制造业车间级管理系统MES及其典型结构

1、制造业车间级管理系统( MES )和其典型结构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 WTO 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

2、演变成市场导向、 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

3、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 管理和一般事务处理。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

4、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

5、员提供现场检测和统计数据， 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 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

6、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？? 目前仓库以和前工序、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？何时能够和时交货？? 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 供应不和时？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

7、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和其功能 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(Advaneed Manufacturing Research) 通过对大量企业的调查 发现现有

8、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 )。图一曲IR的三层企业集咸模型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(MESAWhite Paper No.6 ，1997 )对 MES 系

9、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、 资料反应和回馈， 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 改善生产条件和准时出货、库存周转、生产毛利和现金流 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。真时工厂管理 帥ES

10、在工厂中S控制需必 摄作指令检查賀諒生产作业计划 跟底IIP無放主产订聲 显示标作员橋習 更 «ERPt£fitft/tt务秋為 yis/K柞吕杭祗控制至狡 （或手工摄作）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

11、统，当作业程序、相关流程、文件和其它相 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 件和人员）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

12、能模块。応tr彌5CM产阳瞰据警顾三恫ES的容功能模型与企业其它信息化系统的关系輸71十划AutoinntjonMES4、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ME

13、S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烩。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统， 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、

14、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。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、报表和图形。在企业外部，通过 Internet 可以连接到 MES ，在 设定的权限内对系统进行信息发布或读取操作。 公司内部管理、 外部 机构以和其它相关业务单位通过 MES 联系形成了一个紧密的整 体，做到实时信息共享，使业务流程变得

15、有序而高效。efi ASCI田户''h<SDBW 新录7im N.片忻«*«呕应用模块四MES的典型结构5、MES 与 ERP虽然ERP和MES在功能上具有非常良好的互补性， 但是在企 业信息化建设过程中，它们之间未必需要相互依赖于对方而存在。 在 生产计划管理、质量管理和物流管理等方面，MES和ERP系统的功 能可以互相延伸和对接，共同构建更为完善的现代化企业信息管理体 系。当企业已经存在ERP系统时，可以将MES与ERP系统进行集 成，以优化公司的信息管理，更加有力地保证商业目标的实现。MES与ERP系统集成的优点体现为：?进一步改进现有的操作流程

16、，实现企业管理层和车间管理层一 体化标准运作，从而更加有效地缩短产品周期，提高劳动生产率。?进一步改造信息技术基础设施，实现公司内部信息和数据的集中管理，从根本上减少信息和数据内部流通的时间。? 配合供应链管理 (SCM) 系统，减少供应链成本， 增强对顾客需求 的快速反应，优化客户服务并提高公司的整体工作效率。? 增加财务系统数据当日更新和管理报表即时统计的功能，实现 当日结帐的目标。? 以实时数据为依据的生成计划更加正确和时地反映整个生产情 况。6、MES 的前景MES 是面向车间层的生产管理技术与实时信息系统， 它是实施 企业敏捷制造战略， 实现车间生产敏捷化的基本技术手段。 由于 MES 强调控制和协调 ,使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统，而 且能使计划落实到实处的执行系统。因此短短几年间 MES 在国外的 企业中迅速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益。我国企业实施以 MRPII/ERP 为主