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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 WT
2、O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 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
3、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 化系统往往无法应付这新的局面。工 厂 制 造 执 行 系 统 （ Manufacturing Execution 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
4、 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 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
5、 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（ 制 程 ）的 生 产瓶颈，实现生产现场的自动化
6、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，它可以向管 理人员提供现
7、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、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
8、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 产品质量的随机波动与异常波动，将质量隐患消灭
9、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
10、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及其功能3 . 1 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(如图1)。L
11、evel &-削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改善生产条件及准时出货、库存周
12、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。卖时工厂管理（ME5在工厂中的超据流）工作指等一事建I控制券数操作指令控制事缰（女手工版作）制造执行系统MESERP / MRPI，*ft，任告状态 机诏发作员就亳过程参数检查班萍 生产作业计划 曜喉IIP野放生产订隼 显示提作员揖令 更矫ERP系缰订毕状亳TI咻亳度量薮据生产历史二MES在工厂中的数据流图中左边ERP等系统需随时注意产品库存
13、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，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。3 . 2 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
14、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
15、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炫。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。四MES的典型结构在企业内部，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、
