MES在各行业中的需求与解决方案

MES在各行业中的需求与解决方案概述许多公司已经开发出针对各个行业的软件产品和解决方案，解决制造过程的管理和组织。虽然他们一般表现为制造执行系统（MES），但这些产品的范围从“我的Excel工作表”到所有与生产相关过程的综合管理、组织和自动化处理。本系列文章并不打算定义一种新的“制造执行系统”。本系列文章的目的是对有兴趣的读者提供目前存在的可行的解决方案，简要介绍满足不同行业特殊要求的方案，了解和推广适合的MES应用，优化生产流程。本系列文章将使用“企业与控制系统集成--IEC62264”这套标准作为基础，解决方案尽可能与产品和供应商无关，只指出方案的功能表现。从第1到第3部分，简要介绍这套标准，该标准也被称为S95（美国标准）。目前，相同的MES术语和任务在不同企业有着不同的解释，甚至也在供应商当中使用。因此，在第4部分，基于S95的结构和术语，这里按行业分类出最重要的术语，并对多种不同的术语和产品提供解释。基于工业的典型需求，第5部分介绍MES的功能和收益。第6部分介绍在流程行业和制造行业MES应用的相同与差异。第7和第8部分提供了需求定义的概述和MES功能的选择，并基于特定案例展现他们的收益。第9部分总结本文的全部内容，并给出MES未来解决方案的前景。就像在第5部分介绍的，在整个工业领域，针对他们的可扩展性、模块化和集成能力等各自的需求，今天每个特定行业都有可供选择的解决方案，这些解决方案可以显著提高企业的运营绩效。工业运营商面临的挑战是如何抓住这个机会，使本企业的绩效达到最大化。1．使用MES的市场需求和理由为了评价MES解决方案的最新技术和发展动态，必须要考虑MES在自动化历史中的位置。今天的MES解决方案包括了已前的计算机集成制造（CIM）组件，如计算机辅助设计（CAP），计算机辅助制造（CAM），计算机辅助质量保证（CAQ），生产数据采集（PDA），机器数据采集（MDA）和员工时间记录/时间与考勤（PTR/T&A）。然而，这些计算机集成制造组件并没有完全融入到企业流程之中。相反，他们大多数只用于部门级单一项目的应用。现在，为了更好地支持大企业制造，企业项目需要集成越来越多的部门，需要协调内部和外部的价值链，也需要更多的集成软件解决方案。由于以上这些原因，企业越来越多地使用综合MES解决方案，这种方法也被流程行业和制造行业所认可。正在出现的经济全球化也加速了这一趋势，因为全球化需要竞争力的最大化。必须完成以下目标：·提高工作绩效，同时增加灵活性；·更高的生产流程效率；·增强并确保流程和产品质量；·整体流程的成本优化；·产品生命周期的缩短。使用MES的驱动力是新型生产模式的发展、新型物流理念的推广，以及产品市场的迅速变化和开发流程的不断缩短。产品的生命周期连续缩短，同时产品的技术日益复杂。同时，缩短的开发时间，需要更多的原型，要求更多的产品变化。在一个全球性和竞争性的经济中，“上市时间”是每一家制造商成功的关键性和决定性因素。MES可以为这种成功作出显著的贡献。上面列出要求内容中，企业价值链的持续改进需要这样一组工具，该工具不仅能支持各个部门，而且应考虑把“该生产”作为企业内的整体流程。MES实现这一流程就像一种实时应用。由于整个生产的每一个环节都由这一整体流程来控制，持续的改进和优化就可以实现。MES的实时性能力横跨多个部门的要求（如订单规划和控制、物料管理、生产数据采集、机器数据收集、质量管理、文档管理），提供了与生产流程的直接连接。此外，需要扩展供应链和全球采购、以及各区域公司销售业务在开发市场中表现的集成。MES不仅是“生产”和“企业”之间的运营链接，它还链接了供应链中的所有合作伙伴。这意味着：它连接了一个连续的、全面的和可管理的价值流。在此基础上，MES正成为一种灵活的和一体化生产的战略要素。在今天的软件系统中，MES结合了现代化生产管理的所有任务。同时，该系统是每个企业不断向未来“数字工厂”发展的运营平台。2.MES和规范性标准（IEC62264）正如概述中指出的，术语MES通常代表工业、公司或者供应商为生产运营管理的特定解决方案。有些组织一般将“制造执行系统”归类于离散制造领域，作为“面向流程的制造管理系统”，并作为“生产流程组织和执行的全面驱动力”。以下为MES的主要任务：a）组织和支持生产流程的所有活动：·流程需求（工单处理、资源规划、质量需求）；·运行行为（确保资源、材料流动和质量的可用性）；·跟踪和分析（库存管理、关键绩效指标的计算、持续改进流程的依据，如：六西格玛和营运开支（OpEx））。b）与生产流程（规划、启动、管理、控制、记录、评估、审查等）执行相关的所有行为闭环的实现。c）与其他级别的信息交换，如企业管理级（企业资源规划，ERP）和制造/流程级（可编程控制器PLC、分布式控制系统DCS），以及运营支撑系统，例如产品和流程工程（P/PE），供应链管理（SCM）。为了符合相关指南，MES的功能涵盖了生产流程按时间顺序排列的所有方面：产前方面-生产流程的规划；实时方面-生产流程的管理；历史方面-生产流程的分析与评估。本文使用的术语MES作为IEC62264“制造运营和控制”中第3级规定的所有解决方案和系统的代名词。与此同时，一些其他术语诸如“制造运营管理（MOM）”或“协同生产管理（CPM）”也在目前的市场中使用，试图强调任务的全面性。本文基于IEC62264“企业与控制系统集成”这套标准，该标准的中文版本GB/T20720也即将发布，其中有：企业--控制系统集成--第一部分：模型与术语；企业--控制系统集成--第二部分：对象模型属性；企业--控制系统集成--第三部分：制造运营管理的行为模型；企业--控制系统集成--第四部分：制造运营管理集成的对象与属性；企业--控制系统集成--第五部分：制造交易的业务。其中三个部分“模型和术语”、“对象模型属性”和“制造运营管理的活动模型”是主要焦点。IEC62264定义了一个企业的多个功能级，他们按不同的时间尺度和不同的详细程度进行分级。这些功能级由较高的或较低的功能信息是否可用，以及其他因素来决定。功能级在下面列出，参见图1。图1：功能级，引用IEC62264-3中的图2。·第4级：业务规划和物流；·第3级：制造运营管理；·第2级：监视以及生产流程的监督和自动化控制：--批控制；--连续控制；--离散控制。·第1级：流程或机械的控制和数据采集；·第0级：生产流程。该标准的第1部分描述了企业所有部门第3和第4级的相关功能，以及他们之间通常交换的对象。图2给出了部门与部门之间关系的一般描述。图2：制造运营管理模型，引用IEC62264-3中的图1。MES的相关区域用灰色椭圆显示在IEC62264中定义的术语、概念和模型，为企业管理级和生产管理级的集成提供了一个标准。这改善了MES项目中利益相关者之间的沟通。该标准还为企业管理和生产管理的集成提供了最佳集成实践。同时，该标准还与企业自动化的程度和特定技术的使用无关。在IEC62264第2部分中，定义了交换对象的特性和属性。第3部分描述了有关的制造或流程工厂管理的活动和功能。本文主要涉及制造相关的运营活动，而不是功能区域之间的接口。因此，图2表示了制造运营管理的区域，图3所示的管理活动的通用模型将在以后的章节中叙述。图3：制造运营管理的一般活动模型，引用IEC62264-3中的图6。图2中所示，与企业控制模型相关功能的活动，可以分配到制造运营管理级（第3级，黄色示出），并分成以下四个功能区域（灰色背景）：·生产运营管理；·质量运营管理；·维护运营管理；·库存运营管理。图3模型中的活动主要解决下面的问题：·如何管理...？（规范管理）；·管理什么，在哪里，谁可以管理...？（资源管理）；·何时，何地，谁来管理...？（详细调度和分派）；·需要做什么，在哪里，由谁做...？（执行管理）；·何时，何地，谁来做...？（数据采集与跟踪）；·怎么样......？（数据采集与分析）。生产、质量、库存和维护：这些活动能够均匀地分布在制造运营管理级的四个功能区域。因为这个模型特别适合使用MES模块构造和描述，作为各个活动的基础，更详细的解释将在下一部分描述。对现有架构或计划架构的分析可以看出，这些活动可以在不同的系统中实现，例如在MES模块中的功能、在ERP系统中的功能或者在流程控制系统中的功能。图4提供了关于制造运营管理活动的技术集成及其分配到不同技术实现层的例子。根据特定需求，允许一个级同时分配多个活动，该一般活动模型可以用于描述完整的解决方案，定义必要的接口。图4：不同的活动类别和他们的技术集成（示例），引用IEC62264-3中的图31。3.按照IEC62264标准的流程模型分类如图2所示，制造运营管理构成了MES功能的核心，其本身由生产运营管理、维护运营管理、质量运营管理和库存运营管理所组成。它们搭建了企业资源计划（ERP）功能与在第1级和第2级实现功能（参见图1）之间的桥梁。所有这些核心功都能由不同的单个元素构成，提供或处理信息。图2：制造运营管理模型，引用IEC62264-3中的图1。MES的相关区域用灰色椭圆显示这些运营信息可以分成以下几类：·定义信息–执行运营和所需资源的规范；·能力信息--资源属性；·调度/请求信息--调度和执行；·性能/响应信息--绩效和结果的反馈。制造运营管理的不同领域遵循通用活动模型（参见图5），它描述了各个元素之间的相互作用。活动本身包括特定的任务，这些任务可根据需要执行的功能而有所不同。图5：通用活动模型，基于图3并增加了过程接口各种活动通过信息流链接在一起。根据各自的功能，活动之间需要交换特定的信息。该活动和信息交换通过MES软件产品实现，这些产品的功能都是行业或产品特定的。3.1资源管理资源管理可能包括相关分布式资源的信息管理，这是制造运营管理（MOM）各个功能所需要的。该信息包括了资源的容量和分配，以及当前和未来的可用性。因此，生产资源管理专注于生产所需的资源，诸如机械、工具、人员和技术、材料和能源，以及整个生产步骤。质量测试资源管理规定了人员要求（包括专业知识，证书和授权）、材料和进行质量测试需要的设备。为了维护工单和工作，维护资源管理包括了关于需求资源的信息：标准和专用工具、内部和外部人员（有相应的专业知识和资格）、维护文件、以及执行维护工作所需的备件和消耗品。资源的状态包括了设备的健康状况、功能、可用性、预计利用、位置和可访问性。此外，必须考虑维护工作是否能在运营期间进行或者设备必须停机。库存资源管理涉及到相关的资源：材料库存和材料搬运、人员（包括专业知识、证书和授权）、耗材和能源。库存水平和能力也在考虑之列。3.2定义管理定义管理包括对制造运营管理不同功能的特性、过程指令、法规和需求的定义及管理。生产定义管理包括关于产品、他们的功能和他们的制造流程（制造规则、配方、标准运营规程（SOP）、标准运营条件（SOC），运输和装配顺序）信息（可能分布）的定义和管理。质量检测定义管理涵盖了人员资格、质量测试规程、执行这些规程的作业指导书的定义和管理。这也包括测试方法、测试频率（采样方案）和材料与资源的公差信息。此外，测试规范版本和日期的管理也应包括在内。需要执行维护工作的信息和说明应在维护定义管理中定义和管理。库存定义管理的活动包括了：指定和管理储存、材料运输说明（包括库存水平、运输说明和仓库相关的参数）。3.3详细调度详细调度包括了：时间相关的需求、本地资源优化利用、制造运营管理各个功能的相关创建活动。该活动通常基于现有的计划。详细调度针对企业的生产设备，如为机械和设备建立详细和优化的调度。该调度表包括诸如批量大小和设置时间，以及资源可用性和利用率??。资源可用性可能需要定义多张调度表。详细质量测试调度专注于质量测试的规划，可在生产流程之内或之外进行。除其他事项外，这应包括测试系统和人员的有效性，以及测试准备和测试评估的计划表。详细维护调度包括维护要求的检查和优先级，并把与时间相关集成的维护活动融入到生产流程中。生产调度方面，如果要产品变更和计划停机，