MES技术发展及应用研究

bpmqgb

本文主要就制造执行系统(MES)的发展及其在企业系统中的应用进行了详细介绍，阐述了MES在企业系统中的位置、功能、作用以及MES给企业系统带来的益处和软件系统特征，最后展望了MES的发展趋势。
0 引 言
    随着科学技术的进步、生产力水平的提高。市场需求日益多样化，大批量生产已经不能适应市场的需求，加之计算机的广泛应用，生产管理从观念到生产方式都发生了重大的变革，这一切都促使现代管理理论的出现，它以计算机技术在生产管理领域的大规模应用为起点。具有代表性的现代生产管理理论：如物料需求计划（Material Requirements Planning，MRP）、制造资源计划（Manufacturing Resource Planning，MRPⅡ）、企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）、准时制生产方式（Just In Time。JIT）、最优生产技术（Optimize Production Technique，OPT）、约束理论（Theory Of Constraints，TOC）等相继出现。
    尽管ERP、JIT、OPT等理论和方法，在现代企业管理中得到很多成功的应用，为企业的生产管理提供了有效的解决方法和工具。但是由于车间生产管理强调生产计划的执行以及生产现场数据的采集和回顾，而ERP、JIT等强调企业的计划性，因此，在车间生产管理和控制上，ERP、JIT等就显得力不从心。
    按照MRPⅡ／ERP方式组织生产，存在四个明显的问题：①不确定的产品结构的引入；②陈旧的工时定额数据；④不合实际的提前期的定义；④缺乏来自生产现场的反馈而导致计划的不准确。因此实际应用过程中，存在制品的库存量过多，造成管理混乱和资金占用过多的问题，JIT强调零库存生产，实际JIT生产模式必须满足以下条件：生产计划平稳，减少调整准备时间、提高工人素质、生产车间重新布局、准时采购、消除原材料和外购件的库存、加强质量管理、消除废品。目前中国企业实现JIT生产模式缺乏很多的基础条件。OPT技术在面向订单生产的情况下，对于多品种、小批量生产方式的生产计划制定有很大的指导意义，但是它也有相当的局限性，只能用在一些工序较少的生产场合，这些都促使了MES的产生。
1 制造执行系统（MES）的发展
    从20世纪70年代后半期开始，出现了解决个别问题的单一功能的MES系统，如设备状态监控系统、质量管理系统，包括生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统，也就是说，在未实施整体解决方案或信息系统以前，各企业引入的只是单功能的软件产品和个别系统。当时，ERP层（称为MRP）和DCS层的工作也是分别进行的，因此产生了两个问题：一个是横向系统之间的信息孤岛（Island of Information）；二是MRP、MRPⅡ和DCS两层之间形成缺损环或链接（Missing Ring or Link）。

80年代中期，为了解决这两个问题，生产现场的信息系统开始发展，生产进度跟踪信息系统、质量信息系统、绩效信息系统、设备信息系统及其整合已形成共识。与此同时，原来的底层过程控制系统和上层的生产计划系统也得到发展，这时，产生了MES原型，即传统的MES（Traditional MES，T-MES），主要是POP（生产现场管理，Point of Production）和SFC（车间级控制系统，Shop Floor Control）。

MES（Manufacturing Execution System）直译成制造执行系统，俗称生产管理系统。直到1990年，才由AMR组织提出并使用。20世纪90年代初，工业界开始认识到需要一个可以将业务系统和控制系统集成在一起的中间层。制造执行系统（MES）从一开始就是一个特定集合的总称，用来表示一些特定功能的集合以及实现这些特定功能的产品。美国的咨询调查公司（Advanced Manufacturing Research，AMR），倡导制造业用三层模型（3rd layer model）表示信息化。将位于计划层和控制层的中间位置的执行层叫做MES，并说明了各层的功能和重要性。在国内，生产和制造两词有时混用或等同，但仔细推敲，其实生产的范畴比制造要广。MES处于企业信息系统ERP/SCM和过程控制系统DCS/PLC的中间位置。ERP作为业务管理系统，DCS/PLC作为控制系统，而MES则作为生产执行系统。MES与上层ERP等业务系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统：一是把业务计划的指令传达到生产现场；二是将生产现场的信息及时收集、上传和处理。MES不单是面向生产现场的系统，而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统，是连接现场层和经营层，改善生产经营效益的前沿系统。MES也不是一个特定行业的概念，而且应用于各种制造业的重要信息系统。

bpmqgb

由于ERP层和DCS层的IT应用起步较早，多已基本实现，因此，报要通过MES层的功能实现对两者进行整合，并填充其间的空隙或狭缝。最初，MES并没有一个非常明确的定义，它几乎涵盖了所有那些无法准确地分配给其他层的应用程序或产品。大多数这样的产品都是由一些定制的应用程序逐渐演化而来的，而这些应用程序基本上都是由系统集成商针对某类特定用户进行开发的，并且通常都是针对某个特定领域（如排产、实验室、质量、产品跟踪等）的。此后，在国际上，各相关组织都开始惫识到要对MES进行更加明确的定义。MESA（Manufacturing Execution System Association International，制造执行系统国际联盟组织）、ISA都相继开发了相关的模型对MES加以描述，并试图通过模型使其标准化。位于美国的“ESA成立于1992年，是继AMR组织之后促进MES普及和标准化的团体，经常发布关于MES白皮书，还有用户使用MES后的效果调查报告。
    ERP是对企业资源进行有效、概括地计划与管理，是提高企业经营效率和效益的手段和概念.其核心是计划，而不是财务，或者说，财务是手段，计划优化是目的。实现这个目的软件则叫ERP软件，德国SAP公司的R阳软件最有名。据AMR （Advanced Manufacturing Research）组织2003年统计，SAP约占世界ERP市场的35%，ORACLE约占13%，People Soft约占10%，J.D.E约占5%。ERP面向企业的主要业务，包括产品定货、原材料采购、生产制造、配送、销售、会计等一系列业务流，是覆盖全公司的信息系统，其关键业务包括计划、财务会计和管理会计，还有人力资源管理等。ERP的数据库要与实时数据库相连，提取生产过程的有关数据，故ERP又和SCM集成。SCM包括从原材料供应采购到终端客户的商品供应的主要业务功能（如计划、采购、制造、作业流程管理、后勤保障、销售管理等）。在实施ERP的过程中，人们发现，ERP的实施规模大、周期长，导致46%逾期完成；支出多、投入大，导致41%超过预算；由于多种原因，致使49%没有达到预期的杜会效益、经济效益和目标。其中一个重要因素是与生产现场的连接与集成被忽略了，而生产现场的数据，特别是整合过的高质云的数据，即完美的生产信息是ERP的基础，是集成的关键，而这些正是催生MES的重要原因。
    到90年代，MES作为整个工厂生产现场的集成系统出现，称为Integrated MES（I-MES）。本模型包括以下4个主要功能，并由实时数据库支持。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（discrete manufacturing）和流程工业（process manufacturing）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。MES的11个功能主要包括：1.生产资源分配与监控；2.作业计划和排产；3.工艺规格标准管理；4.数据采集（装置在线连接采集实时数据和各种参数信息，控制系统接口，生成生产数据记录、质量数据、绩效信息、台帐累计）；5.作业员工管理；6.产品质量管理；7.过程管理（过程控制、APC、基于模型的分析与模拟、与外部解析系统接口）；8.设备维护；9.绩效分析；10.生产单元调度；11.产品跟踪。这一时期，很多团体、政府机构、组织也参与了MES的标准化以及标准、模型的研究和建立活动，涉及分布对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用等技术。

bpmqgb

近十年来，新兴的业务类型不断涌现，对技术革新产生了巨大的推动力，正是基于这一点，使人们对B2B以及供应链给予了极大的关注。尽管B2B和供应链属于业务层的解决方案，但如果想要充分地实现它们，还需要得到制造执行系统（MES）的强有力的支待，其结果是MES不能仅仅做成业务（Business）和过程（Process）之间的接口层，还需要建立大盆可以完成公司关键业务的功能。这些功能无法彼此独立，也不能通过数据交换层简单地连接，而是必须依据业务（Business）和生产（production）策略彼此协同。这在ISA-95委员会的文件中，有非常明确的表述。不仅描述了MES过程，同时还通过各种功能，诸如资源管理和资源分配、调度、数据采集、质量保证管理、维护管理、绩效分析、排程、文件控制、工时管理及物料和生产跟踪等之间的交互作用来描述MES过程。
随着MES理论的发展，大量的MES软件被开发出来，并且广泛地应用于车间生产管理，如：美国Consilium公司面向半导体和电子行业相继开发了WorkStream（MESⅠ）和FAB300（MESⅡ）；美国Honeywell公司面向制药行业开发的POMS-MES；美国的Intellution公司面向多种行业开发的FIX for Windows，并在日本三菱汽车获得很大成功；广州今朝科技有限公司开发的制造执行系统（Today MES）。
2 MES在企业系统中的应用
    2.1 MES在企业系统中的位置
    AMR Research于1992年提出了三层企业集成模型。如图一所示，该图清楚地描述了MES在企业系统的位置。
图一 企业集成模型
    （1）计划层：强调企业的计划性。它以客户订单和市场需求为计划源头，充分利用企业内的各种资源，降低库存，提高企业效益，ERP等从生产管理的角度来看，属于企业的计划层。
    （2）执行层（MES）：强调计划的执行和控制。通过MES把ERP与企业的生产现场控制有机地集成起来。
    （3）控制层（Control）：强调设备的控制。包括DCS（Distributed Control System，DCS）、PLC（Programmable Logic Controllers，PLC）、NC／DNC（Distributed Numerical Control，DNC）、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）以及其它的控制产品制造过程的计算机控制方法。
    2.2 MES在企业系统中的功能与作用
    1997年，MESA International在其白皮书里对制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）做出了如下定义：
    MES是通过传递信息，对从订单下达到产品完成的整个生产活动进行优化；MES依靠及时、准确的数据对工厂活动进行指导、启动、响应和报告；MES对条件变化的迅速响应，以及对减少非增值活动重视，使其能够提高工厂的生产效率；MES可以提高生产价值的回报率，保障及时交货能力，保持合理库存量，加快库存周转，提高现金流转效率；MES双向地提供整个企业生产活动以及供应链的关键信息。
    这是—个对MES的描述性定义，详细地描述了MES的功能与作用。简言之，MES主要是—个厂（车间）级的应用系统。它以生产制造为核心，以提高整个企业的生产经营效益为目的。MES系统在企业模型中，要与其它系统进行交互。

bpmqgb

（1）MES与ERP：ERP需要来自MES的实际数据，例如，成本、生产周期、产量及产品性能数据。ERP的经营计划要下达分配到MES中。
    （2）MES与SCM：SCM要从MES获取定单状态、生产能力，班次约束等信息、SCM计划、驱动工厂的生产活动。
    （3）MES与SSM：SSM进行报价和交货需要了解一定时间内生产设施的状态信息，而SSM的产品配置与报价构成了产品定单，成为生产依据。
    （4）MES与P／PE：P／PE根据产出及产品质量对生产参数进行优化调整，而P／PE向MES提供了工作指令、配方及操作参数。
    （5）MES与Controls：在一定的时间内，Controls从MES获取最佳的生产配方及指令，而控制数据可供MES检测性能、判断工作环境是否发生了变化。
    2.3 MES应用于企业系统中的益处
    MES实施可以为企业带来丰厚的经济效益，例如：
    ①制造周期平均缩短了45%；
    ②在制品（WIP）平均减少了24%；
    ③班次交接的文书工作平均减少了61%；
    ④提前期平均减少了27%；
    ⑤文书和设计损失平均降低了56%；
    ⑥产品缺陷平均降低了18%。
    这组数据主要来自一些早期实施MES的公司，已经为MESA International的研究所证实。另外，MES还有助于企业减少加班，加快产品产出，增加生产的灵活性和灵敏性，以及降低成本。
    2.4 MES软件系统特征
    MES技术随着信息集成与控制技术的发展而发展。MES的发展经历了单一功能MES，传统MEs、集成的WES（Integrated MES）和可集成的MES（Integratable MES）四个发展阶段。
    由于T-MES是基于预先设定的程式进行系统开发的，因此，此类系统通常开发成本高，通用性差，可集成能力弱。为解决T-MES的上述缺陷，以及计算机软件开发技术的发展，可集成的MES（Integratable MES），即I-MES便进入人们的视野。I-MES以组件技术、以及代理（Agent）技术为代表。目前，基于组件技术的软件开发线路主要有三种：Microsoft DNA的COM／DCON技术、SUN公司的EJB技术以及OMG的CORBA技术。Agent由于其独特的自治性、社会能力、反应性和主动性，将是未来软件系统的发展趋势。
    不管采用何种技术线路，MES软件系统要被用户所接受必须具备的以下四个特征：
    （1）低成本费用。用户对工厂系统的升级速度肯定要慢于信息技术的发展速度，因此，基于PC的架构，以及将业务处理程序驻留在服务器端的瘦客户机结构将会被用户所接受。
    （2）高度的变化。数据的获取及归档成为工厂跟踪生产状态迅速变化的关键。数据的动态保存量与归档量的比例，反映了系统运行分析能力与存储、处理负荷之间的平衡。
    （3）短周期。产品交货周期反映了系统检测操作性能、处理事务的能力。
    （4）功能的灵活性。由于各个厂的情况不同，MES产品也会根据其所能处理的属性，以及可配置的能力而进行不同的划分。

bpmqgb

3 MES的展望
    从国外的发展趋势看，已经形成了一批MES软件产品和解决方案，出现了一批以MES为核心产品的工业企业管理应用软件公司，而且企业信息技术应用的焦点已经由ERP转向MES，然而MES的标准化仍有大量工作要做。
    从国内的发展趋势看，CIMS、MES、ERP等概念都进入中国较早，但只以DCS为代表的底层自动化和以ERP为代表的管理系统普及速度较快。因此，中国工业企业的信息孤岛和缺损环链现象比国外更为突出，也就是对MES层的认识相对落后。但是，确实有一些公司在加快开发中国式的MES产品或应用国外的MES产品，而且势头较好，同时，在认识观念上由关注ERP到关注MES的转变也已开始。
    随着市场全球化趋势的加剧，车间生产环境越来越充满了不确定性，车间面对任何不可预测的外部变化和内部扰动能够及时地、高质量地调整。因此要求低成本地生产出满足客户需求的产品以适应敏捷制造的要求，也向现有MES技术及系统提出了更高的要求，主要表现为以下两个方面：
    （1）MES的敏捷性方面
    车间资源的合理配里、生产优化调度和控制是实现敏捷化生产管理与运行的核心，而合理、优化的决策模型和算法是实现上述目标的关键。在目前的车间调度与控制决策中，一般采用纯数学化、模型化，计算机化的决策方法，即先建立方程式、不等式、逻辑式或概率分布函数等数学模型来反映决策问题，然后直接用数学手段（如数学规划、排队论、网络图论等）或启发式算法求解以提供最优方案。以上决策方法实际上是一种“硬决策”机制，它为车间管理决策摆脱依赖个人经验和能力的限制而提供了科学的决策手段，并使得决策的时效性和准确性得以提高。但在敏捷制造环境下，上述硬决策机制越来越不适应车间动态变化和充满不确定性的制造环境，甚至成为制约车间生产敏捷化的瓶颈。国内外现有MES中有关车间资源配置、生产调度、控制与信息系统等方面的研究开发主要基于确定性的常规信息环境，决策过程基本采用传统的硬决策理论与方法。而在实际的车间生产过程中，存在大量的不确定、不精确、不完备等非常规制造信息，而且车间制造活动中的决策往往建立在这些非常规信息的基础上，因此传统的硬决策结果难免与车间生产实际相偏离。因此，在非常规信息下的制造执行系统的研究是研究的方向，基于不确定信息情况下的生产计划与调度也是现实车间生产调度的难点。
    （2）MES的集成化方面
    软件集成的体系结构通过提供一套集成的应用软件来同时解决多种不同生产问题。该结构能够把企业现在可用的辅助企业生产管理、产品设计与制造等方面的软件集成起来，使企业的生产活动处于统一的数据模型中，减少了数据的重复输入次数，保证了数据的完整性和一致性。由于该结构具有丰富的应用功能、统一的逻辑数据结构、统一的车间产品及过程模型等优点深受制造企业的好评。现在企业由于急需解决上层管理系统与下层车间生产控制系统之间的数据统一性问题，因此，集成化MES具有广泛的用途和美好的前途。