微締工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)生產(chǎn)管理軟件(MES系統(tǒng))

1、概 述

    制造業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，在第二產(chǎn)業(yè)中占據(jù)中心地位。伴隨中國(guó)加入WTO和經(jīng)濟(jì)全球化，中國(guó)正在成為世界制造業(yè)的中心。中國(guó)的制造業(yè)企業(yè)面臨日益激烈的國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)，如何迅速提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，很重要的一點(diǎn)，就是以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，加快信息化進(jìn)程，走新型工業(yè)化道路，實(shí)現(xiàn)全社會(huì)生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展。

縱觀我國(guó)制造業(yè)信息化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，建設(shè)的重點(diǎn)普遍放在ERP管理系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)（Shop Floor Control System, SFC）兩個(gè)方面。但是，由于產(chǎn)品行銷在這一、二十年間從生產(chǎn)導(dǎo)向快速地演變成市場(chǎng)導(dǎo)向、競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)向，因而也對(duì)制造企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理和組織提出了挑戰(zhàn)，僅僅依靠ERP和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)往往無法應(yīng)付這新的局面。

    工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System, MES）恰好能填補(bǔ)這一空白。工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)MES是近10年來在國(guó)際上迅速發(fā)展、面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。MES可以為用戶提供一個(gè)快速反應(yīng)、有彈性、精細(xì)化的制造業(yè)環(huán)境，幫助企業(yè)減低成本、按期交貨、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和提高服務(wù)質(zhì)量。適用于不同行業(yè)（家電、汽車、半導(dǎo)體、通訊、IT、醫(yī)藥），能夠?qū)我坏拇笈可a(chǎn)和既有多品種小批量生產(chǎn)又有大批量生產(chǎn)的混合型制造企業(yè)提供良好的企業(yè)信息管理。目前國(guó)外知名企業(yè)應(yīng)用MES系統(tǒng)已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)也逐漸開始采用這項(xiàng)技術(shù)來增強(qiáng)自身的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2、企業(yè)計(jì)劃層與過程控制層之間的信息“斷層”問題

    我國(guó)制造業(yè)多年來采用的傳統(tǒng)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)是“由上而下”按計(jì)劃生產(chǎn)。簡(jiǎn)單的說是從計(jì)劃層到生產(chǎn)控制層：企業(yè)根據(jù)訂單或市場(chǎng)等情況制定生產(chǎn)計(jì)劃—生產(chǎn)計(jì)劃到達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)—組織生產(chǎn)—產(chǎn)品派送。企業(yè)管理信息化建設(shè)的重點(diǎn)也大都放在計(jì)劃層，以進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃管理及一般事務(wù)處理。如ERP就是“位”于企業(yè)上層計(jì)劃層，用于整合企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)資源，編制生產(chǎn)計(jì)劃。在下層的生產(chǎn)控制層，企業(yè)主要采用自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、自動(dòng)化檢測(cè)儀器、自動(dòng)化物流搬運(yùn)儲(chǔ)存設(shè)備等解決具體生產(chǎn)（制程）的生產(chǎn)瓶頸，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制。

    由于市場(chǎng)環(huán)境的變化和現(xiàn)代生產(chǎn)管理理念的不斷更新，一個(gè)制造型企業(yè)能否良性運(yùn)營(yíng)，關(guān)鍵是使“計(jì)劃”與“生產(chǎn)”密切配合，企業(yè)和車間管理人員可以在最短的時(shí)間內(nèi)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的變化，作出準(zhǔn)確的判斷和快速的應(yīng)對(duì)措施，保證生產(chǎn)計(jì)劃得到合理而快速修正。雖然ERP和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了非常成熟的程度，但是由于ERP系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象是企業(yè)管理的上層，一般對(duì)車間層的管理流程不提供直接和詳細(xì)的支持。而現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能主要在于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和工藝參數(shù)的監(jiān)控，它可以向管理人員提供現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但是本身并非真正意義上的管理系統(tǒng)。所以，ERP系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)之間出現(xiàn)了管理信息方面的“斷層”，對(duì)于用戶車間層面的調(diào)度和管理要求，它們往往顯得束手無策或功能薄弱。比如面對(duì)以下車間管理的典型問題，它們就難以給出完善的解決手段：出現(xiàn)用戶產(chǎn)品投訴的時(shí)候，能否根據(jù)產(chǎn)品號(hào)碼追溯這批產(chǎn)品的所有生產(chǎn)過程信息？能否立即查明它的：原料供應(yīng)商、操作機(jī)臺(tái)、操作人員、經(jīng)過的工序、生產(chǎn)時(shí)間日期和關(guān)鍵的工藝參數(shù)？

    · 同一條生產(chǎn)線需要混合組裝多種型號(hào)產(chǎn)品的時(shí)候，能否自動(dòng)校驗(yàn)和操作提示以防止工人部件裝配錯(cuò)誤、產(chǎn)品生產(chǎn)流程錯(cuò)誤、產(chǎn)品混裝和貨品交接錯(cuò)誤？

    · 過去12小時(shí)之內(nèi)生產(chǎn)線上出現(xiàn)最多的5種產(chǎn)品缺陷是什么？次品數(shù)量各是多少？

    · 目前倉(cāng)庫(kù)以及前工序、中工序、后工序線上的每種產(chǎn)品數(shù)量各是多少？要分別供應(yīng)給哪些供應(yīng)商？何時(shí)能夠及時(shí)交貨？  

    · 生產(chǎn)線和加工設(shè)備有多少時(shí)間在生產(chǎn)，多少時(shí)間在停轉(zhuǎn)和空轉(zhuǎn)？影響設(shè)備生產(chǎn)潛能的最主要原因是：設(shè)備故障？調(diào)度失誤？材料供應(yīng)不及時(shí)？工人培訓(xùn)不夠？還是工藝指標(biāo)不合理？

    · 能否對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，精確區(qū)分產(chǎn)品質(zhì)量的隨機(jī)波動(dòng)與異常波動(dòng)，將質(zhì)量隱患消滅于萌芽之中？     · 能否廢除人工報(bào)表，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每個(gè)過程的生產(chǎn)數(shù)量、合格率和缺陷代碼？

    MES的定位，是處于計(jì)劃層和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的執(zhí)行層，主要負(fù)責(zé)車間生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的MES系統(tǒng)可以在統(tǒng)一平臺(tái)上集成諸如生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、設(shè)備故障分析、網(wǎng)絡(luò)報(bào)表等管理功能，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)和通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接可以同時(shí)為生產(chǎn)部門、質(zhì)檢部門、工藝部門、物流部門等提供車間管理信息服務(wù)。系統(tǒng)通過強(qiáng)調(diào)制造過程的整體優(yōu)化來幫助企業(yè)實(shí)施完整的閉環(huán)生產(chǎn)，協(xié)助企業(yè)建立一體化和實(shí)時(shí)化的ERP/MES/SFC信息體系。

3、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES及其功能

3．1 MES的定義

    MES是美國(guó)管理界90年代提出的新概念。美國(guó)先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)AMR(Advanced Manufacturing Research)通過對(duì)大量企業(yè)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)普遍由以ERP/MRPII為代表的企業(yè)管理軟件，以SCADA、HMI(Human Machine Inteface)為代表的生產(chǎn)過程監(jiān)控軟件和以實(shí)現(xiàn)操作過程自動(dòng)化，支持企業(yè)全面集成的MES軟件群組成。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，AMR于1992年提出的三層的企業(yè)集成模型（如圖1）。

    MESA International (MES國(guó)際聯(lián)合會(huì))是以宣傳MES思想和產(chǎn)品為宗旨的貿(mào)易聯(lián)合會(huì)，它為了幫助其成員組織在企業(yè)界推廣MES制定了一系列研究、分析和開發(fā)計(jì)劃。MESA協(xié)會(huì)白皮書（MESA White Paper No.6，1997）對(duì)MES 系統(tǒng)作如下之定義：

    · MES 系統(tǒng)在產(chǎn)品從工單發(fā)出到成品產(chǎn)出的過程中，扮演生產(chǎn)活動(dòng)最佳化的信息傳遞者。

    · 當(dāng)事件發(fā)生變異時(shí)，借著實(shí)時(shí)正確的信息、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)規(guī)范、原始工作情況、資料反應(yīng)及回饋，作出快速的響應(yīng)以減少無附加價(jià)值之生產(chǎn)活動(dòng)，提升工廠生產(chǎn)制程的效率。

    · MES 改善生產(chǎn)條件及準(zhǔn)時(shí)出貨、庫(kù)存周轉(zhuǎn)、生產(chǎn)毛利及現(xiàn)金流量效益，MES 并且也在企業(yè)與供應(yīng)鏈之間提供一個(gè)雙向的生產(chǎn)信息流。

     MESA協(xié)會(huì)白皮書（MESA White Paper No.3，1997）中提出說明企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、MES與控制系統(tǒng)間的作業(yè)互動(dòng)與信息流模式，如圖二所示。

    圖中左邊ERP等系統(tǒng)需隨時(shí)注意產(chǎn)品庫(kù)存量、客戶訂單狀況與材料需求，然后將這些信息傳送至MES，由執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)或安排庫(kù)存以滿足客戶訂單需求。對(duì)MES而言，這一層就是生產(chǎn)的計(jì)劃層。

    · 中間部分為MES 系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成產(chǎn)品制造工作，產(chǎn)品的規(guī)格、型號(hào)、參數(shù)等相關(guān)資料儲(chǔ)存于此系統(tǒng)中，MES將此產(chǎn)品相關(guān)資料轉(zhuǎn)化為作業(yè)程序提供給控制系統(tǒng)之作業(yè)人員或機(jī)器設(shè)備來使用。

    · 右邊部分為控制系統(tǒng)，當(dāng)作業(yè)程序、相關(guān)流程、文件及其它相關(guān)生產(chǎn)需求項(xiàng)目就緒，控制系統(tǒng)便運(yùn)用所有工廠內(nèi)相關(guān)資源（軟、硬件及人員）負(fù)責(zé)完成生產(chǎn)制造過程以達(dá)成產(chǎn)品生產(chǎn)目標(biāo)。

3．2 MES的功能

    由MES的定義可見，MES為一系列管理功能，而并非一套軟件系統(tǒng)，它完全可以是各種生產(chǎn)管理的功能軟件集合。MESA通過其各成員的實(shí)踐歸納了十一個(gè)主要的MES功能模塊，包括：工序詳細(xì)調(diào)度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過程管理、人力資源管理、維護(hù)管理、質(zhì)量管理、文檔控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和數(shù)據(jù)采集。 

    MES的各功能模型與企業(yè)其它信息化系統(tǒng)的關(guān)系如圖三所示。實(shí)際的MES產(chǎn)品可能同時(shí)包含了其中一個(gè)或幾個(gè)功能模塊。

4、MES的典型結(jié)構(gòu)

    由于MES在產(chǎn)品從工單發(fā)出到成品產(chǎn)出的整個(gè)過程中，扮演生產(chǎn)活動(dòng)最佳化的“信息傳遞者”的角色，MES必然要具有多種功能并且能夠同時(shí)為生產(chǎn)、質(zhì)檢、工藝、物流等多個(gè)部門服務(wù)，這就決定了MES的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足以下原則：

    · MES應(yīng)該是一個(gè)分布式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

    · MES系統(tǒng)能夠與企業(yè)的其他制造信息系統(tǒng)相聯(lián)接，從而提供高效的企業(yè)管理功能  

    · “它以生產(chǎn)行為信息為核心，為企業(yè)決策系統(tǒng)提供直接的支持” (MESA 1997)

    由于工廠可能會(huì)從不同的軟件供應(yīng)商購(gòu)買適合自己的MES模塊，或?qū)④囬g現(xiàn)有的各種管理系統(tǒng)集成為MES功能的一部分，其結(jié)果導(dǎo)致許多工廠的MES系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)大雜燴。每個(gè)系統(tǒng)都有各自的處理邏輯，數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)模型和通信機(jī)制。又因?yàn)镸ES應(yīng)用常常是要滿足關(guān)鍵任務(wù)的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)就很難隨技術(shù)的更新而進(jìn)行升級(jí)。

    一個(gè)基于統(tǒng)一軟硬件平臺(tái)的MES系統(tǒng)往往采用工業(yè)PC/PLC/HMI等設(shè)備作為車間內(nèi)各生產(chǎn)單元（生產(chǎn)區(qū)域）功能站的主要構(gòu)件，通過對(duì)各個(gè)生產(chǎn)單元的數(shù)據(jù)收集和反饋，組成覆蓋全廠或者整個(gè)流水線的、滿足閉環(huán)生產(chǎn)管理需要的開放式以太網(wǎng)絡(luò)。采用MES數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器作為系統(tǒng)核心，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取和比照，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的監(jiān)視、控制和生產(chǎn)過程的管理。系統(tǒng)以大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，便于大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、比對(duì)、運(yùn)作，產(chǎn)生各類統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，并基于穩(wěn)定的Web應(yīng)用，提供標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的瀏覽查詢和遠(yuǎn)程資料索取。當(dāng)前典型的MES結(jié)構(gòu)模型如圖四。

    在企業(yè)內(nèi)部，各功能站通過局域網(wǎng)對(duì)MES 服務(wù)器進(jìn)行交互操作，同時(shí)其他各查詢終端也通過局域網(wǎng)查詢MES 處理后提供的數(shù)據(jù)、報(bào)表和圖形。在企業(yè)外部，通過Internet 可以連接到MES，在設(shè)定的權(quán)限內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信息發(fā)布或讀取操作。公司內(nèi)部管理、外部機(jī)構(gòu)以及其它相關(guān)業(yè)務(wù)單位通過 MES 聯(lián)系形成了一個(gè)緊密的整體，做到實(shí)時(shí)信息共享，使業(yè)務(wù)流程變得有序而高效。

5、MES與ERP

    雖然ERP和MES在功能上具有非常良好的互補(bǔ)性，但是在企業(yè)信息化建設(shè)過程中，它們之間未必需要相互依賴于對(duì)方而存在。在生產(chǎn)計(jì)劃管理、質(zhì)量管理和物流管理等方面，MES和ERP系統(tǒng)的功能可以互相延伸和對(duì)接，共同構(gòu)建更為完善的現(xiàn)代化企業(yè)信息管理體系。當(dāng)企業(yè)已經(jīng)存在ERP系統(tǒng)時(shí)，可以將MES與ERP系統(tǒng)進(jìn)行集成，以優(yōu)化公司的信息管理，更加有力地保證商業(yè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

    MES與ERP系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)為：

· 進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有的操作流程，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理層和車間管理層一體化標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)作，從而更加有效地縮短產(chǎn)品周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

    · 進(jìn)一步改造信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)公司內(nèi)部信息和數(shù)據(jù)的集中管理，從根本上減少信息和數(shù)據(jù)內(nèi)部流通的時(shí)間。

    · 配合供應(yīng)鏈管理(SCM)系統(tǒng)，減少供應(yīng)鏈成本，增強(qiáng)對(duì)顧客需求的快速反應(yīng)，優(yōu)化客戶服務(wù)并提高公司的整體工作效率。

    · 增加財(cái)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)當(dāng)日更新和管理報(bào)表即時(shí)統(tǒng)計(jì)的功能，實(shí)現(xiàn)當(dāng)日結(jié)帳的目標(biāo)。

    · 以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)的生成計(jì)劃更加正確及時(shí)地反映整個(gè)生產(chǎn)情況。

6、MES的前景

    MES是面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)，它是實(shí)施企業(yè)敏捷制造戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)敏捷化的基本技術(shù)手段。由于MES強(qiáng)調(diào)控制和協(xié)調(diào),使現(xiàn)代制造業(yè)信息系統(tǒng)不僅有很好的計(jì)劃系統(tǒng)，而且能使計(jì)劃落實(shí)到實(shí)處的執(zhí)行系統(tǒng)。因此短短幾年間MES在國(guó)外的企業(yè)中迅速推廣開來，并給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

    我國(guó)企業(yè)實(shí)施以MRPII/ERP為主的企業(yè)管理軟件有將近20年的歷史，在業(yè)界，存在著為數(shù)龐大的ERP廠商和開發(fā)軍團(tuán)，但這部分廠商只有較少部分會(huì)向MES的方向發(fā)展，其原因是：MES與工業(yè)控制緊密結(jié)合，其研發(fā)和實(shí)施需要很強(qiáng)的工業(yè)自動(dòng)化基礎(chǔ)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)，這是一道比較高的技術(shù)門檻，將很多ERP類型的IT廠商拒之門外。但我們也相信，隨著行業(yè)和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的發(fā)展，會(huì)有相當(dāng)部分的IT廠商與自動(dòng)化廠商、制造型企業(yè)合并或緊密合作，在2-3年內(nèi)，MES廠商可能會(huì)如雨后春筍般涌現(xiàn)，其技術(shù)和實(shí)施手段也必然將日趨成熟。

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