制造执行系统(MES)精讲

制造执行系统（MES）MES的概念及产生、发展MES的概念制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem，MES）是随着近十几年来生产形态的变革而产生的，因而它的发展史比MIS、ERP、CAD/CAM等要短，但人们对它的研究和应用却开展的非常迅速。MES国际联合会（ManufacturingExecutionSystemAssociation，MESA）对MES的定义是：“MES提供为优化从订单投入到产品完成的生产活动所需的信息。MES运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录工厂活动，从而能够对条件的变化做出迅速的响应，减少非增值活动，提高公司运作过程的效率。MES在企业和供应链间，以双向交互的形式提供生产活动的基础信息。”从以上定义看出，MES在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用——在MRPII、ERP系统产生的长期计划的指导下，MES根据底层控制系统采集的与生产有关的实时数据，对短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程进行优化。其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。MES的产生背景21世纪，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，计划明显跟不上变化。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，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，即传统生产现场管理是一黑箱作业，造成了生产计划与生产过程的脱节问题——这一问题长期以来不仅直接影响企业的生产效率，而且成为制约现代企业内部信息集成和企业之间供应链优化的瓶颈。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，弥合了企业计划层和生产车间过程控制系统之间的间隔。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的竞争力，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的现状与发展趋势MES作为生产形态变革的产物，其根源可追溯到20世纪70年代的零星车间级应用。但MES概念则是美国管理界于20世纪90年代提出的。美国先进制造研究机构AMR(AdvancedManufacturingResearch)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MRPII/ERP为代表的企业管理软件，以SCADA、HMI(HumanMachineInterface)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（见下图）：目前，一些从事MES开发的专业公司（如美国的Consilium，加拿大的Promise公司等）拥有一定的市场份额。但这些公司大多是针对特定的生产类型，或特定的功能需求而开发出MES，存在着通用性差、可集成性弱、重构能力差等缺点。另外，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（legacysystem）集成为MES功能的一部分，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，导致系统很难随技术的更新而进行升级。为了解决MES与外部系统的集成问题，可集成MES(IntegratableMES，I-MES)逐渐成为人们研究的热点。I-MES采用高效的基础框架，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，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。I-MES结构分为以下三个层次：领域层(domain-specificlayer)、对象层(objectlayer)和基础架构层(low-levelinfrastructurelayer)。三层之间相互独立，从而为I-MES的实现提供了技术保证。I-MES具有一些优点，如单一的逻辑数据库、统一的数据模型、系统内部良好的集成性等，从而能实现客户化、可重构和互操作。一个典型的I-MES系统的体系结构：MES的技术架构MES的功能模块作为一种计算机辅助生产管理系统，MES重要使命就是实现企业的连续信息流。MES国际联合会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、物料和过程管理、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模块。MES的独到技术MES涉及的技术领域，很多方面与MRPII、ERP所用技术相类似。这里仅就MES中较有特色的技术进行说明。•运行状态实时采集技术：对机器的开/停、加工运行状态进行实时采集，为计划控制和动态调度提供及时、准确的信息支持，使车间管理与控制真正做到实时。•NC（NumericalControl，数控）程序的传输技术：在MES系统中，NC程序的双向传输主要解决具有不同传输协议的数控系统NC程序的传输问题。•维修知识库的建立与维修向导技术：是MES的一项关键技术，它可以实现辅助故障诊断，在对故障的统计、归类分析的基础上，建立故障现象与原因之间的关系，通过决策树的方式支持故障诊断。MES的优势•携手上下层、优化数据流MES在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用。在MES下层，是底层生产控制系统，包括DCS、PLC、NC/CNC和SCADA或这几种类型的组合；在MES上层，则是高层管理计划系统，包括MRPII/ERP。从时间因素分析，在MES之上的计划系统考虑的问题域是中长期的生产计划（时间因子＝100倍）；执行层MES系统处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题（时间因子＝10倍）；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（时间因子＝1倍）。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，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（企业的工段或班组）和设备层。通常，ERP系统处于工厂层和车间层；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）的功能上会有部分重复。制造企业的控制结构图如上图所示，计划与控制指令自上而下越来越详细与具体，而由分布在生产现场的数据采集系统采集的实时数据自下而上经过层层汇总，数据的综合性越来越强。在MRPII、ERP系统产生的长期计划的指导下，MES根据底层控制系统采集的与生产有关的实时数据，进行短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程的优化等工作。下图描述了MES在企业中的数据流图。企业中MES的数据流图在信息交互的具体内容方面，MES向上层提交周期盘点次数、生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品(WIP)存放位置和状态、实际定单执行等涉及生产运行的数据；向底层控制系统发布生产指令控制及有关的生产线运行的各种参数等。下图描述了MES与计划层和控制层的信息交互关系。MES与计划层和控制层的信息交互•与ERP优势互补1）ERP的不足虽然ERP能够很好地解决生产计划问题，但是在车间这一层次的控制却往往不够完善。而且ERP系统中车间加工单和调度单的时间跨度（或计划期）常常比较长，通常为周。但实际时间跨度完全根据系统的实施要求和控制细度来确定。另外，ERP通常采集主要工序现场信息的时候，基本靠手工录入，不仅效率低、易出错，而且输入的数据是基本上是前一个班或前一天的数据，信息滞后。2）MES的优势MES的计划调度功能与ERP车间层的功能有些类似，但MES的计划调度的功能比较强，制定的计划也比较详细；MES一般按车间层和单元层分级制定作业计划，并对车间的每一台设备或操作人员分派任务，通常会细化到计划期内每个单元每台设备每天（或每班）的生产任务；MES系统反馈的数据不仅包括每台设备、每个工序和每个操作人员的数据，还包括加工过程中的状态数据，而且采用自动化数据采集技术实现实时采集。综上所述，如果把MES与ERP集成起来，不仅能充分发挥它们各自的优势，还可使MES系统的生产计划更合理，使ERP系统的数据更及时有效，工作效率更高。MES的应用MES应用的行业差异MES的应用，涉及到具体的生产过程，故要充分考虑到企业的具体情况，以谋求最合适的信息化解决方案。•企业的生产方式，主要可以分为按定单生产、按库存生产或上述两者的组合。从生产类型上考虑，则可以分为批量生产和单件小批生产。从产品类型和生产工艺组织方式上，企业的行业类型可分为流程生产行业和离散制造行业。•典型的流程生产行业有医药、石油化工、电力、钢铁等领域，主要采用按库存、批量、连续的生产方式。典型的离散制造行业主要包括机械制造、航空制造、汽车制造等，既有按定单生产，也有按库存生产；既有批量生产，也有单件小批生产。•流程生产行业和离散制造行业在产品结构、工艺流程、生产组织方式等方面都存在较大的差别。所以，在MES应用上，要根据行业特征区别对待，主要是对MRPII/ERP的要求不同，具体表现在：1)对生产模型的要求不同：流程生产行业的生产模型以配方为核心，而离散行业的生产模型以产品BOM为核心。2）生产计划方式不同：流程企业根据市场的需求进行生产，离散企业根据定单或市场预测作为生产计划制订的依据。3）作业计划调度不同：离散企业根据优先级、工作中心能力、设备能力调度，是基于有限能力的调度；流程企业是连续的生产方式，不需要也无法精确到工序级别，而是以整个流水生产线为单元进行调度。4）数据采集不同：离散企业以手工上报为主，并可以结合条形码采集等半自动信息采集技术；流程生产行业的自动化程度较高，对于MES而言，重点在于系统构建的时候与这些自动化设备做好数据接口。5）作业指令的下达不同：离散行业的MES一般采用派工单、施工单等书面方式，或采用电子看板方式；流程生产行业的MES不仅要下达作业指令，还要将作业指令转化为各个机组及设备的操作指令和各种基础自动化设备的控制参数（如PID控制参数）。MES的实施将MES系统导入到企业的运作体系之中，企业需要先完善管理基础，根据自身情况选择好“合身”的MES软件系统，而后采用科学的实施方法充分准备，才能促使MES正式运行、发挥效用。•MES的管理基础信息技术可以成为提高企业管理水平的有效手段，但不会自动地解决企业的管理问题。因为没有健全的管理体系，MES系统信息的及时维护就难以保证，信息就不能得到有效利用。要想成功实施MES，企业必须先在管理上下功夫——与MES密切相关的工作，包括车间环境、职责分工以及人员保障等方面。1）定置，改善车间环境：是指通过对生产和工作环境的分析，把生产和工作需要的物品按照工艺的需要科学地确定位置。2）合理分工、明确责职：对企业的业务流程进行合理重组，去除重叠的部门责能，减少无效劳动，合理分工、明确责职。3）提供人员保证：对不同类型、不同层次人员进行不同的培训方式。•MES的实施进程一个典型的MES实施进程，主要包括前期工作、实施准备、模拟运行与试运行、切换运行以及新系统运行几个阶段，如下图所示。MES实施进程1）项目前期，打好基础：MES软硬件安装之前，主要工作包括前面提到的MES培训、车间现场问题诊断，以及需求分析、软件选型等方面的工作。2）实施准备，“软”“硬”兼顾：准备并录入