离散型制造企业MES系统架构的研究

离散型制造企业MES系统架构的研究文章在ISA-S95标准的基础上，提出了离散型制造企业的MES系统架构，它详细阐述了生产执行层各模块的功能和彼此之间的信息传递关系，为今后MES软件产品的编制和深入研究提供了基础平台。1引言面对激励的市场竞争，企业不断寻求着新的生产方式来扩大自己的生存和发展空间。与此同时，伴随着企业对各种先进管理方式和控制技术的应用，一些问题也随之凸现出来。一方面，MRPII/ERP通过综合分析企业外部的市场需求和企业内部生产情况，从全局的高度制定生产计划。这样的计划往往比较粗略，不能有效的指导过程控制层的操作。另一方面，过程控制层的信息需要及时、准确的反馈给MRPII/ERP系统，以便计划的调整和修改。但由于功能的限制，无论MRPII/ERP系统还是过程控制系统都不能解决上面的问题。不难发现，在企业的业务管理层（MRPII/ERP）和过程控制层之间存在着一个断层，它严重阻碍着企业信息的有效传递。制造执行系统（MES）的概念正是针对这个问题提出来的，它是一个面向车间生产执行层的信息系统。由于企业类型不同，MES在流程型制造企业和离散型制造企业的应用也有所区别，本文主要研究离散型制造企业的MES系统架构问题。2概念MESAinternation（MES国际联合会）于1997年提出MES系统定义：MES系统在产品从工单发出到成品产出的过程中，扮演生产活动最佳化的信息传递者。当事件发生变异时，借着实时正确的信息、生产执行规范和现场工作状态，做出快速的响应，以减少无附加价值的生产活动，提升工厂生产制造的效率。制造执行系统（MES）是位于业务管理层（MRPII/ERP）和过程控制层之间，面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。MES强调制造计划的执行。一方面，MES将业务管理系统的命令进一步细化后，向生产过程发出制造指令；另一方面，MES将过程控制层收集到的实时信息，反馈回业务管理系统，作为以后编制生产计划的依据，如图1所示。90年代中期，MES标准化和功能模块化的研究增多，许多MES软件产品实现了组件化，用户可以根据需要灵活构建自己的MES。1997年，MES国际联合会提出了MES功能组件和集成模型。该模型首次提出MES的11个功能模块，并规定只具备其中的某个或几个模块，属于MES系列的单一功能产品。MES的11个功能主要如下：生产资源分配与监控、作业计划和排产、工艺规格标准管理、数据采集、作业员工管理、产品质量管理、过程管理、设备维护、绩效分析、生产单元调度、产品跟踪。这个时期，很多团体、政府机构和组织参与了MES标准化的构建工作，ISA-S95标准就是其中的成果之一。3S95标准S95模型是国际仪器系统及自动化委员会ISA（TheInstrumentation,SystemsandAutomationSocietyConsensusCommittee）制定的标准，它的主要目的是建立一套国际上承认的MES与ERP、过程控制系统的集成所需遵循的标准模型。S95标准的第一部分定义了企业级的业务系统（如ERP）和车间级的控制系统相集成时所使用的术语和模型。第三部分给出了MES系统支持下的制造运作管理模型，如图2所示。由图2可知，制造运作管理模型分为四个部分：生产操作管理、维护操作管理、质量保证管理、库存操作管理。它们彼此关联，进行信息传递。其中，生产操作管理模块又细分为：生产资源管理、产品规范管理、详细生产排程、生产调度、生产执行、生产追踪、生产信息收集和生产性能分析，如图3所示。4制造执行系统的架构分析将S95标准的生产操作管理模型图进一步细化，来分析制造执行系统内部的信息交互情况，如图4所示。在此，制造执行系统可分为四个主要模块：详细生产排程（A1）、生产调度（A2）、生产追踪（A3）和车间信息管理（A4）。每个模块执行一部分生产职能。图中，模块的上端为控制数据，对模块的执行起到指导和控制的作用；下端表示模块功能的实现方法；左端为输入数据，右端是输出数据。这样，各模块之间通过信息交互，构成一个网络。然而，每个模块又是如何实现各自功能的？它们的内部活动是如何分配的？这样需要将模块的职能进行进一步分解，如图5所示。（1）详细生产排程（A1）详细生产排程（A1）根据功能划分为五个子模块：A11模块依据主生产计划、生产优先权和多目标优化方法等，合理安排生产操作顺序。当车间发生意外事件时，（如优先权改变、机器故障停机等），可根据最新信息和生产状态，重新生成操作序列。A12模块负责将制造订单分解为若干批次进行生产，确定批量大小，设定为一个生产单位，并指定每个生产单位的加工路线。为了方便跟踪获取信息，每个生产单位拥有一个ID号码。A13模块给定每个生产单位详细的加工开始时间和完成时间。A14模块负责确定待作业资源的开始时间和完成时间。一旦发生意外事件，该模块可以提供可用资源及其位置的信息。A15模块负责生产作业开始之前的资源安排和准备工作。（2）生产调度（A2）生产调度模块（A2）包含三个子模块：资源分配模块（A21）负责命令将材料、设备和工具从仓库或存储地运送到指定的工作地点。员工分派模块（A22）依据详细生产排程，分派技术娴熟的工人去完成指定的生产作业。任务分派模块（A23）负责将生产任务下发到工作单元或工作站中，开始生产作业。（3）产品追踪（A3）产品追踪模块（A3）根据功能划分为五个子模块：A31模块对资源的使用情况进行在线追踪，并创建历史记录。该记录包括资源在何处、由何人使用，做何种操作，完成哪项生产任务以及使用时间等信息。A32模块负责追踪员工状态，包括出勤情况、工作任务、每项任务的完成时间、物料和工具的准备时间等信息。A33模块控制一个生产过程，当出现意外情况时，及时地做出决策来调整详细排程和过程计划。A34模块负责对收集到的产品和过程信息及时分析从而控制产品质量。A35模块跟踪产品状态的最新情况，如产品数量、返工率、报废率等。（4）车间数据管理（A4）车间数据管理模块（A4）可分解成三个子模块：数据收集模块（A41）、数据分析模块（A42）和文档管理模块（A43）。首先，通过数据采集器获取实时信息，经过数据采集模块（A41）处理之后，将产品状态、设备状态和资源状态等以可视化方式提供给决策者。然后，数据分析模块（A42）借助数据分析软件对产品、物料、员工和设备等多个目标进行分析，如产品的产量统计、生产过程状况、设备维修计划，成本报告和产品追踪信息等。文档管理模块（A43）将与生产相关的文档和记录进行收集、维护和分发，便于车间层决策的制定。5结论与展望本文在S95标准的基础之上，建立了MES系统架构，它详细阐述了离散型制造企业生产执行层各模块的功能和彼此之间的信息传递关系，为今后MES软件产品的编制和信息集成的深入分析提供了基础平台。MES的实施不仅调整了生产全过程，而且使得过程中的各个生产单元的布置和信息传递更加合理、有序。MES接近底层设备和控制系统，方便获取准确的实时信息，来制定详细生产计划和重排程。MES减少了生产提前期，降低了在制品库存，提高了产品质量，确保了数据快速准确的传递。同时，它为生产全过程的实时可视化管理提供了可能。今后，如何有效的与ERP、销售管理、供应商管理、产品开发和底层控制系统等进行信息交互，是MES深入研究的方向之一。在这个过程中，MES作为车间实时信息的提供者，将生产能力、周期盘点次数、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品的存放位置和状态、实际订单执行等数据准确、高效的提交给相关系统。另外，将MES与过程控制系统集成在一起，提出的EPS（EnterpriseProductionSystems）概念，加强了对过程控制的管理。这样，系统被明确的划分为决策支持部分（ERP）和过程处理部分（EPS）。可见，还有相当多的工作需要深入研究。