生产管理系统(MES)

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1、制造业车间生产管理系统（MES ）及其典型结构【摘要】生产执行管理系统（MES ）是企业CIMS信息集成的纽带， 是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。本文介 绍了 MES 生产管理系统的概念、功能模型，以及 MES 与 ERP 及现场自动化 系统之间的关系，并且描述了 MES 系统的典型结构。1、概 述制造业是我国国民经济重要的支柱产业，在第二产业中占据中心 地 位 。伴 随 中 国 加 入 WTO 和 经 济 全 球 化 ，中 国 正 在 成 为 世 界 制 造 业 的 中 心 中 国的制造 业企业面临日益激烈的国内外竞 争，如何迅 速提高企业的核 心 竞争力，很重要的

2、一点，就 是以信息化带动工业化，加快信息化进程，走 新 型工业化 道路，实现全社会生产力的 跨越式 发展。 纵观 我国制 造业信 息 化 系 统 的 应 用 现 状 ，建 设 的 重 点 普 遍 放 在 ERP 管 理 系 统 和 现 场 自 动 化 系 统 （ Shop Floor Control System, SFC ） 两 个 方 面 。 但 是 ， 由 于 产 品 行 销 在 这一、二 十年间 从生产 导向快速 地演变成市场导向、竞 争导向 ，因 而也 对 制 造 企 业 生 产 现 场 的 管 理 和 组 织 提 出 了 挑 战 ，仅 仅 依 靠 ERP 和 现 场 自 动 化系统

3、往往无法应付这新的局面。工厂制造 执行系统（ Manufacturing Exec ution System, MES ）恰 好 能填补这 一空白。工厂制造执行系统 MES 是近 10 年 来在国际上迅速 发 展、面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。MES可以为用户提供一 个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交 货、提高产品的质量和提高服务质量。适用于不同行业（家电、汽车、半 导体、通讯、IT、医药），能够对单一的大批量生产和既有多品种小批量 生产又有大批量生产的混合型制造企业提供良好的企业信息管理。目前国 外 知 名 企 业 应 用 MES 系 统 已 经 成

4、为 普 遍 现 象 ，国 内 许 多 企 业 也 逐 渐 开 始 采 用这项技术来增强自身的核心竞争力。2、企业计划层与过程控制层之间的信息“断层”问题我国制造业多年来采用的传统生产过程的特点是“由上而下”按 计划生产。简单的说是从计划层到生产控制层：企业根据订单或市场等情 况 制定生产 计划生产计划到达生产现 场组织生产产品 派送。企业管 理信息化建设的重点也大都放在计划层，以进行生产规划管理及一般事务 处理。如 ERP 就是“位”于企业上层计划层，用于整合企业现有的生产资 源，编制生产计划。在下层的生产控制层，企业主要采用自动化生产设备 自动化检测仪器、自动化物流搬运储存设备等解决具体生产

5、（制程）的生 产瓶颈，实现生产现场的自动化控制。由于市场环境的变化和现代生产管理理念的不断更新，一个制造 型 企业能否 良性运营，关键是使 “计划”与“生 产”密 切配合，企业和车 间 管理人员 可以在最短的时间内掌握生产现 场的变化 ，作出准确的判断 和 快 速的应对 措施，保证生 产计划得 到合理而快速修正。虽然 ERP 和现场 自 动 化系统已 经发展到了非常成熟的程度，但是 由于 ERP 系统的服务 对象是 企 业管理的 上层，一般对 车间层的 管理流程不提供直接和详细的支 持。而 现 场 自 动 化 系 统 的 功 能 主 要 在 于 现 场 设 备 和 工 艺 参 数 的 监 控

6、，它 可 以 向 管 理人员提供现场检测和统计数据，但是本身并非真正意义上的管理系统。 所 以 ， ERP 系 统 和 现 场 自 动 化 系 统 之 间 出 现 了 管 理 信 息 方 面 的 “ 断 层 ” ， 对于用户车间层面的调度和管理要求，它们往往显得束手无策或功能薄 弱 。比 如 面 对 以 下 车 间 管 理 的 典 型 问 题 ，它 们 就 难 以 给 出 完 善 的 解 决 手 段 ：出现用户产品投诉的时候，能否根据产品号码追溯这批产品的 所 有 生 产 过 程 信 息 ？ 能 否 立 即 查 明 它 的 ：原 料 供 应 商 、操 作 机 台 、操 作 人 员、经过的工序、

7、生产时间日期和关键的工艺参数？同一条生产线需要混合组装多种型号产品的时候，能否自动校 验和操作提示以防止工人部件装配错误、产品生产流程错误、产品混装和 货 品 交接错 误？ 过去12小时之内生产线上出现最多的5种产品缺陷是什么？ 次品数量各是多少？目前仓库以及前工序、中工序、后工序线上的每种产品数量各 是多少？ 要分别供应给哪些供应商？ 何时能够及时交货？生产线和加工设备有多少时间在生产，多少时间在停转和空 转？ 影响设备生产潜能的最主要原因是：设备故障？ 调度失误？ 材料供应 不及时？ 工人培训不够？ 还是工艺指标不合理？ 能否对产品的质量检测数据自动进行统计和分析，精确区分 产品质量的随机

8、波动与异常波动， 将质量隐患消灭于萌芽之中？能否废除人工报表，自动统计每个过程的生产数量、合格率和 缺陷代码？MES 的定位， 是处于计划层和现场自 动化系统之间的执行层， 主 要负责车间生产管理和调度执行。一个设计良好的 MES 系统可以在统一平 台上集成诸如生产调度、产 品跟踪、质 量控制、设备故障分析、网络报表 等管理功能，使用统一的数据库和通过网络联接可以同时为生产部门、质 检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。系统通过强调制 造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，协助企业建立一体化 和实时化的 ERP/MES/SFC 信息体系。3、制 造执行系 统 MES 及 其

9、功能31 MES 的定 义MES 是美 国 管理界 90 年代提出的新概念。美国先 进制造研究机构 AMR(Advanced Manufacturing Research) 通 过 对 大 量 企 业 的 调 查 发 现 现 有 的 企 业 生 产 管 理 系 统 普 遍 由 以 ERP/MRPII 为 代 表 的 企 业 管 理 软 件 ， 以 SCADA 、 HMI(Human Machine Inteface) 为代表 的生产过 程监控 软件和以 实 现 操作过程 自动化，支持企 业全面集 成的 MES 软件 群组成。根据调查结果 AMR 于 1992 年 提出的三 层的企业 集成模型(

10、如图 1)。图一纲R的三层企业集成模型MESA International (MES国际联合会)是以 宣传 MES 思想和产品为 宗旨的贸 易联合会 ，它为了帮助其成员组织 在企业界 推广 MES 制定了 一 系列研究、分析和开发计划。MESA协会白皮书(MESA White Paper No.6 , 1997 )对 MES 系统作如下之定义：MES系统在产品从工单发出到成品产出的过程中，扮演生产活 动最佳化的信息传递者。当事件发生变异时，借着实时正确的信息、生产执行系统规范、 原始工作情况、资料反应及回馈，作出快速的响应以减少无附加价值之生 产活动， 提升工厂生产制程的效率。MES改善生产条

11、件及准时出货、库存周转、生产毛利及现金流 量效益， MES 并且也在企业与供应链之间提供一个双向的生产信息流。MESA 协 会 白 皮 书 ( MESA White Paper No.3 ， 1997 ) 中 提出 说 明 企业资源规划(ERP )、MES与控制系统间的作业互动与信息流模式，如 图二所示。图中左 边 ERP 等系统 需随时注意产品库存量、客户订 单状况与 材 料需求，然后将这些信息传送至 MES ，由执行系统进行生产或安排库存以 满 足 客 户 订 单 需 求 。 对 MES 而 言 ， 这 一 层 就 是 生 产 的 计 划 层 。中间部分为MES系统，负责完成产品制造工作，

12、产品的规格、 型号、参数等相关资料储存于此系统中， MES 将此产品相关资料转化为作 业程序提供给控制系统之作业人员或机器设备来使用。 右边部分为控制系统，当作业程序、相关流程、文件及其它相 关生产需求项目就绪，控制系统便运用所有工厂内相关资源（软、硬件及 人员）负责完成生产制造过程以达成产品生产目标。32 MES 的 功 能由 MES 的定义可见， MES 为一系列管理功能， 而并非一套软件系 统，它完全可以是各种生产管理的功能软件集合。MESA通过其各成员的 实 践归纳了 十一个主要的 MES 功 能 模块， 包括 ：工序详细调度资源分配和状态管理生产单元分配过程管理人力资源管理维护管理质

13、量管理文档控制 产品跟踪和产品清单管理 性能分析和数据采集MES 的各功能模型与企业其它信息化系统的关系如图三所示。实 际的 MES 产品可能同时包含了其中一个或几个功能模块。图三MES的各功能模型与企业其它信息化系统的关系4、MES 的典型结构由于 MES 在产品从工单发出到成品产出的整个过程中，扮演生产 活动最佳化的“信息传递者”的角色，MES必然要具有多种功能并且能够 同时为生产、质检、工艺、物流等多个部门服务，这就决定了 MES 的结构 设计必须满足以下原则： MES应该是一个分布式的计算机系统MES系统能够与企业的其他制造信息系统相联接，从而提供高 效的企业管理功能 “它以生产行为信

14、息为核心，为企业决策系统提供直接的支 持” (MESA 1997)由于工厂可能会从不同的软件供应商购买适合自己的 MES 模块， 或将车间现有的各种管理系统集成为 MES 功能的一部分，其结果导致许多 工厂的 MES 系统实际上是一个大杂烩。每个系统都有各自的处理逻辑，数 据库，数据模型和通信机制。又因为 MES 应用常常是要满足关键任务的系 统，这样的系统就很难随技术的更新而进行升级。一个基于 统一软硬件平台的 MES 系统往 往采用工业 PC/PLC/HMI 等 设 备作为车 间内各生产单元（ 生产 区域）功 能站的主要构件，通 过对各个 生 产 单 元的 数 据收 集 和 反 馈 ，组成

15、 覆 盖 全 厂 或 者 整 个 流 水 线 的、满足 闭 环 生 产 管 理 需 要 的 开 放 式 以 太 网 络 。 采 用 MES 数 据 库 服 务 器 作 为 系 统 核 心 进 行实时数 据存取和比照，实现生产信息的监视、控制和生产过程的 管理 系 统以大型 关系型数据库技术为设计基础，便于大量实时 数据的存 储、比 对、运 作，产 生各类统计分析报表，并 基于稳定的 Web 应用，提 供标准的 网 际 网 络 的 浏 览 查 询 和 远 程 资 料 索 取 。 当 前 典 型 的 MES 结 构 模 型 如 图 四 。图四MES的典型结构世商商sc吨車丽山计拔陆删站应用模埃VF

16、BJK爭爲1士在企业内 部，各功能站通过局域 网对 MES 服务 器进行交互操 作， 同 时其他各 查询终端也通过局域网查询 MES 处理后 提 供的数 据、报表 和 图 形 。 在 企 业 外 部 ， 通 过 Internet 可 以 连 接 到 MES ， 在 设 定 的 权 限 内 对 系 统 进 行信 息 发布 或 读 取 操 作 。公司 内 部 管 理 、外部 机 构 以 及 其 它 相 关 业 务单位通过 MES 联系形成了一个紧密的整体，做 到实时信息共享，使 业 务流程变得有序而高效。5、MES 与 ERP虽 然 ERP 和 MES 在 功 能 上 具 有 非 常 良 好 的 互 补 性 ， 但 是 在 企 业 信 息 化建设过 程中，它们之 间未必需 要相互依