mes_让制造和计划统一

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1、MES，让制造与计划相统一 南京航空航天大学 戴勇教授 曹江辉博士 2003-7-30 中国计算机用户编者按：现在，以 MRP II、ERP 为代表的管理信息系统，以及以数控加工、DNC 单元和柔性制造为代表的自动化技术，在制造业行业已经大规模应用。尽管这两类系统的推广取得了一定效果，但却忽略了两者之间的有效配合，导致企业上层计划缺乏有效的实时信息支持、下层控制环节缺乏优化的调度与协调。计划层与车间执行层无法进行良好的双向信息流交互，企业就难以实时反应。十多年前诞生的 MES 直指这一问题，目前在发达国家已经普遍推广。在我国，对 MES 的认识和应用还处于刚刚起步阶段。为此，我们特意邀请南京航

2、空航天大学的专家做专题介绍，将从企业需求、技术模型、如何实施以及不同行业应用特点等角度系统地介绍 MES 这一概念。上个世纪 80 年代后期，美国在总结 MRP实施成功率较低的教训并吸收日本准时制生产系统(JIT)经验的基础上，提出既重视计划又重视执行的管理新思想。此时，将计划与制造过程统一起来的制造执行系统（Manufacturing Execution System，简称 MES）应运而生。以 MRP II、ERP 为代表的管理信息系统，强调企业的计划性。它们以客户订单和市场需求为计划源头，力求充分利用企业内的各种资源、降低库存、提高企业的整体运作效率。图 1 AMR 三层企业集成模型以数

3、控加工、DNC（分布式数控技术）单元和柔性制造系统为代表的自动化技术，则强调设备的控制通过控制优化，减少人为因素的影响，提高产品的质量与系统的运行效率。然而，上述努力尽管取得了一定成功，却并没有很好地达到预期效果。一方面是由于企业在管理改革方面跟不上信息化发展的步伐，另一方面是由于企业对执行层的重视不够，导致上层计划缺乏有效的实时信息支持，下层的控制缺乏优化的调度与协调。MES 面向制造企业的车间层，可以为企业其它应用系统（例如ERP、SCM）提供生产现场的实时数据，从而加强计划管理层与底层控制之间的沟通。承上启下：MES 所处“位置”关键上个世纪九十年代初期，通过对大量企业的调查，美国先进制

4、造研究机构（AMR）发现：完善的企业生产管理系统，普遍由以下三种软件构成：以 ERP、MRPII 为代表的企业管理软件，以 SCADA（数据采集与监视）、HMI(Human Machine Interface)为代表的生产过程监控软件，以及实现操作过程自动化、支持企业全面集成的 MES 软件。根据调查结果，AMR 于1992 年提出了三层的企业集成模型（如图 1 所示）。从模型可以看出，制造执行系统 MES 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。一方面，MES 可以对来自MRPII、ERP 软件的生产管理信息进行细化、分解，将来自计划层操作指令传递给底层控制层；另一方

5、面，MES 可以采集设备、仪表的状态数据，以实时监控底层设备的运行状态，再经过分析、计算与处理，从而方便、可靠地将控制系统与信息系统整合在一起，并将生产状况及时反馈给计划层。一个企业的制造车间，是物流与信息流的交汇点，企业的经济效益最终就是在这里被物化出来。随着市场经济的完善，车间在制造企业中逐步向分厂制过渡，导致其角色也由传统的企业成本中心向利润中心转化，更强化了车间的作用。因此，位于车间起着执行功能的制造执行系统 MES 具有十分重要的作用。车间的实时信息的掌握与反馈是制造执行系统对上层计划系统正常运行的保证，车间的生产管理是制造执行系统的根本任务，而对底层控制的支持则是制造执行系统的特色

6、。互通有无：MES 与其它系统关系密切作为面向制造的系统，MES 必然要求与企业其它生产管理系统有密切关系，MES 在其中起到了信息集线器（Information Hub）的作用，它相当于一个通讯工具为其它应用系统提供生产现场的实时数据。MES 的定位（context）模型（如图 2）反映了 MES 与其他企业管理系统之间的关系。 图 2 MES 定位模型MES 可以为企业中其他管理信息系统提供实时数据。例如，企业资源计划（ERP）系统需要 MES 提供的成本、制造周期和预计产出时间等实时生产数据；供应链管理(SCM)系统从 MES 中获取当前的订单状态、当前的生产能力以及企业中生产换班的相互

7、约束关系；客户关系管理(CRM)的成功报价与准时交货，则取决于 MES 所提供的有关生产的实时数据；产品数据管理(PDM)中的产品设计信息，可以基于 MES 的产品产出和生产质量数据进行优化；控制模块则需要时刻从 MES 中获取生产配方和操作技术资料来指导人员和设备进行正确地生产。另一方面，MES 也要从其它管理系统中获取相关的数据以保证 MES 自身正常运行。例如，MES 中进行生产调度的数据来自 ERP 的计划数据；MES中生产活动的时间安排需要依据供应链（SCM）系统之中的主计划和调度控制；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；从控制模块反馈的实时生产状态数据

8、，则被 MES 用于实际生产性能评估和操作条件的判断。从图 2 中，可以看出 MES 与企业其它管理系统之间有功能重叠的关系，例如 MES、CRM、ERP 中都有人力资源管理模块；MES 和 PDM 都具有文档控制功能；MES 和 SCM 中都有调度管理等等。各系统重叠范围的大小，与工厂的实际执行情况有关。实际应用中，各个系统同一类模块的侧重点是不同的。略显薄弱：我国 MES 应用刚起步虽然 MES 的发展历史比 MRPII、CAD、CAM 都要短，但它能有效地实现“以时间为关键”的制造思想，因而在发达国家推广非常迅速，并给工厂带来了巨大的经济效益。MES 的出现以及普及，对国外的管理界也产生

9、了深远的影响。近十多年来，我国通过 863 CIMS 项目应用的研究和推广，大大提高了企业的竞争力，使我国的制造业水平上了一个崭新的台阶。但是，我国制造业水平与发达国家相比还有较大的差距。在工厂自动化 FA（Factory Automation）方面，我国的制造业企业过去多是强调物流自动化，如自动化生产设备、自动化检测仪器、自动化物流运输存储设备等等。虽然它们能取代不少人工劳动并解决了一些生产瓶颈，但由于缺少相应的信息集成系统，这些系统不能充分发挥其功效而形成所谓的“自动化孤岛”。制造业水平的提高，不单是采用设备自动化，提高生产管理信息系统的效率显得更为重要。在我国，MRPII、MIS 已逐渐

10、趋于成熟与普及，而面向制造执行层的 MES 软件在开发与应用方面还比较薄弱。我国对车间层、单元层的研究大都着重于控制模型的研究，很少站在 MES 这一角度从应用出发来研究并开发面向制造过程的集成化管理和控制软件。现在，我国的许多高等院校、科研院所都在从事这方面的研究与应用开发工作。在理论研究方面，加入了并行、敏捷、网络化、可重构等一些先进思想。在系统设计方面，则采用面向对象、构件、代理等技术，取得了不少有益的成果。但是，在软件的商品化、成果的推广应用方面还存在很大的差距。目前，国内还没有自主开发的很成熟且得到广泛应用的 MES 软件。即使有所谓的车间层控制 SFC（Shop Floor Con

11、trol），也多数是收集相关资料再通过批处理方式录入而已，其功能十分有限。随着企业信息化应用水平的不断提高，企业逐渐认识到实现企业计划层与车间执行层的双向信息流交互，通过连续信息流来实现企业信息全集成，是提高企业敏捷性的一个重要因素。因此，通过 MES 来实现企业信息的全集成，形成实时化的ERP、MES、SFC 是提高企业整体管理水平的关键，这对企业制造业整体水平的提升具有重要意义。我国在 MES 的理论研究以及实际互用方面，需要进一步加大力量。MES 的定义美国先进制造研究机构 AMR(Advanced Manufacturing Research)将MES 定义为“位于上层计划管理系统与底

12、层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”，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、设备、物料、客户需求等方面)的当前状态信息。制造执行系统协会(Manufacturing Execution System Association，MESA)也给 MES 做出定义：“MES 能通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理。当工厂里面有实时事件发生时，MES 能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得 MES 能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交

13、货能力、改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES 还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。”后者对于 MES 的定义强调了以下三点：1.MES 是对整个车间制造过程的优化，而不是单一解决某个生产瓶颈。2.MES 必须提供实时收集生产过程数据的功能，并做出相应的分析和处理。3.MES 需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息集成。MES 的发展历史MES 作为生产形态变革的产物，其起源来自工厂的内部需求。为了更好得理解 MES 的产生背景，我们先回顾一下计算机辅助生产管理系统的演化历史（如图 3）。 图 3 计算机辅助生产

14、管理系统的演化历史上个世纪八十年代，MRPII 在美国生产与库存管理协会（APICS）大力宣传和组织推动下得到了迅速的普及和广泛应用。推广过程中，MRPII 也暴露出一些不足之处，如 MRPII 对预测需求和销售管理不够重视，对车间的大量实时事件与数据不能很好地利用等等。许多企业认识到，需要其它系统来解决 MRPII 在这些方面管理薄弱的问题。于是，为了满足销售、预测的需求，产生了分销资源计划DPR（Distribution Resource Planning）。同样，为了强化车间的执行功能，制造执行系统（MES）也就应运而生。传统的 MES(Traditional MES，T-MES)大致可

15、分为两大类：1、专用MES 系统(Point MES)。它主要是针对某个特定领域的问题而开发的系统，如车间维护、生产监控、有限能力调度或是 SCADA 等。2、集成 MES 系统(Integrated MES)。该类系统起初是针对一个特定的、规范化的环境而设计的，目前已拓展到许多领域，如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业，在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。虽然，专用 MES 能够为某一特定环境提供最好的性能，却常常难以与其它应用系统集成。专用的 MES 整个系统重构性能弱，很难随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。集成的 MES，比专用 MES 迈进了一大步，具有

16、很多优点：如单一的逻辑数据库、系统内部具有良好的集成性、统一的数据模型等等。美国 AMR(Advanced Manufacturing Research)研究小组在分析信息技术的发展和 MES 应用前景的基础上，提出了可集成 MES(Integratable MES，I-MES)这一概念。它将模块化和组件技术应用到 MES 的系统开发中，是两类传统 MES 系统的结合。从表现形式上看，I-MES 具有专用 MES 系统的特点，即 I-MES 中的部分功能可以作为可重用组件单独销售。同时，它又具有集成 MES 的特点，即能实现上下两层之间的集成。此外，I-MES 还能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之间的集成和原有系统的保护以及即插即用（P&P）等功能。