2.2 面向并行工程的MES系统设计
2.2.1 面向并行工程的MES总体框架
传统的MES（Traditional MES，T-MES）可大致分为两大类：专用的（point MES）和集成的MES系统%（integrated MES）。专用的MES能够为某一特定环境提供最好的性能，却常常难以与其他应用集成；集成的MES比专用的MES迈进了一大步，其系统内部具有良好的集成性、统一的数据模型等。
总的说来，T-MES开发成本高、效率低、系统稳定性差，具体表现在以下几个方面：
（1）敏捷性差
敏捷性是所有先进制造模式的核心，在生产中表现为对实际生产环境的应变能力。对于T-MES由于系统结构本身和采用的开发技术的原因，一个微小的过程改变就会导致系统无所适从，甚至不能正常运转，这对实施并行工程的企业来说是个致命弱点。
（2）可集成性弱
软件与其他应用系统集成，可提高企业信息的共享程度，这对需要信息快速反馈的并行工程而言非常重要。目前，某些具有集成功能的MES，仅局限于某个特定的系统或功能，结果造成整个企业的信息共享程度不高。
（3）缺乏可重构性
企业中的生产实际情况是多变的，需要根据实际情况从MES系统中裁剪不同的功能进行重新组织，以满足某个特定任务的需要。目前T-MES基本上没有此类功能。
T-MES的弱点使其不能支持并行工程。为了支持并行工程，在T-MES的基础上，提出了面向并行工程的制造执行系统的总体框架。
在该框架中，通过应用面向对象技术、消息机制和组件技术，充分结合T-MES的优点；通过采用高效的基础框架，增强系统的集成性和适应性。从框架中可看出，每个对象都使用自身具有的功能和方法来操作数据，分别完成系统的各种功能；通过对象请求代理（ORB）（如CORBA，COM/DCOM）可使不同软件商的系统相互交换信息和进行互操作；采用分布式对象框架可以让各种数据和功能逻辑在使用时变得更加紧密；通过使用小巧简练的对象，可使系统模型在不破坏相互关系的情况下方便地进行客户化定义。这些特征使实施的MES费用较低，同时又具有良好的适应性和柔性。随着计算机技术的发展，越来越多的MES、ERP、控制系统、产品数据管理、供应链管理和客户关系管理都是以对象的方式来编写代码的，只要遵守统一的ORB，不管它们由哪个开发商提供，都可以进行无缝集成。现有的应用系统只要按正确的方法进行封装也同样能实现系统的即插即用。通过引入智能代理（Agent）可以有效地实现分布式MES的协同工作。该框架可以满足并行工程对MES应用的要求，实现车间对并行工程的支持。
2.2.2 功能结构
面向并行工程的制造执行系统的总体框架在逻辑上分为车间层、单元层与设备层。单元层与车间层在逻辑上分成两部分，但在物理上单元控制器既可与车间控制器合并，也可以分开，特别是当车间内DNC系统或单元比较少时，车间控制器与单元控制器可合并到一台计算机上，满足并行环境下对MES系统可配置可重构的要求。其中，车间控制器中主要有车间层的计划/订单管理、完工管理、物料管理、工具管理、设备管理、质量控制、数据采集、NC程序管理及生产统计等模块；单元控制器主要分为单元层的计划与派工、完工管理、工况管理、质量控制、物料管理、工具管理等模块；DNC接口主要有数据通讯控制、任务接收与查看、DNC程序仿真，NC程序双向传输、机床状态信息采集及例外信息实时反馈等模块。
在功能结构上，此系统具有以下一些特点：
（1）系统可重构
在软件上，系统可以进行工作流程的重新定义，通过采用组件技术，可以实现软件系统的即插即用，可以根据实际需要裁减所需的功能，这是T-MES系统所不能实现的；在硬件上，单元控制器可以根据实际需要进行动态配置与重构，如添加或减少设备。由此可满足实际生产中机构调整、业务流程重组以及实际生产中可能面临的一些特殊需要等，满足企业多品种产品并行开发中对车间的实时多变的要求。
（2）系统可扩展
在通信网络允许的范围内，系统可由任意多个车间组成，每个车间可有任意多个单元，每个单元可包括多台与多种数控/非数控设备，甚至整个单元都可由非数控设备组成，这大大地提高了系统的灵活性、可扩展性和应用范围。
（3）系统的集成性
通过开发DNC接口，将不同类型的数控设备加以集成，可方便地实现NC程序的上载与下载。系统可依据不同类型的零件及加工程序、生产计划及操作人员水平，提出合理的生产调度计划供车间生产管理人员进行决策，实现不同数控设备的统一调度与集成，快速地进行生产准备，保证产品并行开发的顺利进行。
（4）系统的实时性
由于采用自动化数据采集技术，使状态数据可实时采集，系统反馈的数据不仅包括每台设备、每个工序和每个操作人员的数据，还包括加工过程中的状态数据，使得上层的设计部门可以实时得到生产现场数据，更好地进行新品开发，满足了并行工程中对下游信息的快速反馈，设计中尽量避免大的设计循环的要求。
2.2.3 实现MES的关键技术
2.2.3.1 运行状态实时采集技术
并行工程中产品的设计希望能够及时得到生产现场的有关信息，以便修正设计。运行状态实时采集技术就是采集机床的开/停、加工运行状态的信息，为产品设计、计划控制和动态调度提供及时、准确的信息支持，使车间管理与控制真正做到实时。对机床的开/停、加工运行状态进行实时采集的技术方案，将根据机床设备的具体情况确定。对于可以直接上网、支持OPC（用于过程控制的OLE）的机床，采用基于OPC的状态信息采集方案，通过标准的OPC接口和必要的软件配置，直接读取机床的各种状态信息即可。对于不支持OPC的数控设备开/关机与运行状态的信息采集，要通过测量数控设备中的控制面板，以及机床电气控制电路中有关点的模拟信号及其变化，进行适当的转换，再利用DNC接口上的I/O接口来实现。
2.2.3.2 程序传输技术
根据不同的数控机床进行OPC程序的双向传输，对MES支持并行工程具有十分重要的意义。通过建立NC程序库及相应的管理系统，实现对全车间或全厂NC程序的集中管理，记录NC程序更改的历史信息，并可根据车间/单元生产作业计划分配NC程序，使设计部门可以与生产现场进行快速联系，加快产品开发进程。在系统中，NC程序的双向传输主要解决具有不同传输协议的数控系统NC程序的传输问题。
通常，NC程序的双向传输采用基于RS-232C的点对点通信连接，这种连接方式结构简单、传输可靠，在拓扑上为星形结构，通信协议简单，通信速率一般在110～9600 bit/s之间，技术上比较成熟，系统组成也相对简单，易于实现，是一种应用较多而又经济可靠的一种方案。当DNC接口与数控设备间的传输距离较大时（50 m以上），在DNC接口和设备端增加一对RS-232C/RS-422转换器来扩展传输距离，实现串口设备服务器或智能多串口卡与NC设备中RS-232C等接口的连接。
不同的数控系统与PC计算机的握手信号是不同的，通常有硬件握手和软件握手两种形式，如FANUC数控系统通常采用软件握手，Siemens的数控系统采用硬件握手，硬件握手信号有DTR，DSR，DTS和CTS。数控系统通信协议一般有XON/XOFF协议和自动重复请求的ARQ协议两大类。对不同的握手信号与通信协议，需要采用同的通信控制方式。
利用所开发的DNC接口控制软件，可以根据NC程序的分配结果，把NC程序库中的有关NC程序下载到单元控制器和相应的数控机床上，也可在DNC接口（单元控制器）上远程调用NC程序库中的NC程序。根据需要，还可把数控机床上修改过的NC程序上载到单元控制器或NC程序库中，这样可以大大缩短从设计到制造的准备时间。
2.2.3.3 不同数控系统的集成
不同数控系统的集成是通过DNC接口来实现的。DNC接口利用数控设备的RS-232C接口，实现数控程序的双向传输，通过数控设备中PLC与伺服控制器来采集设备的启动、运行、停止状态信息。系统可依据不同类型的零件及加工程序、生产计划及操作人员水平，提出合理的生产调度计划供车间生产管理人员进行决策，实现不同数控设备的统一调度与集成#提高数控设备的利用率。
2.2.3.4 车间工作流程重组
为了提高车间的敏捷性#保持车间的均衡生产，需要通过并行工程的理念重组车间的工作流程，图4为重组前后的车间工作流程。并行化的车间生产，实际是通过进一步的子任务划分和估算以及信息预发布的方法，小串行、大并行地进行产品设计、工艺、物料、工具和量具等资源的生产准备和生产。为使计划的安排更合理，资源配置更有效，充分发挥车间并行化工作流程的作用，信息预发布系统必不可少。车间生产一般以订单驱动，车间接到订单后，进行产品设计、工艺准备的同时，可以从以下几方面考虑物料、工具等资源准备的并行化：①订单或车间生产计划向库存预发布；②工艺向库存预发布；③怎么库存的预发布，与总厂之间，可实现原料需求信息的预发布。在软件上，通过开发工作流程管理工具，可以实现工作流程的自定义，满足实际生产需要。
2.2.3.5 系统的可重构技术
系统从总体框架上就已经考虑了系统的可配置、可重构。采用车间、单元和DNC接口3层构架形式，从硬件上保证系统可以根据实际情况的变化自由地增加或减少单元控制器的数目，可以根据实际情况决定DNC接口的数目及每个DNC控制器连接的数控机床的数目，这就从总体框架上保证了该系统可以根据实际情况的需要而变化；通过所开发的工作流程管理工具可以实现业务流程的自定义；通过组件技术，使得所开发的控制软件的各个模块之间能够实现即插即用。以上措施保证了系统可以根据实际情况进行重构和配置，可以更好地满足并行工程对车间生产的各种需求。
3 应用实例
在上述面向并行工程的制造执行系统框架的基础上，设计开发了江西省重大科技攻关项目——江铃齿轮股份有限公司（简称江齿公司）“通讯网络及管理系统（简称JC-DNC系统%）”。JC-DNC系统采用Client/Server模式，数据库采用SQL编程语言开发。
江齿公司是典型的多品种、批量生产企业。1999年由国家正式立项组织实施863/JC-CIMS应用示范工程，实施了CAPP及CAD/CAPP的初步集成。JC-DNC系统实施前，江齿公司原先的生产存在着生产控制指令传递迟缓、数据的一致性差、生产跟踪困难、人为因素多、设备利用率不高以及设备负荷不均衡等问题，使并行工程难以顺利实施。
通过面向并行工程的MES系统的建立，实现了支持并行工程的制造自动化分系统；JD-DNC系统完全达到了预期的目标。对江齿车间原有的工作流程进行了重构，实现了车间生产管理的计算机化、网络化，达到了刀具、工装和量检具等资源信息实时共享的目的，实现了车间从投料到产出对物流的规范化管理，掌握截止到上一班所完成的零件在制品在各工序/工位上的分布情况与状态；实现了数控机床连网，对机床的开/停、工作状态进行监控并统计，实现了NC程序的集中管理与双向传输；实现了CAD/CAPP/CAM，MIS和CAQ与车间生产管理的集成，实现了并行环境下产品的快速开发，显著提高了工厂的生产能力，加速了工艺准备，缩短了设计周期，提高了产品的制造质量，大幅度提高了技术水平、生产效率和制造能力，使企业的生产成本降低了8%～10%取得了显著经济效益。
4 结束语
本文针对并行工程实施中的难点，对车间生产中如何支持并行工程进行了深入地研究，提出了适合我国国情的支持企业并行工程实施的制造执行系统框架，并应用于实际生产。JD-DNC系统已于2002年8月通过验收，系统实施以来受到各方面的好评。面向并行工程的制造执行系统解决了企业信息化过程中长期困扰企业的难题，适合我国国情，具有良好的应用前景，为我国的制造业信息化工程作出了应有的贡献。
