MES-流程工业制造执行系统

大连中科海德自动化有限公司 M E S 流程工业制造执行系统 一 MES 的定义和由来 国际制造执行系统协会 MESA 对 MES 的定义是 MES 提供为优化从订单投人到产品 完成的生产活动所需的信息口 MES 运用及时 准确的信息 指导 启动 响应并记录工 厂活动 从而能够对条件做出迅速的响应 减少非增值活动 提高工厂运作过程的效率 MES 不但可以改善设备投资回报率 而且有助于及时交货 加快库存周转 提高收益和现 金流的绩效 MES 在企业和供应链间 以双向交互的形式提供生产活动的基础信息口美国 的调查咨询公司 AMR 把企业级的计划系统与工厂底层的控制系统之间的各种工厂管理系 统的集合称作 MES 生产方式的演变和 IT 技术的进步是促进制造业信息化发展的两个基本动因 在制造业 信息化的早期阶段 受到当时的环境限制 工厂业务管理的信息化与生产设备的自动化通 常被作为两个独立的领域而分别进行 由不同部门 基于不同看法而建成的一系列单一功能 的信息系统 产生了以下两个长期存在的信息阻断问题 信息孤岛 工厂内的生产调度 工艺管理 质量管理 设备维护 物料管理过程控 制等系统之间相互独立 缺乏数据共享 从而导致功能重叠 数据矛盾等一系列问题 信 息孤岛造成了工厂中制造信息在水平方向的阻断 所带来的问题严重地制约着工厂内各种 系统间的协调 阻碍了系统的发展 降低了制造领域信息化的整体作用 信息断层 公司级的业务管理系统无法得到及时准确的生产实绩信息 无法把握生 产现场的真实情况 而生产现场人员也得不到切实可行的生产计划与生产指示 信息断层 造成了企业生产经营信息在垂直方向的阻断 成为阻碍公司级的 业务管理系统与工厂级的 生产管理系统集成的根本原因 从 20 世纪 70 年代后半期开始 出现了解决个别问题的单一功能的制造管理系统 大连中科海德自动化有限公司 如设备状态监控系统 质量管理系统 包括生产进度跟踪 生产统计等功能的生产管理系 统 也就是说 在未实施整体解决方案或信息系统以前 各企业引人的只是单功能的软件 产品和个别系统 20 世纪 80 年代中期以后 伴随着消费者对产品的需求愈加多样化 制造业的生产方 式开始由大批量的刚性生产转向多品种少量的柔性生产 伴随着计算机网络和大型数据库 等 IT 技术的发展 企业的信息系统也开始从局部的事后处理系统方式转向全局的 实时处 理系统方式 在制造管理领域出现了准时生产 JTT 约束理论 TOC 等新的理念和方法 在 管理系统软件领域 IIRPII 系统迅速普及 EIF 系统崭露头角 在过程控制领域 PLC DCS 得 到大量应用 尽管企业信息化的各个领域都有了长足的发展 但是在工厂以及企业范围信息集成的 实践过程中 仍然难以解决信息孤岛和信息断层所带来的各种问题 例如 在计划过程中 无法准确及时地把握生产实际状况 在生产过程中得不到切实可行的作业计划 工厂管理 人员和操作人员难以跟踪产品的生产过程 不能有效地控制在制品库存 用户无法了解订 单的执行状况 产生这些问题的主要原因仍然在于生产管理业务系统与生产过程控制系统 的相互分离 计划系统和过程控制系统之间的界限模糊 缺乏紧密的联系 2O 世纪 80 年代中期 为了解决这两个课题 生产现场的信息系统开始发展 生产进 度跟踪信息系统 质量信息系统 绩效信息系统 设备信息系统及其整合已形成共识 与 此同时 原来底层的过程控制系统和上层的生产计划系统也得到发展 这时 产生了 MES 原型 即传统的 MES Traditronal MES 一 TMES 主要是 POP 生产现场管理 Point of Production 和 SFC 车间级控制系统 Shop Floor Control 制造执行系统 MES Manufacturing Execution Sastern 直到 1990 年才由美国的咨 询调查公司 ARM Adrvanced Manufacturting Reserach 提出并使用 为解决企业信息 大连中科海德自动化有限公司 集成间题提供了一个被广为接受的思想 MES 从一开始就是一个特定集合的总称 用来表 示一些特定功能的集合以及实现这些特定功能的产品 二 MES 发展 最初 MES 并没有一个非常明确的定义 它几乎涵盖了所有那些无法准确地分配给其 他层的应用程序或产品 大多数这样的产品都是由一些定制的应用程序逐渐演化而来的 而这些应用程序基本上都是由系统集成商针对某类特定用户进行开发的 并且通常都是针 对某个特定领域的 如排产 实验室 质量 产品跟踪等 此后 在国际上 各相关组织 都开始意识到要对 MES 进行更加明确的定义 MESA Manufacturing Execution System Association In ternational ISA 都相继开发了相关的模型对 MSS 加以描述 并试图通 过模型使其标准化 位于美国的 MESA 成立于 1992 年 是继 AMR 组织之后促进 MES 普及和标准化的团体 经常发布关于 MES 白皮书 还有用户使用 MES 后的效果调查报告 AMR 于 1992 年提出了 3 层企业集成模型 如图 1 所示 该模型揭示了过程控制与 MRP ERP 系统间的明显的断层 并将各种厂家提供的位于中间执行层的系统称作制造 执行系统 MES 图中各个层次的概要如下 位于底层的控制层 PCS 包括 DCS 分布式控制系统 DNC 分布式数控系统 大连中科海德自动化有限公司 PLC SCADA 等系统 其作用是生产过程和设备的控制 位于顶层的计划通常是 MRP 或 ERP 等系统 其作用是管理企业中的各种资源 管理销售和服务制定生产计划等 位于中间层的制造执行层则是介于计划层和控制层之间 面向制造工厂管理的生产 调度 设备管理 质量管理物料跟踪等系统 MES 在企业系统的 3 层结构中起着承上启下 填补计划层和控制层之间的空白的作用 计划层的业务系统生成的生产计划 计划要做什么 通过 MES 传递给生产现场 来自控制层 的生产实际状态 实际做了什么 通过 MES 报告给计划层的业务系统 AMR 于 1993 年提出了制造执行系统的集成系统模型 如图 1 所示 它由围绕关系 数据库和实时数据库的 4 组功能构成 工厂管理 plant management 是生产管理的核心部分 包括资源管理 计划管理 和维护管理等功能 工艺管理 plant engineering 主要指工厂级的生产工艺管理 包括各种文档管理和 大连中科海德自动化有限公司 过程优化等功能 质量管理 quality management 以制造执行层的质量管理为核心 包括统计质量控 制 实验室信息管理系统等 过程管理 process rnana etnent 包括状态的监测与控制 数据采集等功能 整个系统向上与公司级的系统 ERP 相连 向下与过程控制层的系统相连 模型中的各 个功能组通过位于模型核心位置的关系数据库共享生产数据 并通过实时数据库确保与过 程控制系统的同步 MESA 在 1 9 97 年公布的 MES 白皮书中提出了 MES 的外部环境模型 如图 1 4 所 示 从图中可以看到 企业资源计划 ERP 系统 供应链管理 SCM 系统 销售和服务管理 S SM 系统 产品和工艺设计 PSCM 从 MES 取得实际订单状态 生产 能力和容量 排班限制等数据 SSM 应用必须与 MES 连接 因为报价和发货都与给定时间 内制造车间发生的事情有关 P控制可从 MES 得到料单和指令以优化车间范围的运行 MES 也要从其他子系统得到数据 ERP 的计划为 MES 工作分配提供依据 SCM 的主计 划和调度驱动工厂内活动的时间选择 SSM 产品组织和报价提供生产订单信息的基准 P从控制来的数据用于测量实际性能和自动化过程变 化的运行情况 MES 与其他子系统也有交叉 例如 ERP 或 MES 可给车间分配工作 SCM 和 M ES 包括详细的调度 工艺计划和文档可来自 P控制和 MES 都包括数据收集功能 但是没有其他子系统可代替 MES 功能 虽然在 ERP 和控制中有些听起来类似 M ES 的功 能 但 MES 通常更关注与厂级生产性能 并致力于厂级运行优化 MES 功能的服务对象 主要是运行人员 从工厂管理者到物流 维护 质量 调度管理者 到操作者和技术人员 这些都是关注制造生产率的人员 而其他子系统也有各自的用户 如 ERP 的厂级控制卞要 是收集财务和物流控制所需信息 MES 提供同样数据 但支持对厂级性能测量的分析 控 制系统中数据采集和收集一般用于独自过程的控制 而 MES 更关注各个过程对全厂性能 的贡献 除改进工厂运行外 MES 还可以使企业在其他子系统投资效益得到放大 MES 大连中科海德自动化有限公司 的角色是从全厂角度对状态和过程运行 物流 人力资源 设备和工具等总体把握 本质 上说 生产知识 实际发生的和应该发生的都在 MES 掌握范围内 由此指导和测量一个 工厂总体的运行效果 并为企业提供关于成本 物流和改进计划的数据流 20 世纪 90 年代中期 又提出了 MES 标准化和功能组件化 模块化的思路 这时 许多 MES 软件实现了组件化 也方便了集成和整合 这样用户根据需要就可以灵活快速 地构建自己的 MES MESA 于 1997 年提出了 MES 的 11 个功能模块功能组件和集成模型 如图 1 5 所示 MES 的 11 个功能主要如下 1 资源配置和状态跟踪对所有的生产资料进行管理 包括机器 工具 劳工技能 材 料等 使其井然有序 随时可以投人运转 同时记录资源的各种历史信息 以保证生产设 备的配置 并对设备的实时状态信息进行跟踪 2 工序 细节调度根据生产单元的优先级 属性 特征 对生产工序进行优化 使生 大连中科海德自动化有限公司 产资源配置的变化降到最低 3 生产计划和调度制定生产计划 并以任务 工单 批次 订单等形式下发给各生 产单元 可以根据生产实绩实时调整原始计划 产生新的调度信息 4 文档控制对所有与生产单元有关的资料进行管理 包括工作指令 图纸 配方 标 准操作流程 设计变更 产品记录以及 150 信息等 并进行历史数据的存储 5 数据采集和获取实时采集生产数据 记录生产单元的各种参数 并保存在相应的表 格和记录中 数据可以由人工录入和从设备中自动采集 该功能需向外提供一个接口 以 便其他应用可以通过它获得生产实时数据 6 人力资源管理记录员工的考勤以及专业技能 提供员工的实时状况记录 同时与资 源配置功能交互 以产生最优配置 7 质量管理提供生产的实时分析 保证严格的产品质量控制 能够发现潜在的质量问 题 对出现的质量问题进行诊断 分析 并提出改进方法 包括 SPC SQC 的在线跟踪和 离线分析功能 8 过程管理对生产过程进行监视 自动纠正或提示操作人员纠正生产中的纸漏 提供 报警管理以及 MES 系统与智能设备的接口 9 维护管理跟踪并指导生产 以维护设备和工具 对突发问题作出快速响应 建立历 史事件和故障记录数据库 协助完成故障诊断 10 产品跟踪和记录提供可视化的跟踪手段 监视产品的状态及用途 跟踪信息包括 加工者 原料供应者 批号 序列号 当前产品状态 报警信息 返工及异常情况 通过 跟踪信息可以追溯生产历史以及产品最终用途 11 性能分析对生产实绩和历史信息进行分析 以得到现实生产状况的效果 并与预 计的效果进行比较 大连中科海德自动化有限公司 1998 年 AMR 公司发表 REPAC 模型 即包括准备 执行 处理 分析 协调 5 个 阶段组成的过程周期 如图 1 一 6 所示 REPAC 模型不只是针对 MES 三层模型的中间层 而是与相应系统一起连接在经营系统的闭环回路中 除了早期的 AMR3 层模型中的概念以 外 REPAC 模型中增加了近年来成为制造工厂竞争力新基础的一些业务过程 模型中的 5 个过程元素分别如下 l 准备 Ready 随着产品生命周期的不断缩短 工厂必须加快使新产品达到产量的速度 新产品引进 产品数据管理和对质量标准应用的管理 是准备过程的重点 2 执行 Execution 与早期的 MES 以及物料跟踪系统紧密相关 它以产品和订单的执 行为重点 对应于 MES 中的事务处理过程部分 主要作用是追踪产品并记录包括质量和 异常信息在内的生产数据 3 处理 Process 与工厂中现存的过程管理和控制基础设施紧密相关 它对应于工厂系 统的过程和控制部分 包括 MMT SCADA PLC DCS 以及与控制有关的设备 4 分析 Analyze 与制造过程紧密相连的 MES 中存在着大量的生产数据 但是这些数 大连中科海德自动化有限公司 据通常难以直接用于决策支持和业务分析 在分析过程中 借助于在线分析处理 DLAP 和 数据仓库技术 可以进行质量和生产改进 关键绩效指标的计算和整理及提供信息等有关 工厂和产品绩效的分析 5 协调 Coordinate 与计划系统密切相关 以工厂内部生产过程的协调以及与供应链 的协调为重点 协调过程不断地更新工厂的作业计划 通过来自执行过程的生产状态信息 和来自分析过程的绩效信息 优化工厂中的所有活动 REPAC 模型中的 5 个元素构成了现代工厂制造业务循环的完整过程 工厂模型通过过 程制造环节与企业供应链中的供货环节 source 计划环节 plan 交付环节 deliver 的相 互协调 从而形成供应链范围的全局性优化体系 从上述各种模型的侧重点来看 可以认为图 1 2 所示的 3 层结构模型体现了制造企业 信息系统的层次观点 图 1 3 所示的集成系统模型体现了制造执行系统的集成观点 图 1 4 和图 1 5 所示的外部环境模型与功能模型体现了 MES 的功能结构观点 图 1 6 所示的 REPAC 体现了制造执行系统的过程观点 从层次的观点来看 不同层次的系统具有独自的特征 控制层中的系统关注生产设备 的运行领域 以秒为单位对生产设备的状况和生产过程进行监控 监控的范围通常是某个 特定的工序 计划层中的系统关注生产计划领域 计划的范围通常是整个公司 位于执行 层的 MES 则关注产品的制造领域 对产品的制造过程进行管理和跟踪管理的范围通常是 整个工厂或整条生产线 层次观点对定位和界定 MES 起着重要的作用 从集成的观点来看 通过信息集成可以避免信息孤岛的形成 从而获得系统的整体效 果 MES 集成的关键是信息共享 而信息共享的关键则是统一的数据结构和标准的数据接 口 但是在实践过程中制造执行层的一些产品通常是由来自不同厂家的 DCS SCADA 等 系统的扩展和延伸 缺乏统一的数据结构口这些产品的代理商通常不具备进行实施工厂范 大连中科海德自动化有限公司 围系统的能力 这些都为 MES 的实施带来了困难 集成观点强调统一的数据结构在 MES 系 统集成中的作用口 从功能结构的观点来看 MES 与企业资源计划供应链管理销售和服务管理 生产工艺 过程控制等 5 种系统关联 MES 不但与相关外部系统相连 而且存在功能上的重叠 这表 明 MES 是多种业务功能的集合体 这些业务功能应侧重于执行层的需求 不但应该保持 内部的完整性和一致性甲还要与外部环境中的相关系统取得统一 取得企业信息化整体效 果的关键 既不仅在于 MES 本身 也不仅在于其他某个系统 而在于 MES 与另外 5 种系 统的集成 功能结构观点为构筑基于组件技术的 MES 提供了功能结构和技术框架 从过程的观点来看 制造执行系统应该能够支持一个包括准备过程 执行过程 处理 过程 绩效分析和协调过程在内的完整的制造业务循环过程 而这个制造业务过程与外部 的供应过程 计划过程和交付过程一同形成完整的供应链过程 其中以生产计划和生产调 度为主要内容的协同过程 无论是在制造业务内部各过程之间的组织 还是在与外部的相 关过程的协调中都起着核心作用 过程观点明确了制造 业务过程循环的结构 体现出生产 计划和生产调度是贯穿 MES 内部过程 并将 MES 与外部系统连接在一起的主线 三 流程工业 MES 特点 流程行业的生产过程与离散制造业不同 一般为批量连续生产对原料的混合 反应 值 根据工艺流程特点分离 粉碎 加热等物理或化学处理过程 主要通过 使原料增值 根据工艺流程特点 流程行业可以划分为连续型 间歇型 亦称为半连续型 混合型三类 以石油化工企业为例 其生产工艺流程是确定的 主要生产过程包括原料储运 加工处理 中间产品及产成品储运等 属于典型的 连续型长流程制造企业 而钢铁企业则属于混合 型流程制造企业 流程行业生产工艺流程的基本特征概括如下 大连中科海德自动化有限公司 流程企业是能耗高 服务面广 配套性强 资金及技术密集的重要基础产业部门 生产批量大 生产周期短 新产品研制开发周期长 投资大 产品是均一性物料 而非物品 从原料供应到产品输出 是一个稳定的 连续的加 工过程 各个中间环节相互关联 相互制约 而原料在生产加工过程中通常起着极为重要 的作用 生产品种依赖工艺流程与设备 主要原料品种单一且相对稳定 而产品种类数量多 属于典型的 V 型企业 生产过程的柔性及动态优化是通过改变生产装置的物流分配来实现的 生产计划确定后 主要生产任务是控制 调整工艺参数 降低能耗 提高产品质量 生产过程控制系统与装备一次性投资大 多数运行在高温高压 易燃易爆 有毒有 害的环境下 在生产中有废弃物生成 存在环境保护问题 安全与故障诊断要求高 以安全 稳定 低耗 柔性 质量 收率等为生产管理与控制的重点优化目标 对 过程自动化和管理信息化水平要求较高 与离散制造业相比 流程工业 MES 具有以下特点 流程工业生产环境苛刻 生产过程包含复杂的物理 化学过程及各种突变和不确定 性因素 对应急处理和例外处理的动态响应要求苛刻 流程工业 CIMS 不仅要集成信息流和物料流 还包括能源供应流 因此 流程 CIMS 中 MES 的调度决策功能需要对物料和能量提供最佳控制策略 同时决策不仅以提高 生产效率和降低生产成本为目标 还应将节省能源 减少污染等目标考虑在内 流程工业中 MES 的决策具有混杂性 不仅包括连续过程变量 而且包含离散过程 变量 为了对生产过程及产品质量进行控制 必须建立反映连续过程主要物理 化学变化 过程的过程模拟模型 并将过程模型与优化模型结合起来 大连中科海德自动化有限公司 原料在制品 产品之间的标识不一一对应 化学性能 物理性能的变化要求产品属 性动态配置 生产单元少 但生产单元本身可变因素多 如原料成分 温度的波动 制造流程中 各生产单元的输出的质量随机改变 生产时间的不确定 一般没有替换路径 而且由于生产过程的中间产品或在制品呈高温状态 前后生产 相互影响 特别是短流程或 CSP 生产线 没有缓冲或中间库对生产顺行的要求非常高 四 流程工业 MES 主要功能 前面介绍了 MESA 给出的 MES 一般功能模块 应当注意的是 目前市面上没有哪一 个 MES 产品完全具备上述功能 事实上 不同特点的制造过程 不同的商业运作模式 所需的 MES 功能和侧重点也不同 例如炼油工业和化工业 虽然相似 但炼油 MES 中有油 品输转调和功能模块 而化工则不需要 至于冶金 轻工甚至其他行业 差异就更大了 因此 目前形成了炼油工业 化学工业 冶金业 医药工业 食品工业 化纤纺织工业 半导体制造业等不同行业和领域的流程工业 MES 根据 MES 基本事务处理功能 结合流程工业特点 流程工业 MES 一般应具备以下功 能模块 1 生产管理 包括生产计划管理和生产调度管理 生产作业计划和调度功能是 MES 的核心功能 对于生产企业来说 它是管理生产的 基础 该模块可以将生产计划分解为多个作业任务 分配给每个工作中心 并为每个生产 计划产生调度报表 系统可以对全流程运行状态进行监视 分析生产瓶颈 解决生产过程 中的瓶颈环节 尤其在若于环节故障精况下 提供重组调度的能力 具体功能可细分为下 列三点 生产计划制定 根据 ERP 给出的生产计划有效地编制 管理 分发工序作业计划 根据 大连中科海德自动化有限公司 现场要求和专家知识 快速调整作业计划 根据各工序参数 生产顺序计划及各工序的生产 时间和等待时间 进行作业计划的优化 生产任务调度 根据相应作业计划进行各工序的生产组织调度 先进的多准则调度 在多 种工艺路线情况下 通过人机交互 动态地完成生产调度 在某个生产环节发生故障的情况 下 提供作业计划的重组 生产状况跟踪 对作业计划的完成情况进行跟踪 管理者可以随时察看处于各种状态的作 业计划 2 物流管理 包括料场管理 物流跟踪和库存管理 提供基于窗口的 可扩展和即时的方式来监视 管理 跟踪和提高生产运营 允许企 业管理者建模和跟踪工厂的关键资源 包括原材料 中间产品 产品规格 设备和过程的 数据 管理成品库以及中间产品库 具体功能可细分为以下五个方面 物料信息配置 配置车间所需物料类型 可根据用户需求配置物料的自定义属性 物料跟踪 实时跟踪物料信息 如位置 消耗状况 是否转化为新的物料 分组情况 物料状况查询 物料信息实时查询 位里 数量 状态等 物料去向查询 查询某一最终 产品消耗了哪些以及多少原料和中问产品 或者反向查询 出入库管理 产品出库人库时间 种类 型号记录 产品存放位置优化 库存信息查询 库存产品型号 时间 数量查询 3 质量管理 质量管理是 MES 功能中的一个重要组成部分 该功能直接面对企业日常生产过程中 的具体质量管理业务 包括生产数据自动采集录入 产品质量标准管理 工艺规范管理 图形分析 质量预报和判断以及报告输出等主要功能 模块遵循 ISO 9000 质量管理的原 则 使得产品工程师能够根据用户的需求 在整个生产工序中对产品的质量进行统一管理 大连中科海德自动化有限公司 分析和控制 具体功能可细分为以下五个方面 质量标准管理 自动生成产品所执行质量标准的各种检验表格 并可自定义检验项 产品 质量数据实时采集 并与标准定义值进行比较 对不合格项产生报警 根据产品类型 规格 自动生成各工序所需的工艺卡 质量数据统计分析 检验数