（机械电子工程专业论文）离散制造业制造执行系统mes研究与设计.pdf

中文摘要 摘要 由于离散制造业内部各类企业信息化水平差异巨大，生产业务过程也千差万 别，目前国内对于离散制造业制造执行系统研究较少，而且不够深入。本课题研 究的制造执行系统旨在为离散制造业的生产过程管理提供一个可靠的平台，该平 台满足m e s 的基本功能，即连接计划层与控制层，实现计划数据的层层下达以及 现场生产数据的实时反馈。 首先介绍了论文研究的背景和意义，分析了离散型制造执行系统在国内外的 研究现状和应用现状，指出了国内的离散型m e s 研究的不足，进而阐述了m e s 的相关理论和各种模型以及结构化建模技术。 接着结合离散制造业的特点，提出了符合i s a s p 9 5 标准的离散制造业m e s 功能模型。该功能模型包括三个大模块、十个子模块，使用i d e f 0 建模工具对整 个模型中各部分以及它们之间的关系进行了描述。 深入研究了离散型m e s 系统的数据采集模块，仔细分析了离散制造业m e s 系统需要采集什么数据、采集的过程、采集的方式以及不同生产类型对数据采集 的影响，并使用流程程序图对采集过程进行了描述。深入研究了m e s 系统的生产 监控模块，仔细分析了离散制造业m e s 系统监控哪些生产要素，每种生产要素监 控哪些信息，监控的过程如何，监控的方式是什么以及异常情况如何处理。而后 针对某公司装配车间的生产现状，设计了一套适合该公司的m e s 系统。 论文最后总结了全文的工作，并对以后的研究方向进行了展望。 关键词：离散制造，制造执行系统，功能模型，数据采集，生产监控 a b s t r a c t b e c a u s eo fi n t e r n a ld i f f e r e n c e so fd i s c r e t em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e si nt h el e v e lo f e n t e r p r i s e si n f o r m a t i o na n dp r o d u c t i o np r o c e s s ，a tp r e s e n t ，d o m e s t i cs t u d ya b o u tm e s f o rd i s c r e t em a n u f a c t u r i n gi sn o to n l yl e s s e r , b u ta l s on o td e e pe n o u g h m a l l u f a c t i m n g e x e c u t i o ns y s t e m ss t u d i e di nt h i sp a p e ra i m e da tp r o v i d i n gar e l i a b l ep l a t f o r mi nt h e p r o d u c t i o np r o c e s sm a n a g e m e n tf o rd i s c r e t em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s t h i sp l a t f o r m c a nm e e tt h eb a s i cf u n c t i o no fm e s ，w h i c hi st oc o n n e c tt h ep l a n n i n gl e v e la n dt h e c o n t r o ll e v e la n dc a r r yo u tt h ep l a n n i n gd a t at r a n s f e rl a y e ru p o nl a y e ra n dr e a l t i m e f e e d b a c ko fo n - s i t e p r o d u c t i o nd a t a f i r s t l y , p a p e rd e s c r i b e dt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h ，a n a l y z e d c u r r e n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so ft h ed i s c r e t em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma t h o m ea n da b r o a d ，p o i n t e do u tt h ed e f i c i e n c i e si nd o m e s t i cs t u d ya b o u td i s c r e t em e s ， a n dt h e ne x p o u n d e dt h et h e o r i e sa n dm o d e l so fm e sa n d s t r u c t u r e dm o d e l i n g t e c h n i q u e s n e x t l y , c o m b i n i n gw i t hf e a t u r e so fd i s c r e t em a n u f a c t u r i n g ，t h i sp a p e r p u tf o r w a r d f u n c t i o n a lm o d e l sf o rd i s c r e t em e sw h i c ha r ea c c o r d i n gw i t hi s a 。s p 9 5s t a n d a r d s t h e m o d e lc o n s i s t so ft h r e em a j o rf u n c t i o n a lm o d u l e s ，t e ns u b m o d u l e s ，t h em o d u l e sa n d t 1 1 e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mw e r ed e s c r i b e dw i t hi d e f 0m o d e l i n gt o o l s t h i sp a p e rm a d ea d e e ps t u d yo fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eo fd i s c r e t em e ss v s t e m a n dm a d ead e t a i la n a l y s i sa b o u tt h ed a t aw h i c hm e s n e e d e d ，t h ep r o c e s sa n dm e t h o d s o fd a t ac o l l e c t i o n ，a n dt h ei m p a c to nd a t aa c q u i s i t i o nd u e t ot h ed i f f e r e n c eo f p r o d u c t i o n t y p e s ，a n dt h ep r o c e s so fd a t ac o l l e c t i o nw a sd e s c r i b e dw i t hd a t af l o wd i a g r a m t h i s p a p e rm a d ead e e ps t u d yo fp r o d u c t i o nm o n i t o r i n gm o d u l eo fd i s c r e t em e s s y s t e m ， a n a l y z e dp r o d u c t i o nf a c t o r sw h i c hd i s c r e t em e sn e e d e dt om o n i t o r , t h em o n i t o r i n g i n f o r m a t i o no fe a c hp r o d u c t i o nf a c t o r s ，t h ep r o c e s sa n dm e t h o d so fm o n i t o r i n g ，a n d h o wt od e a lw i t ha b n o r m a ls t a t u s f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o na n dt h ed e v e l o p i n gt r e n di nt h i sd o m a i nw e r ep u tf o r w a r d k e y w o r d ：d i s c r e t em a n u f a c t u r i n g ，m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s ，f u n c t i o n a lm o d e l ， d a t aa c q u i s i t i o n ，p r o d u c t i o n m o n i t o r i n g i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的，放士学位论文疆豳麴垒些塾垄塑蜇盘纽丝望亟壑薹绁 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：力够 辩醐枷 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士 程，) ，愿意将本人魍学位论文 ( 以下简称“章 提交中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n i ( i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：纽膨导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署口授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书：麴装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究的背景和意义 进入2 1 世纪以来，技术迅猛发展，市场瞬息万变，制造企业越来越意识到信 息化建设对企业的发展和提高经营效益的重要性。在市场竞争环境日益激烈的情 况下，通过企业信息化建设来提高企业竞争力成为一个有效的手段。目前制造企 业的信息化建设主要体现在以下三个方面：一是企业研发设计的信息化建设( 计 算机辅助设计c a d 、计算机辅助工艺设计c a p p ) ，二是企业生产管理的信息化建 设( 企业资源计划e r p 、产品数据管理产品生命周期管理p d m p l m ) ，三是企业生 产设备的自动化建设( 数控技术、分布式数控d n c 、柔性制造系统f m s ) 。 企业研发设计的信息化建设主要是指c a d ，c a p p 等系统的应用，主要涉及 产品设计与管理、产品工艺设计与管理等内容。c a d 、c a p p 等软件系统，以计算 机为工具，辅助企业产品设计人员对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术 文档，进行产品的3 h i 方法和制造过程的设计，包括毛坯设计、加工方法选择、 工序设计、工艺路线制定、工时定额计算等。 企业生产管理的信息化建设主要是指e r p 、p d m p l m 等系统的应用，主要涉 及企业生产计划与控制的相关内容。m r p i u e r p 等软件系统以生产计划和控制为 主线，覆盖企业全部的业务内容，实现了企业业务流的集成，即业务过程中的物 流、信息流和资金流的集成；同时，这些软件系统又是先进管理思想的载体，软 件的实施和应用优化了企业管理模式，实现了业务流程的再造，改善了企业管理 水平，提高了管理效率。 企业生产设备的自动化建设主要是指数控技术、d n c 以及f m s 等的应用，主 要涉及企业生产设备控制的内容。自动化设备的投入使用，提高了企业生产技术 水平，减少了生产过程中的人为因素，提高了产品的质量与系统的运行效率。以 e r p 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，通过厂级计划、车间计划等层次将计划分解，最后形成工单，工单执 行完毕后，将执行结果录入系统中。这些系统以计划为手段来力求充分利用企业 内的各种资源，降低库存，提高企业的整体运作效率。以数控加工、柔性制造系 统为代表的自动化技术，则强调设备的控制。它们通过调整设备控制来优化控制 手段，减少人为因素的影响，提高产品的质量与系统的运行效率。 长期以来，企业的生产管理信息系统和设备控制系统都是作为不同领域的系 统来分别建设的，在系统运行后，它们形成了两个独立的系统，彼此之间没有信 息交互，更没有信息共享。但是在实际的系统使用过程中，企业更希望e r p 等业 务管理系统的工单能够直接下达给控制系统，甚至是数控设备；同时也希望通过 重庆大学硕士学位论文 采集数控设备等相关数据来实现设备状态以及生产过程的实时监控，对于生产过 程中出现的生产异常情况能够及时做出反应。 在这种情况下，就产生了制造执行系统( m e s ) 。m e s 的产生弥补了计划和控 制系统之间的断层，而且成为生产管理系统和设备控制系统之间的纽带，通过制 造执行系统，有效的实现了计划和控制系统的数据传输和共享，同时增强了企业 对车间生产的管理和控制。对于一个企业来说，完整的、能够引导其保持长期的 业务利益和价值的企业信息系统，必须是控制、制造执行系统( m e s ) 和企业规 划系统( e i 冲) 管理信息系统三者协同作用的整合。 自上世纪8 0 年代宝钢引进第一套m e s 系统以来，国内对m e s 的理论和应用 研究逐步走上正轨。国内目前针对流程制造业的m e s 系统的应用和开发己经非常 成熟，其m e s 产品能够有效的满足流程行业管控一体化的要求。而对于离散制造 业来说，由于其行业特点及其业务复杂性，目前适合离散制造业的m e s 较少l l j 。 国际上，美国仪器、系统、自动化协会i s a 制定了“企业控制系统集成”标准 i s a s p 9 5 ，目的在于统一管控系统集成的术语、信息对象模型及其数据结构、活 动对象模型，总共包括六部分，目前己发布了四部分，其中第一、二部分已成为 a n s i ( 美国国家标准局) 和i e c i s o ( 国际电工委员会国际标准化组织) 标准。 在应用机构和开发机构名单中，大部分是国际上著名的制造业、过程业和自动控 制系统公司代表，如h p ，i b m ，a b b ，s i e m e n s ，h o n e y w e l l ，s a p ，r o c k w e l l ， e m e r s o n ，i n v e n s y s ，g e ，u c ，m i c r o s o f t ，n e s t l e ，s h e l l 等等，具有相当的代表性 和权威性【2 】。 在当前形势下，离散制造业迫切一个针对其行业特点，既与i s a s p 9 5 标准相 吻合，同时又能符合中国企业管理特点的m e s 系统。鉴于此，参照i s a s p 9 5 标 准以及其它m e s 的相关成熟理论，本文将对离散型制造业m e s 系统的一些相关 问题进行深入研究。 1 2 国内外s 理论研究现状 1 2 1 国外理论研究现状 自上世纪7 0 年代美国首次提出制造执行系统这个概念以来，经过3 0 多年时 间的研究，国外已经形成一套比较被认可的理论和标准，这套理论和标准涵盖了 m e s 的定义、定位模型、功能模型、数据流模型，甚至包括了实施方法模型。而 且一些专业的m e s 研究机构也形成了，这些专业m e s 研究机构定期发表m e s 研 究的最新成果以及制定m e s 相关的一些工业标准，其中比较著名的机构有先进制 造研究机构a m r 、国际制造执行系统联合会m e s a 、美国仪器系统自动化协会 i s a l 3 1 。 2 1 绪论 在理论方面，1 9 9 0 年，a m r 首次对m e s 进行了规范描述，将m e s 定义为“位 于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”；1 9 9 2 年，a m r 提出了企业信息集成的三层模型：计划层、执行层、控制层，明确了 m e s 在企业整体信息中的位置及其重要作用；1 9 9 7 年，m e s a 发布了一系列白皮 书，对m e s 提出了新的定义，并根据标准化、功能组件化、模块化的原则，提出 了著名的m e s 功能组件和集成模型。该模型主要为1 1 个功能模块：资源分配与 状态、详细排程、生产调度、文档控制、数据采集获取、人力管理、质量管理、 过程管理、产品跟踪和谱系、维护管理、性能分析。1 9 9 8 年，a m r 提出了制造业 务过程的r e p a c 模型，即包括准备、实行、处理、分析、调整五个阶段组成的过 程周期【4 】。 另一方面，从1 9 9 7 年开始，国际仪表学会( i s a ) 启动编制i s a s p 9 5 企业控 制系统集成标准和i s a s p 9 8 批量控制标准的工作。2 0 0 0 年发布了s p 9 5 0 1 模型与 术语标准，2 0 0 1 年发布了s p 9 5 0 2 对象模型属性标准，2 0 0 2 年发布了s p 9 5 0 3 制 造信息活动模型标准，2 0 0 3 年发布了s p 9 5 0 4 制造操作对象模型标准。s p 9 5 0 1 规 定了生产过程涉及的所有资源信息及其数据结构和表达信息关联的方法。s p 9 5 0 2 对第1 部分定义的内容作了详细规定和解释，s p 9 5 0 3 提出了管理层与制造层间信 息交换的协议和格式。 与此同时，日本的学者和机构也对m e s 进行了深入研究。日本学者对m e s 重新进行了定义，其文化内涵更接近于东方。首先，在m e s 的基础上，提出了“制 造管理系统”、“制造实行系统”、“生产实行系统”和“综合生产管理系统”的新解。 除了遵循a m r 和m e s a 的定义和描述外，日本的学者更强调对生产现场各种信 息的时实采集与集成，将过程信息，( p i m s ，工厂信息管理系统) 作为m e s 的核 心；通过c i m ( 计算机集成制造) 将工厂系统和业务系统进行理想整合的具体化， 是支撑工厂生产功能的骨干系统，是连结e r p 系统和d c s 系统的神经系统和桥梁； 是根据e r p 提出“生产什么、生产多少”的宏观指令，进行何时何分、哪条生产线 投入何种原料、用何种工艺、完成何种产品的具体指令和调度；在m e s a 的1 1 个 功能中，强调生产现场信息数字化管理、工艺管理、物流管理、质量管理、生产 指令、进度跟踪管理、设备运行监督与控制和运行维护管理等生产环节的管理【5 】。 日本标准化与制造科技中心制订发布了o p e nm e s 标准。而且2 0 0 0 年中村实 出版了系统地研究、介绍m e s 的专著m e s 入门，介绍了m e s 的概要和发 展，m e s 的功能、作用、软件以及各个行业的特点，m e s 对生产经营管理、提高 产品产量、质量和降低成本等方面的贡献，并提供了参考文献。2 0 0 4 年，中村实 和中村一世又编著了图解应用第一线从应用案例看引入m e s 的注意事项， 这是日本的第二本i v i e s 专著。 3 重庆大学硕士学位论文 1 2 2 国内理论研究现状 中国工业信息化在世纪7 0 8 0 年代以工厂自动化为主，8 0 - 9 0 年代以管理信 息化为主。进入2 1 世纪初，仍然以提升工厂自动化水平，普及d c s 、s c a d a 、 p l c 、f c s 和提升管理信息化水平，由开发m i s 转向推广普及e r p 为主。在企业 信息化中起承上启下作用的m e s 主要停留在思想、内涵及体系结构方面的研究上。 “九五”期间，北京航空航天大学、东南大学、南京理工大学等单位在“国家8 6 3 计划”资助下在m e s 理论与应用系统开发方面做了一定的工作，如夏敬华、陈杰 等人提出面向敏捷制造的车间先进管理控制系统( a m c s ) ，试图构建车间级的敏 捷制造系统。张书亭、周华、杨建军等人从建立敏捷制造企业的车间生产管理系 统出发，分析和论述了制造执行系统的功能和应用特点，提出使用先进的m e s 思 想和软件辅助建立敏捷车间系统。他们还试图构建基于全能体概念的m e s 框架结 构以解决m e s 的敏捷性，认为基于全能体的m e s 系统具有自治性、虚拟性、自 组织性、自适应性、动态性、分布式和集中式控制相结合等特点。宋海生等人研 究了网络联盟企业中基于w e b 的分布式生产单元m e s 软件体系结构，于海斌等人 则对可集成的m e s 技术体系进行了探讨1 5 】。 尽管m e s 层仍然是断层、残缺环和狭缝，然而，人们对m e s 的概念、m e s 在企业信息化的地位己不陌生，并开始形成共识。几乎绝大多数大学和工业自动 化研究单位，甚至于国家、省、市级政府主管部门都开始跟踪、研究m e s ，具体 表现为开设m e s 课程，培养m e s 研究生，成立工程技术研究、先进制造技术、 制造业信息化工程等相关研究中心和实验室，开设m e s 网站、论坛和专栏，筹办、 主办m e s 国际研讨会，将m e s 纳入国家、省、市科技发展规划，从中央到地方， 从学会到协会，从综合网站到专业网站，从综合大学到专科院校，都卷入了m e s 热潮之中。 近年来，随着人们对m e s 的重要性认识的不断提高，国内各研究机构对于 m e s 的研究也越来越深入。这些研究不仅仅局限于理论上的研究，而是更多的结 合企业或者行业的实际需要进行系统的建模，或者针对m e s 中的部分模块来进行 细致的研究。 在功能模型研究方面，胡春、李平等人在m e s a 模型的基础上提出由计划执 行与工厂管理、数据采集与处理两大部分组成，包含1 0 个模块的m e s 功能模型； 蔡宗琐、王宁生等人分析了制造执行系统的功能需求，并利用i d e f 方法建立面向 制造过程集成的制造执行系统的功能模型；蔡宗淡、龙玲等人基于制造执行系统 的活动模型，设计了制造执行系统的功能模块等【6 】。 在系统应用研究方面，吴干华探讨了彩管业m e s 的设计与实现；石建玲、刘 顺芳等人探讨了柴油机厂m e s 的实现；边义祥、周跃进对电子行业m e s 进行了 4 1 绪论 研究；王伟玲、马正元、张德胜等人对单件小批量生产的重型机械制造企业的m e s 的应用进行了探讨。虽然国内目前有大量的研究人员正在对m e s 的相关课题进行 研究，但是普遍存在以下问题：1 、目前国内针对m e s 的主要研究重点还是在m e s 的理论体系，对于m e s 的应用研究还有待提高，还不能完全满足企业的需求。2 、 国际上已经开始了企业集成的标准化工作，制定了企业集成标准i s a s p 9 5 ，而国 内相关的研究才刚开始起步。3 、目前国内还没有一本系统介绍m e s 相关理论的 专著。 1 3 国内外s 应用现状 1 3 1 国外应用现状 目前，国外开发m e s 的思路主要有三类：二种是专用解决方案( p o i n t s o l u t i o n ) ，一种为集成解决方案( i n t e g r a t e dm e s ) ，还有一种为可集成的m e s ( i n t e g r a t a b l em e s ) 。所谓专用解决方案是指针对某个单一的生产问题( 如制造周 期缺乏竞争力、在制品库存过大、产品质量得不到保证、设备利用率低、缺乏过 程控制等) 提供相应的软件系统加以解决；而集成解决方案则提供一套集成的应 用软件以同时解决多个不同生产问题：可集成的m e s ，即每个应用程序既是一个 完整的专用解决方案，同时又可以集成为一套大的m e s 产品1 4 j 。 美、日、欧等工业发达国家非常重视对m e s 技术的研究与系统开发，并形成 了m e s 软件产业。由于欧美国家在m e s 方面起步比较早，己经给相关企业带来 了巨额利润。从上世纪8 0 年代后期至1 9 9 4 年，t - m e s 市场销售以2 3 的比例递 增，达到1 3 亿美元，集成的m e s 比专用的m e s 年增幅大1 0 个百分点；1 9 9 5 年 的时候m e s 市场迅速放大，比上一年增长5 0 ，传统型的m e s 的市场占有率达 到1 0 亿美元，出现集成型的m e s 增幅不如专用m e s 增幅的情形；到1 9 9 9 年的 时候m e s 已经达到3 5 亿美元的市场份额。2 1 世纪初将出现市场年增长率预计达 到3 5 - - 4 0 。 从国外的发展趋势看，已经形成了一批m e s 软件产品和解决方案，出现了一 批以m e s 为核心产品的工业企业管理应用软件公司，而且企业信息技术应用的焦 点已经由e r p 转向m e s 。如美国c o n s i l i u m 公司面向半导体和电子行业相继开发 了w o r k s t r e a m 和f a b 3 0 0 ；美国h o n e y w e l l 公司面向制药行业开发的p o m sm e s ； 日本的横河电机公司面向石油相关企业开发的终端自动化系统e x a t a s ；这些系统在 汽车、石油等行业取得成功。 同时，m e s 软件开发商和m e s 的系统集成商正在受到来自两方面的挤压，即 e r p 软件开发商和系统集成商自上向下的渗透，将其功能扩展到m e s 来，以及 重庆大学硕士学位论文 h m i 和s c a d a 软件开发商和系统集成商从下向上的冲击，增加m e s 的功能。如 实力雄厚的自动化系统供应商r o c k w e l la u t o m a t i o n 推出了生产管理软件解决方案 r s b i z w a r e ，针对离散制造业和批量生产过程。 1 3 2 国内应用现状 中国最早的m e s 是上世纪8 0 年代宝钢建设初期从s i e m e n s 公司引进的。 m e s 在应用方面，国内明显落后于西方发达国家。总的说来，中国市场对m e s 还没有做好充分的准备。中国一大部分制造企业还过度依赖人力进行生产，因此 收集完整可靠的，经过过滤和分析的信息非常困难。而且，制造企业的信息系统 都是由许多独立、多品牌的子系统组成，包括由基于事务处理的子系统( 如e r p 系统) 和许多基于实时操作的工厂子系统，集成的难度非常高f 7 1 。 m e s 是制造过程管理与控制的系统，由于制造过程及过程控制对象的复杂性 和专有性，使得m e s 系统形态有比较大的差异，应用模式也可能完全不同，这些 原因客观上造成了m e s 产品与服务市场的多样性。但是，正是由于m e s 的多样 性、复杂性、特殊性以及特定行业的需要性，m e s 在国内市场已经出现较大的需 求和商机。 由于m e s 系统能给企业和社会带来非常大的效益，从2 0 0 2 年开始，国家 8 6 3 c i m s 高新科技研发计划中已将m e s 系统作为重点发展项目，并出台了具体 扶持办法，从战略的高度上给予了相当的重视，己促进工业化带动信息化、信息 化促进工业化的发展战略，将信息流、物流、资金流最佳集成。 就产品来讲，自主研发才刚刚开始，尽管有少数国内i t 公司一方面模仿国外 的模式，同时也总结提炼中国工业企业m e s 层面的经验，但是仍以实验室产品居 多，离商品化还有一段路程。就应用来说，像冶金、石化、烟草、食品等行业虽 已有应用，但仍属拓荒者或先行者。 在科技部8 6 3 计划的大力支持下，流程工业领域m e s 成为技术研究的突破口。 重点面向钢铁和石化两个典型流程制造行业，开发完成了若干自主产权的m e s 系 统。如上海宝信m e s 、中国石化m e s 等。十五期间还对离散制造m e s 进行了探 索性研究，并针对汽车、航空等典型离散行业进行了重点应用开发，已取得初步 成效( 如成飞m e s 等) 。目前国内已出现了一些比较成熟的针对离散制造业的m e s 产品，如：i c o n m e s 、o r b i t m e s 、天为m e s 等【8 】。总体来说，与西方发达国家 相比，我国无论是在m e s 技术深度与应用广度上都存在差距。 1 4 论文的主要研究内容和基本思路 总体来说，国内相对于国外，不管是在理论研究上还是在具体的实际应用以 6 1 绪论 及软件开发上，都有一定差距。 在理论研究方面，国外已经形成了比较完整的一套理论体系，从定义、功能、 技术架构、系统实施都有成熟的理论做支撑，而且美国和日本已经开始着手m e s 系统的标准化工作，并且出版了详细介绍m e s 的专著；而目前国内对m e s 思想、 内涵及体系结构方面的研究较多，对于m e s 的功能结构、技术架构研究还不够深 入，而且国内目前没有专门介绍m e s 相关理论的著作，影响了m e s 思想的普及。 在实际应用和软件开发方面，国外目前已经形成了从底层控制设备厂商、m e s 软件厂商到管理咨询厂商完整的m e s 产业链，形成了一批成熟的m e s 软件产品 和解决方案，出现了一批以m e s 为核心产品的工业企业管理应用软件公司，这些 软件公司和解决方案涉及各个行业并且已经成功的应用。国内自主研发开始不久， 流程行业的m e s 己经开始应用并取得一定成果，而离散行业的m e s 软件仍不完 善。 具体到离散制造业m e s 系统的研究来说，目前国内的研究存在以下不足： i s a 组织已经提出并发布了s p 9 5 标准，该标准已被众多m e s 厂商认可并 成为这些企业开发m e s 系统的规范，而目前国内对于i s a s p 9 5 标准的研究还比 较少。 m e s 系统核心的内容就是收集现场的生产数据，监控生产现状，发现异常 及时调整。其中生产数据的采集和生产状态的监控是其中的重中之重，而目前国 内对于离散制造业m e s 系统该采集哪些信息、如何采集、如何监控研究的还不够 深入。 针对目前国内m e s 理论研究的不足，以及国内制造企业的需求，本文着眼于 研究离散制造业的m e s 系统，在研究过程中借鉴国外m e s 的成熟理论以及 i s a s p 9 5 标准，同时结合离散制造业的需要，重点研究以下问题： 1 ) 仔细研究离散制造企业的业务特点，建立适合中国离散制造业管理方式的 m e s 功能模型。 2 ) 针对目前企业比较关心的数据采集以及生产监控问题，论文将对m e s 系统 的数据采集模块和生产监控模块进行详细的研究。 3 ) 针对某公司的装配车间生产现状，设计适合该公司的m e s 系统。 在论文研究过程中，首先从整体入手来设计整个m e s 的功能模块。在功能模 块设计时，参考m e s a 和i s a s p 9 5 的功能模型，先考虑满足m e s 的基本的功能， 即连接计划层与控制层，实现计划数据的层层下达以及现场生产数据的实时反馈， 保证计划与执行的统一，延伸并增强车间生产的管理。然后在完成基本功能的基 础上，加入先进管理思想以及工业工程技术的元素，为m e s 增加多个高级分析模 块，包括流程分析、质量分析、资源分析、成本分析等，通过针对现场生产数据 7 重庆大学硕士学位论文 的各种分析为管理决策提供更加真实详细的数据参考。 在各个模块的研究中，重点突出数据采集、生产监控以及性能分析三个模块 的研究。生产监控就是能够实时监控生产过程的各生产要素的状态，对于生产异 常能够及时发出提示和预警，便于管理人员快速做出反应；性能分析就是通过分 析过去的生产过程数据来寻找异常发生的原因或者发现各种不足，来为改善生产 系统提供必要的辅助手段；数据采集完全为生产监控和性能分析服务，提供基础 详实的生产数据。根据收集数据、监控、分析这个主线，收集数据是为了生产监 控和性能分析使用，反过来生产监控和性能分析为数据的收集提出需求，三个模 块相辅相成。 在研究方法上，本文采用结构化建模技术对m e s 系统进行分析与设计。使用 i d e f 0 对m e s 系统进行功能建模，功能模型主要用来描述系统的功能模块以及模 块间的数据流；使用d f d ( 数据流程图) 来描述系统中的业务实现过程以及业务 实现过程中与实体之间的信息交互。 8 2 制造执行系统( m e s ) 的相关理论 2 制造执行系统( s ) 的相关理论 美国先进制造研究机构a m r 将m e s 定义为“位于上层的计划管理系统与底层 的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”，它为操作人员、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) 的当前状态。 因此，m e s 不只是工厂的单一信息系统，而是横向之间、纵向之间、系统之 间集成的系统，即所谓经营系统，对于s c m 、e r p 、c r m 、数据仓库等近年被关 注的各种企业信息系统来说，只要包含工厂这个对象，就离不了m e s 。归结起来， m e s 可以概括为一个宗旨制造怎样执行，两个核心数据库实时数据库、 关系数据库，两个通信接口与控制层接口和与业务计划层接口，四个重点功 能生产管理、工艺管理、过程管理和质量管理等。 制造执行系统协会m e s a 给m e s 做出定义：“m e s 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， m e s 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m e s 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，从而使其既能提供工厂及时交货能力、改善物料的 流通性能，又能提高生产回报率，m e s 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。”【9 】 后者对于m e s 的定义强调了以下三点：l 、m e s 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 、m e s 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 、m e s 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。 从上述概念中，可以看出m e s 在管理信息系统和底层控制系统之间架起了一 座桥梁，m e s 既作为车间层的管理信息系统，又能够实时检测监控设备层的运行 状况。一方面m e s 可以对来自m r p i i e r p 软件的生产管理信息细化、分解，将 操作指令传递给底层控制；另一方面m e s 可以实时监控底层设备的运行状态，采 集设备、仪表的状态数据，经过分析、计算与处理，反馈给m r p i i e r p 软件，从 而方便、可靠地将控制系统与信息系统联系起来。应用m e s ，可以为企业及时提 供生产实时数据信息、优化生产、提高生产效率、优化资源配置起到重要的作用。 2 1m e s a 各种m e s 模型 2 1 1m e s 定位模型 上个世纪九十年代初期，通过对大量的企业的调查，a m r 发现：完善的企业 生产管理系统，普遍是由以下三种软件构成：以e r p 、m r p i i 为代表的企业管理 9 重庆大学硕士学位论文 软件，以s c a d a ( 数据采集与监控) 为代表的生产过程控制软件，以及实现操作 过程自动化、支持企业全面集成的m e s 软件。根据调查结果a m r 于1 9 9 2 年提 出了三层的企业集成模型( 如图21 ) 。 蹦2 1 a m r 的企业集成模型f i f i g2 1k n t e 肼a t i o n m o d e lo f a m r e n t e r p r i s e 从模型可以看出，制造执行系统m e s 位于计划管理层与底层控制之间，在整 个企业信息集成模型中起承上启下的作用。通过i v i e s ，计划层的操作指令可以直 接下达给控制层，反过来，控制层的各种生产数据可以快速地反馈给计划层。同 时，一个企业的制造车间，也是物流与信息流的交汇点，企业的经济效益最终体 现于此，而制造执行系统所处的位置正是企业的车间层，困此，m e s 系统处于一 个十分重要的位置。车问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。1 m e s 作为面向制造的系统必然要与企业其它生产管理系统有密切关系，m e s 在其中起到了信息集线器( i n f o r m a t i o nh u b ) 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。m e s a 提出的m e s 的定位模型( 图2 , 2 所 示) ，描述了m e s 与其它分系统之间有功能重叠的关系及其联系。 m e s 可以为企业中其它管理信息系统提供实时数据。例如，企业资源计划 ( e r p ) 系统需要m e s 提供的成本、制造周期和预计产出时间等实时数据；供应 链管理( s c m ) 系统从m e s 中获取当前的订单状态、当前的生产能力以及企业中 生产换班的相互约束关系；控制模块则需要时刻从m e s 获取物料清单( b o m ) 以 及操作技术资料来指导人员和设备进行正确地生产等。 另一方面，m e s 也要从其它管理系统中获取相关的数据以保证i v i e s 自身正常 运行。例如，m e s 中进行生产调度需要e r p 的计划数据的支持；m e s 中生产活 2 制造执行系统( m e s ) 的相关理论 动的时间安排需要s c m 中的主计划和调度控制；p d m 则为提供实际生产的工艺 文件、b o m 以及其他文件；从控制模块反馈的实时生产状态数据，则被m e s 用 于生产监控和事后分析评估。而且，从模型可以看出，m e s 与企业其它管理系统 之间存在功能重叠的关系，例如，m e s 、c r m 、e r p 中都有人力资源管理模块； m e s 和p d m 都具有文档控制的功能；m e s 和s c m 都有调度管理等等。各系统的 重叠范围的大小，与工厂的实际执行情况有关，而且在实际应用中，各模块的侧 重点也是不同的。【l 酬 名词解释 1 c r m ：客户关系管理 2 s c m ：供应链管理 3 e r p ：企业资源规划 4 t & l ：运输与后勤 5 m e s ：制造执行系统 6 c m c ：协同制造商务 7 p d m 产品数据管理 8 a u t o m a t i o n ：自动化 图2 2m e s a 提出的m e s 的定位模型 f i g 2 2p o s i t i o n i n gm o d e lo f m e sb ym e s ap r o p o s e d m e s 的定位模型虽然指出了m e s 在企业信息化集成中的位置，即m e s 位于 计划层与控制层之间，是计划层与控制层之间的纽带。但是在实际的企业应用中 可能存在这样的情况： 有些企业的基本上没有自动化设备，对于这些企业来说，控制层这一层次 是不存在，企业集成模型只包含两层：计划层和执行层； m e s 在发展初期，是作为e r p 和控制层之间的补充而出现的，而今有些 功能强大的e r p 己经有效得扩展了车间管理模块，覆盖了m e s 的功能，此时企业 集成模型只包含两层：e r p 和控制层。 有些m e s 系统功能模块很全，覆盖了企业的全部业务系统，此时企业集 成模型只包含两层：m e s 和控制层。而且目前还存在是e r p 包含m e s ，还是m e s 包含e r p 之争。 2 1 2m e s 功能模型 m e s 的任务是根据上级下达的生产计划，充分利用车间的各种生产资源、生 产方法和丰富的实时现场信息，快速、低成本地制造出高质量的产品，其生产活 重庆大学硕士学位论文 动涉及订单管理、设备管理、库存跟踪、物料流动、数据采集，以及维护管理、 质量控制、性能分析及人力资源管理等。m e s 汇集了车间中用以管理和优化从下 定单到产成品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件( c o m p o n e n t ) ，它控制和 利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时 向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。【1 9 】 基于m e s 的定位，国际m e s 协会( m e s a ) 给出了m e s 的1 1 个主要的功能模 块，其一般功能模型如图2 3 所示。 图2 3 m e s a 提出的m e s 功能模型 f i g 2 3f u n c t i o nm o d e lo fm e sb ym e s ap r o p o s e d 资源分配与状态：指导劳动者、机器、工具和物料如何协调地进行生产，并 跟踪其现在的工作状态和刚刚完工情况； 详细排程：负责生成操作计划( 详细计划) ，提供基于指定生产单元相关的优 先级、属性、特征、方法等的作业排序功能，确定各项生产活动的顺序和时间， 实现资源约束条件下的绩效优化； 生产调度：以作业、订单、批量、成批及工作订单等形式管理和控制生产单 元中的物料流