微締工廠(chǎng)制造執行系統生產(chǎn)管理軟件(MES系統)
1、概 述
制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟重要的支柱產(chǎn)業(yè)，在第二產(chǎn)業(yè)中占據中心地位。伴隨中國加入WTO和經(jīng)濟全球化，中國正在成為世界制造業(yè)的中心。中國的制造業(yè)企業(yè)面臨日益激烈的國內外競爭，如何迅速提高企業(yè)的核心競爭力，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)現全社會(huì )生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展。
縱觀(guān)我國制造業(yè)信息化系統的應用現狀，建設的重點(diǎn)普遍放在ERP管理系統和現場(chǎng)自動(dòng)化系統（Shop Floor Control System, SFC）兩個(gè)方面。但是，由于產(chǎn)品行銷(xiāo)在這一、二十年間從生產(chǎn)導向快速地演變成市場(chǎng)導向、競爭導向，因而也對制造企業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的管理和組織提出了挑戰，僅僅依靠ERP和現場(chǎng)自動(dòng)化系統往往無(wú)法應付這新的局面。
工廠(chǎng)制造執行系統（Manufacturing Execution System, MES）恰好能填補這一空白。工廠(chǎng)制造執行系統MES是近10年來(lái)在國際上迅速發(fā)展、面向車(chē)間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統。MES可以為用戶(hù)提供一個(gè)快速反應、有彈性、精細化的制造業(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(chē)、半導體、通訊、IT、醫藥），能夠對單一的大批量生產(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。目前國外知名企業(yè)應用MES系統已經(jīng)成為普遍現象，國內許多企業(yè)也逐漸開(kāi)始采用這項技術(shù)來(lái)增強自身的核心競爭力。
2、企業(yè)計劃層與過(guò)程控制層之間的信息“斷層”問(wèn)題
我國制造業(yè)多年來(lái)采用的傳統生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)是“由上而下”按計劃生產(chǎn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)是從計劃層到生產(chǎn)控制層：企業(yè)根據訂單或市場(chǎng)等情況制定生產(chǎn)計劃—生產(chǎn)計劃到達生產(chǎn)現場(chǎng)—組織生產(chǎn)—產(chǎn)品派送。企業(yè)管理信息化建設的重點(diǎn)也大都放在計劃層，以進(jìn)行生產(chǎn)規劃管理及一般事務(wù)處理。如ERP就是“位”于企業(yè)上層計劃層，用于整合企業(yè)現有的生產(chǎn)資源，編制生產(chǎn)計劃。在下層的生產(chǎn)控制層，企業(yè)主要采用自動(dòng)化生產(chǎn)設備、自動(dòng)化檢測儀器、自動(dòng)化物流搬運儲存設備等解決具體生產(chǎn)（制程）的生產(chǎn)瓶頸，實(shí)現生產(chǎn)現場(chǎng)的自動(dòng)化控制。
由于市場(chǎng)環(huán)境的變化和現代生產(chǎn)管理理念的不斷更新，一個(gè)制造型企業(yè)能否良性運營(yíng)，關(guān)鍵是使“計劃”與“生產(chǎn)”密切配合，企業(yè)和車(chē)間管理人員可以在最短的時(shí)間內掌握生產(chǎn)現場(chǎng)的變化，作出準確的判斷和快速的應對措施，保證生產(chǎn)計劃得到合理而快速修正。雖然ERP和現場(chǎng)自動(dòng)化系統已經(jīng)發(fā)展到了非常成熟的程度，但是由于ERP系統的服務(wù)對象是企業(yè)管理的上層，一般對車(chē)間層的管理流程不提供直接和詳細的支持。而現場(chǎng)自動(dòng)化系統的功能主要在于現場(chǎng)設備和工藝參數的監控，它可以向管理人員提供現場(chǎng)檢測和統計數據，但是本身并非真正意義上的管理系統。所以，ERP系統和現場(chǎng)自動(dòng)化系統之間出現了管理信息方面的“斷層”，對于用戶(hù)車(chē)間層面的調度和管理要求，它們往往顯得束手無(wú)策或功能薄弱。比如面對以下車(chē)間管理的典型問(wèn)題，它們就難以給出完善的解決手段：出現用戶(hù)產(chǎn)品投訴的時(shí)候，能否根據產(chǎn)品號碼追溯這批產(chǎn)品的所有生產(chǎn)過(guò)程信息？能否立即查明它的：原料供應商、操作機臺、操作人員、經(jīng)過(guò)的工序、生產(chǎn)時(shí)間日期和關(guān)鍵的工藝參數？
· 同一條生產(chǎn)線(xiàn)需要混合組裝多種型號產(chǎn)品的時(shí)候，能否自動(dòng)校驗和操作提示以防止工人部件裝配錯誤、產(chǎn)品生產(chǎn)流程錯誤、產(chǎn)品混裝和貨品交接錯誤？
· 過(guò)去12小時(shí)之內生產(chǎn)線(xiàn)上出現最多的5種產(chǎn)品缺陷是什么？次品數量各是多少？
· 目前倉庫以及前工序、中工序、后工序線(xiàn)上的每種產(chǎn)品數量各是多少？要分別供應給哪些供應商？何時(shí)能夠及時(shí)交貨？
· 生產(chǎn)線(xiàn)和加工設備有多少時(shí)間在生產(chǎn)，多少時(shí)間在停轉和空轉？影響設備生產(chǎn)潛能的最主要原因是：設備故障？調度失誤？材料供應不及時(shí)？工人培訓不夠？還是工藝指標不合理？
· 能否對產(chǎn)品的質(zhì)量檢測數據自動(dòng)進(jìn)行統計和分析，精確區分產(chǎn)品質(zhì)量的隨機波動(dòng)與異常波動(dòng)，將質(zhì)量隱患消滅于萌芽之中？ · 能否廢除人工報表，自動(dòng)統計每個(gè)過(guò)程的生產(chǎn)數量、合格率和缺陷代碼？
MES的定位，是處于計劃層和現場(chǎng)自動(dòng)化系統之間的執行層，主要負責車(chē)間生產(chǎn)管理和調度執行。一個(gè)設計良好的MES系統可以在統一平臺上集成諸如生產(chǎn)調度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、設備故障分析、網(wǎng)絡(luò )報表等管理功能，使用統一的數據庫和通過(guò)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接可以同時(shí)為生產(chǎn)部門(mén)、質(zhì)檢部門(mén)、工藝部門(mén)、物流部門(mén)等提供車(chē)間管理信息服務(wù)。系統通過(guò)強調制造過(guò)程的整體優(yōu)化來(lái)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、制造執行系統MES及其功能
3．1 MES的定義
MES是美國管理界90年代提出的新概念。美國先進(jìn)制造研究機構AMR(Advanced Manufacturing Research)通過(guò)對大量企業(yè)的調查發(fā)現現有的企業(yè)生產(chǎn)管理系統普遍由以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(guò)程監控軟件和以實(shí)現操作過(guò)程自動(dòng)化，支持企業(yè)全面集成的MES軟件群組成。根據調查結果，AMR于1992年提出的三層的企業(yè)集成模型（如圖1）。
MESA International (MES國際聯(lián)合會(huì ))是以宣傳MES思想和產(chǎn)品為宗旨的貿易聯(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(kāi)發(fā)計劃。MESA協(xié)會(huì )白皮書(shū)（MESA White Paper No.6，1997）對MES 系統作如下之定義：
· MES 系統在產(chǎn)品從工單發(fā)出到成品產(chǎn)出的過(guò)程中，扮演生產(chǎn)活動(dòng)最佳化的信息傳遞者。
· 當事件發(fā)生變異時(shí)，借著(zhù)實(shí)時(shí)正確的信息、生產(chǎn)執行系統規范、原始工作情況、資料反應及回饋，作出快速的響應以減少無(wú)附加價(jià)值之生產(chǎn)活動(dòng)，提升工廠(chǎng)生產(chǎn)制程的效率。
· MES 改善生產(chǎn)條件及準時(shí)出貨、庫存周轉、生產(chǎn)毛利及現金流量效益，MES 并且也在企業(yè)與供應鏈之間提供一個(gè)雙向的生產(chǎn)信息流。
MESA協(xié)會(huì )白皮書(shū)（MESA White Paper No.3，1997）中提出說(shuō)明企業(yè)資源規劃（ERP）、MES與控制系統間的作業(yè)互動(dòng)與信息流模式，如圖二所示。
圖中左邊ERP等系統需隨時(shí)注意產(chǎn)品庫存量、客戶(hù)訂單狀況與材料需求，然后將這些信息傳送至MES，由執行系統進(jìn)行生產(chǎn)或安排庫存以滿(mǎn)足客戶(hù)訂單需求。對MES而言，這一層就是生產(chǎn)的計劃層。
· 中間部分為MES 系統，負責完成產(chǎn)品制造工作，產(chǎn)品的規格、型號、參數等相關(guān)資料儲存于此系統中，MES將此產(chǎn)品相關(guān)資料轉化為作業(yè)程序提供給控制系統之作業(yè)人員或機器設備來(lái)使用。
· 右邊部分為控制系統，當作業(yè)程序、相關(guān)流程、文件及其它相關(guān)生產(chǎn)需求項目就緒，控制系統便運用所有工廠(chǎng)內相關(guān)資源（軟、硬件及人員）負責完成生產(chǎn)制造過(guò)程以達成產(chǎn)品生產(chǎn)目標。
3．2 MES的功能
由MES的定義可見(jiàn)，MES為一系列管理功能，而并非一套軟件系統，它完全可以是各種生產(chǎn)管理的功能軟件集合。MESA通過(guò)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：工序詳細調度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過(guò)程管理、人力資源管理、維護管理、質(zhì)量管理、文檔控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和數據采集。
MES的各功能模型與企業(yè)其它信息化系統的關(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的典型結構
由于MES在產(chǎn)品從工單發(fā)出到成品產(chǎn)出的整個(gè)過(guò)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(mén)服務(wù)，這就決定了MES的結構設計必須滿(mǎn)足以下原則：
· MES應該是一個(gè)分布式的計算機系統
· MES系統能夠與企業(yè)的其他制造信息系統相聯(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)決策系統提供直接的支持” (MESA 1997)
由于工廠(chǎng)可能會(huì )從不同的軟件供應商購買(mǎi)適合自己的MES模塊，或將車(chē)間現有的各種管理系統集成為MES功能的一部分，其結果導致許多工廠(chǎng)的MES系統實(shí)際上是一個(gè)大雜燴。每個(gè)系統都有各自的處理邏輯，數據庫，數據模型和通信機制。又因為MES應用常常是要滿(mǎn)足關(guān)鍵任務(wù)的系統，這樣的系統就很難隨技術(shù)的更新而進(jìn)行升級。
一個(gè)基于統一軟硬件平臺的MES系統往往采用工業(yè)PC/PLC/HMI等設備作為車(chē)間內各生產(chǎn)單元（生產(chǎn)區域）功能站的主要構件，通過(guò)對各個(gè)生產(chǎn)單元的數據收集和反饋，組成覆蓋全廠(chǎng)或者整個(gè)流水線(xiàn)的、滿(mǎn)足閉環(huán)生產(chǎn)管理需要的開(kāi)放式以太網(wǎng)絡(luò )。采用MES數據庫服務(wù)器作為系統核心，進(jìn)行實(shí)時(shí)數據存取和比照，實(shí)現生產(chǎn)信息的監視、控制和生產(chǎn)過(guò)程的管理。系統以大型關(guān)系型數據庫技術(shù)為設計基礎，便于大量實(shí)時(shí)數據的存儲、比對、運作，產(chǎn)生各類(lèi)統計分析報表，并基于穩定的Web應用，提供標準的網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò )的瀏覽查詢(xún)和遠程資料索取。當前典型的MES結構模型如圖四。
在企業(yè)內部，各功能站通過(guò)局域網(wǎng)對MES 服務(wù)器進(jìn)行交互操作，同時(shí)其他各查詢(xún)終端也通過(guò)局域網(wǎng)查詢(xún)MES 處理后提供的數據、報表和圖形。在企業(yè)外部，通過(guò)Internet 可以連接到MES，在設定的權限內對系統進(jìn)行信息發(fā)布或讀取操作。公司內部管理、外部機構以及其它相關(guān)業(yè)務(wù)單位通過(guò) 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性，但是在企業(yè)信息化建設過(guò)程中，它們之間未必需要相互依賴(lài)于對方而存在。在生產(chǎn)計劃管理、質(zhì)量管理和物流管理等方面，MES和ERP系統的功能可以互相延伸和對接，共同構建更為完善的現代化企業(yè)信息管理體系。當企業(yè)已經(jīng)存在ERP系統時(shí)，可以將MES與ERP系統進(jìn)行集成，以?xún)?yōu)化公司的信息管理，更加有力地保證商業(yè)目標的實(shí)現。
MES與ERP系統集成的優(yōu)點(diǎn)體現為：
· 進(jìn)一步改進(jìn)現有的操作流程，實(shí)現企業(yè)管理層和車(chē)間管理層一體化標準運作，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)基礎設施，實(shí)現公司內部信息和數據的集中管理，從根本上減少信息和數據內部流通的時(shí)間。
· 配合供應鏈管理(SCM)系統，減少供應鏈成本，增強對顧客需求的快速反應，優(yōu)化客戶(hù)服務(wù)并提高公司的整體工作效率。
· 增加財務(wù)系統數據當日更新和管理報表即時(shí)統計的功能，實(shí)現當日結帳的目標。
· 以實(shí)時(shí)數據為依據的生成計劃更加正確及時(shí)地反映整個(gè)生產(chǎn)情況。
6、MES的前景
MES是面向車(chē)間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統，它是實(shí)施企業(yè)敏捷制造戰略，實(shí)現車(chē)間生產(chǎn)敏捷化的基本技術(shù)手段。由于MES強調控制和協(xié)調,使現代制造業(yè)信息系統不僅有很好的計劃系統，而且能使計劃落實(shí)到實(shí)處的執行系統。因此短短幾年間MES在國外的企業(yè)中迅速推廣開(kāi)來(lái)，并給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟效益。
我國企業(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(zhù)為數龐大的ERP廠(chǎng)商和開(kāi)發(fā)軍團，但這部分廠(chǎng)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)控制緊密結合，其研發(fā)和實(shí)施需要很強的工業(yè)自動(dòng)化基礎和工業(yè)現場(chǎng)工程經(jīng)驗，這是一道比較高的技術(shù)門(mén)檻，將很多ERP類(lèi)型的IT廠(chǎng)商拒之門(mén)外。但我們也相信，隨著(zhù)行業(yè)和經(jīng)濟規模的發(fā)展，會(huì )有相當部分的IT廠(chǎng)商與自動(dòng)化廠(chǎng)商、制造型企業(yè)合并或緊密合作，在2-3年內，MES廠(chǎng)商可能會(huì )如雨后春筍般涌現，其技術(shù)和實(shí)施手段也必然將日趨成熟。
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