制造業(yè)車(chē)間級(jí)管理系統(tǒng)MES及其典型結(jié)構(gòu)

1、制造業(yè)車(chē)間級(jí)管理系統(tǒng)( MES )和其典型結(jié)構(gòu)1、概 述制造業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，在第二產(chǎn)業(yè)中占據(jù)中 心地位。伴隨中國(guó)加入 WTO 和經(jīng)濟(jì)全球化，中國(guó)正在成為世界制造 業(yè)的中心。中國(guó) 的制造業(yè)企業(yè)面臨日益激烈的國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)，如何迅 速提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力， 很重要的一點(diǎn)，就是以信息化帶動(dòng)工業(yè)化， 加快信息化進(jìn)程， 走新型工業(yè)化道路， 實(shí)現(xiàn)全社會(huì)生產(chǎn)力的跨越式發(fā) 展?？v觀我國(guó)制造業(yè)信息化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，建設(shè)的重點(diǎn)普遍放在 ERP 管理系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng) ( Shop Floor Control System, SFC ) 兩個(gè)方面。但是， 由于產(chǎn)品行銷(xiāo)在這一、二十年間從生產(chǎn)導(dǎo)向快速地

2、演變成市場(chǎng)導(dǎo)向、 競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)向， 因而也對(duì)制造企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理和組 織提出了挑戰(zhàn)，僅僅依靠 ERP 和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)往往無(wú)法應(yīng)付這新 的局面。工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)( Manufacturing Execution System, MES ) 恰好能填補(bǔ)這一空白。工廠制造執(zhí)行系統(tǒng) MES 是近 10 年來(lái)在國(guó)際 上迅速發(fā)展、面向車(chē)間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。 MES 可 以為用戶提供一個(gè)快速反應(yīng)、有彈性、精細(xì)化的制造業(yè)環(huán)境，幫助企 業(yè)減低成本、按期交貨、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和提高服務(wù)質(zhì)量。適用于不 同行業(yè)(家電、汽車(chē)、半導(dǎo)體、通訊、IT、醫(yī)藥)，能夠?qū)我坏拇?批量生產(chǎn)和既有多品種小批量生產(chǎn)又有大批量

3、生產(chǎn)的混合型制造企業(yè)提供良好的企業(yè)信息管理。目前國(guó)外知名企業(yè)應(yīng)用 MES 系統(tǒng)已經(jīng) 成為普遍現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)也逐漸開(kāi)始采用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)自身的 核心競(jìng)爭(zhēng)力。2、企業(yè)計(jì)劃層與過(guò)程控制層之間的信息 “斷層 ”問(wèn)題我國(guó)制造業(yè)多年來(lái)采用的傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)是 “由上而下 ”按 計(jì)劃生產(chǎn)。 簡(jiǎn)單的說(shuō)是從計(jì)劃層到生產(chǎn)控制層： 企業(yè)根據(jù)訂單或市場(chǎng) 等情況制定生產(chǎn)計(jì)劃 生產(chǎn)計(jì)劃到達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 組織生產(chǎn) 產(chǎn)品派 送。企業(yè)管理信息化建設(shè)的重點(diǎn)也大都放在計(jì)劃層， 以進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃 管理和一般事務(wù)處理。如 ERP 就是 “位”于企業(yè)上層計(jì)劃層，用于整 合企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)資源，編制生產(chǎn)計(jì)劃。在下層的生產(chǎn)控制層，企業(yè) 主要采

4、用自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、 自動(dòng)化檢測(cè)儀器、 自動(dòng)化物流搬運(yùn)儲(chǔ)存設(shè) 備等解決具體生產(chǎn) （制程）的生產(chǎn)瓶頸， 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制。由于市場(chǎng)環(huán)境的變化和現(xiàn)代生產(chǎn)管理理念的不斷更新，一個(gè)制 造型企業(yè)能否良性運(yùn)營(yíng)，關(guān)鍵是使 “計(jì)劃”與“生產(chǎn) ”密切配合，企業(yè)和 車(chē)間管理人員可以在最短的時(shí)間內(nèi)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的變化， 作出準(zhǔn)確的 判斷和快速的應(yīng)對(duì)措施，保證生產(chǎn)計(jì)劃得到合理而快速修正。雖然 ERP 和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了非常成熟的程度，但是由于 ERP 系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象是企業(yè)管理的上層，一般對(duì)車(chē)間層的管理流程 不提供直接和詳細(xì)的支持。 而現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能主要在于現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備和工藝參數(shù)的監(jiān)控，它可以向管理人

5、員提供現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 但是本身并非真正意義上的管理系統(tǒng)。所以， ERP 系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng) 化系統(tǒng)之間出現(xiàn)了管理信息方面的 “斷層 ”，對(duì)于用戶車(chē)間層面的調(diào)度 和管理要求， 它們往往顯得束手無(wú)策或功能薄弱。 比如面對(duì)以下車(chē)間 管理的典型問(wèn)題，它們就難以給出完善的解決手段：? 出現(xiàn)用戶產(chǎn)品投訴的時(shí)候，能否根據(jù)產(chǎn)品號(hào)碼追溯這批產(chǎn)品的 所有生產(chǎn)過(guò)程信息？能否立即查明它的：原料供應(yīng)商、操作機(jī)臺(tái)、操 作人員、經(jīng)過(guò)的工序、生產(chǎn)時(shí)間日期和關(guān)鍵的工藝參數(shù)？? 同一條生產(chǎn)線需要混合組裝多種型號(hào)產(chǎn)品的時(shí)候，能否自動(dòng)校 驗(yàn)和操作提示以防止工人部件裝配錯(cuò)誤、 產(chǎn)品生產(chǎn)流程錯(cuò)誤、 產(chǎn)品混 裝和貨品交接錯(cuò)誤？? 過(guò)去

6、12 小時(shí)之內(nèi)生產(chǎn)線上出現(xiàn)最多的 5 種產(chǎn)品缺陷是什么？次 品數(shù)量各是多少？? 目前倉(cāng)庫(kù)以和前工序、中工序、后工序線上的每種產(chǎn)品數(shù)量各 是多少？要分別供應(yīng)給哪些供應(yīng)商？何時(shí)能夠和時(shí)交貨？? 生產(chǎn)線和加工設(shè)備有多少時(shí)間在生產(chǎn)，多少時(shí)間在停轉(zhuǎn)和空 轉(zhuǎn)？影響設(shè)備生產(chǎn)潛能的最主要原因是： 設(shè)備故障？調(diào)度失誤？材料 供應(yīng)不和時(shí)？工人培訓(xùn)不夠？還是工藝指標(biāo)不合理？? 能否對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，精確區(qū)分產(chǎn) 品質(zhì)量的隨機(jī)波動(dòng)與異常波動(dòng)，將質(zhì)量隱患消滅于萌芽之中？? 能否廢除人工報(bào)表，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每個(gè)過(guò)程的生產(chǎn)數(shù)量、合格率和 缺陷代碼？MES 的定位，是處于計(jì)劃層和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的執(zhí)行層， 主

7、要負(fù)責(zé)車(chē)間生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的 MES 系統(tǒng)可以 在統(tǒng)一平臺(tái)上集成諸如生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、設(shè)備故障分 析、網(wǎng)絡(luò)報(bào)表等管理功能，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接可以同 時(shí)為生產(chǎn)部門(mén)、質(zhì)檢部門(mén)、工藝部門(mén)、物流部門(mén)等提供車(chē)間管理信息 服務(wù)。系統(tǒng)通過(guò)強(qiáng)調(diào)制造過(guò)程的整體優(yōu)化來(lái)幫助企業(yè)實(shí)施完整的閉環(huán) 生產(chǎn)，協(xié)助企業(yè)建立一體化和實(shí)時(shí)化的 ERP/MES/SFC信息體系。3、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES和其功能 3. 1 MES的定義MES是美國(guó)管理界90年代提出的新概念。美國(guó)先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu) AMR(Advaneed Manufacturing Research) 通過(guò)對(duì)大量企業(yè)的調(diào)查 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有

8、的企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)普遍由以 ERP/MRPII為代表的企業(yè)管 理軟件，以 SCADA、HMI(Human Machine Inteface) 為代表的生產(chǎn) 過(guò)程監(jiān)控軟件和以實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程自動(dòng)化，支持企業(yè)全面集成的MES軟件群組成。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，AMR于1992年提出的三層的企業(yè)集 成模型(如圖1 )。圖一曲IR的三層企業(yè)集咸模型MESA International (MES 國(guó)際聯(lián)合會(huì) )是以宣傳 MES 思想和產(chǎn)品為宗旨的貿(mào)易聯(lián)合會(huì)，它為了幫助其成員組織在企業(yè)界推廣MES制定了一系列研究、分析和開(kāi)發(fā)計(jì)劃。MESA協(xié)會(huì)白皮書(shū)(MESAWhite Paper No.6 ，1997 )對(duì) MES 系

9、統(tǒng)作如下之定義：? MES 系統(tǒng)在產(chǎn)品從工單發(fā)出到成品產(chǎn)出的過(guò)程中，扮演生產(chǎn)活 動(dòng)最佳化的信息傳遞者。? 當(dāng)事件發(fā)生變異時(shí)，借著實(shí)時(shí)正確的信息、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)規(guī)范、 原始工作情況、 資料反應(yīng)和回饋， 作出快速的響應(yīng)以減少無(wú)附加價(jià)值 之生產(chǎn)活動(dòng)，提升工廠生產(chǎn)制程的效率。? MES 改善生產(chǎn)條件和準(zhǔn)時(shí)出貨、庫(kù)存周轉(zhuǎn)、生產(chǎn)毛利和現(xiàn)金流 量效益， MES 并且也在企業(yè)與供應(yīng)鏈之間提供一個(gè)雙向的生產(chǎn)信息 流。MESA 協(xié)會(huì)白皮書(shū)( MESA White Paper No.3 ，1997 )中提出 說(shuō)明企業(yè)資源規(guī)劃( ERP)、 MES 與控制系統(tǒng)間的作業(yè)互動(dòng)與信息 流模式，如圖二所示。真時(shí)工廠管理 帥ES

10、在工廠中S控制需必 攝作指令檢查賀諒生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃 跟底IIP無(wú)放主產(chǎn)訂聲 顯示標(biāo)作員橋習(xí) 更 «ERPt£fitft/tt務(wù)秋為 yis/K柞呂杭祗控制至狡 （或手工攝作）二MES在工廠中的數(shù)據(jù)流圖中左邊ERP等系統(tǒng)需隨時(shí)注意產(chǎn)品庫(kù)存量、客戶訂單狀況 與材料需求，然后將這些信息傳送至 MES，由執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)或 安排庫(kù)存以滿足客戶訂單需求。對(duì) MES而言，這一層就是生產(chǎn)的計(jì) 劃層。中間部分為MES 系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成產(chǎn)品制造工作，產(chǎn)品的規(guī)格、 型號(hào)、參數(shù)等相關(guān)資料儲(chǔ)存于此系統(tǒng)中， MES將此產(chǎn)品相關(guān)資料轉(zhuǎn) 化為作業(yè)程序提供給控制系統(tǒng)之作業(yè)人員或機(jī)器設(shè)備來(lái)使用。右邊部分為控制系

11、統(tǒng)，當(dāng)作業(yè)程序、相關(guān)流程、文件和其它相 關(guān)生產(chǎn)需求項(xiàng)目就緒，控制系統(tǒng)便運(yùn)用所有工廠內(nèi)相關(guān)資源（軟、硬 件和人員）負(fù)責(zé)完成生產(chǎn)制造過(guò)程以達(dá)成產(chǎn)品生產(chǎn)目標(biāo)。3 2 MES 的功能由 MES 的定義可見(jiàn)， MES 為一系列管理功能，而并非一套軟件 系統(tǒng)，它完全可以是各種生產(chǎn)管理的功能軟件集合。 MESA 通過(guò)其各 成員的實(shí)踐歸納了十一個(gè)主要的 MES 功能模塊，包括：工序詳細(xì)調(diào)度資源分配和狀態(tài)管理生產(chǎn)單元分配過(guò)程管理人力資源管理維護(hù)管理質(zhì)量管理文檔控制產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理性能分析和數(shù)據(jù)采集MES 的各功能模型與企業(yè)其它信息化系統(tǒng)的關(guān)系如圖三所示。 實(shí)際的 MES 產(chǎn)品可能同時(shí)包含了其中一個(gè)或幾個(gè)功

12、能模塊。応tr彌5CM產(chǎn)陽(yáng)瞰據(jù)警顧三恫ES的容功能模型與企業(yè)其它信息化系統(tǒng)的關(guān)系輸71十劃AutoinntjonMES4、MES的典型結(jié)構(gòu)由于MES在產(chǎn)品從工單發(fā)出到成品產(chǎn)出的整個(gè)過(guò)程中，扮演 生產(chǎn)活動(dòng)最佳化的 信息傳遞者”的角色，MES必然要具有多種功能并 且能夠同時(shí)為生產(chǎn)、質(zhì)檢、工藝、物流等多個(gè)部門(mén)服務(wù)，這就決定了 MES的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足以下原則：? MES應(yīng)該是一個(gè)分布式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)? MES系統(tǒng)能夠與企業(yè)的其他制造信息系統(tǒng)相聯(lián)接，從而提供高 效的企業(yè)管理功能?它以生產(chǎn)行為信息為核心，為企業(yè)決策系統(tǒng)提供直接的支持”(MESA 1997)由于工廠可能會(huì)從不同的軟件供應(yīng)商購(gòu)買(mǎi)適合自己的ME

13、S模塊，或?qū)④?chē)間現(xiàn)有的各種管理系統(tǒng)集成為 MES功能的一部分，其結(jié) 果導(dǎo)致許多工廠的MES系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)大雜燴。每個(gè)系統(tǒng)都有各 自的處理邏輯，數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)模型和通信機(jī)制。又因?yàn)镸ES應(yīng)用常 常是要滿足關(guān)鍵任務(wù)的系統(tǒng)， 這樣的系統(tǒng)就很難隨技術(shù)的更新而進(jìn)行 升級(jí)。一個(gè)基于統(tǒng)一軟硬件平臺(tái)的 MES 系統(tǒng)往往采用工業(yè)PC/PLC/HMI 等設(shè)備作為車(chē)間內(nèi)各生產(chǎn)單元 （生產(chǎn)區(qū)域） 功能站的主 要構(gòu)件， 通過(guò)對(duì)各個(gè)生產(chǎn)單元的數(shù)據(jù)收集和反饋， 組成覆蓋全廠或者 整個(gè)流水線的、滿足閉環(huán)生產(chǎn)管理需要的開(kāi)放式以太網(wǎng)絡(luò)。 采用 MES 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器作為系統(tǒng)核心， 進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取和比照， 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信 息的監(jiān)視、

14、控制和生產(chǎn)過(guò)程的管理。 系統(tǒng)以大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，便于大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、比對(duì)、運(yùn)作，產(chǎn)生各類(lèi)統(tǒng)計(jì)分 析報(bào)表，并基于穩(wěn)定的 Web 應(yīng)用，提供標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的瀏覽查詢 和遠(yuǎn)程資料索取。當(dāng)前典型的 MES 結(jié)構(gòu)模型如圖四。在企業(yè)內(nèi)部，各功能站通過(guò)局域網(wǎng)對(duì) MES 服務(wù)器進(jìn)行交互操 作，同時(shí)其他各查詢終端也通過(guò)局域網(wǎng)查詢 MES 處理后提供的數(shù) 據(jù)、報(bào)表和圖形。在企業(yè)外部，通過(guò) Internet 可以連接到 MES ，在 設(shè)定的權(quán)限內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信息發(fā)布或讀取操作。 公司內(nèi)部管理、 外部 機(jī)構(gòu)以和其它相關(guān)業(yè)務(wù)單位通過(guò) MES 聯(lián)系形成了一個(gè)緊密的整 體，做到實(shí)時(shí)信息共享，使業(yè)務(wù)流程變得

15、有序而高效。efi ASCI田戶''h<SDBW 新錄7im N.片忻«*«嘔應(yīng)用模塊四MES的典型結(jié)構(gòu)5、MES 與 ERP雖然ERP和MES在功能上具有非常良好的互補(bǔ)性， 但是在企 業(yè)信息化建設(shè)過(guò)程中，它們之間未必需要相互依賴于對(duì)方而存在。 在 生產(chǎn)計(jì)劃管理、質(zhì)量管理和物流管理等方面，MES和ERP系統(tǒng)的功 能可以互相延伸和對(duì)接，共同構(gòu)建更為完善的現(xiàn)代化企業(yè)信息管理體 系。當(dāng)企業(yè)已經(jīng)存在ERP系統(tǒng)時(shí)，可以將MES與ERP系統(tǒng)進(jìn)行集 成，以優(yōu)化公司的信息管理，更加有力地保證商業(yè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。MES與ERP系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)為：?進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有的操作流程

16、，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理層和車(chē)間管理層一 體化標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)作，從而更加有效地縮短產(chǎn)品周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。?進(jìn)一步改造信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)公司內(nèi)部信息和數(shù)據(jù)的集中管理，從根本上減少信息和數(shù)據(jù)內(nèi)部流通的時(shí)間。? 配合供應(yīng)鏈管理 (SCM) 系統(tǒng)，減少供應(yīng)鏈成本， 增強(qiáng)對(duì)顧客需求 的快速反應(yīng)，優(yōu)化客戶服務(wù)并提高公司的整體工作效率。? 增加財(cái)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)當(dāng)日更新和管理報(bào)表即時(shí)統(tǒng)計(jì)的功能，實(shí)現(xiàn) 當(dāng)日結(jié)帳的目標(biāo)。? 以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)的生成計(jì)劃更加正確和時(shí)地反映整個(gè)生產(chǎn)情 況。6、MES 的前景MES 是面向車(chē)間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)， 它是實(shí)施 企業(yè)敏捷制造戰(zhàn)略， 實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)敏捷化的基本技術(shù)手段。 由于 MES 強(qiáng)調(diào)控制和協(xié)調(diào) ,使現(xiàn)代制造業(yè)信息系統(tǒng)不僅有很好的計(jì)劃系統(tǒng)，而 且能使計(jì)劃落實(shí)到實(shí)處的執(zhí)行系統(tǒng)。因此短短幾年間 MES 在國(guó)外的 企業(yè)中迅速推廣開(kāi)來(lái)，并給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)企業(yè)實(shí)施以 MRPII/ERP 為主