計劃流程工業(yè)MES的現狀與發(fā)展

1、流程工業(yè)MES的現狀與進展摘要制造執(zhí)行系統MES 是流程工業(yè)現代集成制造系統CIMS 中的關鍵環(huán)節(jié),是在近20 年進展起來的新型企業(yè)生產治理系統。本文首先介紹了MES 系統的進展背景,隨后闡述了MES 系統的功能架構,并在此基礎上探討了MES 系統的軟件架構,最后介紹了國內外現有的MES 系統產品以及MES 系統今后的進展方向。關鍵詞MES 系統;分布式軟件架構;協同制造Actuality and trend of MESGU Jia2chen ,LIU Xiao2qiang ,SUN Yan2guang(Automation Research and Design Institute of

2、Metallurgical Industry , Beijing 100071 , China)Abstract :Manufacturing execution system (MES) as the key role of CIMS has been developed for about twenty years. In this paper , the background of MES is introduced. The functions and the software structure of MES are discussed. The trend and some pro

3、ducts of MES are introduced finally.Key words :MES;distributed software ;collaborative manufacturing0 引言制造執(zhí)行系統(Manufacturing Execution System)是上個世紀80 年代開始出現的一種新型的企業(yè)生產治理系統。它作為現代集成制造系統CIMS的關鍵,在企業(yè)資源打算ERP 層和過程操縱系統PCS 層中間,起到了承上啟下的核心作用。MES系統融合了先進的信息技術和網絡技術,為實現敏捷制造和網絡制造提供了先進的信息處理平臺。1 MES 系統的背景1. 1 制造業(yè)信息化的背

4、景自上世紀末開始,世界經濟的全球化趨勢越來越明顯,市場瞬息萬變,企業(yè)間的競爭越來越激烈,為應付多變的市場需求,企業(yè)關于自身的信息化要求也日益緊迫。隨著計算機技術和網絡技術的不斷進展,使得建立分布式的企業(yè)信息系統成為可能。國內外許多大型流程制造企業(yè)紛紛投入大量人力、物力和財力,構建企業(yè)級或集團級的信息化系統,即現代集成制造系統(CIMS) ,并以此為手段提高企業(yè)在激烈的市場競爭中的應變能力和創(chuàng)新能力。在歐美和日本等發(fā)達國家,眾多大型流程工業(yè)企業(yè)成功實施了CIMS 打算,推動了流程工業(yè)整體CIMS 應用水平的提高。在新的世紀,許多國家都將制造系統集成技術列入了跨世紀戰(zhàn)略打算。如美國的“敏捷制造使能

5、技術研究戰(zhàn)略打算”與“國家工業(yè)信息基礎設施協議NIIIP”打算,歐盟的“第四屆框架研究打算”和日本的“智能制造系統打算”等。同時,許多跨國公司應用現代集成制造系統實現了設計、制造、治理、經營一體化,加強了他們在國際市場的壟斷地位。如美國波音公司在實施了集成制造系統后使波音777 的開發(fā)周期從89 年縮短到4.5年,成本降低了25 % ,返工率降低了75 %;通用汽車公司應用了現代集成制造技術后,轎車的開發(fā)周期從4 年縮短到2 年,碰撞試驗由原來的100 多次降低到50 次;美孚石油公司應用先進的綜合自動化技術后,企業(yè)效益提高5 %8 % ,勞動生產率提高10 %15 %。韓國浦項在3 年時刻內

6、實施了PI (Process Innovation)工程,典型產品的交貨期從30 天縮短到14 天。由此可見,集成制造技術已成為帶動制造業(yè)進展的重要推動力。進入新的世紀,信息技術特不是網絡技術的快速進展,促進了全球信息化。經濟全球化和制造網絡化是本世紀制造業(yè)進展的要緊趨勢與重要特征。1. 2 現代集成制造系統的進展背景現代集成制造系統通過追蹤生產信息流來實現對企業(yè)的全面操縱和治理,通過幾十年的理論和實踐進展,它的系統結構差不多逐步擺脫了完全按照物理層次劃分并配置系統的傳統模式,朝著一種更加簡單合理的綜合模式進展,如圖1 所示。新的系統結構按照任務的要求和功能的分擔進行配置。在新的系統結構中,其

7、核心功能是處于中間層的MES 系統,它是一個承上啟下的功能層。為了全面實施CIMS 的建設,單純依靠提高設備操縱的自動化水平和增強企業(yè)治理并不能解決全部問題,在設備和過程操縱與企業(yè)ERP 系統之間存在著生產過程監(jiān)控治理一體化的功能需求,即要實現從PCS 層的毫秒和秒級信息到ERP 層的日、周、月級信息之間的轉換和溝通1 ,以填補傳感器到ERP 之間的“溝壑”,完成過程信息與治理信息的雙向集成,這確實是MES 系統的功能,如圖2所示。從圖2 中能夠看出,MES 系統的要緊任務是將PCS 系統中的生產實際狀況通過分析和匯總及時反饋回ERP 中,同時將ERP 中產生的生產訂單轉化為生產實際操作數據并

8、交PCS 系統完成,其中要緊包括生產打算的一體化編制和處理、生產過程動態(tài)優(yōu)化調度、生產成本的在線預測和優(yōu)化操縱、生產流程的質量操縱和跟蹤、生產設備的在線狀態(tài)檢測和故障診斷。許多完成了ERP 系統的企業(yè)發(fā)覺缺少MES系統的支撐, ERP 系統專門難用來指導生產實際。在國家“十五”863 戰(zhàn)略目標論證報告中指出,現代集成制造系統(CIMS) 主題的一個要緊研究任務就包括生產過程執(zhí)行系統(MES) 。因此,MES 系統是企業(yè)實施CIMS 的關鍵,是使CIMS 系統發(fā)揮作用的基礎和保證。2 企業(yè)MES 系統功能架構從圖1 中能夠看出,MES 系統要緊完成原來屬于車間治理級和工廠治理級的任務,依照國際M

9、ES 協會MESA 的定義,MES 系統的要緊功能包括11 個方面2 ,如圖3 所示。這11 個方面差不多上囊括了所有的生產治理要素,這些功能的取舍取決于特定的企業(yè)環(huán)境和期望的產出效益。1) 資源配置與狀態(tài)跟蹤。對所有的生產資料進行治理,包括機器、工具、勞工技能、材料等等,使其井然有序,隨時能夠投入運轉。同時記錄資源的各種歷史信息,以保證生產設備的配置,并對設備的實時狀態(tài)信息進行跟蹤。2) 工序/ 細節(jié)調度。依照生產單元的優(yōu)先級、屬性、特征,對生產工序進行優(yōu)化,使生產資源配置的變化降到最低。3) 生產打算和調度。制定生產打算,并以任務、工單、批次、訂單等形式下發(fā)給各生產單元。能夠依照生產實績實

10、時調整原始打算,產生新的調度信息。4) 文檔操縱。對所有與生產單元有關的資料進行治理,包括工作指令、圖紙、配方、標準操作流程、設計變更、產品記錄以及ISO 信息等,并進行歷史數據的存儲。5) 數據采集/ 獵取。實時采集生產數據,記錄生產單元的各種參數,并保存在相應的表格和記錄中。數據能夠由人工錄入和從設備中自動采集。該功能需向外提供一個接口,以便其它應用能夠通過它獲得生產實時數據。6) 人力資源治理。記錄職員的考勤以及專業(yè)技能,提供職員的實時狀況記錄,同時與資源配置功能交互,以產生最優(yōu)配置。7) 質量治理。提供生產的實時分析,保證嚴格的產品質量操縱,發(fā)覺潛在的質量問題。對出現的質量問題進行診斷

11、、分析,并提出改進方法,包括SPC/ SQC 的在線跟蹤和離線分析功能。8) 過程治理。對生產過程進行監(jiān)視,自動糾正或提示操作人員糾正生產中的紕漏,提供報警治理以及MES 系統與智能設備的接口。9) 維護治理。跟蹤并指導生產,以維護設備和工具,對突發(fā)問題作出快速響應。建立歷史事件和故障記錄數據庫,協助完成故障診斷。10) 產品跟蹤與記錄。提供可視化的跟蹤手段,監(jiān)視產品的狀態(tài)及用途。跟蹤信息包括加工者、原料供應者、批號、序列號、當前產品狀態(tài)、報警信息、返工及異常情況。通過跟蹤信息能夠追溯生產歷史以及產品最終用途。11) 性能分析。對生產實績和歷史信息進行分析,以得到現實生產狀況的效果,并與可能的

12、效果進行比較。3 MES 系統的分布式軟件架構作為企業(yè)應用軟件,MES 系統應具有分布式的軟件架構。隨著網絡技術的進展和應用需求的變化,分布式應用軟件的架構逐漸由原來的2層C/ S 架構轉化為3 層或多層分布式架構,如圖4所示。在新的架構中,所有復雜的業(yè)務邏輯和大量的計算工作被編寫為組件安裝在中間層的應用服務器中,這部分功能在2 層C/ S 架構中要緊是在客戶端完成。將復雜的邏輯和計算功能從原來的客戶端分離出來,形成中間層應用服務器,有3 個要緊益處:1) 提高了系統的可擴展性。原來的2 層C/ S架構中能夠容納的客戶端的多少,專門大程度上取決于數據服務器的性能;在3 層架構中,每臺應用服務器

13、能夠掛接多個客戶端,當客戶端數目超過單臺應用服務器的能力限制后,能夠增加新的應用服務器,同時在多臺應用服務器之間采納負載均衡技術,如此就大大提高了整個系統的可擴展性。2) 提高了系統的可維護性。原來的2 層C/ S架構中,假如后臺數據庫結構或業(yè)務邏輯發(fā)生了變化,那幺客戶端的程序必須做出相應調整;在3層架構中,客戶端不直接與數據庫交互,所有的業(yè)務邏輯都放在了中間層應用服務器上,一旦數據庫結構或業(yè)務邏輯發(fā)生了變化,只需要修改相關的業(yè)務邏輯組件,而客戶端無需任何改動,大大降低了系統的維護成本。3) 增加了系統的可復用性和靈活性。由于業(yè)務邏輯被編寫為相對功能獨立的組件,因此新的MES 系統只需要重寫原

14、來系統中與新用戶需求不相符的部分,而大量功能近似的組件能夠復用,降低了開發(fā)新系統的成本。另外,3 層架構對基于掃瞄器、客戶端的應用模式也提供了更好的支持,增加了系統的靈活性。因此,分布式3 層或多層架構的軟件,對編程人員提出了更高的要求,同時在客戶端需要大量數據的情況下,對系統的效率也提出了更高的要求。分布式3 層或多層架構對系統的構成方式也提出了以組件為基礎的新要求,OMG的CORBA、微軟的COM/ DCOM/ COM + 和SUN 的EJB 是3 種可供選擇的分布式組件標準。目前常見的企業(yè)分布式應用軟件架構有2 種:*微軟的Windows DNA 架構;*基于Java 的Sun 公司的J

15、2EE。目前國外幾種MES 軟件大差不多上采納了微軟的技術, 西門子的SIMATIC IT , WONDERWARE 的FactorySuite2000 和CAMSTAR 的InSiteLive 都采納了微軟的COM/ DCOM標準。4 國內外MES 軟件產品現狀目前提供MES 產品的公司要緊是國外公司,其中包含了要緊MES 功能的產品有: 西門子的SIMATIC IT , WONDERWARE 的FactorySuite2000 ,CAMSTAR 的InSiteLive ,CIMNET 的Factelligence ,以及法國阿爾斯通公司的MES 等。西門子公司提供的MES 產品SIMATI

16、C IT 的功能最全,差不多上包括了所有的MES 功能,它的組織結構由框架(Frame2work) 、功能組件(Components) 、工業(yè)套件(Suites) 3部分組成,其中框架部分要緊提供了應用開發(fā)工具、建模工具和各種接口適配器,功能組件部分提供了所有對應MES 功能的模塊,工業(yè)套件則是專門為特定的工業(yè)領域,如離散制造企業(yè)、冶金企業(yè)、食品飲料和制藥企業(yè)提供的專門套件。WONDERWARE 公司的MES 產品FactorySuite2000 不像西門子的產品提供了完整的MES 功能,它的產品只提供了部分MES 功能,包括產品跟蹤、質量治理等,更多的模塊,如InTouch , InSql

17、等偏向于PCS 的功能。CAMSTAR 公司是世界上最早提供MES 產品的公司之一,也是MES 協會的最早成員之一,它的MES 產品InSiteLive 也只提供了部分MES 功能,包括工作流程治理、物料跟蹤、資源治理等, 其外延產品LiveVIEW, LiveCONNECT ,LiveSYNC ,LiveRELAY,LiveALERT 提供了更多協同制造的功能。國內目前還沒有比較成熟的MES 產品,只有寶信公司的MES 產品寶信MES、冶金自動化研究設計院的MES 產品AriMES 在開發(fā)中。5 MES 的進展趨勢在早期國際MES 協會MESA 的描述中,MES系統功能要緊分為核心功能模塊和外圍功能模塊2 部分。以生產打算與數據采集、物流治理等模塊合并起來形成MES 的核心功能,而其它的一些功能模塊,如質量治理、維護治理、文檔治理等形成MES 系統的外圍功能模塊。在近期MES 協會對MES 系統的功能描述上能夠發(fā)覺,已不再突出這種功能上的主次之分,而是重點突出了協同制造(Collaborative Manufacturing) 的概念3 ,這要緊是為適應經濟全球化的進展。同時,也為了適應更加激烈的市場競爭,MES 協會將原來的MES 系統外延擴大,加入了一些原來屬于ERP 范疇的內容,如供應鏈治理SCM(Supply Chain Management) 、客戶關