MES技术及其应用论文

MES技术及其应用摘要：美国先进制造研究机构AMR将MES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”。 通过传统的MES时期和可集成的MES时期两个发展时期。由于MES的多样性、复杂性、特殊性以及特定行业的需要性，MES在国内市场已经出现较大的需求和商机。关键词：MES；人工智能；模型；应用。从上个世纪80年代中期到现在的20年来，世界各个国家纷纷推出了国家级的先进制造技术发展计划，包括中国的863/CIMS 主题计划。在这些计划中，计算机集成制造（CIM）理念正是其重要组成部分，而管理系统和控制系统的集成又是其中特别而又关键的部分。从80 年代末90 年代初，美国在总结MRP实施成功率较低的教训并吸收日本准时制生产系统（JIT）经验的基础上，提出既重视计划又重视执行的管理新思想，此时将计划与制造过程统一起来、将管理系统和控制系统统一起来的制造执行系统（Manufacturing Execution System，简称MES）应运而生。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MES和企业规划系统ERP管理信息系统三者协同作用的整合。目前，由于管理信息系统往往仅仅注重于企业的销售、采购、库存、财务等部分，缺乏生产管理、调度功能，导致与自动化控制系统成为各自独立的系统，成为各自为政的“信息化孤岛”。作为CIMS的中心环节，生产执行系统MES在整个CIMS中起到承上启下的作用，是生产活动与管理活动信息的桥梁，是CIMS技术发展的关键。1、MES的定义 美国先进制造研究机构AMR（Advanced Manufacturing Research）将MES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”，MES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、客户需求等方面）的当前状态信息。AMR继1990年提出MES概念后，1992年又紧接着提出MES三层模型，如图1所示。图1 AMR的企业三层集成模型制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，MESA）也给MES 做出定义：“MES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，MES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。”从上述概念中，可以看出在管理信息系统、MES以及底层系统之间的信息流通情况，如图2所示。图2 MRP/MES/控制系统三者信息交互基于MES的功能和在各个层次之间传递的信息来看，MES可以为企业及时提供生产实时信息、优化生产、提高生产效率、优化资源配置的作用。2、发展历程 MES概念虽然到上世纪90年初才出现，但在70年代末的时候，西方发达国家部分企业已经出现具有MES功能系统的端倪。在开发MES方面，要首数西门子公司。Mannesmann钢管厂和钢板厂是西门子最早的客户之一，1975年Mannesmann委托西门子开发具有MES的功能的管材管理系统，其他功能由西门子逐步完善。在国内，应用最早的要数上海宝山钢铁公司。1992年，西门子取得的宝山冷轧带钢厂和1994年的宝山热轧带钢厂MES订单，这是中国最早的MES系统。 MES的发展大概可以分为两个时期和三个阶段：（1）上世纪70年代末上世纪90年代末，传统的MES（Traditional MES，T-MES）时期。该时期的MES大体上可以分为两大类，即前两个阶段：专用MES系统（Point MES）和集成MES系统（Integrated MES）。前者是为了解决某个特定领域的问题而设计和开发的自成一体的系统，例如某个企业的车间维护、生产监控等；而后者起初是针对一个特定的、规范化的环境而设计的，目前已拓展到许多领域，如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业，在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。前者能够为某一特定环境提供最好的性能，却常常难以与其它应用系统集成。集成的MES，比专用MES迈进了一大步，具有很多优点：如单一的逻辑数据库、系统内部具有良好的集成性、统一的数据模型等等。（2）本世纪初，可集成的MES（Integratable MES，I-MES）时期。该时期的MES能将模块化应用组件技术应用到MES的系统开发中，是两类T-MES系统的结合。从表现形式上看，具有专用的MES系统的特点，即I-MES中的部分功能作为可重用组件单独销售；同时，又具有集成的MES的特点，即能实现上下两层之间的集成。此外，I-MES还能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之间的集成和遗产系统的保护，以及即插即用等功能。3、MES模型3.1 MES定位模型MES作为面向制造的系统必然要与企业其他生产管理系统有密切关系，MES在其中起到了信息集线器（Information Hub）的作用，它相当于一个通讯工具为其他应用系统提供生产现场的实时数据。其定位模型如图3所示。从图3中可看出，MES与其他分系统之间有功能重叠的关系。例如，MES，CRM，ERP中都有人力资源管理，MES和PDM两者都具有文档控制功能，MES和SCM中也同样有调度管理等等。各系统重叠范围的大小与工厂的实际执行情况有关，但每个系统的价值又是唯一的。图3 MES定位模型3.2 MES功能模型国际MES协会（MESA）给出MES的11个主要的功能模块，其一般功能模型如图4所示。但实际应用中的产品可能是只包含其中一个或几个功能模块。图4 MES一般功能模型4、MES技术特点目前在流程工业MES中，使用有十几种主要技术，大致如下：生产过程数据挖掘与知识获取技术、复杂工业系统的智能建模技术、高级控制技术、生产过程成本控制技术、生产过程计划调度的流程模拟技术、物流仿真以及控制与管理技术、基于知识的生产过程支持技术、异常生产过程运行智能体技术、基于工艺目标和经济指标的在线智能优化技术、重大设备在线故障诊断/预报/维护支持技术、统计过程/质量控制技术、基于事例的推理技术、智能实时调度技术、演化计算技术。事实上上述技术不仅仅是MES、所特有。在管理决策系统和生产控制系统进行系统集成的时候，MES的引入，能够将上述技术更加有机的系统的进行综合运用。由于MES在上层系统和底层系统之间起着承上启下的桥梁作用，所以在技术上也更倾向于怎么样来实现该作用。目前有两种基本技术模型。4.1 当前的MES技术模型 一直以来，通过MES将各个系统进行有机集成的方法基本上是通过API来实现，API即应用程序接口（Application Programming Interface），是一些用C语言编写的由操作系统自身调用的函数，用来控制Widows 的各个部件的外观和行为。MES中通过API来实现信息在各个层次和各个系统之间的传输和交互。图5 当前MES技术模型4.2 展望中的MES技术模型 人工智能概念引入MES中，极大的促进了该类系统的技术改进。在展望中的MES的技术模型中，引入人工智能中的Agent来代替当前模型的API，是对系统集成的一个极大的进步。Agent原意是代理人，人工智能中Agent是一个能够根据它对其环境的感知从而控制其自身的决策和行为的程序。在MES技术模型中使用Agent代替API，意味着使用一种智能程序来代替过去和现在使用的简单函数来集成系统。这意味着系统之间的集成更系统、更能有机的融合、系统对外部的响应更加智能化。图6 展望中的MES技术模型4.3 两种MES技术模型的分析不管是目前使用的MES技术模型中API技术，还是展望中MES技术模型中Agent技术，将上层系统和下层系统集成的时候，前提都是上层系统和下层系统结构甚至代码对集成商来说透明的。只有这样，才能很好的将异构系统、异构数据库、异构层次集成起来。但是，目前企业普遍的问题是存在的各个系统是由不同软件商开发，甚至一段时间后有的软件公司甚至已经不再存在，更不用说找到目前各个孤立的异构的系统的设计文档、系统结构和系统代码了。因此，集成的时候首先遇到的问题就是系统异构的问题。4.3.1 系统的异构性可以分为以下几种：（1）目标与语义异构：各个子系统被用于不同的任务或实现不同的职能或者同一个符号赋予不同的语义；（2）体系结构异构：如数据库类型有：关系型、层次型如专家系统结构有：框架、黑板等等；（3）系统类型异构：经典控制系统、数据库、专家系统；（4）编程语言异构：采用不同的编程语言；（5）操作系统异构：基于不同的操作系统。4.3.2 为解决系统的异构性，通常采用的集成方法有以下两种：（1）在一个通用的环境中重新开发现有的系统，使得他们能够共享相同的表达方式、推理机制以及知识的语义。通常是利用现行的部门或行业标准来实现，如CIMS系统集成中采用的STEP标准。（2）构造一个框架，使得现有的系统能够以尽可能少的修改来合成为一体、从而实现彼此的通讯和合作。通过增加一个同构的层次结构，将各个系统之间的交互在这个层次上进行，这样一方面可以利用以前的信息资源、另一方面又可以以较小的代价实现各个子系统之间的交互。这两种方法各有所长、适用面各不相同，对于现在企业中采用MES将多层系统集成时候，现实中更倾向于采用第二种方法，其优势在于能够充分利用现有的系统，以较低的代价解决系统集成问题。5、MES应用现状由于MES适用于流程类型、离散类型各种制造企业，在通讯、机械精密加工、电子（计算机）、化工、电力、医药等制造领域有广泛的运用，尤其在半导体行业、光电子（光电器件）、手机制造、汽车制造、PCB等行业，MES已成为不可缺少的生产、品质控制的保障手段，所以，MES在国内国际日益得到广泛的应用。5.1 国内应用情况MES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MES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ERP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。MES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MES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MES产品与服务市场的多样性。但是，正是由于MES的多样性、复杂性、特殊性以及特定行业的需要性，MES在国内市场已经出现较大的需求和商机。由于MES系统能给企业和社会带来非常大的效益，从2002年开始，国家863-CIMS高新科技研发计划中已将MES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，已促进工业化带动信息化、信息化存进工业化的发展战略，将信息流、物流、资金流最佳集成。5.2 国际应用情况由于欧美国家在MES方面起步比较早，已经给相关企业带来了巨额利润。从80年代后期至1994年，T-MES市场销售以23%的比例递增，达到13亿美元，集成的MES比专用的MES年增幅大10个百分点；1995年的时候MES 市场迅速放大，比上一年增长50%，传统型的MES的市场占有率达到10亿美元，出现集成型的MES 增幅不如专用MES 增幅的情形；到1999年的时候MES已经达到35亿美元的市场份额。21 世纪初将出现市场年增长率预计达到35%40%。本世纪以来，AMR组织提出了MES要重点面向车间生产问题，并相继出现了一些列的开发公司和产品。如美国Consilium公司面向半导体和电子行业相继开发了WorkStream（MES ）和FAB300（MES）；美国Honeywell 公司面向制药行业开发的POMSMES；美国的Intellution公司面向多种行业开发的Fix for Windows；美国Rockwell公司的RSsql，RSBatch，Arena等；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Exatas；这些系统在汽车、石油等行业取得成功。6、MES未来趋势 中国市场若干优点，现在和将来都会给制造型企业提供了肥沃的土壤，而制造企业也必然给MES的研究、开发和应用提供肥沃的土壤。MES未来发展的趋势是：（1）更加面向市场，各类MES系统将会以适用于各个行业各种