基于物联网技术的企业MES系统

物联网( Internet of Thing， IOT) 是通过模拟人类之间的信息交互方式，将各类信息感知设备嵌入物体中，实时获取物体的状态信息，并将这些物体传感器通过通信网络互联起来，对感知信息进行智能处理，实现对物体的管理、协调和控制的一种高度信息化技术，其可以实现信息的交换与通信。目前，大多数企业实施的制造执行系统( Manufacturing Execution System，MES) 的主要功能是信息的管理与“上传下达”，对于物流配送系统和制造过程中的生产实时状态以及产品全寿命周期等的实时监控能力较弱，而且系统信息管理与信息的实时更新之间也存在着断层。随着互联网技术的发展，物联网可依托的各方面技术也相应得到发展，例如，大规模的感知信息处理技术、云计算技术等，而且成本也趋于降低。基于物联网技术的MES 系统设计，可以实现企业整个生产制造的实时监控及全方位管理，从而真正实现“管控一体化”，这对于完善MES系统的功能、弥补控制与管理的断层意义重大。

笔者以某拖拉机装配厂为背景，结合企业的制造执行系统现状，针对企业物流配送，以及装配过程实时监控能力弱、报警系统不完善和信息交互不及时等问题，运用过程控制理论和物联网技术，在实际调研和系统改进目标分析的基础上，提出基于物联网技术的企业制造执行系统改进方案，即通过增加物流配送管理、现场生产线实时运行状态监控、预防报警指挥和远程监控等模块，对企业制造执行系统的功能进行完善，实现企业制造过程的全方位监控和物流运输的实时跟踪，从而提高产品质量，实现企业高度信息化和智能化的管理要求。

1 MES 现状与改进目标分析

1.1 企业MES 现状分析

某拖拉机装配厂主要生产大功率系列轮式拖拉机，功率覆盖51.45 ～ 205.8 kW( 70 ～ 280 马力) ，共200 多个基本型产品及1 000 多种选装变型产品，产品生产过程涉及订单、生产计划、装配、物流、采购、质量管理等环节，属于典型的流程制造。流程制造是一种通过一系列的生产方法，包括使用通用的设备，使生产线上的每项任务都有稳定的周期时间，并按照加工工序的顺序，使产品能够迅速、平稳地由一个工位“流动”到下一个工位的生产组织方式。其不同于离散制造的独立控制，既要对流程制造的各任务与批次之间实现全面的综合管控，又要对关键环节实施实时追踪，最终才能实现“一个流”的生产。

企业现有的MES系统主要针对流程生产中的关键点进行控制，实现的主要功能有生产计划管理，主机跟踪管理、生产装配指示、关重件档案管理、停线管理、LED 生产看板、报表管理等。MES 功能结构如图1 所示。

图1 现有MES 的功能模块

现有的MES 系统主要实现了基本信息的存储及共享功能，并不能满足企业对生产过程全方位的监控管理和物流状态追踪的需要。首先，装配厂远离零部件供应商，且拖拉机装配过程复杂，厂外物流配送系统庞大，整个物流运输成本高，为确保配送的零部件质量，增加了物流运输途中的质量监管力度。其次，目前该车间装配线的监控主要使用的是条码技术，其工位员工采用手动方式对物品逐一地进行扫描跟踪，整个操作过程工人的劳动强度大，工作效率低，并且条形码容易受作业环境的限制，不能重复使用。此外，现场报警系统不完善，当某个工位发出急停信号时，现场生产管理人员很难及时发现造成停线的具体工位，而且也没有对停线信号进行历史记录，也就无法将停线信号及时发送给MES 系统，最终导致MES 的部分功能发挥不够充分。再者，现有的MES 系统对于客户反馈的信息交互不及时，致使出现的产品质量问题不能及时地得到处理，严重影响了企业的信誉度和市场竞争力。

1.2 改进目标分析

物联网是建立在Internet 基础上，利用RFID( 射频识别) 、无线数据通信等技术构造的一个实现全球物品信息实时共享的网络。物联网的核心能力是全面感知、可靠传输、智能处理［5 － 7］。将物联网技术与MES 进行集成，依托物联网的视频监控技术实现物流车辆运输的实时监控; 用RFID 技术取代条形码技术，实现装配线上物品的实时在线跟踪，减少装配过程的人工干预，既可以降低工人劳动强度，又能提高工作效率。将物联网技术应用于装配厂，并融入到MES 系统中，可有效实现企业系统的集成和动态监控，达到企业高度信息化的要求。

通过对企业MES 现状的分析，结合物联网技术，以实现对企业生产过程全方位的监控管理和物流状态追踪管理为总体目标，完善原有系统功能，实现厂内物流和厂外物流的可视化操作和智能化管理，保证产品全寿命周期的质量，具体有以下改进目标：

1) 将物流配送系统与物联网技术结合，对厂内物流和厂外物流实时全方位的跟踪管理，保障物流畅通，加强产品在运输过程中的质量监管力度；

2) 将物联网技术应用于车间装配线上，用RFID技术代替原有的条码技术，甩掉手工操作方式，实现生产线数据采集智能化和在制品实时监控可视化，降低人工的管理成本，提高生产效率；

3) 完善报警系统。在原有停线管理的基础上，通过物联网将实时数据传输到MES 信息中心，开发设计系统并进行远程监控，显示报警的具体工位，并记录报警的历史数据；

4) 在企业实施信息化的基础上，通过物联网的数据传输技术，针对用户需求签订协议，对产品进行远程监控，做到随时发现并解决问题，从而保证产品整个寿命周期的质量。

2 基于物联网技术的MES 系统改进方案

2.1 系统的硬件架构

根据MES 系统和物流配送管理现状，充分使用物联网的技术优势，在原有系统的基础上建立一个具有组网技术的灵活的MES 指挥中心；在装配厂的生产现场安置摄像头，利用先进的GPS 全球定位系统和卫星系统，实现系统的总体功能。其系统硬件结构如图2 所示。

图2 系统硬件架构

2.2 系统体系结构

制造执行系统与物联网技术利用统一的系统接口实现数据信息的互联互通。根据ISO 定义的MES功能层次模型，将MES 软件体系结构从整体上分为数据采集层、数据集成平台层、应用层3 层功能模式。首先，MES 的数据采集层利用物联网技术感知层的识别感知技术获取车间的实时数据，并通过MES 数据集成平台进行智能计算处理和管理; 然后，借助于物联网的网络层，实现数据传输和应用，供决策层上传下达; 最后，通过后台的信息储存进行数据交换，达到实时信息共享。数据是物联网与MES 集成的媒介，物联网技术是系统实现在线监控、实时监测的手段和支撑力量，而制造执行系统是整个系统的核心力量。

2.3 系统功能结构

结合物联网的RFID 技术、数据传输、智能处理技术，在把握系统总体目标的前提下，将物联网与MES 进行集成，并对企业MES 功能加以补充和完善。基于物联网技术的装配厂MES 系统的功能模块有系统管理、生产计划管理、主机跟踪管理、生产装配指示、关重件档案管理、停线管理、LED 生产看板、报表管理、物流配送管理、生产线运行状态监控、预防报警指挥和远程监控等模块，应用于拖拉机产品的全寿命周期管理中。针对企业全方位监控管理和物流跟踪管理的系统功能模块如图3 所示。

图3 系统功能模块

2.4 系统数据库

对系统设计的总体目标进行分析，在确定系统的改进方案后，建立系统数据库。然后设计数据表，包括产品基本情况表、物料主数据表、关重件配置表、销售代码、装配配置表、分装线生产表、总装线生产表、主机关重件装配档案表等。其中产品基本情况表和关重件配置表如表1 和表2 所示。

表1 产品基本情况表

表2 关重件配置表

2.5 系统实施的关键技术

系统研究的监控功能所依托的物联网技术主要有: 感知识别技术、组网与泛在接入技术、大规模感知信息处理技术等，而对于MES 开发与实施涉及的关键技术包括了计算机操作系统、网络技术、数据库技术、MES 体系结构、开发应用技术和接口技术等，其中接口技术主要包括管理系统接口和控制系统接口。此外，进行MES 的开发和实施还需要考虑MES系统与物联网后台系统的可配置性。

3 MES 系统改进功能模块设计

为了实现对企业进行全方位的监控和管理，结合基于物联网技术的制造执行系统改进方案，对系统原有的功能模块进行补充，即增加系统管理模块、物流配送管理模块、生产线实时运行状态监控模块、预防报警指挥和远程监控模块。

3.1 系统管理模块

系统管理模块是企业整个系统的基础数据部分，其可以进行系统相关基础信息的设置，机型配置管理，系统关键操作日志管理，系统与数据库备份、恢复管理等工作。它依据标准的信息对象，对整个装配厂进行虚拟化处理，建立基于产品、装配的设备单元和生产路径的生产流程，并提供与各个外部系统的连接。

3.2 物流配送管理模块

此模块可实现对运输车辆的运行路线、运行位置、运行状态的动态监控，既能实现厂内物流和厂外物流的可视化，又能保障货物的安全。图4 为物流配送管理工作流程。

图4 物流配送管理流程图

物流配送功能主要是依靠GPS 定位来实现的。首先在物流运输车辆的前后分别安装一个摄像头，通过前方安置的摄像头采集交通数据和运输路面情况，经过车载GPS 终端将数据传输给MES 指挥中心GPS 服务器，并在大屏幕上显示前方路况和准确的交通信息; 然后，基于电子地图的配置和车辆行程时间历史数据库等基本信息，通过物联网技术将数据融合并形成准确的交通数据，再根据运输管理软件的处理方式进行运算、预测; 最后，通过车载导航设备等传播媒体将路面实时情况发布给车辆司机，供司机选择正确的运输路线，以期避开交通高峰期和路况不好的地段，减少货物的运输时间，从而保障货物的运输质量。另外，MES 指挥中心可以通过车辆后方的摄像头随时查看货物的情况，如果遇到货物发生移位、损坏或被盗等情况，立即通过车载GPS定位终端将信息传送到MES 指挥中心，并触动系统报警指挥，基于呼叫中心服务器，及时通知运输车辆的司机进行停车查看，这样不仅保证了零部件的质量，还可以避免增加物流成本。再者，如果销售部已经通知客户发货，但是客户还没有收到货物，MES 指挥中心就可以通过电子地图将车辆当前的位置和其他信息直观地呈现给客户，客户也可以在系统中调用监测车辆的历史信息。

3.3 生产线实时运行状态监控模块

生产线实时运行状态监控主要依托现场的视频采集设备，即在每个车间安装可360�旋转的视频采集设备，对装配车间的每个方位进行实时监控，在MES 指挥中心的显示器上每5 s 更新一次画面，并通过调度中心监控系统中的人机界面，以及现场PLC 系统的实时信号，动态显示出当前每条机运线的状态。现场生产线实时运行状态监控界面如图5所示。

图5 现场生产线实时运行状态监控界面

3.4 预防报警指挥与远程监控模块

基于物联网技术的报警指挥模块的功能是: 在原有的停线管理的基础上，将影响正常生产的各种因素组成一个专门的信息库，然后根据客户的需要与客户签订协议，并通过无线通信专线与客户建立产品售后服务远程监控，最后利用物联网的大规模数据处理技术，实现装配生产的在线诊断，做到及时发现问题，并安排相应的专业人员实施管理，从而避免由于一错再错而造成的无法弥补的损失。改进后的MES 报警指挥流程图如图6 所示。

图6 MES 指挥中心报警指挥流程

4 结论

物联网技术与MES系统设计的有机结合，为企业加快信息化步伐、提高产品质量和生产制造过程的安全度起到了推动作用，也为增强企业的竞争力提供了有力保障。笔者通过对某拖拉机装配厂现有MES 系统的分析和研究，提出了基于物联网技术的制造执行系统改进方案，并完善了原有的MES 系统功能，为企业面临的物流运输与生产线实时监控薄弱，报警系统不完善和信息交互不及时等问题提供了有效的解决方法，弥补了企业制造执行系统在实时监控管理方面的不足，对提高企业生产控制和管理效率具有一定的实际意义。