作者：柯裕根,雷纳尔·戴森罗特
出版社：电子工业出版社
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HYDRA制造执行系统指南——完美的MES解决方案试读：
内容简介
本书深入阐述了MES系统的理论和实践经验，图文并茂地介绍其主要功能，首次给出了应用项目的典型功能。第1章归纳论述了MES系统正确应用的益处。MES系统是一个复杂的IT系统，它一方面实时采集数据，另一方面必须容易地提供综合的评价分析。第2章阐述了HYDRA系统的IT结构，并介绍其结构和设计的特点，例如操作指导。第3～5章阐述了实际的HYDRAMES系统应用，其中，第3章描述了支撑生产组织的模块，主要涉及详细生产计划、工况和机器数据采集及相邻部门；第4章论述了在生产中的加工任务和人员管理的特殊功能；第5章阐述了重要的质量管理领域。
本书适合以下人员参考阅读：企业信息化主管，企业生产计划、质量管理和人力资源管理等部门主管，企业生产技术和管理工程人员，大专高等院校教师和学生，研究所和MES系统供应商的研究开发人员。
译者前言
生产计划与实时调度（如果针对一个车间而言），也称为作业计划和实时生产调度，在未应用计算机信息系统（计算机软件系统）之前，都是通过有经验的计划员或调度员手工完成的。
随着计算机和信息技术的发展，20世纪60年代末，传统科学管理方法开始与计算机软件系统相结合，约瑟芬·奥利基等设计开发了物料需求计划（Material Requirements Planning，MRP），实现了计算机系统在生产控制领域的大规模应用。70年代末，MRP融入了财务系统、需求预测等功能，逐渐发展成为MRPⅡ；到80年代末又逐渐扩展演变为企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）。同时，制造企业车间层所应用的专业化生产管理系统，例如作业计划和实时生产调度系统，则逐渐演变为制造执行系统（Manufacturing Execution Systems，MES）。
制造执行系统的概念是由美国先进制造研究协会（Advanced Manufacturing Research，AMR）在1990年首次提出的，旨在加强MRP计划的执行功能，把MRP计划与车间作业现场控制，通过执行系统联系起来。这里的现场控制包括PLC程控器、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手等。MES系统设置了必要的接口，与提供生产现场控制设施的厂商建立合作关系。
制造执行系统能够帮助企业实现生产计划管理、生产过程控制、产品质量管理、车间库存管理、项目看板管理和人力资源管理等，提高企业制造执行能力。
AMR将制造企业分成3层体系结构，ERP系统位于企业上层计划层，MES位于上层的ERP系统与底层的工业控制之间的面向车间层的生产管理系统。它为操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪，以及所有资源（人、设备、物料、客户需求等）的当前状态。
制造执行系统国际联合会（Manufacturing Execution System Association International， MESA）于1997年开始陆续发表MES白皮书，给出了MES的描述性定义。MESA对MES所下的定义：“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能对此及时做出反应和报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES系统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的及时交货能力，改善物料的流通性，又能提高生产回报率。MES系统还通过双向的直接通信，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。”
因此，MES系统特点主要体现在以下四个方面：（1）MES系统是对整个车间生产过程的优化，而不是单一地解决某个生产瓶颈。（2）MES系统提供实时收集生产过程数据的功能，并做出相应的分析和处理。（3）MES系统与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成。（4）MES系统实现生产过程的透明化和实时监控。
德国提出的工业4.0，强调了工业生产的数字化，使得MES系统的重要性引起了广泛的关注。中国也提出“中国制造2025”，在开展智能制造和数字化工厂的研究和示范过程中，明确提出了企业必须实施MES系统。MES系统不仅作为降低生产成本的工具，以图在高生产成本的制造环境中增强和保持企业的竞争能力。随着与质量保证的日益关联，MES系统不仅仅作为生产更高效的工具，更是作为保证产品具有更高质量的手段。现在它的发展趋势是，在MES系统里能够交互地监控制造和质量保证过程，不仅避免产品交货缺货，而且保证制造无缺陷的产品。这意味着，在制造过程就能及早发现工件原料、制造工具、加工设备和工艺过程的问题，从而不再生产出废品。为了推进我国MES系统的开发和应用实施，我们特翻译了本书。
本书原著由德国MPDV Mikrolab GmbH的柯裕根教授（Prof.Jüergen Kletti）和雷纳尔·戴森罗特（Rainer Deisenroth）先生等撰写。MPDV Mikrolab GmbH 30多年来专门从事制造执行系统的开发和应用实施，参与了德国工程师协会VDI 5600标准（MES标准）的制定，在全球拥有大量的关于企业成功应用MES系统的案例，积累了丰富的MES系统开发理论和实践经验。本书是国内第一本MES系统的译著，旨在给我国的MES系统开发人员和企业提供借鉴和参考，我们相信本书的出版必将促进中国的MES系统开发和应用。
本书由沈斌、王家海、王翔、李昕、汤云哲、朱殿臣、丁宁格和吴一智合作翻译，全书由沈斌、王家海审阅和统稿。
本书的翻译得到了原著作者的大力支持。此外，MPDV Mikrolab GmbH的李铭锋先生对全书的图表作了部分的修改和翻译，还得到了默佩德卫（MPDV）软件技术服务（上海）有限公司曹海勇博士等的大力支持，在此表示衷心的感谢！本书的翻译出版得到了电子工业出版社的大力支持，特别感谢电子工业出版社工业技术出版分社徐静社长、郭穗娟编辑认真而细致的工作。
由于译者的专业知识和德语水平有限，书中定然存在疏漏和欠妥之处，敬请读者和有关专业人员批评指正。译者2016-09-12
原著前言
制造执行系统（MES）的思想自产生以来，已经发生了明显的变化。MES系统最初被看作降低生产成本工具，以图在高生产成本的制造环境中增强和保持企业的竞争能力。MES系统随着与质量保证的日益关联，不仅仅作为生产更高效的工具，更是作为保证生产更高质量产品的手段。今天的发展趋势是，在MES系统里能够交互地监测生产和质量保证过程，不仅避免产品交货缺货，而且保证生产无缺陷的产品。这意味着，在生产过程就能及早发现材料、工具、生产设备和工艺过程的问题，几乎杜绝废品。
MES的运用同样为遍布全球的“生产搬迁”增加了活力。在全球化生产过程中，由于当地低廉的劳动成本，制造工厂在当地加以扩建或搬迁到当地。为适应这一趋势，MES系统越来越具有保证生产过程指标的功能，以便能够比较和监测迁移到世界各地的生产工厂。
以往的指标仅仅局限于企业经济领域，MES系统则利用其丰富的数据库，能够在生产过程中提供合适的指标，在此基础上持续推进生产过程的改善。
然而，制造执行系统不仅仅被看作生产指标的生成器，或者基于持续改善过程对未来生产的构造手段，MES的作用更为广泛。在生产和管理的日常工作中，MES系统首先能够帮助管理人员快速做出能保证目标实现的决策，使决策更有效和避免浪费。MES系统也体现了精益生产的崭新原理。在生产中配置越来越高效的设备和装置，如果不采用IT技术，那就不可能实现一个低成本和精益的生产。更进一步的考察结果清楚地表明，MES系统作为未来的一个工具，不仅关注生产组织、生产中的人员管理，而且利用合适的功能进行质量管理。利用有效的与上级系统（如ERP系统）和下层加工子系统的垂直接口，进行横向集成补充。这种集成具有什么意义和优势，以及如何在实践中实现，本书将一一举例介绍。HYDRA-MES系统代表当代具有横向和垂直集成功能的MES系统，它是本书的重点内容。
本书第1章归纳论述了正确应用MES系统的益处。MES系统是一个复杂的IT系统，它一方面实时采集数据，另一方面必须能容易地提供综合的评估分析。第2章阐述HYDRA系统的IT结构，并介绍其结构和设计的特点，例如操作指导。第3～5章阐述HYDRA系统的实际应用。其中，第3章描述支撑生产组织的模块，主要涉及详细的生产计划、工况和设备数据采集及相邻部门；第4章论述在生产中人员管理的任务和特殊功能；第5章阐述重要的质量管理。
本书图文并茂地介绍HYDRA系统在以上领域的主要功能，并首次给出了所应用项目的典型功能。
当然，在本书中不能详细地阐述HYDRA系统具有的功能，因为这些功能的介绍在HYDRA系统操作手册中多达几千页。然而，为了使读者对这一系统的整体印象不局限于主要功能，因此在每章都会对一些次要功能做一个简略的功能概述，但不作为重点。总而言之，本书阐述了HYDRA-MES系统概况，提供了作为现代制造执行系统代表性案例的设计和功能范围。柯裕根教授（Prof.Dr.Jürgen Kletti）2012年8月于莫斯巴赫第1章应用方案——横向和垂直集成1.1 MES系统的应用益处
由于全球激烈竞争，要求生产更高效、产品质量更高和价格等压力，迫使制造企业越来越需要优化生产和改善生产流程。向客户提供无缺陷的产品，已经不再是制造企业的最高目标，而是首先形成无缺陷的生产。可能存在的质量缺陷早在产生之前就已避免，或者有缺陷的产品在被发现后从生产中剔除。由此，减少了零部件继续加工产生的费用，由于这些有质量问题的零部件，无论如何在后继的加工步骤里不再保留了，由此剔除这些有质量问题的零部件，以减少这些零部件继续加工产生的费用。在生产中的其他薄弱环节是，由于等待时间而产生的过高周转库存、由于计划不好而产生的能源浪费或者没有优化的生产过程而配置产生的过多人员投入。这些薄弱环节几乎还在继续存在着。对在众多的调研中发现的生产中浪费的描述，可参考另一本书《完善的生产》（Kletti等，2010）。
但是，不仅生产过程中的薄弱环节，而且客户向供应商提出的新要求，这些都困扰着生产者。这里首先要提到的是如何跟踪与追溯领域里的困扰，制定一个以上或至少一个完整生产流程的日志记录，并具有可追溯性。实时生产如“准时生产”（Just in Time）或“准时供货”（Just in Sequence）的前提是高度地保证交货日期，它只有通过精细的生产计划和精确的生产控制才能达到。只有在生产计划和生产控制系统的支持下，并考虑实际生产条件，才能应对所有这些要求。
在过去的20年里建立的制造执行系统（MES），作为一种工具或应对具有挑战性任务的“工具”。MES系统最初被理解为以下这些领域的集成者：工况数据采集、生产指挥系统、DNC（数字群控）、CAQ（计算机辅助质量控制）及人力资源管理等。随着MES系统的进一步发展，MES理念和系统越来越多地相互融合，它们支撑着当今现代生产中的生产管理层次。
本书介绍的MES系统——HYDRA系统是在生产计划与控制的先驱者之一。它汇集了生产运行中的生产管理、人员管理和质量管理的所有主要元素。HYDRA系统是根据VDI（德国工程师协会）标准5600的规定设计的，它有助于生产部门工作人员处理众多任务。应用HYDRA系统可取得的益处如图1.1所示。图1.1 应用HYDRA系统可取得的益处
MES是包括了众多功能的组合概念，从生产组织、质量控制，直至人力资源管理的范围。制造企业的每个部门有着本质上不同的任务，要完成这些任务需要专门的功能。在已经提到的VDI5600标准以矩阵的形式加以描述。图1.2表示了该矩阵的一部分，从这里清晰地可知，哪些MES功能在何种程度上支撑着制造企业的设施。
HYDRA系统的模块结构基于这些规定而设计的，从而提供了这样的可能性，即在制造企业中配置一个面向应用和需求的MES系统。
近年来，精益生产的原理在制造业家喻户晓。在初始阶段，精益生产经常被误解为一种不用IT的生产模式。在那个时代通常认为上层的ERP系统具有较少的接近生产过程的功能。
现在的情况与此相反的。一种精益生产，即浪费少和高效的生产，没有IT的应用，在实际上是不可想象的。只有通过应用IT和首先在MES系统支持下的持续改善生产过程，才能改善生产状况。图1.2 VDI 5600标准描述的应用领域和益处矩阵
图1.3所示为一个典型的精益生产例子，即从一个中等企业发展到顶级企业的途径，图中所示的精益绩效指数（LPI）由过程效率（PWG）和设备综合效率（OEE）指数所组成，是在这个途径上可行的进展。企业可以分两步骤进行，首先提高资源利用效率；然后缩短生产通过时间（产品生产周期）。当然，这两步骤可以按照另一种顺序进行。
然而，这两种途径只有利用现代制造技术与信息技术才能成功。这里所指的制造技术与信息技术就是应用MES系统。提高资源利用效率和缩短生产通过时间这两步骤需要生产状况的在线透明及避免薄弱环节的分析数据，由此达到改善生产状况的目的。图1.3 根据精益绩效指数优化生产的精益生产1.2 制造企业的层次结构
从系统的角度观察，一个制造企业可以分成三层结构。第一层由实际生产或自动化层组成；第二层由生产数据采集和预处理单元层组成；第三由质量管理、企业资源计划（ERP）或生产计划与控制（PPS）、管理信息系统及薪资管理系统所组成。随着MES思想的传播，自动化设备和ERP系统的供应商也接受了MES的概念，并根据不同表述，把MES系统功能作为自动化和ERP系统的原始组成部分。自动化设备供应商认为，它们具有MES系统的许多数据采集和压缩功能，以实现对大量设备和装置的智能控制。ERP供应商声称，ERP系统具有MES系统产生和处理的数据。，为了达到一定程度的实时，在ERP系统里只须细化处理这些数据。这两种观点当然明显地不适合中等制造企业的现状，只能应用于少数个案。
上述提到的层次有不同的时间范围和详细程度。在通过ERP系统实现的最高层次，通常计划多个班次及几周范围的订单、生产能力和物料，生产计划甚至按月份制订。ERP系统进行生产订单的计划和分配只需少量的生产订单识别特征。
下述的生产管理对此有完全不同的看法。对于在生产控制和生产准备中的员工及领班来说，一个生产订单不仅包括生产数量和完成时间，还包括所需的生产能力、适当的工具和熟练的员工的信息。多层次的订单由工序和不同的操作工步组成，这些工序和操作工步经常可能被重复中断和重新启动。每个车间或部门领导、调度员或领班经常被要求阅览丰富的生产细节，做出尽可能正确的（少损失）决策。改变的详细计划必须在几分钟内完成，即在易于管理的时间内，而不允许超过几个小时。必须实时给出车间状态，不而能在不同数据来源的输入、修正和评估后才给出。
在自动化层次进一步细化信息，更深入地处理技术条件，例如设备和装置状态，或设备行为，响应时间为毫秒或秒。
通过上述简单的分析观察，显示出在企业三个层次，对响应时间、信息细化程度和功能具有不同的要求，如图1.4所示。至少目前不能由一个系统来满足这些要求。图1.4 制造企业三个层次信息细化程度和响应时间的示意
德国工程师协会（VDI）的一个工作小组已经详细研究了MES系统主题，根据5600标准规定，从逻辑上定义了制造企业的三个层次结构。这里每个企业层次隶属于不同的系统。企业管理层次通过ERP系统实现，生产指挥层次通过MES系统实现，实际的生产层次通过工作地、设备和装置实现。
在MES系统层次引入了MES系统在生产管理中完成的任务。定义了八个功能模块：详细生产计划和控制、信息管理、质量管理、人力资源管理、生产工具管理、效率分析、数据采集和物料管理。HYDRA系统严格遵循VDI规定的功能，包含了历史上满足这些任务的可用功能，在部分修改的基础上，组合成稍有不同的功能组。
如图1.5所示，MES系统在制造企业中具有举足轻重的地位。它一方面将生产层与管理层相连接，另一方面从企业经济的角度提供必要的数据。根据VDI规定，MES系统的任务表明，通过面向生产的评估、计划辅助手段和质量保证措施的分析，支撑高度的生产管理。这些功能首先满足生产管理细化的需求，也满足必要时间范围的计算。
近年来，MES系统的意义越来越明显，其任务也得到进一步的发展。作为企业核心部门的MES系统，扮演着接收ERP系统的计划数据和传递实际生产数据的数据中心角色，进一步为生产提供信息和数据。在许多生产中，涉及复杂的设备和伴随生产过程特殊功能的子系统及承载的数据，这些数据有必要由MES系统进行现实的评估。为了连接设备和装置，现代的MES系统应该具有集成子系统和接口的功能。图1.5 根据VDI5600标准的层次模型
HYDRA-MES系统提供了不同的方案和功能，使设备和装备之间能够进行双向的通信。所谓的过程通信控制器（PCC）通过众多接口库，实现简单而价廉的连接。生产和人员数据管理器（PDM）在一定的管理费用情况下连接子系统，丰富的HYDRA系统功能通过现有的基础设施提供数据。在集成功能平台上实现与ERP系统和仓储管理系统以及薪资管理程序的标准接口。HYDRA系统不仅是一个MES系统，而且也是集成制造企业产生的不同信息的工具。1.3 横向和垂直集成
在前期和第一阶段中，MES系统划分为实际生产管理、质量保证和接近生产的人员管理。因此，对每部分的数据采集和数据准备可完全不相关地加以处理，形成了逻辑上的孤岛方案。人员时间采集和人员时间管理只是薪资系统的附属物。工况和设备数据采集以及生产指挥系统的功能大多与生产计划与控制（PPS）的功能相耦合。生产过程的质量保证归属于质量管理系统，但数据采集很少自动化，大多是手工进行的。由于缺乏自动的合理性检查，进行修正是不可避免的。往往出于这个原因，只有在延迟几个小时甚至几天后才获得经审查的、可靠的数据。
随着MES系统概念的扩展，产生了“垂直集成”（见图1.6）。在利用高效的信息技术组件的情况下，通过越来越自动地采集数据和合理性检查，人们可以实时采集、压缩和准备数据。由此，生产过程中事件的发现、在MES系统里显示及上传给ERP系统的时间延迟明显地缩短了。图1.6 垂直集成的基本思想
这种垂直集成最初只是将在生产过程中采集的数据进行压缩并上传到ERP系统。随着MES系统概念的继续发展，采用高效的数据库和评估工具，能够实现生产优化是一大进步。通过生产过程中数据预压缩，可以在生产管理层实现总览和图形显示。现在，生产过程的数据不再仅仅用作事后计算的目的，或改善原始数据的应用，而是在线构造生产环境的实际状态，从而对生产管理产生实际的和快速的影响。
生产过程中复杂性的增加已经表明，人力资源管理、质量保证和实际的生产管理不再互相独立地进行。今天，客户的期望是采集整个生产过程丰富而完整的文档、包括使用的物料数据、待采集的质量参数甚至选择什么资格的员工操作 设备的信息。在实践中，可以列举出一系列这种几乎任意集成的场景。
实践证明，通过接口连接这三个孤立部门的信息是困难和昂贵的。根据当今的IT技术，这种方式也不再有意义。在这样的背景下，现代MES系统不仅实现企业的垂直集成，而且实现横向联网。
为了能够实现横向集成见图1.7，不同部门的数据必须整合到共享的数据库中，这样三个部门可以跨部门获取数据。因此不需要所有类型的接口，而这些接口在上述的孤岛方案中是不可避免的。HYDRA系统横向集成的杰出例子是，所有模块不管是人力资源管理还是质量管理或者实际的生产控制，都可在共享的数据库里访问。图1.7 横向集成作为跨部门思维的基础
根据VDI标准的金字塔表达，制造企业里的MES系统还具有相当多适用于数据压缩的任务。在生产层次发生的许多详细数据被压缩和评估，以形成生产管理所需的重要信息，并进一步被归总，以表格的形式为ERP系统提供信息。只有限制大量数据的产生，才能在ERP系统里进一步处理数据。1.4 应用MES系统的工作组织和结构
在传统的工厂组织中，订单和生产能力的分配相对容易。一般在一个工作地或一台设备上，由一个人处理一个订单或者操作一个工序。这里成本计算非常简单，根据订单很明显地计算出生产费用。在现代化工厂里，这项任务已经是很复杂的。随着生产过程复杂性的增加，现代机械、设备和加工中心同时可以加工多个订单产品。一个工人同时操作多个加工中心加工一系列订单产品，这一过程涉及一台加工中心需要多少时间用于加工一个订单产品，人这个最宝贵的资源需要多少时间投入到这个订单产品的加工中，这样一个明确的任务分配相当困难。细致地测算和计算得出精确结果的成本是昂贵的，还可能因此而降低效率。
由于这样的困境，近年来出现了一种趋势，即实际上直接关联计算成本，带来更多的非生产性费用。关于这种发展，人们已展开各类研究，其中代表性的研究结果如图1.8所示。MES系统引入的一个重要目标是，大幅度地增加成本透明度。因此，MES系统必须有能力在复杂的工作组织形式里，支持准确地归类订单或工序的成本。以多机操作、多个工人操作、成组加工、装配岛或类似的工作方式，能够分类构建工作地或加工单元，这些对MES系统是极其重要的。图1.8 在较长时间内直接和间接费用的发展趋势（IFF，斯图特大学）
在现代工厂里，设备不再仅仅是单个装置，而是以生产线形式相互连接布局的。作为高效的MES系统，如HYDRA系统，对单个装置，也将其作为在整个生产线中关联的装置，考察干扰因素。一个订单所需的物料，在不同的加工班次里处理，而且，原料批次会改变，在制品会转移和临时存储，从其他库存批次里转变成半成品。因此，这种处理方式在MES系统必须易于管理，并且在批处理树中显示。此外，通过不同加工步骤与不同的度量单位相关联。例如，对印刷胶片加工，第一步测量其长度，第二步测量面积，再测量其重量，最后在计划板上显示最终产品的数量。这样一种计量单位的转换，也是MES系统的一个重要的功能。
现代工厂通常是一个分为区域、部门、组、车间和其他组织单位的复杂结构。这将产生不同层次采集数据的需求。操作师傅只需了解其直接相关区域，维修人员关心一个车间设备的故障，工厂经理更关心更大范围的效率，质量保证人员必须了解与质量相关的所有过程。在这里，MES系统必须根据不同的组织标准，进行数据选择和评估。能够根据具体的应用情况，以适当的形式提供由此计算得到的数据。授权概念实际上可理解为调节数据的使用和评估。
通常根据产品和生产方式，企业分为单个产品制造商、系列产品制造商和大批量产品制造商。由此也产生了一系列混合方式的制造商。例如，除了系列产品生产，生产成型和模具生产的企业既作为系列产品制造商，也可看作单个产品制造商。根据不同生产类型，提出了不同的数据采集要求和评估方式。这里，MES系统必须加以调整，以能够支持具体的生产类型。
非常重要的是，在MES系统里，例如HYDRA系统，只须通过调整配置参数变量，而不需要个别的编程，就能构造所谓的特殊性。1.5 HYDRA系统模型结构
在系统的开发过程中，确定了生产管理、质量管理和人力资源管理三个主要的功能模块，又根据它们不同的任务要求，开发了个性化战略和运行方式。因此，人力资源管理模块管理人员最重要的资源，承担了所有有关法律的任务。生产管理的最高目标是保证高效率地生产和投入最少的资源。质量管理模块遵守严格的质量要求和优化生产过程，以实现不产生一件废品。在现代的MES系统里，必须完全集成这三个应用部分。在现代信息技术环境里，利用所需的接口，避免产生信息孤岛。
因此，MES系统必须满足范围广泛的任务要求，提供高效的数据处理和足够的集成度。HYDRA系统通过跨部门的数据存储和一个共同的系统框架来实现。这两个元素，一方面完全集成所有应用，另一方面不依赖每个产品的适用性及进一步的开发。此外，这种高效的数据处理和系统集成技术保证不依赖于每个MES系统的具体使用，该MES系统从逐步扩展，直至形成一个完整MES系统。
集成系统框架提供了HYDRA系统的所谓系统集成服务（Weaver）功能。在图1.9中清楚地表示了HYDRA系统可以构建真正意义上的基本模块和不需昂贵的接口。毫无疑问，在日益复杂的生产环境里，HYDRA系统完全确保了每个功能模块和产品之间的连接网络。
在详细描述HYDRA系统模块之前，先简要介绍HYDRA系统，它具有的MES系统应用功能。
1.生产管理功能区（图1.9中的黄色部分）
1）工况数据采集（HYDRA-BDE）
利用在线可信性检查，采集订单相关的信息，利用丰富的报告和统计功能以及生产控制的简单功能，进行订单处理和监测。图1.9 MES-HYDRA系统模块总览
2）设备数据采集（HYDRA-MDE）
在终端或通过接口来自动和和手工地采集设备数据，具有丰富的统计和分析功能，实现绩效改善、OEE检测和计算其他关键指标。
3）材料和生产物料（HYDRA-MPL）
采集物料相关的数据，管理生产中的周转库存，引导物料缓冲区和在制品库存量，库存管理系统的接口。
4）跟踪和追溯（HYDRA-TRT）
采集批次和批量数据，跟踪所有生产步骤中的毛坯材料、半成品和完工产品，作为投诉依据的分析功能。
5）能源管理（HYDRA-EMG）
采集所有类型的能源消耗，分析能源消耗，显示订单、设备和装置之间的关系，丰富的能源消耗优化的报告和统计功能。
6）数字群控（HYDRA-DNC）
数控程序和调整数据传输到设备和装置，编辑数控数据和调整数据，接收从设备和装置里得到的优化数据，管理数控程序版本和存储。
7）过程数据采集（HYDRA-PDV）
采集所有产生的过程数据类型，有效地存储大量数据，图形化显示数据包括相关函数，压缩数据和长期存档，检测生产中超差极限值。
8）工具和资源管理（HYDRA-WRM）
管理生产中的工具、生产设备和其它资源，记录使用时间包括统计评估和工具寿命，丰富的资源维护管理。
2.质量管理功能区（图1.9中的红色部分）
1）生产检验（HYDRA-FEP）
具有丰富的质量管理的核心工具：生产过程中检验、在线可信性检查、处理极限和公差、根据不同标准的统计功能、基于时间和工件控制的采集间隔、检验计划、首样件检验、发货检验和生产控制计划。
2）检验工具管理（HYDRA-PMV）
管理在质量保证过程中使用的检验工具，支持校准，自动采集测量值，保证检验能力的功能
3）投诉管理（HYDRA-REK）
管理被投诉的零件、批次和批量、投诉处理的工作流程、自动生成投诉文档、缺陷主因分析包括投诉成本的注意事项。
4）进货（HYDRA-WEP）
检验原材料、零件和部件进货，检验结果文档生成，质量管理的统计评估和缺陷主因分析。
3.人力资源管理功能区（图1.9中的蓝色部分）
1）人员时间（HYDRA-PZE）
人员出勤和缺勤多种采集功能，支持所有常见证明类型，出勤/缺勤概览。
2）人员时间管理（HYDRS-PZW）
根据年日历采集的出勤和缺勤采集的匹配，支持固定的和灵活的时间模型，缺勤计划，制定根据工资类型分类的月度时间账目，工资和薪资系统的接口。
3）绩效工资的确定（HYDRA-LLE）
计算绩效工资的基础数据，从人员时间管理和工况数据采集中的数据归总，不同绩效和奖励工资类型的个性化配置，工资和薪资系统的接口。
4）门禁（HYDRA-ZTK）
访问生产部门和办公室的权限，编制访问文件，访问日志记录，丰富的管理和统计功能，以此作为安全指挥中心。
5）人员配置计划（HYDRA-PEP）
在考虑根据人员资质和班次模型的情况下，制订基于负荷和生产能力的人员配置计划，不同时间范围内的图形显示统计功能。
HYDRA系统功能模型的举例，表示了系统应用的范围。除了标准化功能，通过个性化适配、用户退出程序扩展和使用HYDRA系统开发环境，几乎没有限制HYDRA系统的多样性应用。第2章HYDRA系统总体方案
在生产中应用以IT为基础的系统，例如MES系统，必须满足对其他系统结构产生影响的特殊要求，如这些预先给定的要求：横向和垂直整合、生产组织的映射、可用性的要求、人机工程学和可操作性，或者设备和装置形成的环境条件。因为每个生产条件都是独一无二的，刚性的MES系统灵活性较小，要以合理的成本适应这些给定的边界条件。这些给定的边界条件是由具有不同设计的生产过程的异构设备环境所组成的。现代MES系统必须根据客户需求，对不同的条件能可变地调节，保证系统不仅与生产层还与管理层进行无缝的通信。因此，在HYDRA系统的设计中，主要考虑以下的要求：（1）模块化构建的标准软件要满足用户不断增加的需求（可扩展性）。（2）考虑市场上MES系统和IT的规范（如标准、操作系统、数据库……）。（3）完整构造在所有生产进程中产生的数据（横向集成）。（4）与周边其他系统的通信，例如ERP系统、设备和装置的控制或子系统（垂直集成）。（5）标准模块不仅容易地适应生产过程，而且也容易地适应用户的功能。（6）高可用性和数据安全性。（7）简单、符合人机工程学的数据采集功能。（8）构造个性化的操作和计算方案。
为了满足上述的要求，根据最新发展的技术，开发了面向服务架构标准（SOA）的HYDRA系统。这意味着，内部模块化结构以“服务”的相应形式，提供给MES系统服务。通过现有的软件模块可变组合形成的服务，以便在系统里提供所需求的MES系统功能。基于HYDRA系统服务结构，如图2.1所示。图2.1 基于HYDRA系统服务结构，构造MES典型功能的MES服务
整体而言，HYDRA系统基于这样一个系统方案，即拥有较高的柔性和丰富功能。只有当MES系统具有这些特点，它才能量身定制地集成制造企业的现有系统环境，以支持所有业务流程的执行。2.1 生产中特殊框架条件
为了能够简单且安全地获得生产过程中所有必要的数据，在开发MES系统时，应当考虑生产中的特殊框架条件。不同于在办公室环境中使用的IT系统，MES系统在人机工程学方面必须提供高要求，以便在恶劣的生产环境中，工人可以无误地操作MES系统。简单而易于理解的操作对话是高水平的接受MES系统的一个强制性要求，否则很难成功地实施MES系统。
同样，应该注意在生产中恶劣的环境条件，如污垢、喷雾、蒸汽或油雾等。对这些恶劣条件不敏感的工业计算机是必需的，计算机选择适当的保护方式和健壮的用户界面，如触摸屏或键盘膜或合适的配件，例如条形码扫描仪或无线射频卡（RFID）阅读器。
此外，流动性需求越来越大。因为MES系统随时随地可使用，所以在宽大的车间或很难到达的仓储位置里，应投入使用移动采集设备。使用采集设备不仅作为一个区域或一组终端，而且也可以在同一总线上分配多个终端，例如一个终端直接分配给一台设备的配置。2.2 HYDRA系统IT体系结构
IT体系结构确定了如何用硬件、软件和网络构成基础设施，使用哪些IT组件，如何构建IT系统之间的接口。除此之外，提出了企业使用哪些标准的问题：优先使用哪些操作系统？使用那些数据库系统？如何在系统之间实现通信？这意味着，在选择MES系统之前，应该认真研究，是否满足个性化的IT基础设施的众多需求。
通过市场上操作系统和数据库系统及常见的网络技术的支持，以及面向服务的方法，HYDRA系统提供了良好的前提，可以无缝地连接到现有的IT环境。每个授权的用户可以从标准客户端上访问HYDRA系统里的MES服务。
图2.2显示了HYDRA系统的典型IT体系结构。中心部件是MES系统的服务器，它被集成到现有的网络，且被安装上了所谓的生产数据库。在这数据库里，不仅存储了原始数据，而且也存储了所有采集到的实际数据。因为与待处理数据的数量调整和使用客户端的数目变化很大，所以通过MES服务器的设计，给出了相应的MES系统可扩展性。现有的或将建立的数据安全机制和部件考虑了根据数据的重要性来存储MES数据。图2.2 HYDRA系统中典型的IT体系结构
实际的MES系统的应用，以所谓的MES操作中心（实际总览、评估和计划功能等）在标准计算机上应用，这些计算机用于大多数的经理办公室、生产控制、维护、控制、人力资源、质量保证、生产调度和管理部门。这些计算机除运行HYDRA系统应用程序以外，显然也可以同时运行其他所有基于Windows系统的软件，如微软办公软件。
相对于在那里工作的员工任务，MES操作中心工作站的配置，一方面，仅仅用于显示、计算或更改相关的数据，另一方面，也提供给用户共享的功能和评估。
为了获得 设备和工作地的数据，还使用可选的工况数据终端、工业个人计算机或配有相应附件的标准计算机（条形码扫描仪，读卡器及打印机等）。通过与MES服务器的在线通信，可以检查数据输入的合理性。当其输入有错误时，立即显示给操作者。如果在线连接中断，脱机模式将自动激活，数据被存储在本地MES系统终端。如果恢复连接到服务器，缓存的数据将自动地传送到数据库。2.3 HYDRA系统结构
HYDRA系统是以面向服务的体系结构来构建的。HYDRA系统服务按功能分组，完成在MES系统中的具体任务：图2.3 按功能组分类的HYDRA系统服务（1）成服务（MES Weaver）构成了HYDRA系统的核心功能（2）应用服务提供对采集的数据进行预处理和进一步处理。（3）在MES操作中心（MOC）对预处理的数据用丰富的不同形式加以可视化，已经形成的计划和控制的工具，为MES系统管理员提供多种功能。（4）集成服务用于与上层系统的通信，如ERP系统或工资系统。（5）车间连接服务用于与设备和装置或子系统的双向通信。（6）采集和信息面板（AIP）是工人和采集所有生产、人员或质量相关数据的设计师的用户操作界面和信息显示界面
在下面的章节中，将更详细地阐述所选择的MES HYDRA内的应用服务和它们之间的相互作用。2.3.1 系统集成服务
所有的中央管理程序及控制程序，例如一般的系统设置，都位于HYDRA-MES系统集成服务（Weaver）里。它们主要负责确保HYDRA系统操作在可能范围内自动地运行，以及管理任务工作量限制到最小。
一个在MES系统后台工作的复杂机制典型例子，就是HYDRA系统调度，如图2.4所示。可通过HYDRA系统调度器定义程序的起始时间，例如，数据备份、完整系统事件记录，或删除数据。它们会自动启动，这样会减轻系统管理员的工作。图2.4 用于自动化流程控制的HYDRA系统调度器
在MES系统中，提供了更方便的组件管理和监测功能。这样做的目的是简化系统管理员的工作，例如，通过连续监测的MES重要部件的状态，如果识别系统中有问题，将通知到责任人。对于大型的或局部分布式系统，如果可以在网络上的任何点进行管理，那是很有利的。数据采集终端的管理和监测作为一个支持系统管理员的示例应用如图2.5所示。图2.5 数据采集终端的管理和监测作为一个支持系统管理员的示例应用
1.用户管理和权限方案
HYDRA系统有一个复杂的密码、用户和授权的方案，通过可设置的方法，哪些用户使用哪些功能，哪些数据可以查看或者允许更改。如果其他系统已经实现的用户管理和授权管理，那么这些也可被HYDRA系统使用，如图2.6所示。
2.反馈管理
反馈管理是HYDRA MES系统集成服务中另一个重要功能，它具有巨大的益处。反馈管理能够确保，当必要的反应给出时，它就能够识别个性化可配置的事件并主动登录。例如，当开始数据库表直至可定义的百分比填写后，时间间隔能够满足所有HYDRA系统应用，并通知到系统管理员。设备数据采集的例子显示了广泛的可能性。在维修中的人员在智能手机上收到一条短信，报告了在一台设备上存在工具的问题；或者部门主管收到一名雇员申请休假的邮件，或者负责质量保证的主管被告知，一个产品生产的检验期限已超出。正确应用HYDRA系统反馈管理，可建立多层次报告的工作流程，并应对所有的重要事件，如图2.7所示。图2.6 所有用户在用户管理例表中都具有单独的注册权限图2.7 利用HYDRA系统反馈管理识别定义的现状、生成反馈和构建工作流2.3.2 MES系统应用服务
强大的MES系统应用程序服务，在后台主要负责处理、压缩存储在MES系统中的数据，并准备在MES操作中心（MOC）中显示。服务在广泛的范围内是可配置的，由此，适合非编程的具体任务。要构建用户特殊的要求，可以使用内置的用户退出程序，个性化编程的例程作为分支运行，而不必改变HYDRA系统标准程序，如图2.8所示。图2.8 用于用户特定修改流程的“用户退出”2.3.3 MES操作中心
MES操作中心（MOC）是图形化用户界面，这是基于最新的IT技术而开发的，应用服务的输出以表格或图形化形式加以可视化。MES操作中心通过Web服务在MES系统服务器上通信。以配置选项和人机工程学为中心进行开发。根据现代的Windows操作方案配置的用户界面，为用户提供一个直观、舒适的操控。MES操作中心的菜单提供两个版本：面向角色和面向产品的菜单，如图2.9所示。
基于角色的菜单结构的开发，是面向根据在企业中具体角色的日常工作流程中的操作者。在此，根据VDI标准5600考虑了MES系统的任务结构。
两个菜单都可以通过菜单编辑器定制。例如，用户可以改变子菜单项的顺序，或容易地隐藏不需要的功能。
除了菜单的函数调用，用户还有其他 可能性来启动MES应用程序。因此，他可以将常用必需的功能放在收藏夹菜单里，并从那里进行调用。当MES操作中心启动时，在自动启动菜单中的功能自动地打开。另外，也可以在启动栏中直接输入其代码，调用每个应用程序，如图2.10所示。图2.9 MES操作中心的面向角色和面向产品的菜单图2.10 在MES操作中心里可变调用应用程序
通过多窗口的功能，用户有许多可能性，根据个性化需求在MES操作中心上定制显示界面。用户可以所需信息显示的窗口，或者输入数据的窗口。两个窗口可同时打开，也可以轻松地在两个窗口之间切换（见图2.11），从中使用所需要的信息或输入数据。屏幕布局对用户而言很容易修改。图2.11 在MES操作中心中可以并行地打开多个应用程序
还有一个亮点是，MES操作中心提供在一个窗口里显示相关的信息和同步不同窗口内容（见图2.12）。例如，当调用工作场所总览时，用户得到加工工序、维护间隔期或该工作地生产的数量的一栏表。根据所选择的那些数据记录，在相连接的应用里自动地改变数据。如果多个数据记录同时被选中，就会自动地累计相关的数据。
正如本章开始简要提到的，MES操作中心提供一系列适应个性化需求和习惯的可能性。即在总体应用窗口里的子应用程序被自由地放置或显示和隐藏，以及可以改变颜色和背景。在用户设置中，系统保存由用户所做的更改。例如，表中的每列的宽度或桌面上应用程序的排列，这些个性化的变化在MES操作中心重新启动后仍保留着。同样，配置调整被分发到MES系统中的所有用户，以确保全系统MES操作中心界面的统一。
特别重要的是，对国际运营公司而言，在MES系统的应用程序中以用户的母语显示。所谓的HYDRA系统语言管理器可以任意管理许多语言，并进行个性化的翻译。HYDRA系统多语言界面允许方便地切换到另一种语言，如图2.13所示。图2.12 自动同步窗口内容图2.13 HYDRA系统多语言界面允许方便地切换到另一种语言
MES操作中心的另一个优点是有广泛的选择性。可根据所选择的项目，在MES系统应用中显示相关数据。例如，根据表中元素的选择实现极不相同图表的可视化。当在表中选择单个对象时，会显示与对象相关的图表。如果选择了多个数据记录，那么它们就可以进行比较。在基于图表的评估中，排序功能、分组功能和数据透视功能有助于以总览的形式显示其内容。此外，将表格内容自动地导出到Excel表或创建PDF格式的文档。2.3.4 HYDRA@网页
在MES系统中，为了访问不在内部局域网或者不是自己可信赖的个人计算机上的数据，HYDRA系统各种功能和MES操作中心的视图可以通过互联网，以浏览器的形式进行调用。HYDRA@网页（HYDRA@Web）具有灵活性：一个简单的应用，例如设备和工作地的状态，可以在任何地方任何时间进行查看，如图2.14所示。图2.14 HYDRA@网页中的设备概览2.3.5 企业集成服务
在垂直集成方面，MES系统是生产和管理层次之间的连接体。企业集成服务承担了HYDRA系统和上级系统之间的通信，例如企业资源计划（ERP）、供应链管理（SCM）、高级生产计划（APS）或者薪资系统，包括通信平台MES系统链接使能器（MLE）。
MLE系统提供了获取和数据传输的标准化MES系统接口。例如，从ERP系统中，生产订单包括相关的工序、部件和许多其他 信息的原始数据，直接转移到HYDRA系统生产数据库。采集到的实时数据，通过压缩形式以相反方向传送给ERP系统或其他系统。除使用标准化形式的接口以外，项目特殊的修改当然也是可能的。一个复杂的具有细致的输入和输出数据交换日志记录的检验，可避免在交换数据时可能没有发现的问题，或者处理错误的数据库。监测HYDRA-MES系统和其他上级系统间接口的状态监视器如图2.15所示。图2.15 监测MES HYDRA系统和其他上级系统间接口的状态监视器
由于出色的市场表现，该特定的接口用于与SAP系统通信，该接口符合SAP规则，其功能也被SAP公司官方认证。与SAP模块（PP，PP-PI，PP-REM，CO， HR，PM，PS，QM，MM和NetWeaver）的数据交换是基于可选的认证接口HR-PDC和PP-PDC，以及KK1和KK2（PDC-CC1和CC2），标准接口KK3，KK4（PDC-CC3和CC4），PI-PCS，PP-REM，QM-IDI和MM-MOB，以及使用RFC，BAPI和iDOC技术的定制接口。2.3.6 车间连接服务
HYDRA系统与设备、装置、控制系统和刀架等其他生产设施间的通信，承担了所谓的车间连接服务。根据要求以及技术的可能性，在设备侧开始丰富地实现简单 设备接口的可能性，通过与设备传感器直接连接，能够容易地获取节拍和数字信号，以及模拟测量值如温度、压力、转速度或速度等。这些都可以变成一个简单的记录。选择价格合理的设备，通过一个串行接口与BDE终端直接连接，或通过HYDRA系统中局域网加以集成。按照要求，设备接口根据需要模块化地加以扩展，具有基于工业标准的安装和连接选项。
为提高有关数据交换的要求，调整数据或NC记录首先要传送到控制系统，将使用HYDRA系统进程通信控制器（PCC）。进程通信控制器拥有支持多种协议和接口技术的丰富的驱动程序库。该驱动器可被配置，由此，按照相应的应用目的或使用情况加以个性化地调整。对于MES系统，进程通信控制器确保一个统一的、面向应用的视图，并承担“翻译”成具体的设备/自动化语言。
通过进程通信控制器，支持一系列的特定部门的工业标准。例如，在塑料生产中注塑机集成的Euromap 63标准，或用于饮料和食品工业灌装生产线的连接的作为准标准的魏恩标准（Weihenstephaner Standard）。高效而广泛应用的OPC接口（过程控制OLE）可以用PCC来实现。HYDRA进程通信控制器通过标准化接口提供多样化的设备连接，如图2.16所示。图2.16 HYDRA进程通信控制器通过标准化接口提供多样化的设备连接
车间连接服务的另一个要素是HYDRA系统生产和人力资源数据管理器，它首先开发用于现有子系统的通信。例如，通过它可以传输订单数据、人员数据、设备数据和工艺过程数据，还提供外部的工况数据采集（BDE）或人员时间采集（PZE）系统、数据集中器、设备控制器等。其优点是可以广泛应用现有的组件和系统，以及建立特殊的解决方案，并且可以避免更换或冗余采集机制。2.3.7 采集和信息面板
采集和信息面板（AIP）是基于Windows的用户界面，并作为人与MES系统之间的连接器。使用对话窗口实现相关数据的人工采集，在生产部门使用触摸屏和其他外围设备，如条形码或RFID读取器。因为采集对话窗口可以个性化地配置，所以采集和信息面板为每个任务提供正确的采集对话窗口，如图2.17所示。伴随着的信息，例如工件物料清单、工艺规程、检验指令或图样，可以为工人建立少纸化甚至无纸化生产的显示功能。同时，显示数控数据和调整参数，并直接输送到设备和装置控制器中。
为了简化数据采集和避免输入错误，可以从计量和检验设备中直接读取结果，并输入对话框中。图2.17 在BDE上简单对话例子和完整的工人自检验AIP应用
通过应用现代的界面构建采集和信息面板（AIP），并且根据在生产中用户的需求量身定制。通过应用程序组的划分以及在特殊情况下对每个工作地个性化配置，为工人和设计人员提供他们真正需要的功能，并符合他们正常的工作流程。为了直观地处理，多层次的输入窗口考虑了适用于所有MES应用的基于应用的采集工作流。这些应用从通过常规的BDE/MDE对话窗口进行人员时间采集的简单应用（如上下班打卡），直至物料记录、检验结果或者批次和批号采集的完整应用。2.3.8 备用的数据采集功能
可以使用移动设备诸如智能手机或掌上计算机（见图2.18），这是非常有意义的，特别是在大型生产领域里采集现场数据。
用户界面当然与小屏幕和有限键盘的特定条件相匹配。除了固定或移动终端，通过HYDRA@网页（见图2.19），使用基于浏览器的界面采集数据和信息检索。例如，员工在工作地或子公司通过连接在互联网的个人计算机上，进行上下班打卡或休假申请。图2.18 在智能手机上HYDRA系统应用的例子图2.19 通过HYDRA@网页采集数据2.4 定制MES系统
在本章的最后总结HYDRA系统提供的各种可能性，设计一个满足制造企业个性化需求、量身定制的MES系统。存在大量标准功能的基础数据资源是非常重要的。这些都经过实践测试且可以直接使用的，其中的大多数定制过程不需要进行额外的编程。然而，为了实现MES系统能够完全适应个性化生产过程，提出这样的问题：HYDRA系统还有哪些杰出的特点，存在什么额外的机制。HYDRA实现定制MES系统解决方案的元素如图2.20所示。图2.20 HYDRA实现定制MES系统解决方案的元素
1.定制
可变性地构造系统流程和行为的第一层次有多种可能性，通过配置参数影响系统行为的标准功能。所谓的定制就是用户自己能够配置HYDRA系统，让MES系统满足用户的要求。例如，通过使用参数来定义不同的订单类型，由此，在系统里可以构造生产中不同的系列订单处理、在维护中的维护订单和在工具生产中的单个加工订单。可配置接口是其基础，使HYDRA系统可以无缝地融入具有设备组和上级系统诸如ERP系统的基础设施中。
2.可配置的操作界面
MES系统被它的用户所接受和认可，在很大程度是依赖于，其功能操作起来很容易，且符合人机工程学。根据个性化需求，利用HYDRA系统插件重塑BDE终端和MES操作中心的用户界面。动态的终端对话框面向工人、评估设置的工作流程，或者利用简单的手段设置其显示窗口，让用户一眼能够看到所期望格式的必要的数据。
3.报表设计
HYDRA系统可以提供了一个报表设计，利用它可以制作特定的评估、报告及工作文件，例如流程图或者工资单，以包含所要求的格式和所需的数据。此外，标签、托架卡片等可由用户利用标签设计器进行配置，从而适于其生产的要求。
4.用户退出“用户退出”可以允许修改HYDRA系统功能，从规定的退出点上，将自定义的扩展嵌入标准程序，而不改变标准流程。
5.开发环境
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]