制造执行系统MES及其功能技术模型

lihuolin958

　　国际竞争中各国竞争力消长的经验教训以及计算机技术、信息技术、自动化技术在制造业中日益广泛深入的应用，使人们重新认识到制造业和制造技术的重要性，工业化国家都把制造技术列为关键研究技术之一，MES作为制造企业信息化建设的重要组成部分，是制造企业优化车间管理，提高市场竞争力的必然选择。

　　1 MES的定义

　　 MESA(Manufacturing Execution System Association，国际制造执行系统协会)的白皮书对制造执行系统(Manufacturing Execution Systems，MES)所下的定义：“制造执行系统传递信息使得从下单到完成品间的生产过程能够最佳化。生产活动在进行时，MES使用及时、正确的数据，提供适当的导引、响应及报告。针对条件改变立即快速反应的目的，在于减少无附加价值的活动，达到更有效的生产作业及流程。MES改善了设备的回收率，准时交货率、库存周转率、边际贡献、现金流量绩效。MES提供企业与供货商之间双向沟通所需的生产信息。”

　　 AMR(Advanced Manufacturing Research，美国先进制造研究机构)将MES定义为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车问层的管理信息系统”，MES为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人员、设备、物料、客户需求等方面)的当前状态信息。AMR继1990年提出MES概念后，1992年又紧接着提出MES三层模型，如图1所示。

　　图1 AMR的三层企业集成模型

　　 从上述概念中，制造执行系统是位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统，它是为了解决上层计划系统与下层控制系统之间的信息通信而出现的。制造执行系统在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙，可以为企业及时提供生产实时信息、优化生产、提高生产效率、优化资源配置的作用。

　　2 制造执行系统的功能结构

　　 2.1 MES的信息流

　　 MES国际联合会在MES白皮书中也给出了在企业生产管理中ERP／MES／PCS层之间的操作、交互活动和信息流，如图2所示。ERP系统根据客户订单制定产品需求和安排生产计划任务给MES系统，MES系统通过任务单和来自车间层的资源状态信息制订生产指令和控制参数给底层控制系统，底层控制系统将生产现场的设备信息、工装信息和人员信息以及任务状态、设备状态和加工参数传递给MES系统，使MES系统完成资源检查、在制品跟踪功能和控制加工过程功能，并根据底层提供的信息对车间生产计划的制定、实时调度、现场控制指令等做出实时调整。同时，ERP系统可以查询订单状态。在制品状态和其他性能数据以便作出符合实际的预测和决策。从时间因素分析，在MES之上的计划系统考虑的问题是中长期的生产计划(时间因子＝100倍)，执行层系统MES处理的问题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。

　　图2 MES／ERP／PCS层之间的信息流

　　 2.2 MES的信息交互

　　 作为车间生产管理系统核心的MES可看作是一个通讯工具，它为企业各种其他应用系统提供现场的数据信息。MES向上层ERP／SCM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(Work In Process，WIP)的存放位置和状态、实际订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；生产工艺管理可以通过MES的产品产出和质量数据进行优化；另一方面，MES也要从其他的系统中获取自身需要的数据，这些数据保证了MES在工厂中的正常运行。例如：MRPIVERP的计划数据是MES进行生产调度的依据；供应链通过外来物料的采购和供应时间控制着生产计划的制订和某些零件在工厂中的生产活动时间；销售和客户服务模块提供的产品配置和报价为实际生产订单信息提供基本的参考数据；生产工艺管理提供实际生产的工艺文件和各种配方及操作参数；从控制模块传来的实时生产状态数据被MES用于实际生产性能评估和操作条件的判断。总之，MES接受企业管理系统的各种信息，充分利用这些信息资源，实现优化调度和合理资源配置。图3反映了ERP／MES／PCS三者之间的信息流动和交互。

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　　图3 MES与ERP／PCS系统之间信息交互

　　2.3 MES与企业其他信息系统之间的关系

　　 制造执行系统是面向制造过程的，它必然与其它的制造管理系统共享和交互信息，这些系统包括供应链管理(Supply Chain Management，SCM)、企业资源计划管理(ERP)，销售和客户服务管理(Sales and Service Management，SSM)、产品及产品工艺管理(Product & Process Engineering，P／PE)以及生产底层控制管理等管理系统。制造执行系统起到连接以上各信息系统的信息集线器的作用，制造执行系统与以上各信息系统之间都存在着功能信息的重叠，同时以上各系统之间也存在着功能信息重叠的关系。图4反映了MES与企业其他管理系统之间的关系。

　　图4 MES与企业其他信息系统之间的关系图

　　 2.4 制造执行系统的功能模块

　　 制造执行系统集成了车间中生产调度、质量管理、设备维护、过程控制等相互独立的系统，使这些系统之间的数据实现共享；同时制造执行系统起到了企业信息系统连接器的作用，使企业的计划管理层与控制执行层之间实现了数据的流通。制造执行系统的功能，如图5所示。

　　图5 MES系统功能图

　　 以上是MES系统本身具有的功能。另外，MES要想起到企业其它信息系统的集线器的作用，必须具有良好的集成性，因此，实现与其他系统的信息集成是MES的一个重要特性。

　　3 面向敏捷制造的MES——可集成MES(I-MES)

　　 可集成MES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，充分结合传统MES的优点而发展起来的。通过采用高效的基础框架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。NIIIP／SMART协会(National Industrial Information Infrastructure Protocols--Solution for MES Adaptable Replicable Technology)为整个MES应用领域提出的一个分布式对象和信息交换模型，如图6所示，代表了发展中MES的技术模型。

　　图6 发展中的MES技术模型

　　 从模型中可看出，在面向对象的应用中，每个对象都使用自身具有的功能和方法来操作数据，分别完成系统的各种功能。而其它功能如：工作流管理，产品数据管理，知识管理等都从功能逻辑中分离出来。通过对象请求代理(ORB)(如CORBA，COM／DCOM)可使不同软件商的对象相互交换信息和进行互操作。NIIIP／SMART所描述的MES技术模型非常适合未来MES的商业应用特征，一个分布式对象框架可以让各种数据和功能逻辑在使用时变得更加紧密。而且，通过使用小巧简练的对象，可使系统模型在不破坏相互关系的情况下方便地进行客户化定义。这些特征使实施的MES费用较低同时又具有良好的适应性和柔性。随着计算机技术的发展，越来越多的MES、ERP、控制系统、产品数据管理、供应链管理和客户关系管理都是以对象的方式来编写代码的。只要它们遵守统一的ORB，不管它们哪个开发商提供，都可以进行无缝地集成。现有的应用系统(Legacy System)只要按正确的方法进行封装也同样能实现系统的即插即用。通过引入智能代理(Agent)可以有效地实现分布式MES的协同工作，满足虚拟企业中MES应用的要求。从而实现敏捷制造模式对信息系统的要求，既系统的可重构，可重用和可扩展(3R)特性。

　　4 结 论

　　 制造执行系统(MES)软件弥合了企业计划层和生产车间过程控制系统之间的间隔，是制造过程信息集成的纽带。MES通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，同时也为敏捷制造企业的实施提供了良好的基础。深刻理解MES这一先进的管理思想，把握它的发展趋势，对于如何在我国正确的研究和推广MES应用具有重要的理论和应用价值。

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