制造执行系统MES标准体系架构研究

制造执行系统MES标准体系架构研究概述从上世纪80年代开始，客户对产品的需求越来越多样化，制造业的生产方式也由过去的大批量生产转向多品种、小批量的柔性制造。为了适应这一形势，多数企业都在进行企业信息化建设工作，但不少企业收效甚微。为此，美国先进制造研究中心AMR在1990年首次提出了MES(制造执行系统)的概念。MES国际联合会对MES进行了如下定义：“MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。1992年，AMR提出了企业信息化三层架构模型：计划层、执行层与控制层，MES是居于计划层与控制层之间的执行层，它的作用就是使制造现场的管理更加透明化、可视化、实时化及规范化，实现生产控制自动化与制造管理信息化的融合。目前，MES在欧美等国家得到了广泛应用，特别是在电气、电子、家电、机械、组装加工、钢铁、重工、汽车零配件、飞机、化学、食品、造纸等行业。国内在MES系统的研究与应用方面目前仍处于起步阶段。由于国内还没有一个完整的MES标准体系，各企业MES的功能架构各异，企业如何推进实施、做哪些必要的准备以及如何评判MES产品等，对企业来说，上MES项目还存在着一定的风险，产品质量、实施能力、服务水平、选型、厂商价格等一系列问题都成为影响我国MES市场成长的重要因素。1国内外MES标准发展现状1997年，美国仪表学会启动了编制ISA-SP95企业控制系统集成标准的工作，该标准目前被公认为MES标准的基本框架。标准共分六个部分，其中第一、二、三部分已正式发布，并被IEC／ISO采用为国际标准；第四、五部分正在制定中，第六部分尚处于构思阶段。ISASP95．00．01《企业控制系统集成第一部分模型和专用术语》已成为lEO／ISO正式标准。ISASP95．00．02《企业控制系统集成第二部分数据结构和属性》在2001年上半年成为ISA正式标准，第二部分对第一部分所定义的内容做了详细规定。ISASP95．00．03第三部分定义了企业制造活动模型。ISA-SP95系列标准总体上来说定义得比较清晰，但还不够完整，如：其质量模型仅包含检验管理，而在实际制造过程中，质量管理的概念涵盖了质量策划、质量设计、质量控制、质量检验、质量放行、产品的使用质量、质量分析等全过程，我国制造业生产过程中比较关心的如生产绩效的实时分析与评测、工序成本的收集与控制，关系到引入MES成败的业主方推进机制如项目人员、MES实施人员角色定义、推进方法、培训I机制、项目单位职责以及售后服务质量评估等都未涉及。目前国内也有些单一的MES标准，如MES功能架构标准等，仅涉及到MES某些局部内容，缺乏完整性与系统性，因此，无法对MES的推广应用起到全面的指导作用。2适合我国制造企业的MES标准体系架构在我国制造型企业日常业务管理中，最困难的要数面向现场的制造管理系统，这是由生产制造过程的复杂性与多样性所决定的，例如：财务管理与采购管理等业务管理大多是按照事前制定的公司规则来执行，其最终结论也是一一对应的，因此答案只有一个；而在制造管理体系中，虽然输人端的生产计划只有一个，但由于生产过程中出现的情况千变万化，产生的结果可能有无数个，事前无法预料。随着市场竞争的激烈化，企业在产品质量、成本、交货期等方面提出越来越高的要求，这就要求制造管理体系中必须对包括成本、物流、质量、排产计划、在库管理、订单跟踪、终判放行、成品出厂在内的各种应用要素进行统一的集成管理。同时，由于不同行业其生产形态、管理对象、企业管理方式也存在很大的差异性，都使得构建制造管理系统成为一项非常大的复杂工程。2.1抽象制造企业的制造模型，构建MES制造模型根据美国ARC公司企业协同制造管理模型扩充后形成了图1所示的企业制造模型。图1企业协同制造管理模型从图1可以看出：(1)MES处于产品生命周期管理、企业经营生产及制造供应链三条主线的中心；(2)MES必须要与周边系统紧密集成才能够发挥重要的作用。由于MES具有较强的行业特点，至今还不可能有一个面向全行业的MES软件，因此为了制定MES标准体系，必须要对制造企业的制造过程进行抽象。图2是根据ISA95标准及国内制造业现状归纳的MES制造模型。图2MES制造模型产品模型：主要包括产品规范(产品构造、产品清单、详细操作路径)、工艺技术规程(技术规程、工艺规程、KPI指标)、制造规范(控制规程)、操作规程；生产过程模型：主要包括生产制造模型(详细排产、作业指派、实绩收集、绩效分析)、质量控制模型(检验计划、检验执行、实绩收集、质量分析)、设备维护模型(维修资源、维修计划、维修调度、作业收集、维修分析）、库存操作模型（库存计划、库存分配、实绩收集、库存跟踪、库存分析）；资源使用模型：主要包括人力资源模型（组织、人员、考勤、技能资质）、设备能力模型（设备属性、设备能力）、能源管理模型（能源平衡计划、调度、实绩、绩效分析）、材料资源模型（原材料、消耗性材料）；生产事件模型：主要包括物流类事件、质量控制类事件、非消耗资源的使用事件等；工厂模型：主要包括组成制造企业的单元企业、工厂、车间、工作中心、工作单元等。通过以上这五个模型可以定义所有行业的制造过程。2.2站在企业信息化系统整体集成的角度，考虑MES标准体系从图1、图2可以看出，MES是整个制造型企业信息系统的重要组成部分，它必须与周边的系统进行紧密地集成才能发挥作用，因此在考虑MES标准体系时，要站在企业经营管理的高度，由顶向下地规划MES的功能架构及企业信息化整体架构体系，参照ISA-SP95国际标准，结合我国制造业的具体情况，拟建立的MES标准体系如下：《制造执行系统（MES）第一部分：模型与术语》主要定义了信息系统功能层次模型（见图3）、每一个层次应该提供的功能、制造执行系统与企业业务管理系统之间的业务界面，同时给出了MES所使用的术语定义。图3企业信息系统的多级功能层次图《制造执行系统(MES)第2部分：总体架构体系》主要参照ISA-SP95国际标准定义了MES总体架构模型(图4)，并对模型下的每一个功能模块进行了定义。图4MES总体架构体系《制造执行系统(MES)第3部分：功能构件规范》主要定义了MES的功能架构模型以及相关的软件功能构件(图5)组成的基本要求和实施方法。《制造执行系统(MES)第4部分：接口与交易信息规范》主要定义了MES与周边系统(ERP、PCS等)的接口交易信息及通讯方式。a．MES系统与ERP系统业务信息流。主要包括：订单类信息、质量类信息、计划类信息、库存类信息、发货类信息、能源消耗类信息、设备类信息、产品类信息；b．MES与生产过程控制系统(PCS)接口。主要包括：生产指令(PDI)类信息、生产实绩(PDO)类信息、机组运行状况类信息、生产报表类信息、辅助设备类信息；c．信息交易方式。《制造执行系统(MES)第5部分：产品开发规范》主要定义了MES产品软件开发过程中的需求、设计、实现、编码以及接口等方面所需要满足的基本要求和实施方法。包括需求的获取、产品需求分析、产品概要设计、总体设计、模块划分、结构设计、算法设计、输入输出设计、数据库设计、软件编码体系规范、代码结构、软件接口要求规范等。《制造执行系统(MES)第6部分：产品测试规范》主要定义了MES产品测试工作的内容和工作过程。阐述了测试的目的及整个工作流程。内容涵盖了软件测试的基本要领以及测试阶段与开发阶段的相互关系，要产生的工作产品，以及各阶段中进行测试的相应内容描述。并以此为基准来编制测试计划、测试用例设计书和测试报告。图5MES软件构件的总体架构《制造执行系统(MES)第7部分：导人实施指南》主要给出了制造MES的导人实施指南，包括MES的实施组织架构、实施过程中各阶段的工作规范，同时给出了MES实施的过程规范。适用于指导MES软件产品的导人和实施工作。导人实施指南的使用对象包括应用MES的企业、MES软件产品开发商、MES实施及咨询服务机构等。《制造执行系统(MES)第8部分：服务质量评价规范》主要定义MES投运后，软件产品的运行稳定性、数据准确性、响应及时性、资料完整性等技术性能评估方法和指标以及约定通用的售后服务方式。适用于对MES软件产品性能评价和服务评价，可作为企业对MES系统的评价依据，以及作为MES软件产品供应商售后服务的指导方案。3MES标准体系的应用上海宝信软件股份有限公司在长期从事制造企业信息化建设的过程中积累了丰富的MES设计、开发经验，按照本文提出的标准成功开发了宝信MES(如图6)，并已经在国内钢铁、有色、重装、造船、煤化工、采掘等几十家企业得到了成功应用，应用案例超过了上百个。4结语标准化工作是科技成果转化为生产力的桥梁，是组织现代化、集约化生产的重要条件。一个行业技术水平的提高，行业中主导企业的发展是非常重要的。以企业为主体，在国家有关部门的指导下形成统一的国家标准，对于促进行业的标准化工作，推动技术进步、产业升级，提高产品质量、工程质量和服务质量，加速我国迈向现代化，推进我国完成工业化建设都具有十分重要的意义。进行生产，管理层和实施层的思路统一，提高生产节奏。