MES--制造业信息化的关键

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欢迎访问e展厅 展厅 3 CIO信息化管理展厅 电子商务/企业门户, IT运维管理, 制造执行系统MES, 流程管理BPR/BPM, SOA/SaaS/云计算, ... 一、引言 制造业是国民经济的支柱产业和工业化的原动力，现代制造业正在深刻地改变着人们的生产方式、生活方式、经营管理模式乃至社会的组织结构和文化。随着经济全球化趋势的不断加剧和国际竞争的日益激烈，可保障的质量、多样化的品种、快速设计与制造、快速检测与响应以及快速重组等方面的要求不断冲击着制造业的发展。“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”被提到了前所未有的高度、深度和广度。制造业信息化是“以信息化带动工业化”的主战场，设计数字化、生产数字化、装备数字化、管理数字化、企业数字化是制造业信息化的主要研究内容和发展方向。然而，纵观我国制造业信息化的发展与应用现状，建设的重点普遍放在MRP, ERP等管理系统和现场自动化系统(如SFC, Shop Floor Control System)两个方面。前者强调企业的计划性，它们以客户订单和市场需求为计划源头，力求充分利用企业的各种资源、降低库存、提高企业的整体运作效率;后者则强调生产设备的控制— 通过控制优化，减少人为因素的影响，提高产品的质量与系统的运行效率。我国制造业多年来采用的传统生产过程的特点是“由上而下”按计划生产。简单地说是从计划层到生产控制层:首先，企业根据订单或市场等情况制定生产计划，接着，生产计划到达生产现场，然后组织生产，最后进行产品派送。由于市场环境的变化和现代生产管理理念的不断更新，一个制造型企业要良性运营，关键是使上层的“计划”与下层的“生产”密切配合，企业和车间管理人员可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，从而做出准确的判断和快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速的修正。虽然ERP和现场自动化系统已经发展到了比较成熟的程度，但是由于ERP系统的服务对象是企业管理的上层，一般对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持。而现场自动化系统的功能主要在于现场设备和工艺参数的监控，它可以向管理人员提供现场检测和统计数据，但是本身并非真正意义上的管理系统。所以，ERP系统和现场自动化系统之间出现了管理信息方面的“断层”，导致上层计划缺乏有效的实时信息支持，下层的控制缺乏优化的调度与协调。 MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)正是为了消除这一“断层”而设计的。MES是处于计划层和车间层操作控制系统之间的执行层，主要负责生产管理和调度执行，它通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造竞争力，提供一种系统的在统一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的方式，从而实现企业实时化的ERP/MES/SFC系统。 二、MES及其在制造业信息化中的应用 (一)MES内涵 MES是美国管理界20世纪90年代提出的新概念。美国先进制造研究机构AMR (Advanced Manufacturing Research)通过对大量企业的调查，发现现有的企业生产管理系统普遍由以ERP/MRPII为代表的企业管理软件，以SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition),HMI (Human Machine Interface)为代表的生产过程监控软件和以实现操作过程自动化，支持企业全面集成的MES软件群组成。根据调查结果，AMR于1992年提出了三层的企业集成模型，如图1所示。 MES国际联合会(MESA International)对MES的定义是: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能做出及时反应、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及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES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。一方面，MES可以对来自MRPII, ERP系统的生产管理信息进行细化、分解，将来自计划层的操作指令传递给底层控制层;另一方面，MES可以采集设备、仪表的状态数据，以实时监控底层设备的运行状态，再经过分析、计算与处理，从而方便、可靠地将控制系统与信息系统整合在一起，并将生产状况及时反馈给计划层。因此，MES不同于以派工单形式为主的生产管理和辅助的物料流为特征的传统车间控制器，也不同于偏重于作业与设备调度为主的单元控制器，而应将MES作为一种生产模式，把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理、设备的控制及计算机集成制造接口等作为一个整体来考虑，以最终实施制造自动化和管理信息化为目的。 (二)MES功能模型与技术架构 MESA通过其各成员的实践归纳了十一个主要的MES功能模块，包括:工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集。 对于这个归纳，业界还有一点争议。NIST(美国国家标准与技术研究组织)在向OMG (Object Management Group，对象管理组织)提交的《NIST Response to MES Request for Information》报告中就认为:MESA的归纳中，过程管理不应单独作为一个功能模块，而应该添加一个物料管理模块。笔者也认为，MES应具有物料管理功能。 从MES与企业其它系统的信息交互分析看，一方面，MES可以为企业其它管理信息系统提供实时数据。例如，企业资源计划(ERP)系统需要MES提供的成本、制造周期和预计产出时间等实时生产数据;供应链管理(SCM)系统从MES中获取当前的订单状态、当前的生产能力以及企业中生产换班的相互约束关系;客户关系管理(CRM)的成功报价与准时交货，则取决于MES所提供的有关生产的实时数据;产品数据管理(PDM)中的产品设计信息，可以基于MES的产品产出和生产质量数据进行优化;控制模块则需要时刻从MES中获取生产配方和操作技术资料来指导人员和设备进行正确地生产。另一方面，MES也要从其它管理系统中获取相关的数据以保证自身正常运行。例如，MES中进行生产调度的数据来自ERP的计划数据;MES中生产活动的时间安排需要依据SCM中的主计划和调度控制;PDM则为MES提供实际生产的工艺文件和各种配方及操作参数;从控制模块反馈的实时生产状态数据，则被MES用于实际生产性能评估和操作条件的判断。 从时间因素分析看，在MES之上的计划系统考虑的问题域是中长期的生产计划，执行层系统MES处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题，控制层系统则必须实时地接收生产指令，使设备正常加工运转。它们相互关联、互为补充，实现企业的连续信息流。 从层次角度分析看，制造企业的控制结构可划分为工厂层(或公司层)、车间层、单元层和设备层。其中，单元层相当于一般企业的工段或班组。通常，ERP系统处于工厂层和车间层，有时会扩展到单元层。设备控制系统处于设备层，有时会扩展到单元层。而MES则总是处于车间层与单元层。因此，MES与ERP在车间层(有时包括单元层)在功能上会有部分重复，MES与设备控制系统在单元层有时也会有部分功能重叠。 (三)基于Intemet的MES网络拓扑结构 目前，典型的MES网络结构模型如图2所示。 它基于统一的软硬件平台和稳定的Web应用，以MES数据库服务器为系统核心，进行实时数据存取和比照，实现生产信息的监视、控制和生产过程的管理。采用工业PC/PLC/HMI等设备作为车间内各生产单元(生产区域)功能站的主要构件，通过对各个生产单元的数据收集和反馈，组成覆盖全厂或者整个流水线的、满足闭环生产管理需要的开放式以太网络。 在企业内部，各功能站通过局域网对MES服务器进行交互操作，同时其他各查询终端也通过局域网查询MES处理后提供的数据、报表和图形。在企业外部，通过Internet可以连接到MES，在设定的权限内对系统进行信息发布或读取操作，做到实时信息共享。 (四)MES实施 为充分发挥MES的效用，在实施MES时有如下几点需要特别注意: 1.由于不同行业之间的MES应用存在巨大差异，加之MES本身也有专用型MES和集成型MES之分，所以在需求调研阶段，应有丰富生产现场经验的顾问参加，并综合考虑企业技术、资金、设备、人员等众多因素，对需求进行充分验证和分析，选择(或开发)适合企业自身需要的MES系统。 2.MES是一个外在简单，内部却非常细致、复杂的系统，在设计与开发阶段，研发与检测部门不但要对功能进行测试，还要进行大数据量、并发的实时测试，根据实际需求提早制定数据库策略。另外，由于MES的数据来源主要是参加生产工作的工作人员和管理人员。只有生产过程中的数据采集准确及时而全面，才有利于数据的进一步分析整理。而只有提高生产一线工人的系统应用水平，才能保证“数据源头”的质量。 3.MES是一种应用于工厂的动态的IT解决方案，经常因产品、流程、以及新老产品的产出比例发生变化而不断地有所改变，因此底层数据库的数据模型也会随之而改变。另外，MES与生产过程和MRP/ERP等系统紧密相连，但由于MES与企业其它应用软件系统可能来源于不同的供应商，各系统之间的部分功能虽有“重叠”但侧重不同，所以系统之间的衔接与扩展，系统稳定性和运行效率至关重要。因此，系统管理与维护应由具有过程控制、IT和管理业务系统知识的制造业IT专家负责。 三、有待进一步研究的MES关键问题 在经历了过去10年多的努力实践和改进后，MES逐渐变得成熟并在国外企业中迅速推广起来，在国内也有了初步的应用，并且给企业带来了巨大的经济效益。但是，也应该清楚地认识到，仍然有许多需要进一步深人研究和完善的MES关键问题，主要包括: (一)MES的结构敏捷性问题 即如何使用软件构件复用技术、中间件技术、集成计算模式、分布式对象技术和网格技术等开发与设计MES，使得符合接口标准的功能构件可以方便地以“即插即用”的方式组装到MES系统中，从而使MES具有开放性、模块化、分布式、可移植性、可扩充性和安全性等特点。 (二)MES的信息集成问题 即不仅从系统建模与软件开发的角度，而且从车间、生产系统及企业本身信息运动规律的角度来研究MES的功能与信息集成。例如:(1)应用分布式人工智能中的Multi-Agent理论进行建模，用以支持虚拟企业中MES应用;(2)集成CORBA/STEP以实现MES与PDM的无缝集成;(3)研究基于RFID(Radio Frequen-cy Identification，无线射频识别)技术的MES实时信息采集、编码、处理和控制，实现制造单元控制从面向批量和过程的控制向面向对象的控制机制转变等。 (三)MES中的生产控制与决策问题 主要包括非常规信息条件下生产设备的管理问题、生产物流的调度问题、车间生产调度和控制中的决策问题以及人作为特殊智能信息资源在上述软决策环境中的协调与作用机制问题等。例如，设计MES工作流模型以支持各种控制策略，加强过程管理。尽管目前已经有了一些这方面的研究成果，但仍需进一步深人。 四、结论 MES填补了制造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关键。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，为企业实施“敏捷制造”构建了良好的基础。与此同时，信息技术的发展和制造企业的竞争需求又带动了MES应用技术的不断进步与成熟。深刻理解和正确应用MES，对于提高我国制造业信息化水平，从而增强企业竞争力具有重要意义。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/5/2007)