MES_讓制造和計劃統(tǒng)一

1、MES，讓制造與計劃相統(tǒng)一   南京航空航天大學(xué) 戴勇教授 曹江輝博士    2003-7-30 中國計算機用戶    編者按：現(xiàn)在，以MRP II、ERP為代表的管理信息系統(tǒng)，以及以數(shù)控加工、DNC單元和柔性制造為代表的自動化技術(shù)，在制造業(yè)行業(yè)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。盡管這兩類系統(tǒng)的推廣取得了一定效果，但卻忽略了兩者之間的有效配合，導(dǎo)致企業(yè)上層計劃缺乏有效的實時信息支持、下層控制環(huán)節(jié)缺乏優(yōu)化的調(diào)度與協(xié)調(diào)。計劃層與車間執(zhí)行層無法進(jìn)行良好的雙向信息流交互，企業(yè)就難以實時反應(yīng)。十多年前誕生的MES直指這一問題，目前在發(fā)達(dá)國家已

2、經(jīng)普遍推廣。在我國，對MES的認(rèn)識和應(yīng)用還處于剛剛起步階段。為此，我們特意邀請南京航空航天大學(xué)的專家做專題介紹，將從企業(yè)需求、技術(shù)模型、如何實施以及不同行業(yè)應(yīng)用特點等角度系統(tǒng)地介紹MES這一概念。上個世紀(jì)80年代后期，美國在總結(jié)MRP實施成功率較低的教訓(xùn)并吸收日本準(zhǔn)時制生產(chǎn)系統(tǒng)(JIT)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出既重視計劃又重視執(zhí)行的管理新思想。此時，將計劃與制造過程統(tǒng)一起來的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡稱MES）應(yīng)運而生。以MRP II、ERP為代表的管理信息系統(tǒng)，強調(diào)企業(yè)的計劃性。它們以客戶訂單和市場需求為計劃源頭，力求充分利用企業(yè)內(nèi)的各種資源、降

3、低庫存、提高企業(yè)的整體運作效率。  圖1 AMR三層企業(yè)集成模型以數(shù)控加工、DNC（分布式數(shù)控技術(shù)）單元和柔性制造系統(tǒng)為代表的自動化技術(shù)，則強調(diào)設(shè)備的控制通過控制優(yōu)化，減少人為因素的影響，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與系統(tǒng)的運行效率。然而，上述努力盡管取得了一定成功，卻并沒有很好地達(dá)到預(yù)期效果。一方面是由于企業(yè)在管理改革方面跟不上信息化發(fā)展的步伐，另一方面是由于企業(yè)對執(zhí)行層的重視不夠，導(dǎo)致上層計劃缺乏有效的實時信息支持，下層的控制缺乏優(yōu)化的調(diào)度與協(xié)調(diào)。MES面向制造企業(yè)的車間層，可以為企業(yè)其它應(yīng)用系統(tǒng)（例如ERP、SCM）提供生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，從而加強計劃管理層與底層控制之間的溝通。承上啟下：M

4、ES所處“位置”關(guān)鍵上個世紀(jì)九十年代初期，通過對大量企業(yè)的調(diào)查，美國先進(jìn)制造研究機構(gòu)（AMR）發(fā)現(xiàn)：完善的企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，普遍由以下三種軟件構(gòu)成：以ERP、MRPII為代表的企業(yè)管理軟件，以SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視）、HMI(Human Machine Interface)為代表的生產(chǎn)過程監(jiān)控軟件，以及實現(xiàn)操作過程自動化、支持企業(yè)全面集成的MES軟件。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，AMR于1992年提出了三層的企業(yè)集成模型（如圖1所示）。從模型可以看出，制造執(zhí)行系統(tǒng)MES在計劃管理層與底層控制之間架起了一座橋梁，填補了兩者之間的空隙。一方面，MES可以對來自MRPII、ERP軟件的生產(chǎn)管理信息進(jìn)行細(xì)化、分

5、解，將來自計劃層操作指令傳遞給底層控制層；另一方面，MES可以采集設(shè)備、儀表的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以實時監(jiān)控底層設(shè)備的運行狀態(tài)，再經(jīng)過分析、計算與處理，從而方便、可靠地將控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)整合在一起，并將生產(chǎn)狀況及時反饋給計劃層。一個企業(yè)的制造車間，是物流與信息流的交匯點，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最終就是在這里被物化出來。隨著市場經(jīng)濟(jì)的完善，車間在制造企業(yè)中逐步向分廠制過渡，導(dǎo)致其角色也由傳統(tǒng)的企業(yè)成本中心向利潤中心轉(zhuǎn)化，更強化了車間的作用。因此，位于車間起著執(zhí)行功能的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES具有十分重要的作用。車間的實時信息的掌握與反饋是制造執(zhí)行系統(tǒng)對上層計劃系統(tǒng)正常運行的保證，車間的生產(chǎn)管理是制造執(zhí)行系統(tǒng)的根本任務(wù)

6、，而對底層控制的支持則是制造執(zhí)行系統(tǒng)的特色。互通有無：MES與其它系統(tǒng)關(guān)系密切作為面向制造的系統(tǒng)，MES必然要求與企業(yè)其它生產(chǎn)管理系統(tǒng)有密切關(guān)系，MES在其中起到了信息集線器（Information Hub）的作用，它相當(dāng)于一個通訊工具為其它應(yīng)用系統(tǒng)提供生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)。MES的定位（context）模型（如圖2）反映了MES與其他企業(yè)管理系統(tǒng)之間的關(guān)系。 圖2 MES定位模型MES可以為企業(yè)中其他管理信息系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)。例如，企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)需要MES提供的成本、制造周期和預(yù)計產(chǎn)出時間等實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)；供應(yīng)鏈管理(SCM)系統(tǒng)從MES中獲取當(dāng)前的訂單狀態(tài)、當(dāng)前的生產(chǎn)能力

7、以及企業(yè)中生產(chǎn)換班的相互約束關(guān)系；客戶關(guān)系管理(CRM)的成功報價與準(zhǔn)時交貨，則取決于MES所提供的有關(guān)生產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)中的產(chǎn)品設(shè)計信息，可以基于MES的產(chǎn)品產(chǎn)出和生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化；控制模塊則需要時刻從MES中獲取生產(chǎn)配方和操作技術(shù)資料來指導(dǎo)人員和設(shè)備進(jìn)行正確地生產(chǎn)。另一方面，MES也要從其它管理系統(tǒng)中獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)以保證MES自身正常運行。例如，MES中進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度的數(shù)據(jù)來自ERP的計劃數(shù)據(jù)；MES中生產(chǎn)活動的時間安排需要依據(jù)供應(yīng)鏈（SCM）系統(tǒng)之中的主計劃和調(diào)度控制；PDM則為MES提供實際生產(chǎn)的工藝文件和各種配方及操作參數(shù)；從控制模塊反饋的實時生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，則被

8、MES用于實際生產(chǎn)性能評估和操作條件的判斷。從圖2中，可以看出MES與企業(yè)其它管理系統(tǒng)之間有功能重疊的關(guān)系，例如MES、CRM、ERP中都有人力資源管理模塊；MES和PDM都具有文檔控制功能；MES和SCM中都有調(diào)度管理等等。各系統(tǒng)重疊范圍的大小，與工廠的實際執(zhí)行情況有關(guān)。實際應(yīng)用中，各個系統(tǒng)同一類模塊的側(cè)重點是不同的。略顯薄弱：我國MES應(yīng)用剛起步雖然MES的發(fā)展歷史比MRPII、CAD、CAM都要短，但它能有效地實現(xiàn)“以時間為關(guān)鍵”的制造思想，因而在發(fā)達(dá)國家推廣非常迅速，并給工廠帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。MES的出現(xiàn)以及普及，對國外的管理界也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。近十多年來，我國通過863 CIM

9、S項目應(yīng)用的研究和推廣，大大提高了企業(yè)的競爭力，使我國的制造業(yè)水平上了一個嶄新的臺階。但是，我國制造業(yè)水平與發(fā)達(dá)國家相比還有較大的差距。在工廠自動化FA（Factory Automation）方面，我國的制造業(yè)企業(yè)過去多是強調(diào)物流自動化，如自動化生產(chǎn)設(shè)備、自動化檢測儀器、自動化物流運輸存儲設(shè)備等等。雖然它們能取代不少人工勞動并解決了一些生產(chǎn)瓶頸，但由于缺少相應(yīng)的信息集成系統(tǒng)，這些系統(tǒng)不能充分發(fā)揮其功效而形成所謂的“自動化孤島”。制造業(yè)水平的提高，不單是采用設(shè)備自動化，提高生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的效率顯得更為重要。在我國，MRPII、MIS已逐漸趨于成熟與普及，而面向制造執(zhí)行層的MES軟件在開發(fā)與應(yīng)用

10、方面還比較薄弱。我國對車間層、單元層的研究大都著重于控制模型的研究，很少站在MES這一角度從應(yīng)用出發(fā)來研究并開發(fā)面向制造過程的集成化管理和控制軟件?，F(xiàn)在，我國的許多高等院校、科研院所都在從事這方面的研究與應(yīng)用開發(fā)工作。在理論研究方面，加入了并行、敏捷、網(wǎng)絡(luò)化、可重構(gòu)等一些先進(jìn)思想。在系統(tǒng)設(shè)計方面，則采用面向?qū)ο蟆?gòu)件、代理等技術(shù)，取得了不少有益的成果。但是，在軟件的商品化、成果的推廣應(yīng)用方面還存在很大的差距。目前，國內(nèi)還沒有自主開發(fā)的很成熟且得到廣泛應(yīng)用的MES軟件。即使有所謂的車間層控制SFC（Shop Floor Control），也多數(shù)是收集相關(guān)資料再通過批處理方式錄入而已，其功能十分有

11、限。隨著企業(yè)信息化應(yīng)用水平的不斷提高，企業(yè)逐漸認(rèn)識到實現(xiàn)企業(yè)計劃層與車間執(zhí)行層的雙向信息流交互，通過連續(xù)信息流來實現(xiàn)企業(yè)信息全集成，是提高企業(yè)敏捷性的一個重要因素。因此，通過MES來實現(xiàn)企業(yè)信息的全集成，形成實時化的ERP、MES、SFC是提高企業(yè)整體管理水平的關(guān)鍵，這對企業(yè)制造業(yè)整體水平的提升具有重要意義。我國在MES的理論研究以及實際互用方面，需要進(jìn)一步加大力量。MES的定義美國先進(jìn)制造研究機構(gòu)AMR(Advanced Manufacturing Research)將MES定義為“位于上層計劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)”，MES為操作人員、管理人員提供計劃的執(zhí)行

12、、跟蹤以及所有資源(人、設(shè)備、物料、客戶需求等方面)的當(dāng)前狀態(tài)信息。制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(Manufacturing Execution System Association，MESA)也給MES做出定義：“MES能通過信息傳遞，對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成整個的生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠里面有實時事件發(fā)生時，MES能對此及時做出反應(yīng)、報告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理。這種對狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使得MES能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動，有效地指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運作過程，從而使其既能提高工廠及時交貨能力、改善物料的流通性能，又能提高生產(chǎn)回報率。MES還通過雙向的直接通訊在企業(yè)內(nèi)部和整個產(chǎn)品供應(yīng)鏈

13、中提供有關(guān)產(chǎn)品行為的關(guān)鍵任務(wù)信息。”后者對于MES的定義強調(diào)了以下三點：1.MES是對整個車間制造過程的優(yōu)化，而不是單一解決某個生產(chǎn)瓶頸。2.MES必須提供實時收集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的功能，并做出相應(yīng)的分析和處理。3.MES需要與計劃層和控制層進(jìn)行信息交互，通過企業(yè)的連續(xù)信息流來實現(xiàn)企業(yè)信息集成。MES的發(fā)展歷史MES作為生產(chǎn)形態(tài)變革的產(chǎn)物，其起源來自工廠的內(nèi)部需求。為了更好得理解MES的產(chǎn)生背景，我們先回顧一下計算機輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)的演化歷史（如圖3）。 圖3 計算機輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)的演化歷史上個世紀(jì)八十年代，MRPII在美國生產(chǎn)與庫存管理協(xié)會（APICS）大力宣傳和組織推動下得到了迅速

14、的普及和廣泛應(yīng)用。推廣過程中，MRPII也暴露出一些不足之處，如MRPII對預(yù)測需求和銷售管理不夠重視，對車間的大量實時事件與數(shù)據(jù)不能很好地利用等等。許多企業(yè)認(rèn)識到，需要其它系統(tǒng)來解決MRPII在這些方面管理薄弱的問題。于是，為了滿足銷售、預(yù)測的需求，產(chǎn)生了分銷資源計劃DPR（Distribution Resource Planning）。同樣，為了強化車間的執(zhí)行功能，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）也就應(yīng)運而生。傳統(tǒng)的MES(Traditional MES，T-MES)大致可分為兩大類：1、專用MES系統(tǒng)(Point MES)。它主要是針對某個特定領(lǐng)域的問題而開發(fā)的系統(tǒng)，如車間維護(hù)、生產(chǎn)監(jiān)控、有限能力

15、調(diào)度或是SCADA等。2、集成MES系統(tǒng)(Integrated MES)。該類系統(tǒng)起初是針對一個特定的、規(guī)范化的環(huán)境而設(shè)計的，目前已拓展到許多領(lǐng)域，如航空、裝配、半導(dǎo)體、食品和衛(wèi)生等行業(yè)，在功能上它已實現(xiàn)了與上層事務(wù)處理和下層實時控制系統(tǒng)的集成。雖然，專用MES能夠為某一特定環(huán)境提供最好的性能，卻常常難以與其它應(yīng)用系統(tǒng)集成。專用的MES整個系統(tǒng)重構(gòu)性能弱，很難隨業(yè)務(wù)過程的變化而進(jìn)行功能配置和動態(tài)改變。集成的MES，比專用MES邁進(jìn)了一大步，具有很多優(yōu)點：如單一的邏輯數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)內(nèi)部具有良好的集成性、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型等等。美國AMR(Advanced Manufacturing Research)研究小組在分析信息技術(shù)的發(fā)展和MES應(yīng)用