ERP与MES集成技术及其应用研究

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      0 引 言

　　钢铁企业是连续的流程型企业，钢铁的生产是连续(铁前)和离散(钢后)混合、物理变化和化学变化混合的过程，工艺复杂、生产条件严格，并且是多工厂联合生产，生产设备多，自动化程度比较高，有大量的自动化设备、数据采集系统和检验系统。钢铁行业的特点决定了钢铁企业的信息化具有其自身的特点，即不仅要进行业务层的系统建设，还要考虑底层与设备相关的控制和生产管理系统。

　　从钢铁企业信息化的任务看，打通订货一生产一销售的关键路径，并在这条关键路径上整合全流程的质量监控(包括计量化验、质保书生成)、动态成本核算、采购、销售、运输、出厂以及财务管理，就成了综合营销系统。这样的综合营销系统再加上设备维修和备品备件管理、人力资源管理、网上办公和远程办公，就是钢铁企业ERP。钢铁企业中的MES实际上是过程控制级和作业管理级的整合。作业管理中的过程物料平衡、生产计划、调度、排序及优化已经纳入综合营销系统，成为其核心部分。ERP需要MES提供的成本、制造周期和预计产出时间等实际生产数据；ERP从MES中取到生产订单的实际状态、企业当前的实际生产能力情况以及企业中生产换班的相互约束关系；客户关系管理模块的成功报价和准时交货决定于每个时刻生产的实际情况。

　　MES根据erp系统下达的生产计划，通过生产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理过程组织生产，并将各种信息加以采集、传递和加工处理，及时呈报ERP系统。

　　近几年来，随着市场竞争日趋激烈，钢铁企业计划系统(ERP)受市场影响越来越大，计划的适应性问题日渐显露出来，与低层生产过程之间脱节的矛盾也日益突出。如何有效地解决两者之间的矛盾，充分利用上下两层之间的数据，提高计划的实时性和灵活性，同时又能改善生产线的运行效率，已成为一个重要的研究课题，而制造执行系统(MES)处于钢铁企业综合自动化系统的中心环节，起到承上启下的作用。文章首先分析了钢铁企业信息化体系结构，接着研究了ERP与MES信息化集成方法，最后解决了信息化集成的具体实现。

　　1 钢铁企业信息化体系结构

　　在钢铁企业信息化过程中一般将信息系统与控制系统分为四级：其中L4为企业资源计划系统(ERP)；L3为分厂(车间)生产制造执行系统(MES)；L2为过程控制系统PCS(Process Control System)；L1为基础自动化系统，如图1所示。L4的ERP负责企业的经营决策和生产规划；L3的MES负责企业生产调度和系统过程优化；L2及L1负责生产过程控制。

      位于最底层的L1和L2以设备综合控制为核心，聚焦于生产过程的设备，监控生产设备的运行状况，控制整个生产过程。

　　L3以优化管理、优化运行为核心。MES将生产过程控制、生产过程管理和经营管理活动中产生的诸多信息进行转换、加工、传递，是生产过程控制与管理信息集成的重要桥梁和纽带。MES要完成生产计划的调度与统计、生产过程成本控制、产品质量控制与管理、物流控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与处理等功能。

　　L4以财物分析／决策为核心，以产品的生产和销售为处理对象，聚焦于定货、交货期、成本和顾客的关系等，直接面向管理层和决策层。

　　在以上四级体系结构中，逐级之间处在互相依赖和数据传递的关系。L1-L3各级之间有严格的依赖关系，上级控制下级，下级向上级反馈运行信息，形成闭环的控制机制。L3与L4之间更注重信息的关联性和管理性。L4的ERP系统与L3的MES系统的有效集成，是钢铁企业信息化实现“产销一体化”和“管控一体化”目标的一个关键因素。

　　2 ERP与MES集成技术

　　2.1 ERP与MES的集成方法

　　ERP与MES集成的方法是对生产相关的业务流程进行疏理和优化，通过流程来把MES和ERP集成到一起，基于流程在MES和ERP之间的“进”和“出”来设计两个系统间的接口。ERP与MES一起构成计划、控制、反馈、调整的完整闭环系统，通过接口进行计划、命令的传递和实绩的接收，使生产计划、控制指令、实绩信息在整个ERP、MES、过程控制系缈基础自动化的体系中透明、及时、顺畅地交互传递。MES介于ERP与底层控制和自动化系统之间，起着承上启下的作用，是ERP系统数据基础和保证。

　　2.2 ERP与MES集成的信息流程

　　钢铁企业MES通常包括以下功能模块：生产订单管理、生产计划管理、生产实绩与跟踪、质量管理、原料库管理、成品库管理、发货管理、统计报表、钢包管理、系统管理及接口通信等。ERP与MES功能模块及信息流程如图2所示。

      钢铁企业在ERP系统中根据销售订单和销售预测排出生产计划(年生产计划、月生产计划)，同时根据质每标准进行质量设计，生产计划和质量设计结果由ERP导入MES，MES根据这些信息排出更细致的生产计划(日生产计划、班次生产计划等)。由ERP传入MES的生产计划的具体数据有：生产订单、物料编码、钢种和规格、具体数量、生产单位、对应销售订单、预计开始生产时问、预计完成生产时间等；由ERP传入MES的质量设计的具体数据有：销售订单、物料编码、钢种和规格、力学性能要求、化学性能要求、生产工艺要求、几何尺寸要求、表面质量要求等。

　　MES在下发作业计划以后，对生产的执行进行管理，将生产实绩反馈给ERP系统的车间管理和库存管理模块，作为计算生产成本的依据。从MES传人ERP的生产实绩的具体数据有：生产订单、物料编码、钢种和规格、生产单位、对应销售订单、消耗材料数据、消耗动力数据、资源消耗数据、产出数据等。

　　MES在生产执行的过程中还需要进行质量控制和检验，把质量结果反馈给ERP系统的质量管理模块。从MES传入ERP的质量结果的具体数据有：生产订单、销售订单、物料编码、钢种和规格、力学性能结果、化学性能结果、生产工艺结果、表面质量结果等。

　　销售发货在ERP系统中实现，把相关信息传入MES系统的发货管理模块，传递的具体数据有：销售订单、销售行、物料编码、钢种和规格、发货仓库、发货时间、出库数据等。

　　实现ERP与MES系统的集成，关键在于业务流程的优化和集成以及对所涉及MES和ERP系统的具体分析以充分发挥各系统的优点。首先，信息系统都是为业务服务的，MES和ERP各自解决一部分业务问题，分别反映一部分业务流程，流程是MES与ERP整合的“粘合剂”，通过流程的整体优化划分出哪些流程在MES中处理、哪些流程在ERP中处理。

　　3 ERP与MES集成的解决方案

　　以某钢轧总厂实施的MES(L3)系统与SAP(L4)系统(Systems Applications and Products in Data Processing)为例。

　　3.1 集成场景描述

　　该钢厂SAP与MES系统基于流程设计了SAP XI接口系统，通过SAP XI接口系统完成整个系统的集成。

      SAP与MES系统功能的划分本着一体化系统的设计方案，保证系统业务逻辑清楚，尽量减少数据的传输量，尽量避免一个业务数据逻辑在SAP和MES系统之间多次来回传输，尽量减少SAP XI接口系统处理大量复杂的计算为前提。在保证业务和流程顺畅、部门和岗位职责清晰，能够方便、快捷而有效地生成相应的管理和分析性报表数据等的基础上进行SAP与MES的功能划分。

　　3.2 集成技术

　　3.2.1 MES系统与XI系统集成技术

　　通信协议：

　　MES→XI：采用Web Service，通过SOAP message进行通信。

　　XI→MES：采用JDBC，直接对数据库表格进行操作。

　　通信方式描述：

　　当数据从MES系统发送到XI系统中时，通过SOAP协议进行通信。XI作为数据的接收方，提供接口描述的WSDL文件。MES根据XI提供的WSDL文件，将数据以SOAP消息的方式发送到XI上。

　　当数据从XI发送到MES中时，通过JDBC进行通信。XI的outbound接口将数据发送到JDBC Adapter，通过JDBC Adapter直接执行SQL语句或者调用存储过程，将数据写入MES的数据中间表中。

　　3.2.2 XI系统与SAP ECC(ERP Central Component)系统集成技术
　　通信协议：

　　采用XI协议，通过ABAP Proxy进行通信。

　　通信方式描述：

　　当数据从XI发送到ECC中时，ECC通过inbound ABAP Proxy与XI进行通信。接口集中定义在XI系统中，导入ECC系统后，在接口类的异步方法中开发的ABAP程序中进行业务处理。

　　当数据从ECC发送到XI中时，ECC通过outbound ABAP Proxy与XI进行通信。接口同样集中定义在XI系统中，导入ECC系统后，通过调用实例化接口对象的异步方法来完成数据的发送。

　　3.3 接口系统模块及功能描述

　　整个接口系统主要分为以下四个模块：

　　3.3.1 生产计划和控制PP(Production Planning and Control)模块

　　包括物料主数据下传、生产主数据下传、生产订单下传、生产订单变更上传、新增生产订单申请上传、生产收货上传、生产发料上传等接口。

　　·物料、生产主数据下传  实现SAP中的物料、生产主数据下传到MES；相应的，MES接收到SAP物料后，可作为未来计划外投料、异常产出的标准，以避免MES上传SAP的物料号码在SAP系统不存在的情况。

　　·生产订单处理  当SAP新增、修改、删除生产订单或者计划订单转为生产订单时，触发生产订单下传接口，接口程序根据约定的逻辑检查订单内容的相关变化来判断是否下传。当MES对接收的生产订单进行了生产订单开始时间、结束时间的变更，生产订单数量的变更，生产订单状态的变更，生产订单产线的变更等，利用生产订单变更上传接口将生产订单做的变更上传到SAP，以实现L3与L4生产订单的同步更新。当MES异常产出或者其他需要新增生产订单时，利用新增生产订单申请上传接口向SAP申请一个新的生产订单，SAP根据上传信息新建生产订单。

　　·生产收货上传  MES在生产订单产品产出后，收集产出信息，利用此接口将产出信息上传SAP；SAP接收数据并作生产订单收货处理。

　　·生产发料上传  MES对于收集到的物料消耗数据，需要对应到相应产出品的生产订单，生产发料上传接口上传生产订单的物料消耗；SAP的接口接收来自MES的物料消耗数据，完成生产订单发料处理。

　　3.3.2 物料管理MM(Materials Management)模块

　　包括通用移动类型记账上传、转储订单下传、转储单收货及发货确认上传、盘点或库存平衡差异上传、物料凭证取消上传、采购订单下传、转储单发货信息下传、账面库存下传等接口。

　　·通用移动类型  记账上传在MES／LES中收集好相应的出入库业务相关数据信息后，调用该接口上传SAP系统并触发SAP系统相应的移动类型记账；SAP记账成功后，系统会自动产生相应的物料凭证，该接口将返回相应的物料凭证号及项目号给MES／LES系统保存。

　　·转储订单处理  对于钢后产品主要为钢坯或者钢卷在厂际间的库存调拨，需要在SAP系统中建立相应的转储订单作为调拨计划下传到MES系统，转储订单下传接口根据发货工厂和发货库存确认下发到哪个发货MES系统；MES系统再给转储订单发料或收货业务数据进行处理。当SAP的转储订单下传到MES系统后，MES进行实际库存调拨装运并计量后，由库存调拨发出方先在MES系统中触发上传发货数据，SAP XI调用转储单收货及发货确认上传接口触发SAP完成对转储订单的发货记账；当库存调拨接收方收到钢坯／钢卷后，则在MES确认收货，MES系统则上传对转储订单的收货数据，SAP XI则调用转储单收货及发货确认上传接口触发SAP对转储订单的收货记账。SAP发货记账后，利用转储单发货信息下传接口将发货信息(钢坯、炉号、重量、质量检验等)下传到接收方MES，并形成预入库信息。

　　·库存平衡差异上传  库存盘点后，三级系统计算出库存差异数据，并且将该数据上传至SAP，保留在自定义数据表中，然后通过ABAP程序开发从该表中读取相应的库存平衡差异数据，按照相应的分摊规则计算分摊结果记账到相应的成本对象上去。

　　·物料凭证取消上传  当MES系统某笔库存收发数据已经上传SAP成功记账后，发现错误，需要取消原先上传记账的数据，则调用该接口取消原先记账的物料凭证。

　　·采购订单下传  当销售公司在SAP系统建立完外购钢材产品的采购订单并保存后，利用此接口下传到MES系统，以便供应商货物到达后，在MES系统进行外购钢材产品的采购收货。

　　3.3.3 销售和分销SD(Sales and Distribution)模块
　　包括订单库存转储下传、拣配单下传、拣配单删除下传、发货实绩确认上传等接口。

　　·订单库存转储下传  业务人员根据销售定单与库存状况，把产品在定单库存间进行转移，SAP系统执行相应的操作后，通过接口把库存调整信息传递给MES系统，MES根据SAP系统的指令作相应的库存调整。

　　·拣配处理  SAP在系统创建拣配单后，通过拣配单下传接口将装运发货指令下达给MES，MES负责货物出库的实际操作，如确定仓库、装卸点、进行拣配、打印发货标签、组织发运等；MES系统拣配完成后按实绩发货及拣配数量通过发货实绩确认上传接口对SAP系统中的拣配单进行拣配确认。若SAP系统取消拣配单，通过拣配单删除下传接口发送给MES，MES根据指令删除相应的拣配单。

　　3.3.4 质量管理QM(Quality Management)模块

　　包括代码下传、检验计划下传、检验结果上传、检验批下传、检验计划申请上传等接口。

　　·代码下传  SAP系统将定性检验结果做成代码组、代码形式，利用代码下传接口下传MES系统，以便为MES上传定性检验结果以代码的形式上传。

　　·检验计划下传  SAP系统确定需要下传给MES的检验计划的创建或修改后，利用此接口下传给MES，以便MES完成判定的物料。

　　·检验结果上传  MES系统完成连铸坯、板坯的检验后，利用此接口将检验结果上传给SAP。

　　4 结 论

　　ERP、MES、PCS、基础自动化系统构成了钢铁企业信息自动化的整体。特别是MES系统弥合了企业计划层和生产车间过程控制系统之间的间隔。是制造过程信息集成的纽带。MES通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，同时也为敏捷制造企业的实施提供了良好的基础。深刻理解ERP、MES和PCS等系统先进的管理思想，把握它们的发展趋势，分析它们之间的相互关系，对于钢铁企业的信息化建设具有重要的意义。

　　文章结合某钢轧总厂的ERP与MES系统的实际应用提出了一种ERP与MES的集成技术，基于流程设计了SAP XI接口系统，并将整个接口系统分为生产计划与控制、物料管理、销售与分销、质量管理等四个模块。实践表明该集成技术有效地解决了ERP与MES系统之间的矛盾，充分利用系统间的数据，提高了计划的实时性和灵活性，从而改善了生产线的运行效率。