引言 上世紀(jì)90年代以來，信息技術(shù)不斷的發(fā)展和成熟，同時(shí)，在經(jīng)濟(jì)全球化趨勢不斷加強(qiáng)的背景下企業(yè)競爭的市場環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了根本的變化，市場的主要特征表現(xiàn)為以顧客的需求和企業(yè)的需求創(chuàng)造為主要特征，市場競爭的要素涉及到了工控時(shí)間、質(zhì)量、價(jià)格、服務(wù)、環(huán)境和產(chǎn)品的更新率。為了提高企業(yè)的競爭能力，企業(yè)必須重視把制造技術(shù)與信息技術(shù)、自動化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)有機(jī)的融合在一起。 MES（Manufacturing Execution System）即“制造執(zhí)行系統(tǒng)”同企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）一樣從理念發(fā)展到軟件平臺，是信息技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物。然而，目前在國內(nèi)許多企業(yè)尤其是工廠企業(yè)對MES的重視程度遠(yuǎn)不及ERP，事實(shí)上在工廠型的企業(yè)里應(yīng)用MES不僅能夠迅速的提高該企業(yè)的市場競爭能力，同時(shí)也能迅速的為企業(yè)現(xiàn)有的信息網(wǎng)絡(luò)投資獲取回報(bào)。 1 MES的架構(gòu)設(shè)計(jì) MES在整個(gè)企業(yè)的信息化系統(tǒng)中處于承上啟下的地位，是獲取生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息的接口。如圖1所示 1.1 傳統(tǒng)的MES 在我國，現(xiàn)有的MES大都是針對某一特定領(lǐng)域或工作環(huán)境而設(shè)計(jì)的單一的應(yīng)用系統(tǒng)，這種MES的通用性差，這種MES往往適用于連續(xù)型的生產(chǎn)企業(yè)，且前提是該企業(yè)的生產(chǎn)管理非常完善，流水線生產(chǎn)程度極高，目前的實(shí)際情況是，我國大多數(shù)企業(yè),尤其是國企，很多都是非流水線的離散型生產(chǎn)企業(yè)，因此這種MES并不適用于在我國的企業(yè)大范圍推廣，同時(shí)這種MES也不能適應(yīng)多變的市場需求。 1.2 我國MES的使用現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)還沒有自主開發(fā)得很成熟的適用于多種生產(chǎn)類型的MES軟件。目前大多數(shù)MES都是針對連續(xù)型生產(chǎn)企業(yè)的，目前實(shí)施該類型MES比較成功的企業(yè)有廣州本田、TCL,NUFO中國、杭州士蘭集成電路公司。但是，由于我國大多數(shù)企業(yè)的管理并不完善，目前許多成功企業(yè)采用的MES都是從國外引進(jìn)的，它們的價(jià)格昂貴。通常在一個(gè)企業(yè)實(shí)施MES少則幾百萬，多則甚至幾千萬，而且這些費(fèi)用緊緊是MES的軟件部分。許多企業(yè)難以承受昂貴的MES開發(fā)費(fèi)用，再者，國外的MES的開發(fā)對象是具有非常先進(jìn)的制造技術(shù)，和具有非常豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)，并不一定都適用于國內(nèi)的企業(yè)，在實(shí)施過程中通常會對策略進(jìn)行修改，這又加長了實(shí)施周期。而如何降低MES的開發(fā)成本和增加MES的靈活性，使MES能夠適用于我國大部分生產(chǎn)方式相對落后的離散型制造企業(yè)是當(dāng)前在國內(nèi)企業(yè)實(shí)施MES的當(dāng)務(wù)之急。 1.3 服務(wù)程序支持的MES 服務(wù)程序支持的MES繼承了模塊化MES的優(yōu)點(diǎn)，并且以服務(wù)程序作為整個(gè)MES系統(tǒng)中的核心部分是溝通MES系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)提交、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)保存的橋梁，同時(shí)能夠完成生產(chǎn)計(jì)劃的制定、排序、下達(dá)（包括自動和手工）、暫停、恢復(fù)、插入、取消等，幾乎所有有關(guān)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行的操作都可以通過服務(wù)程序來完成。如圖2所示，可以看出在整個(gè)MES系統(tǒng)中，服務(wù)程序連接了下層的數(shù)據(jù)采集模塊和上層的管理模塊，并提供了與其他系統(tǒng)或設(shè)備的擴(kuò)展接口，采取服務(wù)程序的架構(gòu)，能夠連接產(chǎn)品在產(chǎn)過程 中所 經(jīng) 過的各個(gè)離散加工點(diǎn)，使得MES服務(wù)器成為各個(gè)離散加工點(diǎn)的加工信息處理中心。在企業(yè)內(nèi)部，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性以及降低開發(fā)成本，提高現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)的利用率，MES系統(tǒng)的上位設(shè)計(jì)宜采用C/S三層體系結(jié)構(gòu)，這樣，服務(wù)程序又可以作為這種三層C/S結(jié)構(gòu)MES的中間層，并可以把部分業(yè)務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問、合法性校驗(yàn)等集成到服務(wù)程序中。 2 MES服務(wù)程序的具體設(shè)計(jì) 基于上述的MES的構(gòu)思，我們設(shè)計(jì)了一套服務(wù)程序支持的MES，其基本架構(gòu)如圖2所示。其中服務(wù)程序部分是該MES的核心部分其具體的設(shè)計(jì)及討論如下: 2.1 通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 在本MES系統(tǒng)中，服務(wù)程序需要完成與下層通信模塊和上層管理模塊的通信，首先要考慮的必然是通信協(xié)議的選用，在計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊中我們采用局域網(wǎng)中常用的TCP/IP協(xié)議，這一層協(xié)議的選用主要與MES系統(tǒng)建立的硬件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)。除了網(wǎng)絡(luò)硬件層協(xié)議的選擇，在軟件層也需要設(shè)計(jì)一套請求應(yīng)答協(xié)議，許多軟件開發(fā)者認(rèn)為程序在與不同的模塊間進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)該采用統(tǒng)一的請求應(yīng)答協(xié)議，并且將這些程序放在同一個(gè)程序文件中，雖然這種設(shè)計(jì)方式有利于減少程序的開發(fā)周期但是卻增加了軟件的后期維護(hù)難度，尤其在移植MES的部分模塊時(shí)甚至?xí)斐蓞f(xié)議混亂而導(dǎo)致移植失敗。因此，我們在設(shè)計(jì)MES的服務(wù)程序的請求應(yīng)答協(xié)議時(shí)把與不同模塊通信的協(xié)議及程序放在相互獨(dú)立的文件中以提高服務(wù)程序與其它MES模塊通信的效率以及這部分代碼的可讀性和可維護(hù)性。例如，與底層的通信模塊通信時(shí)可采用:CMDFlag +請求命令類型+CMDSplit+信息1+DataSplit+信息2+DataSplit+……+信息n+Data0ver其中CMDFIag為通信模塊向服務(wù)程序請求的命令類型起始分割符，MDSplit為請求命令類型的結(jié)束分割符同時(shí)表示請求命令中具體信息的開始，請求命令中的具體信息之間以DataSplit作為分割符，最后請求命令以Data0ver為結(jié)束符。 相應(yīng)的應(yīng)答協(xié)議或其它MES模塊與服務(wù)程序通信的請求應(yīng)答協(xié)議也可以仿照這種格式來制定，需要注意的是在具體的程序設(shè)計(jì)中要注意保持命令類型的唯一性，以避免系統(tǒng)在解釋命令類型時(shí)產(chǎn)生歧義，同時(shí)程序?qū)f(xié)議進(jìn)行解釋時(shí)還必須具有一定的容錯(cuò)能力。 2.2 服務(wù)程序的初始化設(shè)計(jì) 以服務(wù)程序?yàn)楹诵牡腗ES要正常工作必須在運(yùn)作前對服務(wù)程序進(jìn)行初始化，服務(wù)程序的初始化包括與數(shù)據(jù)庫建立正確而穩(wěn)定可靠的連接、對最近的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、最新生產(chǎn)參數(shù)的確定、更新待分配生產(chǎn)計(jì)劃隊(duì)列、更新日計(jì)劃隊(duì)列、更新材料隊(duì)列、更新操作工隊(duì)列、更新設(shè)備隊(duì)列、刷新數(shù)據(jù)庫等，其主要目的是在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中設(shè)置生產(chǎn)過程中所涉及的各種要素，保持內(nèi)存數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的同步從而正確而有效地指導(dǎo)生產(chǎn)。我們在設(shè)計(jì)程序時(shí)可以采用動態(tài)隊(duì)列以及類的概念來組織生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并且可以采用隊(duì)列嵌套以及指針的思想來提高數(shù)據(jù)的利用率。在設(shè)計(jì)隊(duì)列和類時(shí)必須包括服務(wù)程序所管瞎的各個(gè)生產(chǎn)要素，同時(shí)要理清各生產(chǎn)要素的關(guān)系，例如:設(shè)備隊(duì)列MachList由多個(gè)實(shí)例化的設(shè)備類Machltem?組成，而不同的設(shè)備可能能加工的工序集是不同的，這樣就要求每個(gè)實(shí)例化的設(shè)備類中要有一個(gè)能加工的工序集隊(duì)列Can-ProcList，這就需要用到隊(duì)列嵌套技術(shù)了。這些情況在實(shí)際的工廠生產(chǎn)中大量的存在。從程序的角度來看，服務(wù)程序初始化的實(shí)質(zhì)就是對各個(gè)隊(duì)列以及實(shí)例化的類賦予初值，為后繼生產(chǎn)創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。 2.3 服務(wù)程序設(shè)計(jì)要點(diǎn) 工廠生產(chǎn)的連續(xù)性和合理性依賴于MES的正常運(yùn)作，而MES的正常運(yùn)作又依賴于服務(wù)程序的正常運(yùn)行，提高服務(wù)程序的運(yùn)行效率就是提高M(jìn)ES的運(yùn)作效率，就是提高工廠的生產(chǎn)效率。服務(wù)程序承擔(dān)了包括生產(chǎn)計(jì)劃的排產(chǎn)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的保存以及質(zhì)量數(shù)據(jù)的處理等任務(wù)，而處理這些任務(wù)時(shí)所涉及的數(shù)據(jù)量往往是很大的，因此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)要提高內(nèi)存中數(shù)據(jù)的利用率和盡量減少程序?qū)Υ疟P的操作以及減少與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。 1） 系統(tǒng)參數(shù)配置的獨(dú)立化: 許多程序的設(shè)計(jì)者直接將系統(tǒng)的配置放在程序當(dāng)中，這樣做雖然提高了系統(tǒng)的集成度，也免去了用戶在使用系統(tǒng)前對系統(tǒng)進(jìn)行配置，但這樣卻降低了系統(tǒng)的可移植性。服務(wù)程序?yàn)榱颂岣叻?wù)程序的可移植性，將系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置獨(dú)立于程序之外而保存在ini文件中，當(dāng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器被移植到其它地方或MES的其它模塊的配置發(fā)生變化時(shí)只需要修改ini文件即可，而不需要修改服務(wù)程序的源代碼，其中ini文件中的敏感配置，例如密碼、數(shù)據(jù)庫位置等完全可以通過各種加密措施來保證這些配置的安全。 2） 用好“池”的概念: 在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，離散生產(chǎn)過程一般會存在以下實(shí)際問題使得某一工序的待加工計(jì)劃出現(xiàn)堆積現(xiàn)象: 1.同一個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃在不同的工序階段所需要的工時(shí)是不可能相同的。 2.而不同的計(jì)劃在同一個(gè)工序中所消耗的工時(shí)也是不可能相同的。 3.不同計(jì)劃的工藝有可能不同但卻有交叉的工序。 以上三點(diǎn)是造成某一工序的待加工計(jì)劃出現(xiàn)堆積現(xiàn)象的主要原因，此外，一些例如:設(shè)備檢修、工人請假、停電、工人的熟練程度等也是造成堆積現(xiàn)象的原因。一般的工廠生產(chǎn)可以通過增加設(shè)備和增加工人的方法來解決，但問題是堆積現(xiàn)象的堆積度是不斷在變化的，需要增加的設(shè)備和工人的數(shù)量難以確定，因此服務(wù)程序中利用了‘他”的思想來解決這一問題。具體做法是為每一個(gè)工序設(shè)計(jì)一個(gè)待分配計(jì)劃工序隊(duì)列，隊(duì)列有兩個(gè)數(shù)據(jù)接口，輸人接口Input和輸出接口Output（以下Input指代輸人接口，Output指代輸出接口），而這個(gè)隊(duì)列就是所謂的‘他”這里可稱為“待分配計(jì)劃工序池”。輸入接口為上一工序，輸出接口為本工序。該隊(duì)列記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)至少包括計(jì)劃任務(wù)生產(chǎn)屬性、工序、優(yōu)先級，把上一工序完成的計(jì)劃任務(wù)按照工序從輸人接口Input放人到對應(yīng)的待分配計(jì)劃工序池中，可以通過該計(jì)劃任務(wù)所屬訂單的客戶重要程度、交貨期、批量的大小來計(jì)算出各個(gè)待分配計(jì)劃任務(wù)的優(yōu)先級。當(dāng)本工序的某臺終端請求計(jì)劃時(shí)，服務(wù)程序就會在待分配計(jì)劃工序池中按待分配任務(wù)的優(yōu)先級和請求終端對應(yīng)設(shè)備的加工屬性通過輸出接口Output把待分配計(jì)劃下發(fā)給請求終端。并且可以動態(tài)的計(jì)算出每個(gè)待分配計(jì)劃工序池中的待分配計(jì)劃所需的總工時(shí)，這樣，有關(guān)人員就可以很容易地計(jì)算出需要如何安排設(shè)備和工人等生產(chǎn)資源。 3） 優(yōu)先級調(diào)度: 在流水線生產(chǎn)中，不同任務(wù)的產(chǎn)品在線內(nèi)的加工順序是按照計(jì)劃的投產(chǎn)先后順序來調(diào)度的，因而處理起來比較簡單，但在離散生產(chǎn)中，由于不同任務(wù)的加工品到達(dá)同一工序的時(shí)間和順序不完全取決于計(jì)劃的投產(chǎn)先后，還取決于計(jì)劃的生產(chǎn)工藝和相關(guān)的各種生產(chǎn)要素。這樣，在離散制造業(yè)中，服務(wù)程序設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)和重點(diǎn)在于生產(chǎn)計(jì)劃的自動排產(chǎn)，即何時(shí)下發(fā)哪一個(gè)工序的待生產(chǎn)計(jì)劃給哪一個(gè)設(shè)備終端。生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)先級的計(jì)算并不太難實(shí)現(xiàn)，根據(jù)事先給定的優(yōu)先級規(guī)則可以計(jì)算出來。但同一個(gè)優(yōu)先級若出現(xiàn)幾個(gè)待分配計(jì)劃時(shí)就需要計(jì)算解決計(jì)劃的選擇問題。 隨機(jī)服務(wù)（RS）:即在幾個(gè)相同優(yōu)先級的待分配計(jì)劃中隨機(jī)的下發(fā)合適請求終端的待分配計(jì)劃。它的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來非常的容易，因此在許多場合被采用。但沒有利用請求終端對應(yīng)的設(shè)備的加工歷史，缺乏主觀控制接口。 先來先服務(wù)（FCFS）:即在相同優(yōu)先級的待分配計(jì)劃中先處理最先加人到待分配計(jì)劃隊(duì)列中的待分配計(jì)劃。這種調(diào)度方式考慮了以前工序的因素，從某種程度上反映了該計(jì)劃任務(wù)的緊急程度，與RS算法相比具有更多的科學(xué)性，但也沒有考慮本工序的設(shè)備加工歷史，有可能增加了輔助時(shí)間。 服務(wù)程序的優(yōu)先級調(diào)度策略考慮了如何減少產(chǎn)品加工的輔助時(shí)間，在FCFS的基礎(chǔ)上加人了對本工序設(shè)備加工歷史因素的考慮，稱為優(yōu)化先來先服務(wù)（OFCFS）算法。該算法對待分配計(jì)劃工序隊(duì)列預(yù)掃描，預(yù)掃描計(jì)算出隊(duì)列中是否有與本工序最后一次加工相同的任務(wù)，若沒有，則計(jì)算是否有與本工序最后一次加工參數(shù)相同或同一范圍內(nèi)的待分配計(jì)劃任務(wù)，若沒有則繼續(xù)計(jì)算其它可以減少輔助時(shí)間的待分配計(jì)劃，若預(yù)掃描的某一過程計(jì)算出有合適的待分配計(jì)劃則立刻返回該待分配計(jì)劃并結(jié)束預(yù)掃描，若都沒有相關(guān)的待分配計(jì)劃再按照FCFS的算法來調(diào)度。這種算法雖然預(yù)掃描有可能會對待分配計(jì)劃進(jìn)行多次掃描，但考慮到同一優(yōu)先級的待分配計(jì)劃通常情況下只是少數(shù)的幾條，預(yù)掃描所花費(fèi)的時(shí)間可以忽略不計(jì)。 4） 同步修改內(nèi)存數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù): 服務(wù)程序在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了數(shù)據(jù)處理的平衡問題，比較合理地將數(shù)據(jù)操作分配到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和服務(wù)程序本身。即使這樣，也難以滿足工廠生產(chǎn)中處理大量實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的要求。任何系統(tǒng)都不可能立即同時(shí)對多個(gè)請求作出處理，但是系統(tǒng)必須在請求允許的等待時(shí)間內(nèi)作出回應(yīng)，這就決定了服務(wù)程序不能頻繁的調(diào)用數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來刷新內(nèi)存中的各生產(chǎn)要素隊(duì)列，一個(gè)解決的辦法就是在修改數(shù)據(jù)庫的同時(shí)立即修改內(nèi)存中相應(yīng)的值，這樣就避免了在某一時(shí)間大量的讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同時(shí)又保證了服務(wù)程序運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)加人事務(wù)處理」以增加數(shù)據(jù)的安全性。 只要工廠的生產(chǎn)在進(jìn)行，MES就必須不間斷地運(yùn)作，只要MES在運(yùn)作，服務(wù)程序就必須不間斷地運(yùn)行，這意味著服務(wù)程序必須伴隨MES運(yùn)作的始終，要保證工廠生產(chǎn)的連續(xù)性和正確性就要要求當(dāng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，服務(wù)程序仍然能夠下達(dá)正確的生產(chǎn)計(jì)劃指令。因此當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差時(shí)必須對錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，服務(wù)程序提供了在線刷新和手工更正 3 運(yùn)行情況 基于上述思想設(shè)計(jì)的服務(wù)程序支持的MES已被應(yīng)用到實(shí)際的離散型制造企業(yè)中，其中服務(wù)程序部分的相關(guān)設(shè)計(jì)信息和運(yùn)行情況如下: 系統(tǒng)結(jié)構(gòu):三層Client/Serve; 開發(fā)工具:Windows 2000 Professional, Borland Delphi 6.0 Enterprise,Microsoft SQL 2000 Professional; 實(shí)施地點(diǎn):廣東省肇慶市懷集縣懷集汽車配件制造有限公司; 運(yùn)行環(huán)境:Windows 2000 Server; 以下是服務(wù)程序的運(yùn)行性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì): 表1對系統(tǒng)運(yùn)行至2005年6月的綜合性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)表明，這種服務(wù)程序支持的MES的可靠性極高，計(jì)劃誤發(fā)率低于0.001%，終端請求的響應(yīng)時(shí)間在正常情況下小于2秒，在峰值情況下小于4秒，而這樣的響應(yīng)時(shí)間完全能夠被大多的車間生產(chǎn)所接受。值得注意的是該MES的終端響應(yīng)時(shí)間90%是由于網(wǎng)絡(luò)通信而產(chǎn)生的。為了提高響應(yīng)時(shí)間可以從改善網(wǎng)絡(luò)方面人手，光纖網(wǎng)是目前最理想的通信網(wǎng)絡(luò)，如果使用光纖作為通信網(wǎng)路，理論上響應(yīng)時(shí)間可以小于0.5秒。 4 結(jié)束語 本文形式地給出了支持MES的服務(wù)程序的設(shè)計(jì)方法，并且把這種系統(tǒng)應(yīng)用到了實(shí)際的生產(chǎn)中，測試也表明服務(wù)程序支持的MES與目前市場上的MES相比，同樣具有適應(yīng)性、靈活性、實(shí)時(shí)性、可靠性，同時(shí)也具有極高的計(jì)劃處理效率，這得益于服務(wù)程序可以獨(dú)立于MES的其它模塊，可以在專用的服務(wù)器運(yùn)行，大大地減輕了系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也使得這種MES系統(tǒng)更加安全，保證在模塊的升級過程中不會對其它模塊產(chǎn)生不良的影響。由于該MES可以充分利用企業(yè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并且處于核心位置的服務(wù)程序是可以重復(fù)利用的，使得開發(fā)其它企業(yè)的MES時(shí)，大大地縮短了開發(fā)周期，有效地降低了開發(fā)和實(shí)施的費(fèi)用。本文還統(tǒng)計(jì)了服務(wù)程序支持的MES的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在廣東懷集汽車配件制造有限公司實(shí)施的情況，并且取得了良好的效果。