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制造执行系统MES现状与发展趋势

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21世纪的制造企业面临着日益激烈的国际竞争，要想赢得市场、赢得用户就必须全面提高企业的Ｔ、Ｑ、Ｃ、Ｓ、Ｅ。许多企业通过实施MRPII/ERP来加强管理。然而上层生产计划管理受市场影响越来越大，明显感到计划跟不上变化。面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多产品的改型，订单的不断调整，企业决策者认识到，计划的制订要依赖于市场和实际的作业执行状态，而不能完全以物料和库存回报来控制生产。同时MRPⅡ/ERP软件主要是针对资源计划，这些系统通常能处理昨天以前发生的事情（作历史分析），亦可预计并处理明天将要发生的事件，但对今天正在发生的事件却往往留下了不规范的缺口。而传统生产现场管理只是一黑箱作业，这已无法满足今天复杂多变的竞争需要。因此如何将此黑箱作业透明化，找出任何影响产品品质和成本的问题，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每个企业所关心的问题。

制造执行系统（MES）恰好能填补这一空白。MES是处于计划层和车间层操作控制系统SFC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，提供了一种系统地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。MES是美国管理界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、HMI(Human Machine Inteface)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年提出的三层的企业集成模型（如图1）。由于MES强调控制和协调,使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统,而且能使计划落实到实处的执行系统。因此短短几年间MES在国外的企业中迅速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益。企业认识到只有将数据信息从产品级（基础自动化级）取出，穿过操作控制级，送达管理级，通过连续信息流来实现企业信息全集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。

随着企业生产模式逐渐向敏捷制造发展，企业业务流程重组（BPR）的实施、企业环境的异构性以及企业间动态联盟的组建等等对MES又提出了更高的要求，传统的MES解决方案难以适应敏捷制造的要求，面向敏捷制造的MES不仅要费用合理更要具有良好的适应性（adptable），可重构性(reconfigurable)，可集成性(integratable)，因此，国外许多组织和研究机构开始研究面向敏捷制造的MES。然而，国内对MES概念和应用的研究却不太多，更不说有成熟的软件产品。随着企业计算机应用的不断推广，企业信息化应用水平逐渐提高，企业越来越需要车间执行层的管理信息系统。因此如何深刻理解MES内涵，把握它的发展趋势，在我国企业中开发和应用MES，对于提高企业竞争力，缩小与发达国家企业差距是迫在眉睫的事情，也将是企业信息化水平深层次推进的需要。

1、制造执行系统（MES）

1) MES内涵

MES的需求是这十多年来生产形态的变革所产生的，因而它的发展史比MIS、MRP、CAD/CAM等要短，但人们对它的研究和应用却开展的非常迅速，MESA International (MES国际联合会)是以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会，它为了帮助其成员组织在企业界推广MES制定了一系列研究、分析和开发计划。MES国际联合会对MES的定义如下：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能对此及时作出反应、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还通过双向的直接通讯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。

从以上定义可看出MES的关键是强调整个生产过程的优化，它需要收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理。同时又与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。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、设备的控制和计算机集成制造接口（CIM）等一体化去考虑，以最终实施制造自动化战略。图2反应了MES在企业生产管理中的数据流图和所处地位。

图2 MES在企业中数据流图

2) MES框架模型

① MES定位模型

MES作为面向制造的系统必然要与企业其它生产管理系统有密切关系，MES在其中起到了信息集线器（Information Hub）的作用，它相当于一个通讯工具为其它应用系统提供生产现场的实时数据。MES的定位模型如图3

从图3中可看出MES与其它分系统之间有功能重叠的关系，例如，MES，CRM，ERP中都有人力资源管理，MES和PDM两者都具有文档控制功能，MES和SCM中也同样有调度管理等等。各系统重叠范围的大小与工厂的实际执行情况有关，但每个系统的价值又是唯一的。

② MES功能模型

MES本身也是各种生产管理的功能软件集合，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。MES的功能模型如图4所示。实际的产品可能是包含其中一个或几个功能模块。各模块的功能简述如下：

（1）工序详细调度：通过基于有限资源能力的作业排序和调度来优化车间性能。

（2）资源分配和状态管理：指导劳动者，机器，工具和物料如何协调的进行生产，并跟踪其现在的工作状态和刚刚完工情况

（3）生产单元分配：通过生产指令将物料或加工命令送到某一加工单元开始工序或工步的操作。

（4）文档控制：管理和分发与产品，工艺规程，设计，或工作令有关的信息，同时也收集与工作和环境有关的标准信息。

（5）产品跟踪和产品清单管理：通过监视工件在任意时刻的位置和状态来获取每一个产品的历史纪录，该记录向用户提供产品组及每个最终产品使用情况的可追溯性。

（6）性能分析：将实际制造过程测定的结果与过去的历史记录和企业制定的目标以及客户的要求进行比较。其输出的报告或在线显示用以辅助性能的改进和提高。

（7）人力资源管理：提供按分钟级更新的员工状态信息数据（工时，出勤等），基于人员资历，工作模式，业务需求的变化来指导人员的工作。

（8）维护管理：通过活动监控和指导保证机器和其它资产设备的正常运转以实现工厂的执行目标。

（9）过程管理：基于计划和实际产品制造活动来指导工厂的工作流程。这一模块的功能实际上也可由生产单元分配和质量管理来实现。这里是作为一个单独的系统来实现。

（10）质量管理：根据工程目标来实时记录，跟踪和分析产品和加工过程的质量，以保证产品的质量控制和确定生产中需要注意的问题。

（11）数据采集：监视，收集和组织来自人员，机器和底层控制操作数据以及工序，物料信息。这些数据可由车间手工录入或由各种自动方式获取。

2、MES发展现状

MES作为生产形态变革的产物，其起源大多源自工厂的内部需求，传统的MES(Traditional MES，T-MES)就是从70年代的零星车间级应用发展起来的，在积累了相当的经验后，逐渐形成了一些从事MES开发的专业公司，并且其系统也开发出了相当成熟的标准。通常他们都是针对特定的生产类型，或特定的功能需求而开发出较为标准化的MES，并拥有了一定的市场份额（例如美国的 Consilium，加拿大的 Promise 公司都是开发 IC厂 MES 的知名厂商）。总的来说T-MES可大致分为两大类：专用的MES系统(Point MES) 和集成的MES系统(Integrated MES)。专用的MES是指为解决某个特定领域问题，如车间维护、生产调度或SCADA而开发的单独应用系统。集成的MES则是针对一特定行业如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业而设计，具有一定的通用性。并且逐步加强了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成能力。

由于工厂可能会从不同的软件供应商购买适合自己的MES模块，或将现有系统（legacy system）集成为MES功能的一部分，其结果导致许多工厂的MES系统实际上是一个大杂烩。每个系统都有各自的处理逻辑，数据库，数据模型和通信机制。又因为MES应用常常是要满足关键任务的系统，系统就很难随技术的更新而进行升级。为了实现与外部系统的集成，往往采用API技术，OLAP技术和相应的通信机制，这些技术在某种意义上说，也是MES功能的核心部分。其中，外部应用系统的调用和插入使用API的方式，而应用EDI技术和外部环境进行数据交换。当前MES的技术模型如图5。

虽然专用的MES能够为某一特定环境提供最好的性能，却常常难以与其它应用集成，集成的MES比专用的MES迈进了一大步，具有一些优点如：单一的逻辑数据库，系统内部具有良好的集成性，统一的数据模型等等。但其整个系统重构性能弱，很难随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。为了解决T-MES的不足，可集成MES (Integratable MES，I-MES)逐渐成为人们研究的热点。

图5 当前MES技术模型

3、面向敏捷制造的MES—可集成MES(I-MES)

可集成MES通过将面向对象技术，消息机制和组件技术应用到系统开发中，充分结合两类T-MES的优点而发展起来的。通过采用高效的基础框架既大大增强了系统的集成性和适应性，又能满足关键事物的处理。NIIIP/SMART协会为整个MES应用领域提出的一个分布式对象和信息交换模型（如图6）代表了发展中MES的技术模型。

从模型中可看出，在面向对象的应用中，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。而其它功能如：工作流管理，产品数据管理，知识管理等都从功能逻辑中分离出来。通过对象请求代理（ORB）（如CORBA,COM/DCOM）可使不同软件商的对象相互交换信息和进行互操作。NIIIP/SMART所描述的MES技术模型非常适合未来MES的商业应用特征，一个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。而且，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。只要它们遵守统一的ORB，不管它们哪个开发商提供，都可以进行无缝地集成。现有的应用系统（Legacy System）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，满足虚拟企业中MES应用的要求。从而实现敏捷制造模式对信息系统的要求，既系统的可重构，可重用和可扩展(3R)特性。

显然建立制造信息系统的体系结构是最重要，也是最基础的事情。体系结构的好坏直接关系到整个系统的敏捷性能。目前比较有影响的有基于CORBA的NIIIP-SMART 体系结构和基于COM/DCOM的面向制造业的Windows DNA。两者各有优势，前者在跨平台及实时任务处理上具有优势，后者则有着广泛的应用基础。无论采用哪种体系结构，MES都需要解决以下关键问题：

（1）设计面向对象的MES模型以支持应用集成。
（2）设计分布式MES对象网络以支持实时活动。
（3）设计MES工作流模型以支持各种控制策略，加强过程管理。
（4）设计基于知识的规则以支持管理基于MES的产品。
（5）集成CORBA/STEP以实现与PDM的无缝集成。
（6）设计MES智能代理以支持虚拟企业中MES应用。

信息技术的发展和制造企业的竞争需求将带动MES应用技术的不断进步。从以上分析可将MES总的发展趋势归纳为以下几点：可集成性（Integratability）、可配置性（Configurability）、可适应性（Adaptability）、可扩展性（Extensibility）和可靠性（Reliability）。

图6发展中MES技术模型

4、结论

制造执行系统（MES）软件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MES这一先进的管理思想，把握它的发展趋势，对于如何在我国正确的研究和推广MES应用具有重要的理论和应用价值。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/18/2005)


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