生产过程执行系统MES中的数据管理

作者：新余钢铁有限责任公司 刘毅斌

欢迎访问e展厅 展厅 3 CIO信息化管理展厅 电子商务/企业门户, IT运维管理, 制造执行系统MES, 流程管理BPR/BPM, SOA/SaaS/云计算, ... 摘 要：以过程数学模型为核心，对生产过程进行实时监视、诊断和控制，完成各生产环节的整合与系统的优化。同时对生产过程涉及的物料、能源、设备、质量和数据统一监控和管理。全面介绍了MES 系统在实施过程中数据的分类、提供以及备份等。在实施ERP 的过程中得出：只有对MES 系统数据进行全过程的有效管理才是MES 系统实施成功的根本保证。 关键词：MES 系统数据 管理 引言 MES（manufacturing execution system），以过程数学模型为核心，对生产过程进行实时监视、诊断和控制，完成对整个生产环节的整合和系统的优化。在生产执行层进行物料平衡，安排生产计划，实施调度、排产及优化。同时对生产过程涉及的物料、能源、设备、质量和数据统一监控，在生产过程中，数据是整个系统有效运行的关键。 1 MES 数据的分类 根据 MES 的作用来分，MES 的数据来源可分为管理信息、资源信息和实绩信息几种。 1.1 管理信息 管理信息主要包括调度信息、质量管理信息和人员管理信息。 1.1.1 调度信息 主要指生产计划人员根据客户订单及现有原材料、坯料、设备状况、能源状况，编制下达的一组一段时间内的生产计划，以及由此形成的数字化文件（其中内容包括：数量、品种规格、交货时间、质量等级、工艺路线等）。下发传递到生产分厂后，由生产分厂分解成为日生产计划，再由执行调度直接分解为当班应执行的浇次计划。 1.1.2 质量管理信息 主要指对从制造过程收集来的实时数据进行测量分析，并将其与资源信息中的工艺规范、质量标准等进行比较，来确保产品质量得到严格控制，并使那些因为超标而需要被特别关注的问题实时反映给管理人员。其中包括一些有关联的问题、操作和结果帮助管理人员确定问题的来源。同时它还可以提出一些专家建议或可能方案来纠正已经出现的问题。在对这些信息进行深度发掘后，还可以包括对产品检测操作的标准过程控制、标准质量控制跟踪和管理等。 1.1.3 人员管理信息 主要指人力资源的状况：班次、人员结构、员工接受教育及培训程度、以往岗位作业的追踪记录。这些直接关系到管理人员能否对人力资源的合理调配与管理实现优化配置，使员工的能力和技术水平，以及潜力得到最大程度的发挥。 1.2 资源信息 这是一个笼统的概念。简单地说就是包括：人员、机器、材料、方法、环境等一切可利用实物的数字化编码、工艺规范、质量标准、检验标准等，为保证作业活动正确展开的所有数字化信息。譬如：现有人员的基本情况、材料、设备以及备品、配件的状态、所生产产品的数字化信息、所涉及产品的生产技术和操作规范以及当生产有环境要求的产品时所需的环境条件。它是实现其它处理的基础，通过对它的归纳、分析、判断可以使MES 系统得出评价结果。 1.3 实绩信息 主要包括：过程管理信息、维护管理信息、产品追踪信息、执行分析信息。 1.3.1 过程管理信息 过程管理信息指在所有生产过程中的已经完成和正在执行的生产情况。其中不仅包括生产实绩、还包括这些操作实绩与预定计划的差距。特别意义在于管理人员可以根据其中提供的信息对将要进行的生产进行控制，对操作实绩偏离预定计划的适当处置；并结合前面的管理信息、资源信息的变化及时做出生产线上的调整，以适应需求或条件的改变达到最佳的生产业绩和产品实现。 1.3.2 维护管理信息 维护管理信息指设备和工具的维护作业情况和备用情况，用以确保定期维护的实施或每当问题发生时的反应以及故障的处理与恢复。同时也为调度人员提供准确的设备和工具的实时状况，使得管理人员能在设备或工具在出现异常后能迅速做出反应，以避免可见和不可见的风险。它还可以通过准确的历史记录来协助预防并诊断新出现的问题。 1.3.3 产品追踪信息 产品追踪信息指正在制造过程中和已经生产的产品的全部状态信息。其中包括已生产产品的物料组成（包括原料产地、化学成份、物理特性、质量情况等）、批次、序列号、作业标准、工艺过程及路线、规定的工艺参数与实际值、设备及工具情况、操作者、质量检验情况、产品去向等，这有利于在出现问题时或在进行生产工艺过程分析时，获得准确真实、全面的信息；正在制造过程的产品信息包括既往过程及记录、当前的生产情况、条件及记录、后续的工艺走向、既往的任何报警信息、返工（返修）或者与产品有关的其他例外情况。通过数据发掘它可用于产品质量异议处理、生产工艺过程及参数的及时分析和改进提供依据、生产策略或计划的调整。 1.3.4 执行分析信息 执行分析信息主要指系统通过比较得出，最新作业实绩以及以往作业结果与标准、规范、合同等书面文件的比较关系。它通过从不同的数据报表功能中收集、汇总各种作业参数，在系统中进行优化、比较后，最终得到能对既往和现在作业活动进行全面评价的输出结果。其输出具体包括：作业过程的缺陷判断、设备及工具合理配置的分析、人员操作状况的分析、过程方法错误的发现、控制方式瑕疵的确定等一切有利于改进的结果。 2 在整个MES 中数据的主要流向 如图 1 所示，MES 的数据流向确切的说应该是MES 数据的使用，因为有了MES 系统，所有的数据均能实现共享，但为了减少不必要的数据访问，以减少系统服务器的工作压力，保持系统运行的高效率。我们会人为的规定数据传递的方向以控制其使用。现结合一个订单的完成过程来说明数据的单向传递。如果用质量管理“戴明环”的模式很容易对图1 进行分析。 2.1 计划P（plan） 生产计划部门依据客户合同，结合生产技术文件包括规范、标准（必要时包括附加要求α ）、检验标准、设备工具状态、原料、燃料状况。形成数字化生产计划交付生产部门。 2.2 执行D（do） 生产部门按照计划，依据技术文件（规范、标准）组织人员使用适宜的设备、工具，通过合理配置相应的能源及环境条件后，进行作业活动，以确保在规定的时间内完成产品实现，能够满足客户要求。通过在生产线各工位配置的数据采集设备，收集生产的实时数据（物料、设备、人员、产品品质状态、在制造品序号），并在数据采集过程中，实时地比较产品实现过程是否符合规定的技术文件。 2.3 检查C（check） 包括两部分：① 产品实物的检、化验、计量。在这里检测人员按照规定的方法和程序（数字化的检验标准）完成对产品实物的最终判定，并形成规范的文件，以证明产品满足客户要求；② 生产过程的检查包括生产分析、设备分析、工艺分析、各岗位操作分析。其作用在于让管理层、生产、品质、技术等部门利用分析及查询工具了解生产的状况及趋势。 2.4 行动A（action） 即对以上分析结果的处理。 3 数据的提供 MES 系统中的数据可分为基础数据和动态数据两类。基础数据包括：原料、燃料、能源、产品、技术文件的数字化、设备、夹、装工具编码、人力资源编码、工艺流程编码确认、信息统一等；动态数据指系统从L1、L2 级计算机中的收集、整理的数据。在这二者中动态数据可以说比较容易实现，只要将生产的实时数据从过程计算机的数据库（多为SQL、Intouch）中取出，或直接从现场PLC 中取得，实现动态数据的准确，可以说完全是硬件配置的问题，解决起来也相对容易的多（当然在具体的编程过程中还是要一次性地花去很多时间，特别是在核对原有数据库的字段名和PLC 现场测量点的时候），而基础数据则不同，基础数据内容庞杂、种类繁多，且基础数据有准确和不准确、规范与不规范、实时与过时之分。 在收集基础数据时，首先必须制定科学、适用、完善、可扩展、通用性强、可移植的一个编码规则。因为在大型的流程性材料的制造业中原料、燃料、能源、产品、技术文件等有几十万种，编码规则如果过于简单则容易重复、如果太复杂则又会增加编码的难度、且会直接导致数据库过于庞大，在系统上线后严重影响系统速度；合理的编码规则可以为将来企业扩大系统的编码范围提供可能；合理的编码规则可以为企业实施ERP 提供可移植的编码体系；合理的编码规则可以减轻编码的难度。同时必须采取必要的措施保证基础数据的真实与可靠，有条件的单位可以建立一个相应的机构通过制度来确保基础数据的收集质量。 4 数据的备份与数据的恢复 4.1 数据的备份 数据加备份数据对于MES 等任何一个大型系统来说都是至关重要的。然而，硬件故障、软件损坏、病毒侵袭、黑客骚扰、错误操作以及其他意外原因都时刻威胁着数据的安全，系统可能随时崩溃而无法工作。或许在不经意间，宝贵的数据以及长时间积累的资料就消失殆尽。那么唯一的办法，就是备份。 备份不等于复制，两者的最大区别就在于备份所要做的不单是复制文件的内容，还有文件的权限，包括系统内的各种参数等，这些都可以复制出来，但是不能通过复制操作恢复它原有的属性。这在Windows NT/2000系统和其他大型网络操作系统中体现得就比较明显。一般情况下凡是经过耗费人力物力搜集、建立、整理得来的数据，都有必要建立备份。例如MES 系统中的数据库、服务器、群组软件，源程序等都应该备份。 备份是枯燥乏味的周期性工作，一般应该设置在非工作时间进行，以免影响机器的运行，可以在中午的休息时间或是深夜，备份的周期可以是每日、每周或者每月。备份方案可以是完整备份、递增备份或者差异备份。有时遇到特殊的情形，也需要做临时的备份工作。 MES 这样的大型企业系统而言，备份的数据应放在专用的备份机器上。如磁带机、磁盘柜等。 采用何种方法备份，要从硬件和软件两方面考虑。硬件方面，主要考虑选择备份文件用的存储设备和位置。 软件方面，则侧重选择备份程序或自编软件利用其功能。 备份的方式有很多；按照备份目的地可分为： ① 本地备份：在本机硬盘的特定区域备份文件； ② 异地备份：将文件备份到与计算机分离的存储介质。如光盘、磁带、磁盘柜等介质。 按照备份存储的介质可分为： ① 活动备份：备份到可擦写存储介质，以便更新和修改； ② 固定备份：备份到不可擦写的存储介质，以防错误删除和别人有意篡改； 按照备份方式可分为： ① 动态备份：利用软件功能定时自动备份指定文件，或文件内容产生变化后随时自动备份； ② 静态备份：为保持文件原貌而进行人工备份。 Windows 系统本身同样提供备份功能，单击“开始”→“程序”→“附件” →“系统工具”，然后单击备份图标，即可运行备份程序。使用此备份工具，具有以下作用： ① 备份硬盘上选定的文件和文件夹； ② 将备份的文件和文件夹还原到硬盘或可以访问的任何其他磁盘； ③ 创建一张紧急修复盘，在系统文件被破坏或意外删除时，它可以帮助快速修复这些文件； ④ 复制远程存储的所有数据，以及存储在已装入驱动器上的所有数据； ⑤ 复制计算机的系统状态，包括注册表、启动文件和系统文件； ⑥ 备份服务器上的服务和域控制器，包括Active Directory 目录服务数据库、证书服务数据库和文件复制服务的SYSVOL 目录。 4.2 数据的恢复 数据恢复是一个把异常数据还原为正常数据的过程，基本上是一种逻辑处理。数据发生损坏，如果之前做过备份，此时备份的数据就派上用场，可以通过数据恢复将原有的备份恢复，如果没有备份，只有采取其它方法，此时数据恢复的机会取决于数据损坏程度和恢复技术的高低，从这里也可以看出备份的重要性。 数据损坏是瞬间发生的事情，正确判断数据损坏的原因和明确应采取的对策是很重要的。导致数据损坏的可能原因如图2 所示。 只有对情况有一个准确的判定，才能做出准确的应对。一般来说，问题可以归纳为以下几种情况： ① 硬盘无法完成正确引导。因物理故障造成的逻辑损坏、引导区故障、重要扇区崩溃等，都会使系统不能完成正常的启动过程； ② 文件丢失。由于有意破坏，误删除等都会造成数据的丢失。另外，这种归类不仅仅包括某个或某几个文件，也适用于目录、分区或卷的丢失； ③ 文件无法正常打开。由于病毒感染，加密，文件头损坏等情况，会使文件无法正常打开； ④ 数据紊乱。由于各种因素的影响，数据库中的信息、文本文件等，可能面目全非。 数据被删除、感染病毒、误格式化等情况下一般采用磁盘操作软件和专业恢复软件等各种软件结合的方法可以恢复。物理损害（硬盘控制芯片损坏，硬盘马达故障、磁盘盘片严重损伤等）则需要采用专业技术手段先解决硬件上的问题，然后才能根据不同的情况采用不同的数据恢复方法。但是在一些特殊情况下则完全不能恢复：数据被覆盖、低级格式化等。 5 数据的安全 数据的安全可以说是如何一个系统的首要问题。根据MES 系统在企业中的分布和工作过程，可以将数据安全划分为四个层次：网络安全、软件安全、数据采集安全、使用安全。 5.1 网络安全 MES 实时数据库服务器可以放置在L1、L2 级计算机的中心机房，也可以放在企业的中心计算机机房等任何地点。以双网卡方式连入公司主干网，其中一个网卡和现场数据采集机以及现场监控机划在一个虚拟网中，构成控制网；另一块网卡划入企业管理网，从而有效地隔离管理网和控制网，保证控制网安全。接入企业管理网的网卡还可以接入硬件防毒网关或防火墙，进行网络病毒监控和阻断，以彻底管理病毒。 5.2 软件安全 它包括至少三方面的问题：首先操作系统安全，MES 系统的网络往往分布在企业的个个角落，任何一个主机或操作站都应采用正版的操作系统软件，可以在发现系统漏洞后及时得到来自软件提供商提供的安全补丁；其次数据库安全，也是同样的道理；第三应用系统安全，对于任何一个刚开始上MES 系统的企业来说，或多或少地都对应用系统安全会有很多的关注，企业应关注应用系统提供商的业绩，关注应用系统的体系结构（一般来说采用分布式系统较为合适），并在正式上线前进行一定的软件安全性测试； 5.3 数据采集安全 系统可以直接从L1 级的PLC 中获取，这样可以确保数据采集的安全；或者采用独立的数据采集站利用专业采集网卡；或有通过工业总线与PLC 通信底层利用专业采集网卡，通过工业总线与PLC 通信,然后由系统从L2 级中获取。 5.4 使用安全 MES 系统中的每一个使用用户必需拥有一个经过授权的帐号，每个用户帐号由用户名和密码组成，用户可以在受权范围内进行操作，受权范围由系统管理人员定义来决定，系统用这些信息来判断用户访问MES 系统或数据库时的不同权限。 6 结束语 MES 系统是企业实施ERP 的基础，它打通了制造业实施以信息化带动产业化过程中实现“产销衔接、管控一体、三流合一”中的瓶颈，将一个个“孤岛”信息有效地联系在一起。在这其中数据的作用可见一般，只有对MES 系统数据进行全过程的有效管理才是MES 系统实施成功的根本保证。(end)

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