工位和結果；然后根據工藝路線和當前工位、結果，得到下一工位；比較下一工位和作業(yè)工位，得到工藝檢查的結果。如圖3-2所示：    按第二種定義，前臺錄入序列號、作業(yè)工位。后臺根據序列號得到

14、當前工位；比較當前工位和作業(yè)工位，得到工藝檢查的結果。如圖3-3所示：    3.5工藝記錄(RouteUpdate)        工藝記錄是指工位作業(yè)完成后，對工藝的狀態(tài)進行更新。按第一種定義，前臺錄入序列號、作業(yè)工位、結果，后臺直接將此數據更新到工藝狀態(tài)表。如圖3-4所示：    按第二種定義，前臺錄入工單、序列號、作業(yè)工位、結果；后臺根據工單得到工藝路線；根據工藝路線、作業(yè)工位、結果，得到下一工位；根據序列號、下一工位更新工藝狀態(tài)。如圖3-5所示： 

15、0;  我們可以看出，兩種方法的區(qū)別是：第一種方法在routecheck時引用工藝路線，第二種方法在routeupdate時引用工藝路線。第一種方法在routecheck時較為繁瑣，但是適合以下這種特殊情況，即當前工位和結果的組合，對應的下一工位有多條記錄，如圖3-6：    3.6工藝歷史(RouteHistory)        在進行RouteUpdate的時候，同時產生一條log記錄，包括作業(yè)時間、作業(yè)人員、作業(yè)工單、序列號、當前工位、結果。當生產結束的時候，一個序列號有多條routel

16、og記錄，這些記錄就構成了一個序列號的工藝歷史RouteHistory，也就是一個完整的生產周期的記錄。3.7工藝初始化(RouteInitial)        工藝的起始點比較特殊，因為有了它之后才能進行工藝檢查。為了設計的方便，我們在所有的工藝路線中，均設計其起始點為工藝初始化點，此點之后的工位就可以使用routecheck和routeupdate方法了。        初始化的方法有兩種。        第一

17、種是在序列號創(chuàng)建之時就進行初始化。        第二種是在routecheck時檢查是否有routestatus記錄，如果沒有，則先進行初始化。        初始化是一種特殊的routeupdate，其工位名是initial。    3.8工藝結束(RouteClose)與工單關閉    工藝結束點也是較為特殊的一個工位，它是所有工藝路線的最后一個工位。按照routeupdate的第二種方法，則系統(tǒng)通過route

18、update自動產生close工位。關閉工單時，系統(tǒng)得到此工單驅動的所有序列號；然后routecheck其當前工位是否都是close；如果全部close則允許關閉工單，否則需強行關閉工單。    按照routeupdate的第一種方法，則routehistory里不包括close工位，所以必須手動關閉。關閉工單時，系統(tǒng)得到此工單驅動的所有序列號；然后routecheck其當前工位是否都是close；如果全部close則允許關閉工單，否則需強行關閉工單?？梢栽陉P閉工單時，將其驅動的序列號routeupdate到close工位。    3

19、.9故障與維修    故障工位與維修工位是較為特殊的route工位，因為它們在routeupdate的同時，還要記錄相應的故障與維修記錄。故障與維修信息可以看成routeupdate的擴展信息，每一次的故障與維修記錄，都通過外鍵關聯到一條routelog歷史記錄，因此route與故障、維修的動作就接合在一起，可以通過序列號找到它們之間的關聯。    3.10自動測試    在現代企業(yè)的生產中，為保證產品的質量，往往在生產周期中設置若干個測試點，在大批量的生產中，這些點往往采用自動測試完成。具體的操作是：首

20、先根據產品與工位定義testprofile測試模板，然后輸入實測數據，生成測試數據文件，并關聯到序列號。由于測試文件與測試模板是關聯的，因而能夠根據testprofile進行分類統(tǒng)計。自動測試是一個特殊的route工位，操作前需要routecheck，完成后進行routeupdate并生成routelog。測試數據與routelog進行關聯，因而可以根據routehistory直接定位測試數據。        3.11產品、工單與工藝路線        產品、工單與工藝路線的

21、關系，見圖3-7，裝配結構、包裝結構、材料跟蹤的定義參見后面的章節(jié)。   第四章裝配        4.1裝配(assembly)與子裝配(sub-assembly)        ERP中的產品不僅是物料，它同時還是一個裝配件，通過BOM表達它的裝配結構。    一個裝配件由若干個子裝配件組成。        比如一臺PC，包含的子裝配件有主板、CPU、顯

22、卡、硬盤、顯示器等，其BOM的結構如圖4-1：    這個結構表示一臺PC由1件主板、1件CPU、1件顯卡、2件硬盤、1件顯示器、1件機箱組成。這種結構可以看成PC這種產品的一個屬性。在MES系統(tǒng)中，這種結構通過產品工藝路線的若干個工位體現，如圖4-2：    圖4-2表示PC的裝配工藝共分散在4個工位中。        為了記錄產品與其子裝配之間的關系，我們需要將產品的序列號與子裝配的序列號進行關聯。具體的操作如表4-3：    關聯完成之后，

23、MES數據庫里就保留了產品與其裝配件之間序列號的關聯關系，如圖4-4：    從技術的角度而言，有兩種方法記錄序列號的關聯關系。第一種方法是在數據庫里保存產品的結構，然后各相關序列號指向這種結構。第二種方法是直接記錄各序列號之間的關聯關系，形成一棵“樹”。比較而言，第一種方法方便形成批量數據關聯關系的報表，而第二種方法隔離了序列號數據與產品結構，所以產品的結構變了也不會影響歷史數據。        我們更傾向于采用第二種方法，因為這對于后面要說到的序列號關聯替換、注銷等操作更為方便。  

24、;      4.2序列號關聯表的設計        考慮到關聯的結構，用父-子節(jié)點來定義樹狀結構是非常方便的，效率也比較高。如圖4-5所示的結構：    ID字段是序列號所在的節(jié)點，SN是序列號，father_id是序列號的父節(jié)點，如為負數則表示此父節(jié)點并沒有對應的序列號存在，也就是說此SN是該節(jié)點數上的根節(jié)點，為方便，我們稱負數的節(jié)點為虛節(jié)點。    4.3新增序列號關聯      

25、  按照節(jié)點的設計，任何一次關聯動作可以看成把某一節(jié)點設置為另一節(jié)點的父節(jié)點，為方便敘述，我們統(tǒng)一稱為把SN1的節(jié)點設置為SN2的父節(jié)點，或者把SN2關聯到SN1上。        新增序列號關聯的方法為：更新序列號關聯表，設置SN2的父節(jié)點等于SN1的節(jié)點。        為避免邏輯上的混亂，我們在關聯之前必須進行檢查，規(guī)則為：        1)SN2的父節(jié)點必須為虛節(jié)點，也就是說SN2是根節(jié)點，這樣做

26、是為了保證任何一個SN只能有一個父節(jié)點。        2)SN2的父節(jié)點不能是SN1所在樹上的根節(jié)點。        例如，將2221關聯到1116上，如圖4-7    則2221必須沒有父節(jié)點，這樣不會造成大于1個父節(jié)點。而且2221必須不等于1116樹上的根節(jié)點(1111)。4.4序列號關聯替換        輸入舊序列號SN_old、新序列號SN_new，以進行替換。替換的前提條

27、件：        1)SN_new的父節(jié)點必須是虛節(jié)點，也就是說，SN_new必須是根節(jié)點。        2)SN_new不能等于SN_old所在樹上的根節(jié)點。        替換的方法為：        1)設置sn_new的父節(jié)點等于sn_old的父節(jié)點。        2)設置sn_old

28、的父節(jié)點為一個新的虛節(jié)點，這樣sn_old仍可以看成以sn_old為根的一棵樹。       如圖4-8的已有關聯：    以6666替換3333的結果如圖4-9：    4.5序列號關聯注銷        對于在序列號關聯表中已有記錄的序列號，它不僅有自己的節(jié)點，而且也可能是其它序列號的父節(jié)點，因此在注銷時可能對其它序列號產生影響。        序列號關

29、聯注銷的動作為：        1)定義該序列號的父節(jié)點為一新的虛節(jié)點；        2)更新所有該序列號的子節(jié)點，分別定義其父節(jié)點為新的虛節(jié)點。        例如：注銷1113，如圖4-10所示：            輸入單個序列號進行關聯查詢的方法為：      

30、60; 1)追溯至此序列號的根節(jié)點。        2)以根節(jié)點做遞歸查詢，列出所有樹狀結構的子節(jié)點。        3)在每個節(jié)點上，通過關聯表得到序列號的相關信息。        這種方法很容易還原生成序列號關聯關系的樹，而且也不存在效率的問題。        但是在實際的生產中，經常需要做大批量的查詢，并且生成格式統(tǒng)一的報表，比如根據工單輸出所有的關聯

31、序列號。象這種情況，如果還要逐個序列號進行迭代查詢的話那么效率就會有很大的影響。解決方法是，在查詢之前，系統(tǒng)定期對關聯數據進行后臺處理，把樹表展成平表，這樣查詢時就無需迭代，一條SQL就可以跑出所有的數據。具體的實現方面，需要數據庫設計方面的技巧，也可以參考數據倉庫的原理。第五章包裝       5.1包裝的概念        在MES系統(tǒng)中，我們定義包裝的概念為，將一個產品放在某一個不能代表此產品的容器中的動作。      

32、  舉個例子，將手機放入禮品盒的動作不是包裝，因為禮品盒序列號與手機的序列號是一一對應的，可以用禮品盒的序列號來描述此手機，因此兩者之間是序列號關聯關系。而將多件手機禮品盒打包到托運箱的動作是包裝，        因為一個包裝箱里包含了若干只手機，因此不能用包裝盒來代表某一件具體的手機產品。我們可以將包裝理解為在產品生產完成之后，為發(fā)貨而準備的一個動作。圖5-1是一個典型的包裝例子：    5.2包裝的實現       就技術的角度而言

33、，包裝和關聯實現的方法基本一致，都是用數據庫儲存樹狀的結構。但是由于包裝箱和產品的屬性還是有較大的差異，因此我們有必要分別處理。具體的來說，首先我們定義包裝箱的屬性，如尺寸、重量、物料號等，然后建立產品序列號與包裝箱序號的引用關系。圖5-1的包裝箱屬性，如表5-2所示：    包裝的基本動作是裝箱與拆箱，對應于數據庫層面的新增引用關系和刪除引用關系。5.3包裝與發(fā)貨        發(fā)貨意味著產品生產周期的結束，在許多企業(yè)里，往往有一個獨立于ERP與MES的發(fā)貨管理系統(tǒng)。   

34、 在執(zhí)行發(fā)貨的動作時，作業(yè)人員錄入箱號，然后從MES系統(tǒng)里得到此箱所有產品的序列號，以及按照物料匯總的統(tǒng)計信息；然后將序列號信息錄入到發(fā)貨管理系統(tǒng)，將物料匯總信息錄入到ERP。為了發(fā)貨的方便，通常將一些發(fā)貨的信息反映到包裝箱上，如張貼A4報表，或者貼二維條碼，以及反映相應的發(fā)貨單號等。由于許多信息是從MES系統(tǒng)中取的，為了提高效率，往往將這些動作提前放在包裝時進行。    也就是說，在包裝時就預先記錄了部分發(fā)貨信息。MES與ERP、發(fā)貨系統(tǒng)的關系，如圖5-4所示：圖5-4    第六章材料跟蹤    &#

35、160;   6.1為什么需要跟蹤材料        在許多情況下，我們需要對生產過程中用到的材料進行跟蹤，特別是針對一些關鍵的采購件。    比如PC生產商發(fā)現一批CPU有嚴重質量缺陷，那么必須知道這批CPU已經被應用到哪些產品中，也就是說必須根據CPU的批次信息，找到與之關聯的產品序列號。MES中的材料跟蹤模塊，就是為實現這個功能而設計的。        6.2定義材料     &#

36、160;  這里所說的材料，是指產品BOM中要跟蹤的零部件列表，通常分散在若干個工位中。要跟蹤的零部件列表是產品的一種屬性，定義方式如圖6-1：6.3定義物料        材料跟蹤與裝配的不同之處在于，子裝配件都有獨立的序列號，而待跟蹤材料沒有獨立的序列號，只有物料和批次信息。    比如對于常用的電阻電容，由于同一批次內的產品差異性不大，我們不會追蹤到每一個獨立的物料。通常對物料的定義建立在最小包裝單位上的，如對于盤狀包裝的貼片元器件，其最小包裝單位是盤，也就是說每一個單獨的包裝盤，都有一個

37、唯一的最小包裝物料編號，在此包裝單位的所有物料具有完全的可替代性。    最小包裝序列號包含以下屬性：ERP物料號、單位、數量、供應商信息、進料日期、失效日期。        6.4關聯        物料的關聯通過一個特殊的route工位進行，具體的操作是關聯產品序列號與最小包裝物料號。關聯的實現方法與裝配的方法較為類似，區(qū)別在于，裝配的時候，所有的序列號之間是一一對應的，而物料關聯時，一個最小包裝物料號允許關聯到多個產品中。如圖6-2：

38、60;   由圖可以看出，最小包裝1被應用到產品1、產品2中，最小包裝4被應用到產品2、產品3中。假設產品1應用到的物料1數量等于2，那么這個物料有可能是在同一個最小包裝里的，也有可能是在不同的包裝里的，那么怎么區(qū)分定義呢？        在貼片加工的工藝中，除了要定義物料的編號外，還要定義物料的位置，相同物料在同一位置出現的數量只能是1，因此在跟蹤時只要記錄產品關聯的最小包裝物料號與位置即可。        而在非貼片加工的工藝中，往往對位置的信息并不敏

39、感，因此在關聯時只要記錄產品序列號，以及與之關聯的最小包裝物料號和數量即可。        6.5跟蹤        通常有兩種跟蹤方式。        第一種是根據序列號跟蹤物料。根據工單或其它產品信息，得到產品序列號的集合，然后根據序列號集合得到物料的批次信息。        第二種是根據物料跟蹤序列號。跟蹤的依據都是最小包裝物料號和序列號的關聯關系。第

40、七章架構        MES主要由資源管理、流程控制、報表查詢3個大的模塊組成，如圖7-1所示：    MES中的資源包括工單、產品、序列號。工單從ERP導入，產品的基本信息也在ERP中定義。序列號根據工單和產品信息，在MES系統(tǒng)本地產生。流程控制模塊包括工藝路線控制、裝配控制、包裝控制、材料跟蹤控制。這些控制模塊都根據產品定義，然后基于序列號進行控制。盡管工單、產品、序列號幾乎貫穿于所有流程控制模塊，但是我們會將它們的擴展屬性與基本屬性分離，并拆分到各相應的控制模塊中，這樣就保證了各控制模塊的邏輯分閉。    數據中心模塊包括數據整理和數據查詢。此模塊將資源管理和流程控制中的數據，定期在后臺按照一定的規(guī)則進行整理歸類，然后提供統(tǒng)一的接口進行分析查詢。由于MES中的數量非常龐大，各類數據之間的引用關系又較為復雜，數據不整理的話，進行統(tǒng)計查詢的效率會非常低。       表7-2列出了MES系統(tǒng)中的基本角色及其功能。        由于MES系統(tǒng)的數據量龐大，連接數和并發(fā)量都比一般的系統(tǒng)大得多，所以必須采用支持這種特性的數據庫，如or