打造数字化协同制造企业―MES未来发展的新方向

lihuolin958

引言
    数字化企业是1996年以后出现的一个概念，它是现代企业运营的一种新模式。
    20世纪90年代以来，信息技术的发展极为迅速，经济全球化的趋势日益增加，从而促成了市场环境的根本性变化。面对激烈竞争，企业界的重要对策之一是技术和管理的高度融合，即将制造技术与信息技术、自动化技术、现代管理技术和系统科学技术有机融合起来，形成新一代先进制造技术，以此来支撑新的业务模式的转变。为此，企业资源计划（ERP）和制造执行系统（MES）从理念发展到软件平台，再形成完整的系统，并逐步开始了应用和普及的过程。它们或以软件平台的形式出现，或以应用系统的形式出现，或以解决方案的形式出现，或以贴身服务的模式出现，无论它们以什么方式出现，其内涵都是从企业最容易产生管理和经济效益的MES人手，提升企业的制造水平。
一、MES是数字化协同制造企业的重要基础
    美国ARC公司首次提出了企业协同制造管理模型冈，将模型扩充后形成了图1所示的数字化企业协同制造模型。
               
    图l中：SRM(supplier relationship management）为供应商关系管理；CRM(customer relationship management) 为客户关系管理；EAM(enterise asset management）为企业资产管理；SCP(supply chain planning）为供应链计划文化建设；APS(advanced planning and scheduling）为高级计划与排产； TMS(transportation management system）为运输管理系统；WMS(warehouse manement system）为仓储管理系统；APC(advanced process control）为高级过程控制； AMHS (automated material handling system）为自动物料储运系统；UMS( laboratory information management systems）为实验室信息管理系统。
    数字化企业协同制造模型从三个不同维度来描述制造企业的全部管理活动，即企业经营业务管理维度、围绕产品制造的供应链维度以及产品全生命周期管理维度；定义了产品市场策划、产品协同研发、工艺设计、试制到产品量产的产品全生命周期管理以及从供应商、制造商到分销商在内的协同产业链的全过程；同时，模型还对包括客户订单、生产计划、作业指令、生产实绩接收、产品检验、发货放行的全过程进行了闭环管理。
    从图1可以看出以下内容。
    ①MES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轴线的中心，是整个企业协同制造模型的核心系统，同时也是数字化协同制造企业的基础；
    ②单一独立的MES，其作用已不再明显，它必须与周边系统协同设计、紧密集成才能够发挥重要的作用；
    ③协同化是数字化企业的主要特征，包括MES与内部管理系统之间的协同以及从上游供应商到下游销售商的全供应链之间的协同等，因此，企业与合作伙伴之间的合作关系日趋紧密，它以协同制造、协同商务、相互信任和双赢机制作为企业共同的运作模式；
    ④产品协同研发机制促进了敏捷制造的发展，形成了以虚拟制造和动态联盟为特征的新型制造模式。该模式能够对多变的市场需求作出快速响应，缩短产品从概念到上市的时间，有效满足了用户需求；
    ⑤网络化的发展促进了异地多制造基地协同制造的发展，数字化企业是架构在网络之上的网络制造系统，它可以广泛利用各种企业资源和社会资源，实现“网络制造”和“全球制造”。
二、满足数字化协同制造的MES系统模型
    为了支撑数字化制造的实现，系统模型对处于企业经营三条主线活动中心的MES系统提出了特殊的要求。
    2.1适应数字化
    协同制造的MES体系为了建立协同制造模型下的MES系统，就要统筹考虑包括MES在内的总体架构、应用功能架构和统一的平台架构。图2所示为一个满足协同制造要求的MES设计案例。
              
    该方案建立了包括数字化集成设计平台（PDM）、数字化集成管理控制平台（ERP、 MES）、统一的企业业务总线以及高端的商务智能平台等企业一体化数字集成信息平台。      
    ①数字化集成设计平台（PDM）作为公司设计中心的主要支撑平台，支持产品设计和工艺设计的集成、对设计过程的管理、对制造基地MES设计数据的输出和其他系统的集成。
    ②数字化集成管理控制平台（ERP、MES）是在公司集团层面，实现对营销、采购、人力资源、对外协作、成本、设备、协同办公、协同制造管理、作业计划管理和实绩收集等制造企业重要管理功能的统一管理。
    ③商务智能（BI）是以信息技术为手段，应用管理科学、计算机科学及有关学科的理论和方法，针对半结构化和非结构化的决策问题，通过收集各相关系统信息、建立模型、列举可能方案和进行分析比较等方式，为管理者作出正确决策提供帮助。
    ④电子商务主要实现企业外部门户电子采购、电子销售、电子协作制造和客户服务功能，使业务人员与客户、供应商和协作单位之间可以借助便捷的互联网技术进行信息的有效沟通。
    ⑤企业门户完成对内统一展示企业的信息、文档和报表的功能，方便信息传递和交流。
    2.2分层优化
    为了满足数字化协同制造企业管理的要求，必须从顶层自上而下设计企业的信息系统，包括BF ERP/SCM(supply chain management）、MES和PCS(personal communications serVice）等，统一制造代码、统筹功能分层，并从企业经营层面、制造执行层面以及过程控制层面进行生产计划、作业计划和控制参数的逐级优化。
三、系统实现的若干关键技术
    3.1功能设计上的构件化结构
    在构建数字化协同制造体系、组成制造企业信息系统的各个层次时，用户可能会采用不同厂家提供的软件包；另外，为了节省投资成本，用户也有分期构建MES系统的情况，即先导入部分必要的MES功能，使初期能够花最小的投资解决当前函待解决的问题，然后持续不断地进行追加。构建MES时必须考虑满足网络化、集成化和协同化的要求，在MES功能模块设计上要求必须是满足可配置、可重构的构件化设计体系川，如图3所示。
               
    在导入MES时，可以根据实际系统情况以及客户要求，通过灵活地组合各个MES构件建立MES系统，从而使系统的导入能够进行阶段性推进。
    基于构件来构建MES有以下三个要点：各个构件间的可连接性、满足各个系统要求的柔性与可扩充性以及满足未来业务发展的延伸性。
    3.2企业服务总线
    为了满足数字化协同制造企业对各个不同协议系统的集成，需要建立产线级统一企业服务总线ESB(enter rise service bus）。ESB是一个基于面向服务的体系结构SOA( Service-oriented architecture）思想完成的企业应用集成的基础软件。通过建立企业级ESB，对制造执行系统内部所有功能模块进行集成；同时，将制造执行系统与企业级的外部应用系统统一集成，为不同应用系统的集成提供简单易用、高效可靠的平台，并可快速配置、扩展和管理。ESB企业服务总线如图4所示。
               
    SOA是一种面向服务的架构风格，具有很好的灵活性和重用性。基于SOA分布式结构的ESB彻底摆脱了传统集成中间件中中央服务器的集中式交换模式，采用轻量级的分布部署模型，通过对服务的注册、发布和流程化等一系列的管理，提供服务仓库；并可以根据业务需求将服务仓库中来自世界各地的服务有机地结合起来；同时，它还可以消除不同应用之间的技术差异，让不同的应用服务器协调运作，实现不同服务之间的通信与整合。
    3.3嵌入式数据库技术
    一些制造行业（如半导体）对MES的响应速度以及数据存储量的要求非常高；且随着企业管理粒度的细化，数据采集的品种和数量会大大增加，系统的处理能力需要大幅提升，而系统的集成度越来越高，使得跨系统的数据交互变得更加重要。虽然新的信息技术发展为系统构建提供了有效支撑，但是这也对应用系统的设计提出了新的挑战。
    为有效克服传统数据库的缺点，满足跨系统间实时的海量数据收集和处理能力，系统必须提供特殊的技术手段来解决上述问题。
    嵌入式数据库（内存数据库）技术可以最小化支持持久数据所需要的资源，可以跨硬件和软件平台进行部署，并在内存处理的结构优化上提供高性能的支持，从而适应制造企业自动化系统的高响应性和高吞吐量要求，为后续的数据分析、事件预警和流程执行打下基础。
四、MES建设的几点建议
    MES的建设是一个过程，而不是一个事件。伴随着MES理论的不断成熟、标准的不断完善以及可供借鉴的成功应用案例的不断增加，MES建设已经不再是一件遥不可及的工作，其成功实施的可能性大大增加。但是，所有MES系统实施的经验都证明，对一个具体的企业来说，MES的建设绝非是一件轻而易举的工作，要开发一个满足自身需求的MES系统仍然有很多工作需要一步一步地推进。具体来说，要注意如下几个问题。
    ①企业信息系统的整体架构设计和规划仍然是MES成功实施的关键。为了满足数字化协同制造企业管理的要求，必须从顶层开始自上而下进行设计，尤其是统一制造代码体系、统筹功能分层、采用统一和规范的数据结构和存取方式、共同的事件和通报模型、共同的业务间（BZB）信息格式等是至关重要的。在自上而下设计的过程中，实现从企业经营层面、制造执行层和过程控制层合理的功能分担，以及合同计划、生产计划、作业计划和控制参数的逐级优化。
    ②要注重行业特征和企业特点。MES的概念和理论体系适合于各类工业过程，包括离散制造业行业和流程行业，目前市场上已有很多成功的应用。但是，MES又是最具行业特征的管理系统。在实际应用中，流程行业与离散制造业MES有很大的差异，流程行业中钢铁与石化也有诸多不同，各类成功的经验都可以广为借鉴，但不能机械地套用。无论是企业自行开发、采用套装软件或请专业服务提供商予以协助，都要注意不同行业的MES的形态结构，抓住每种制造环境基本的和本质的症结，深刻了解所在企业、所在行业的特点和企业自身的特点，自主把握需求。归根到底，企业自身的需求是MES系统建设的根本依据。
    ③MES系统项目实施的方法论非常重要。除了需要保证MES运行的系统环境外，MES系统还是一个典型的工业软件，即它与传统意义的软件既有相同之处又有所区别。不同之处在于它融入了大量的行业背景知识和企业管理诀窍，同时对软件产品自身也提出了优化的架构、先进的技术、构件化开发和功能可扩展的要求，以便在引入新产品和新流程时，能有效地处理业务管理的改变。这彻底颠覆了传统意义上认为 MES系统建设是一个项目，而MES仅仅是一个定制化软件”的思维方式。
    ④要注重系统的集成性，避免信息孤岛。从AMR三层企业集成模型来看，ERP系统需要与MES系统紧密衔接起来才能发挥其巨大作用。没有两者的集成，则上层系统缺少底层数据的支撑，其计划产生的结果也是不可靠的；而如果MES不能直接接收ERP的计划信息，MES就没有进行生产调度的依据；同样，SCM通过外来物料的采购和供应时间控制着生产计划的制定和某些零件在工厂中的生产活动时间；CRM采购订单中的具体客户要求是指导工厂生产的重要依据；PDM则为MES提供实际生产的工艺文件和各种配方及操作参数等。所有这些系统都应该紧密集成，而这种集成不仅仅是概念上的，且要以物理上的集成保证应用功能的完整集成。
    ⑤系统规划、分步实施、持续完善。要做好企业信息化建设，投入往往是巨大的，动辄上百万千万，甚至上亿。这不仅包括财务的投入，也包括各类管理部门、开发部门人员的投入，而更重要的一个投入是企业决策者的精力投入。这是一笔宝贵的无形资产和精神财富。因此，既要保证大量的资金投下去一定能产生投资回报，也要保证无形资产和精神财富得以提炼和升华。分步实施是MES成功的重要策略。在实施的第一阶段识别出效率最差的流程是最艰巨的任务，但却是必须的；另外，应当注重阶段化成果的总结和积累，为以后更好的应用实施打下坚实的基础。
五、结束语
    ME 最早的概念是面向制造车间级的管理与控制系统，自20世纪90年代引入我国以来，在国内得到了迅速发展。但是，当前市场的竞争不仅仅是企业之间的竞争，更是整个企业价值链之间的竞争。MES不再是仅仅作为一个独立的现场管理系统而存在，我们必须站在企业经营的高度，自顶向下地来规划MES，使之适应企业之间协同制造的要求，满足构建数字化制造企业的要求。从这点意义上来说，MES今后的发展必将进入到一个新时代。作者：丛力群 毕英杰


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