0 引言

　　随着生产过程控制和信息技术的不断发展，利用信息化提升传统工业化水平已经成为纺织工业企业尤其是规模以上企业生产发展的必然趋势，纺织企业面对国内外激励市场竞争，如何在竞争中求得生存和发展，必须采用高新技术来提升企业的生产能力，减低产品消耗，目前国内许多纺织企业，在不同程度上开展了企业资源计划(ERP)管理、企业客户关系管理(CRM)、企业供应链管理(SCM)和电子商务管理(EC)等企业信息化建设，不同程度地实施了产品销售、采购、库存、客户、订单、财务、运输等管理，解决了部分企业内部的资源的有效管理和资源的节省等问题，并从中获得了效益，但是，进一步的节能降耗需要从精益生产中获取，随着纺织企业生产装备的智能化和数字化，客观上为纺织企业进行精益生产提供了条件，并在很大程度上可以实现生产过程控制、管理和执行的协调一致，实时反映车间作业过程，为企业快速应变市场提供了一个有效控制的响应机制，同时也为企业开展大规模的信息化工程提供的机会和条件，纺织企业原有的ERP系统大多数管理静态数据，与生产过程不直接关联，ERP管理数据与车间实时作业数据之间采用手工方式进行传递，信息自动化程度不高，大量手工操作和数据摆渡，降低了信息传递时效，不可避免产生管理漏洞和操作误差，不利于企业开展管理和生产过程一体化;不利于企业领导快速决策，这种半信息化的工作方式，导致了生产和管理信息之间的中间断层和隔离，上层管理无法实时了解车间实际生产的动态信息，形成管理和生产各自的信息孤岛，因此，为了克服中间的信息“鸿沟”，实现企业管理和生产一体化已经成为现代纺织企业未来发展需要，制造执行系统也就是在这样的条件下应允而生。

　　制造执行系统(Manufacturing Execution System，简称MES)是现代集成制造系统中制造管理自动化领域的一项重要技术，它定位于企业上层ERP与底层设备自动控制系统之间的、面向车间作业层的管理系统，解决企业信息“鸿沟”问题，加强计划管理层与底层控制之间的沟通，起到了承上启下的作用。

　　目前，国内的纺织企业经过几次的装备的升级和改造，就装备本身的加工性能和条件已经达到国际先进水平，主要存在的问题是软件环境和条件的不足，企业生产过程控制自动化和管理自动化之间的脱节，形成不了完成的企业生产和管理一体化的过程，降低了企业生产综合管理能力，不能充分发挥智能设备在企业生产管理中的作用。

　　笔者以纺织行业的染纱企业为例，依据染纱企业ERP系统和染缸控制系统，研究MES的体系结构和功能组成，以及和工艺管理、能源管理、生产调度、看板管理、集中控制、数据通讯和数据交换等关系，并将研究结果应用到大型染纱企业中。

　　1 业务需求

　　根据规模以上染纱企业的调查分析，这几年通过企业信息化建设，基本上实现了ERP管理，关键性染纱设备都配备智能化仪器或自动控制系统。为了进一步提高自动化水平需要解决是ERP系统与车间过程控制系统PCS之间实时监控的问题，而这一问题的解决，除了需要考虑车间染缸群集中控制以外，还需要考虑集中控制系统与客户订单、车间作业安排、生产现场调度、工艺流程监控、看板管理、物料需求安排、人员安排等生产现场管理和控制。

　　1.1 项目总体需求

　　依据现代控制理论和方法，结合企业实际情况，运用优化控制技术、信息管理技术和数据通讯技术，建立起企业ERP、车间制造执行管理(MES)和染缸设备控制(PCS)的三位一体化管理模型，实现多任务、分批次生产作业在有限资源的约束条件下生产过程控制和管理的智能化，以便提高生产效率，减低车间能源消耗，节约生产成本，最终提高企业的经济效益。

　　1.2 染纱工艺流程

　　以下是染纱基本工艺流程，内容主要包括松筒、装纱、前处理、染色、后整理，排水、卸纱、脱水、烘干等过程，如图1所示;

　　图1. 染纱基本工艺流程

　　1.3 关键性需求

　　(1)通过分析现有的染色工艺，研究和优化工艺过程，建立工艺数据库和工艺知识库。

　　(2)在单台染缸自动控制系统和集中工艺数据库建设的基础上，建立染缸车间集中控制系统，在保证产品质量和生产效率的前提下，有效控制能耗，降低成本。

　　(3)在满足订单任务的基础上，研究面向生产车间低能耗的优化作业调度模型和能耗考核管理模型，优化生产作业，建立生产能耗管理系统与作业调度系统，实现单台设备能耗控制，超标预警、工段和车间作业的过程的动态跟踪和管理。

　　(4)研究生产过程控制系统和企业的ERP系统集成，建立上下两层数据接口的规范，实现生产过程控制和管理一体化。

　　2 MES结构设计

　　在开展MES项目之前，很多企业的信息化建设项目和车间设备技术改造项目基本上是独立运行的，很少联合，现在需要考虑如何实现企业两者之间的联合和一体化的问题。难度自然是可以想象，一方面原有系统要保持运行，另一方面需要考虑车间实施MES系统后，对原有系统的提出新的要求，升级改造，新旧系统之间接口，尤其在数据采集规范、接口和集中通讯等参数和性能等协调问题，相应增加了设计复杂度，在进行系统设计之前，需要仔细分析和评估可能存在的风险，设计到位，确保设计后的新系统能顺利完成任务。

　　由于染纱车间生产过程涉及到订单、原料、颜料、工艺、配方、染缸、作业安排、调度、质量监控、供排水、蒸汽等方面控制和管理问题，实际上是一种多任务、多批次的复杂的控制和管理系统。分析设计需要采用系统工程的设计思想和方法进行指导，在把握总体目标的前提下，研究各子系统的功能结构和定位，然后，进一步考虑项目之间的内在关系，形成一个完整的大系统。本文基于这种思想提出了“三层体系构架(PCS/MES/ERP)”的集成设计方法和技术，来解决染色工业中的现场控制和管理的问题。

　　2.1 MES总体结构设计

　　针对染纱企业的业务需求和实际生产情况，考虑到企业内部已经建立的ERP系统和染缸的生产过程控制系统，提出了以染缸生产过程控制和管理技术为核心的MES系统结构，其核心部分主要以PCS，MES和ERP三大部分所组成的一体化结构。在体系构架上，设计位于顶层是企业ERP系统，主要实现功能是企业内部资源管理，与本系统发生密切关系的是生产计划模块;位于中间层是MES系统，主要实现功能是接受上层计划指令，组织车间作业、优化调度作业流程，实时监控生产过程，下达作业任务;位于下层是PCS系统，主要实现功能是生产过程控制系统，属于设备级的控制，主要任务完成工艺要求的生产过程，并提供生产现场的实时数据，实现生产过程数据的自动化采集和发送，实现与执行层之间的沟通。染纱工业属于典型的流程工业，其中染缸的控制涉及到电、水、蒸汽的控制、工艺控制，以及污水排放控制。以下是三层体系构架设计图，如图2所示。

　　图2. PCS/MES/ERP三层体系构架

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