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1、流程工业MES的现状与发展摘要制造执行系统MES 是流程工业现代集成制造系统CIMS 中的关键环节,是在近20 年发展起来的新型企业生产管理系统。本文首先介绍了MES 系统的发展背景,随后阐述了MES 系统的功能架构,并在此基础上探讨了MES 系统的软件架构,最后介绍了国外现有的MES 系统产品以及MES 系统今后的发展方向。关键词MES 系统;分布式软件架构;协同制造Actuality and trend of MESGU Jia2chen ,LIU Xiao2qiang ,SUN Yan2guang(Automation Research and Design Institute of M
2、etallurgical Industry , Beijing 100071 , China)Abstract :Manufacturing execution system (MES) as the key role of CIMS has been developed for about twenty years. In this paper , the background of MES is introduced. The functions and the software structure of MES are discussed. The trend and some prod
3、ucts of MES are introduced finally.Key words :MES;distributed software ;collaborative manufacturing0 引言制造执行系统(Manufacturing Execution System)是上个世纪80 年代开始出现的一种新型的企业生产管理系统。它作为现代集成制造系统CIMS的关键,在企业资源计划ERP 层和过程控制系统PCS 层中间,起到了承上启下的核心作用。MES系统融合了先进的信息技术和网络技术,为实现敏捷制造和网络制造提供了先进的信息处理平台。1 MES 系统的背景1. 1 制造业信息化的背景
4、自上世纪末开始,世界经济的全球化趋势越来越明显,市场瞬息万变,企业间的竞争越来越激烈,为应付多变的市场需求,企业对于自身的信息化要求也日益紧迫。随着计算机技术和网络技术的不断发展,使得建立分布式的企业信息系统成为可能。国外许多大型流程制造企业纷纷投入大量人力、物力和财力,构建企业级或集团级的信息化系统,即现代集成制造系统(CIMS) ,并以此为手段提高企业在激烈的市场竞争中的应变能力和创新能力。在欧美和日本等发达国家,众多大型流程工业企业成功实施了CIMS 计划,推动了流程工业整体CIMS 应用水平的提高。在新的世纪,许多国家都将制造系统集成技术列入了跨世纪战略计划。如美国的“敏捷制造使能技术
5、研究战略计划”与“国家工业信息基础设施协议NIIIP”计划,欧盟的“第四届框架研究计划”和日本的“智能制造系统计划”等。同时,许多跨国公司应用现代集成制造系统实现了设计、制造、管理、经营一体化,加强了他们在国际市场的垄断地位。如美国波音公司在实施了集成制造系统后使波音777 的开发周期从89 年缩短到4.5年,成本降低了25 % ,返工率降低了75 %;通用汽车公司应用了现代集成制造技术后,轿车的开发周期从4 年缩短到2 年,碰撞试验由原来的100 多次降低到50 次;美孚石油公司应用先进的综合自动化技术后,企业效益提高5 %8 % ,劳动生产率提高10 %15 %。国浦项在3 年时间实施了P
6、I (Process Innovation)工程,典型产品的交货期从30 天缩短到14 天。由此可见,集成制造技术已成为带动制造业发展的重要推动力。进入新的世纪,信息技术特别是网络技术的快速发展,促进了全球信息化。经济全球化和制造网络化是本世纪制造业发展的主要趋势与重要特征。1. 2 现代集成制造系统的发展背景现代集成制造系统通过追踪生产信息流来实现对企业的全面控制和管理,经过几十年的理论和实践发展,它的系统结构已经逐步摆脱了完全按照物理层次划分并配置系统的传统模式,朝着一种更加简单合理的综合模式发展,如图1 所示。新的系统结构按照任务的要求和功能的分担进行配置。在新的系统结构中,其核心功能是
7、处于中间层的MES 系统,它是一个承上启下的功能层。为了全面实施CIMS 的建设,单纯依靠提高设备控制的自动化水平和增强企业管理并不能解决全部问题,在设备和过程控制与企业ERP 系统之间存在着生产过程监控管理一体化的功能需求,即要实现从PCS 层的毫秒和秒级信息到ERP 层的日、周、月级信息之间的转换和沟通1 ,以填补传感器到ERP 之间的“沟壑”,完成过程信息与管理信息的双向集成,这就是MES 系统的功能,如图2所示。从图2 中可以看出,MES 系统的主要任务是将PCS 系统中的生产实际状况经过分析和汇总及时反馈回ERP 中,同时将ERP 中产生的生产订单转化为生产实际操作数据并交PCS 系
8、统完成,其中主要包括生产计划的一体化编制和处理、生产过程动态优化调度、生产成本的在线预测和优化控制、生产流程的质量控制和跟踪、生产设备的在线状态检测和故障诊断。许多完成了ERP 系统的企业发现缺少MES系统的支撑, ERP 系统很难用来指导生产实际。在国家“十五”863 战略目标论证报告中指出,现代集成制造系统(CIMS) 主题的一个主要研究任务就包括生产过程执行系统(MES) 。因此,MES 系统是企业实施CIMS 的关键,是使CIMS 系统发挥作用的基础和保证。2 企业MES 系统功能架构从图1 中可以看出,MES 系统主要完成原来属于车间管理级和工厂管理级的任务,根据国际MES 协会ME
9、SA 的定义,MES 系统的主要功能包括11 个方面2 ,如图3 所示。这11 个方面基本上囊括了所有的生产管理要素,这些功能的取舍取决于特定的企业环境和期望的产出效益。1) 资源配置与状态跟踪。对所有的生产资料进行管理,包括机器、工具、劳工技能、材料等等,使其井然有序,随时可以投入运转。同时记录资源的各种历史信息,以保证生产设备的配置,并对设备的实时状态信息进行跟踪。2) 工序/ 细节调度。根据生产单元的优先级、属性、特征,对生产工序进行优化,使生产资源配置的变化降到最低。3) 生产计划和调度。制定生产计划,并以任务、工单、批次、订单等形式下发给各生产单元。可以根据生产实绩实时调整原始计划,
10、产生新的调度信息。4) 文档控制。对所有与生产单元有关的资料进行管理,包括工作指令、图纸、配方、标准操作流程、设计变更、产品记录以及ISO 信息等,并进行历史数据的存储。5) 数据采集/ 获取。实时采集生产数据,记录生产单元的各种参数,并保存在相应的表格和记录中。数据可以由人工录入和从设备中自动采集。该功能需向外提供一个接口,以便其它应用可以通过它获得生产实时数据。6) 人力资源管理。记录员工的考勤以及专业技能,提供员工的实时状况记录,同时与资源配置功能交互,以产生最优配置。7) 质量管理。提供生产的实时分析,保证严格的产品质量控制,发现潜在的质量问题。对出现的质量问题进行诊断、分析,并提出改
11、进方法,包括SPC/ SQC 的在线跟踪和离线分析功能。8) 过程管理。对生产过程进行监视,自动纠正或提示操作人员纠正生产中的纰漏,提供报警管理以及MES 系统与智能设备的接口。9) 维护管理。跟踪并指导生产,以维护设备和工具,对突发问题作出快速响应。建立历史事件和故障记录数据库,协助完成故障诊断。10) 产品跟踪与记录。提供可视化的跟踪手段,监视产品的状态及用途。跟踪信息包括加工者、原料供应者、批号、序列号、当前产品状态、报警信息、返工及异常情况。通过跟踪信息可以追溯生产历史以及产品最终用途。11) 性能分析。对生产实绩和历史信息进行分析,以得到现实生产状况的效果,并与预计的效果进行比较。3
12、 MES 系统的分布式软件架构作为企业应用软件,MES 系统应具有分布式的软件架构。随着网络技术的发展和应用需求的变化,分布式应用软件的架构逐渐由原来的2层C/ S 架构转化为3 层或多层分布式架构,如图4所示。在新的架构中,所有复杂的业务逻辑和大量的计算工作被编写为组件安装在中间层的应用服务器中,这部分功能在2 层C/ S 架构中主要是在客户端完成。将复杂的逻辑和计算功能从原来的客户端分离出来,形成中间层应用服务器,有3 个主要益处:1) 提高了系统的可扩展性。原来的2 层C/ S架构中能够容纳的客户端的多少,很大程度上取决于数据服务器的性能;在3 层架构中,每台应用服务器可以挂接多个客户端
13、,当客户端数目超过单台应用服务器的能力限制后,可以增加新的应用服务器,同时在多台应用服务器之间采用负载均衡技术,这样就大大提高了整个系统的可扩展性。2) 提高了系统的可维护性。原来的2 层C/ S架构中,如果后台数据库结构或业务逻辑发生了变化,那幺客户端的程序必须做出相应调整;在3层架构中,客户端不直接与数据库交互,所有的业务逻辑都放在了中间层应用服务器上,一旦数据库结构或业务逻辑发生了变化,只需要修改相关的业务逻辑组件,而客户端无需任何改动,大大降低了系统的维护成本。3) 增加了系统的可复用性和灵活性。由于业务逻辑被编写为相对功能独立的组件,因此新的MES 系统只需要重写原来系统中与新用户需
14、求不相符的部分,而大量功能近似的组件可以复用,降低了开发新系统的成本。另外,3 层架构对基于浏览器、客户端的应用模式也提供了更好的支持,增加了系统的灵活性。当然,分布式3 层或多层架构的软件,对编程人员提出了更高的要求,并且在客户端需要大量数据的情况下,对系统的效率也提出了更高的要求。分布式3 层或多层架构对系统的构成方式也提出了以组件为基础的新要求,OMG的CORBA、微软的COM/ DCOM/ COM + 和SUN 的EJB 是3 种可供选择的分布式组件标准。目前常见的企业分布式应用软件架构有2 种:*微软的Windows DNA 架构;*基于Java 的Sun 公司的J2EE。目前国外几
15、种MES 软件大都是采用了微软的技术, 西门子的SIMATIC IT , WONDERWARE 的FactorySuite2000 和CAMSTAR 的InSiteLive 都采用了微软的COM/ DCOM标准。4 国外MES 软件产品现状目前提供MES 产品的公司主要是国外公司,其中包含了主要MES 功能的产品有: 西门子的SIMATIC IT , WONDERWARE 的FactorySuite2000 ,CAMSTAR 的InSiteLive ,CIMNET 的Factelligence ,以及法国阿尔斯通公司的MES 等。西门子公司提供的MES 产品SIMATIC IT 的功能最全,基
16、本上包括了所有的MES 功能,它的组织结构由框架(Frame2work) 、功能组件(Components) 、工业套件(Suites) 3部分组成,其中框架部分主要提供了应用开发工具、建模工具和各种接口适配器,功能组件部分提供了所有对应MES 功能的模块,工业套件则是专门为特定的工业领域,如离散制造企业、冶金企业、食品饮料和制药企业提供的专门套件。WONDERWARE 公司的MES 产品FactorySuite2000 不像西门子的产品提供了完整的MES 功能,它的产品只提供了部分MES 功能,包括产品跟踪、质量管理等,更多的模块,如InTouch , InSql 等偏向于PCS 的功能。CAMSTAR 公司是世界上最早提供MES 产品的公司之一,也是MES 协会的最早成员之一,它的MES 产品InSiteLi
