基于MES的生产管理系统应用
随着信息技术的发展和应用，信息系统在企业中的使用也越来越广泛。不仅可以使企业内部和企业间的信息流通更为便捷和频繁，同时可以提高管理的水平，有助于提高企业的生产效益。
企业信息系统主要涉及三个层面：计划层、执行层和控制层。在计划层上，各类企业资源计划ERP（Enterprise Resources Planning）系统迅速普及；在控制层可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）,集散型控制系统DCS（Distributed Control System）得到大量应用。但是在执行层，生产过程中无法得到切实可行的作业计划做指导；工厂管理人员和操作人员难以在生产过程中跟踪产品的状态数据、 不能有效地控制在制品库存，而用户在交货之前无法了解定单的执行状况。针对这种状况，1990年11月，美国的调查咨询公司AMR（Advanced Manufacturing Research）首次提出制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）的概念。
1 MES系统
1.1 MES的概念
MES是美国管理界20世纪90年代提出的新概念。美国先进制造研究机构AMR通过对大量企业的调查发现于1992年提出的三层的企业信息系统集成模型（如图1）。
图1 AMR的三层企业集成模型
MES国际联合会对MES的定义：MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时作出 反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过 程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品 行为的关键任务信息。
1.2 MES的功能
MES为一系列管理功能，而并非一套软件系统，它完全可以是各种生产管理的功能软件集合。MES国际联合会通过其各成员的实践归纳了11个主要的MES功 能模块，包括：工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能 分析和数据采集。
MES的各功能模型与企业其它信息化系统的关系如图2。
图2 MES的各功能模型与企业其他信息化系统的关系
实际的ME5产品可能同时包含了其中一个或几个功能模块。
我国对MES的研究开发起步较晚，目前主要停留在MES思想、内涵及体系结构方面的研究上，应用系统开发一般局限于MES单一功能。
1.3 基于MES的生产管理系统
通过对某航空企业车间生产管理特点和MES功能本质的分析，提出了企业信息系统的三层结构（企业资源计划、制造执行系统、现场控制系统）的信息化管理方案。
控制层：主要负责生产过程的自动控制与现场数据的采集与初步分析。以PLC作为过程状态和工艺、质量参数采集的基本单元，以AS2I总线和工业现场总线构成基本网络。
执行层：主要功能是动态的生产调度、生产过程实时监控和现场数据的分析。MES系统主要由MES软件、MES数据库服务器、MES调度台、车间作业信息显 示屏等构成，采用星型拓扑结构的工业以太网络联接；该网络连接集中于中央节点，便于网络维护和资源配置，当网络中一个节点出现故障时，易于进行隔离检测和 维护，不会对其他节点造成很大影响，不会导致整个网络的崩溃。同时网络节点的接线方式也便于系统的监控和管理。
计划层：即企业资源计划，主要进行管理决策与生产计划，重点突出ERP管理平台的建设。
从企业信息化构架上来说，MES作用于上层的ERP管理系统与现场控制系统之间；在功能上，MES要实现生产管理和协调的目的。
2 系统设计
目前，企业信息系统一般采用C/S（Client/Server）和B/S（Brower/Server）两种架构模式。由于生产现场条件的限制，采用 Cl5模式对系统硬件的配置要求高、成本大；同时C/S较B/S相比维护工作量大、系统升级麻烦、系统开发维护成本较高，因此系统采用了B/S体系结构， 以C#和.NET作为主要开发工具，后台数据库采用SQL Server。开发完成的系统及数据库安装在WEB服务器，通过IIS发布到互联网上，生产车间和上层管理人员在办公室通过企业内部网络浏览器向WEB服 务器发出请求，WEB服务器上的IIS服务再根据用户请求，执行相应的操作，并将结果生成HTML文件发送到客户端（如图3）。
图3 Web应用程序响应客户端请求过程图
2.1 硬件环境
根据某研究所对数据处理和数据传输的要求，及数据处理量的要求结合企业实际数据处理量、现有的硬件资源和部门特点，为企业设计的系统硬件结构（如图4）。 系统部署在管理大楼的系统服务器上。管理大楼内的终端用户可通过中心交换机直接访问系统服务器，厂房内的终端用户通过前置交换级与中心交换机进行级联，从 而访问系统服务器。
图4 系统硬件结构图
该系统通过对各个生产单元的数据采集和反馈，组成覆盖全部门的满足闭环管理需要的开放式以太网络。系统以数据库服务器为核心，进行实时数据存取和比照，产生各类统计分析报表，实现生产信息的监视、控制和生产过程的管理，提供标准网际网络的浏览查询和资料索取。
2.2 软件架构
系统采用基于.NET的B/S软件构架进行开发故整个系统采用标准的三层体系架构（WEB表示层、业务逻辑层、数据访问层）以实现软件功能模块化、模块接口标准化、数据格式统一化。
图5 系统软件架构
WEB表现层是系统功能的显示界面，同时提供系统与用户交互的接口。表示层主要包括安全认证模块和页面显示模块。安全认证模块主要对用户的身份和访问权限 进行认证，确保用户不能越界工作；页面显示模块由ASPX或HTML页面组成，负责接收用户的请求与输入数据。整个表示层采用XML描迷，程序运行时进行 解析，方便以后进行修改。业务逻辑层的控制机制引人了有限状态自动机，通过状态机来控制业务流的流动执行，有效控制了业务流的逻辑性和顺序性。它是制造执 行系统的重要组成部分，具体实现产品生产计划的制订、执行以及对产品数据的跟踪与处理。数据访问层主要完成系统与后台数据库之间的交互，该层由数据访问模 块和业务数据组成。数据访问模块封装对数据库的具体操作，接收业务处理模块的数据访问请求，并将操作结果以业务数据的形式返还给业务处理模块。
根据某航空研究所某部门的实际需求，采用了基于XML界面自动生成技术。即采用界面解析器解析界面描述XML文档。界面解析器是一种事件驱动的用来解析XML文档的编程接口。图6阐述了从界面解析器事件创建.net用户自定义组件对象的过程。
图6 一个界面解析器向用户界面发送事件
Framwork类实现了错误处理和文档处理的接口，提供了一种更简单的方式处理界面事件。FramworkDescriptor类中build方法负责 初始化XML文档的解析，初始化过程又将引发一系列的事件发生，这些事件将引导界面组件的构造过程。在build方法中，先将界面解析器的内容处理接口设 置为FramworkDescriptor类，由此指示解析器向这个类发送所有事件。再通过调用该解析器的parse（）方法初始化XML文档的解析过 程。在parse（）方法中用构造函数中指定的XML文件创建一个XmlDocument对象，然后再创建一个XmlNodeReader用它来读入界面 描述XML文档。当文档的解析过程开始时，事件将被逐个激活。当遇到每一个元素时，就调用已经重写的startElement方法，访问元素的名称以及附 加在元素上的属性列表。
基于XML界面自动生成技术不仅实现了表现层和业务层的分离，提高了程序的可维护性和可重用性，而且通过修改界面描述的XML文档，可以在不重新编译的情况下实现对用户界面的修改，同时减少了界面开发中重复性的工作，提高效率。
2.3 数据访问
系统中所有的数据都存储在数据库SQL Server2000中，采用ADO. NET访问和操作数据库。ADO. NET用于多层应用程序，实当今信息系统应用程序最常见的体系结构。与传统的ADO数据访问方式有本质区别，ADO使用OLEDB接口并基于COM技术， 而ADO. NET拥有自己的ADO. NET接口，基于Microsoft公司的.NET体系架构。组成ADO. NET的类分为两大类型，即为.NET数据提供对象和用户对象。其中，提供对象用于完成数据从数据源的读取和写入等实际操作，当数据被读到存储介质后，再 由用户对象完成数据的访问和操作等。提供对象包括Connection、Command、CommandBuilder、DataReader和 DataAdapter等，用户对象包括DataSet、DataTable、DataColumn、Datallow和DataRelation等。 Dataset类是ADO. NET断开式结构的核心组件，用来实现独立于任何数据源的数据访问。
关系模型是目前最流行的数据库模型，下面介绍目前关系数据库持久化对象数据的结构。
图7中所采用的方法是在SQL代码是嵌入在domain/business类中，这种策略是针对小型系统能快速开发。但是它的缺点也是很显然的，SQL代 码是写在源代码中，这就意味着任何一个简单的改变例如改变数据库中表的一个列名，则必须修改源代码。这种修改对于一个小型系统尚可接受，如果对于大中型系 统，这种缺陷是极为严重的。
图7 SQL代码嵌在业务逻辑中
结合某航空研究所某部门的实际需要，采用图8的方法，即将business类的sqL代码写在独立的一个或多个数据类中或在存储过程中。这种方法相对于把 SQL代码嵌入在domain/business类中有了很大的进步，但是这种方法同样也只适用于busines，类小于40至50个左右的中小型系统。 这种方法做到了压缩源代码，而把处理SQL放置在了数据层。
图8 SQL与业务逻辑的分离
2.4 报表设计
Crystal Reports可以快速方便的创建复杂且具有专业外观和演示文稿质量的交互式报表，具有功能强大、性能稳定、操作便捷等特点。通过将Crystal Reports报表处理功能整合到系统的数据库应用程序中，应用程序节省开发时间并满足用户的需求。在VisualStudio. Net IDE中，Crystal报表专家可以基于实际需要方便快捷地设计报表。用Crystal Reports Designer设计报表，首先，要确定报表的数据源，通过报表设计选项卡对报表中要显示的数据进行布局设置，并将报表保存为报表文件（.rpt）；其 次，在页面上需要显示报表的地方添加CrystalReportViewer控件；最后，在需要显示报表的时候，用程序代码将控件与要显示的报表绑定起 来。Crystal Reports的使用简化了系统报表设计的过程，且通过使用Crystal Reports提供的其它功能，便于实现报表打印、页面导航等。
2.5 权限的设计
根据系统模块，将系统角色进行划分。设定系统管理员维护用户表，用户表中有设定每个用户的用户名、密码。用户名和密码提供系统安全性，即用户登录时要提供 合法帐号。同时系统管理员来分配用户所具有的角色，不同的角色具有不同的功能，系统会根据用户拥有的角色自动加载用户具有的菜单，菜单代表着不同的功能权 限，从而达到权限控制的目的。
3 系统功能实现
下面以某航空研究所某部门项目为例，提供一个基于XML的界面自动生成的实现方案。
生产计划制定功能模块主要完成生产计划的制定。该计划包含8个子计划，子计划有一定的顺序。
在“生产计划制定”界面上提供了10个与子计划相关的组件，其中8个组件都是笔者自定义的Tri-Table组件。position属性值是盛放组件的容器名。使用XML语言描述的“生产计划制定”用户界面如图9所示：
图9 生产计划制定界面
4 结 论
结合某航空研究所某部门的实际需要，采用.NET和SQL Server 2000数据库技术设计开发的基于MES的生产管理系统，基本上满足了企业的需求。其不仅有助于不断完善企业的信息化建设，更为有效的是提高了车间的生产 效率，节省原料和能源量消耗，并降低产成品库存量，提高产能。
MES研究开发和应用在国内还处于起步阶段，选择合适的MES开发工具，开发出适应于我国企业的MES软件产品，实现企业信息系统的紧密集成，进而提出我 国企业MES的技术规范与实施标准，对提升我国企业信息化的水平，增强与国际先进企业的竞争力，都具有着重要的意义。