MES综述

制造执行系统（MES）综述MES，计划落实到执行的利器——制造执行系统（MES1）综述前言在市场经济条件下，从供需链的角度来看，制造企业的行为（生产什么、生产多少）必然受到来自企业外部环境（竞争对手、上游供应商、下游经销商）及其企业内部环境（人、财、物、信息）因素的制约或约束。ERP能告诉企业“生产什么？，生产多少？什么时候生产？”但是，ERP不能告诉企业“如何生产？，如何有效生产？”一、MES的产生随着MRP、ERP等工具和管理理念在我国的逐步推广和深入，我国制造业企业的信息化意识逐渐加强。随着企业信息化建设的不断深入，ERP、SCM、CRM、EIP、PDM等林林总总的信息化管理软件，逐渐为众多的管理者所接受，并开始广泛应用于企业管理中，企业也因此取得了一定的管理效益。但是，目前我国ERP整体的应用效果并不理想，这是因为还有一个重要的环节被忽略了：上述管理系统主要是对企业的管理数据进行处理和运算，主要应用在计划、预测、分析等方面，对企业生产过程的主体——生产现场管理却没有涉及到。生产现场作为制造企业的物化中心，它不仅是制造计划的具体执行者，也是制造信息的反馈者，更是大量制造实时信息的集散地，因此生产现场的资源管理、物流控制和信息集成是企业生产系统中的重要一环，生产现场的管理与控制系统的敏捷性在一定程度上决定着整个企业的敏捷性。然而，目前在多数企业中，从ERP中得出的生产计划与生产现场之间的信息传递，是依赖“手工作业”的，即人工将生产现场的信息输入到上层系统中。因此，在计划层和生产现场的过程控制层之间，存在一个信息流通上的断层。这就使得许多管理效益无形中打了折扣。1ManufacturingExecutionSystem，制造执行系统，也称为生产执行系统、制造执行管理系统等。-1-制造执行系统（MES）综述图1很多企业出现的计划层与控制层断层一个企业的良性运营是使“计划”与“生产”密切配合，在昀短的时间内掌握生产现场的变化，是保证计划合理而快速修正的关键。为此，企业的计划层与生产控制层之间需要“直通车”，使计划与生产现场可以实时互动，也就是要消除计划和执行之间的断层。到底如何消除计划与现场控制之间的断层？美国的权威机构先进制造研究中心AMR（AdvancedManufacturingResearch）于1992年提出了三层的企业集成模型，将企业分为三个层次：计划层（MRPII/ERP），执行层（MES），控制层（Control）。控制层（Control）执行层（MES）计划层（MRPII/ERP）图2ARM的三层企业集成模型计划层强调企业的计划，它以客户定单和市场需求为计划源，充分利用企业内部的各种资源，降低库存，提高企业效益；控制层强调设备的控制，如PLC、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械-2-制造执行系统（MES）综述手等的控制。而执行层是位于上层的计划管理系统与工业控制系统之间的面向车间层的管理信息系统。它为操作人员/管理人员提供计划的执行和跟踪以及所有资源的当前状况，主要负责生产管理和调度执行。MES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。二、MES的定义定义一（AMR定义）在AMR的INTECHl994年5月号上，对MES的概念表述如下：“MES是在公司的整个资源按其经营目标进行管理时，为公司提供实现执行目标的执行手段，通过实时数据库连接基本信息系统的理论数据和工厂的实际数据，并提供业务计划系统与制造控制系统之间的通信功能。”因此，MES不只是工厂的单一信息系统，而是横向之间、纵向之间、系统之间集成的系统，即所谓经营系统，对于SCP、ERP、CRM、数据仓库等近年被关注的各种企业信息系统来说，只要包含工厂这个对象，就离不了MES。归结起来，MES可以概括为一个宗旨——制造怎样执行，两个核心数据库——实时数据库、关系数据库，两个通信接口——与控制层接口和与业务计划层接口，四个重点功能——生产管理、工艺管理、过程管理和质量管理等。定义二（MESA定义）国际制造执行系统协会（ManufacturingExecutionSystemAssociation，MESA）对MES的定义是“MES能通过信息的传递，对从订单下达开始到产品完成的整个产品生产过程进行优化的管理，对工厂发生的实时事件，及时作出相应的反应和报告，并用当前准确的数据对进行相应的指导和处理。”从定义中可以看出，MES具有如下特征：‹MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。MES对企业生产计划进行“再计划”，“指令”生产设备“协同”或“同步“动作，对产品生产过程进行及时的响应，使用当前确的数据对生产过程进行及时调整、更改或干预等处理。-3-制造执行系统（MES）综述‹MES采用双向直接的通讯，在整个企业的产品供需链中，即向生产过程人员传达企业的期望（计划），又向有关的部门提供产品制造过程状态的信息反馈。MES采集从接受订货到制成昀终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管理活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。‹MES是围绕企业生产这一为企业直接带来效益的价值增值过程进行的，MES强调控制和协调。三、MES与计划层和控制层之间的关系在企业集成环境中，MES和上下层系统之间的数据流如下：MES数据流图MRPII/ERP时间因子＝100XMES时间因子＝10XControls时间因子＝1X人员设备人员指令/如何做做了什么/人员反馈设备操作和控制输入输出测量值做什么怎么做做了什么/操作状态做了什么图3集成环境下企业中的MES数据图在制定计划时，ERP使用天、周、月和年的时标（这是一个100x时间系数），根据市场预测、客户订单及其相关的其它因素形成企业的主排程计划，其中，包括产品的生产计划和与之相关的原料采购计划等内容。ERP形成计划后，在适当的时候向执行层的MES系统发送具体的生产计划，即向MES发出“做什么”的指示。根据ERP制订的生产计划，MES根据已定义的产品实现细节形成生产指令，为控制层提供“如何做”的指示。同时，将生产过程的结果信息反馈给ERP系统。此时，MES使用时标较短（一般为天、班、小时分钟或秒），并且，其时标与控制层的也不一致，时间系数为10x。-4-制造执行系统（MES）综述在此模式中，控制层是实时工作的，它的时标为1x，一般少于1秒，这意味着，控制层将对生产工艺进行实时的控制和调整，来实现物料、设备、人员和信息的“协同”，进而获得理想的产量和质量。图4MRPII/ERP到MES的可能数据流图5MES到控制层的可能数据流-5-制造执行系统（MES）综述从以上过程中可以看出，MES强调企业在整个产品生产过程中的生产信息“共享”和生产行为的“协同”，并借此实现生产过程的优化。因此：‹MES需要具备与计划层和控制层保持双向通信能力，从上层系统接受生产计划，经过分解处理后，向下层系统发出生产指令；‹从下层系统接收生产过程现场的实时数据，对实时事件、实时数据进行及时的加工和处理，并向上层系统反馈生产计划的处理结果。‹从本质上来讲，MES不同于以派工单形式为主的生产管理，不同于以辅助物料流为特征的传统的车间控制系统，也不同于偏重作业与设备调度为主的单元控制器。‹MES更多地被认为是一种新型的生产运作和管理模式，是将制造系统中的生产计划、进度安排、物料流动、物料跟踪、过程控制、过程监视、质量管理、设备维护和信息管理等进行一体化集成，以昀终实现制造自动化的制造平台优化策略。四、MES的发展历史计算机辅助生产管理系统的演化历史如下图所示，MES作为生产形态变革的产物，其起源来自工厂的内部需求。财会系统Accounting物料需求计划MRP制造资源计划MRPII企业资源计划ERP制造执行系统MES特定解决方案FocusedSolutions可集成MESI-MES分销资源计划DRP预测Forecasting供应链管理SCM新一代的解决方案ٛ昀优结果ٛ同步ٛ模块化ٛ面向对象ٛ可伸缩ٛ面向产业ٛ基于战略1960197019801990未来图6计算机辅助生产管理系统的演化历史上个世纪八十年代，MRPII在美国生产与库存管理协会（APICS）大力宣传和组织推动下得到了迅速的普及和广泛应用。推广过程中，MRPII也暴露出一些不足之处，如MRPII对预测需求和销售管理不够重视，对车间的大量实时事件与数据不能很好地利用等等。-6-制造执行系统（MES）综述许多企业认识到，需要其它系统来解决MRPII在这些方面管理薄弱的问题。于是，为了满足销售、预测的需求，产生了分销资源计划DPR（DistributionResourcePlanning）。同样，为了强化车间的执行功能，制造执行系统（MES）也就应运而生。传统的MES（TraditionalMES，T-MES）大致可分为两大类：1）专用MES系统（PointMES）。它主要是针对某个特定领域的问题而开发的系统，如车间维护、生产监控、有限能力调度或是SCADA等。2）集成MES系统（IntegratedMES）。该类系统起初是针对一个特定的、规范化的环境而设计的，目前已拓展到许多领域，如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业，在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。虽然专用MES能够为某一特定环境提供昀好的性能，却常常难以与其它应用系统集成。专用的MES整个系统重构性能弱，很难随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。集成的MES，比专用MES迈进了一大步，具有很多优点：如单一的逻辑数据库、系统内部具有良好的集成性、统一的数据模型等等。AMR研究小组在分析信息技术的发展和MES应用前景的基础上，提出了可集成MES（IntegratableMES，I-MES）这一概念。它将模块化和组件技术应用到MES的系统开发中，是两类传统MES系统的结合。从表现形式上看，I-MES具有专用MES系统的特点，即I-MES中的部分功能可以作为可重用组件单独销售。同时，它又具有集成MES的特点，即能实现上下两层之间的集成。此外，I-MES还能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之间的集成和原有系统的保护以及即插即用（P&P）等功能。到90年代，MES发展为I-MES（集成MES）和MES-Ⅱ（ManufacturingExecutionSolutions）。这样MES则作为整个工厂生产现场的集成系统出现，故又称为IntegratedMES（E-MES）。主要功能为工厂管理（资源管理、调度管理、维护管理）、工厂工艺设计（文档管理、标准管理、过程优化）、过程管理（回路监督控制、数据采集）和质量管理（SQC-统计质量管理、LIMS-实验室信息管理系统）。在这个模型指导下，MES在90年代初期的重点是生产现场信息的整合。对于离散工业（discretemanufacturing）和流程工业（processmanufacturing）来说，MES有许多差异。就离散MES而言，由于其多品种、小批量、混合生产模式，如果只是依靠人工提高效率是有限的。而MES则担当了整合、支持现场工人的-7-制造执行系统（MES）综述技能和智慧，充分发挥制造资源效率的功能。90年代中期，又提出了MES标准化和功能组件化、模块化的思路。这时，许多MES软件实现了组件化，也方便了集成和整合，这样用户根据需要就可以灵活快速地构建自己的MES。从1997年开始的国际仪表学会（ISA）启动的编制ISASP95企业控制系统集成标准和ISASP98批量控制标准的工作尤为重要，2000年发布了SP95.01模型与术语标准，2001年发布了SP95.02对象模型属性标准，2002年发布了SP95.03制造信息活动模型（ActivityModels）标准，2003年发布了SP95.04制造操作对象模型标准。其中SP95.01已经被IEC/ISO接受为国际标准。SP95.01规定了生产