制造执行系统 v2

1、*制造执行系统*Manufacturing Execution System MES产生的背景和定义 MES的模型 MES的信息交互和信息流 MES的发展 MES的实际意义*MES产生的背景和定义 在制造业信息化的早期阶段，企业经营管理的信息化 与设备管理的自动化作为两个独立的分支各自进行发展。由于不同的部门，基于不同的目标建立起来的一系列单一功能的信息系统，逐渐形成对信息化进程的阻碍：Q信息孤岛:企业内生产调度、工艺管理、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，导致相互之间的功能重叠，数据冗余等问题。信息孤岛使企业内部的信息在水平方向上断裂，严重制约企业内各种系统间的协

2、调，降低信息化的整体作用。Q信息断层：企业级的经营管理系统无法及时准确的得到实际的生产信息，无法有效掌握生产现场的真* 实情况。信息断层造成了企业生产经营信息在垂直方向上的阻断，成为阻碍企业级的经营管理系统与车间级的生产管理系统集成的根本原因。 随着客户对产品需求的多样化，制造企业的生产模式开始由大批量刚性生产转向多品种小批量的柔性生产转变。计算机网络和大型数据库等信息技术的发展，使企业的信息系统开始由局部的、事后处理的方式转向全局的、实时处理方式。但是仍然会面临信息孤岛和信息断层多带来的各种问题。例如由于上层生产计* 化管理受市场影响越来越大，计划跟不上变化。面对客户对交货期的苛刻要求，面对

3、更多产品的改型，订单的不断调整，使企业决策决策者认识到，计划的制订要依赖于市场和实际的作业执行状态，而不能完全以物料和库存回报来控制生产。同时与低层的生产管理过程之间脱节的矛盾也日益暴露出来。 如何有效地解决两者之间的矛盾，充分利用上下层之间的数据，提高计划的实时性和灵活性，同时又能改善生产线的运行效率，成为人们所关注的重点。*Manufacturing Execution SystemManufacturing Execution System制造执行系统制造执行系统 MES提供从接受订货到制成最终产品全过程的生产活提供从接受订货到制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信息。它采用当前的和精

4、确的数据，对生动实现优化的信息。它采用当前的和精确的数据，对生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变化的生产状态和条件作出快速反动，对随时可能发生变化的生产状态和条件作出快速反应，重点削减不会产生附加值的活动，从而推动有效的应，重点削减不会产生附加值的活动，从而推动有效的工厂运行和过程。工厂运行和过程。国际制造执行系统协会* Advanced Manufacturing Research 美国先进制造研究机构美国先进制造研究机构MES为位于上层计划管理系统与底层工业控制之间为位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向

5、车间层的管理信息系统，的、面向车间层的管理信息系统，MES为操作人为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人员、设备、物料、客户需求等方面人员、设备、物料、客户需求等方面)的当前状态的当前状态信息。其着重点是将信息技术运用于改善制造过信息。其着重点是将信息技术运用于改善制造过程。程。* National Institute of Standards and Technology 美国国家标准研究所美国国家标准研究所MES为使从接受订货到制成最终产品全过程的管理为使从接受订货到制成最终产品全过程的管理活动得以优化，采集硬件活动得以优化，采

6、集硬件/软件的各种数据和状态信软件的各种数据和状态信息。息。* 虽然关于MES的定义存在一些不同的表述，但以下共识还是普遍被接受的：Q MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。Q MES采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管理活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。*MES模型计划层：面向客户执行层：面向车间生产控制控制层：面向生产作业现场AMR的倡导制造业三层模型。执行层：面向车间生产控制控制层：面向生产作业现场计划层：面向客户执行层：面向车间生产控制控制层：面向生产作业现场计划层：面向客户计划层：面向客户执行层：面向车间

7、生产控制执行层：面向车间生产控制控制层：面向生产作业现场控制层：面向生产作业现场图图2*Q位于顶层的计划层通常是MRP(Manufacturing Resource Planning)或ERP(Enterprise Resource Planning)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。Q位于低层的控制层包括DCS（(Distributed Control system）、DNC (Distributed Numerical Control)、PLC、SCADA（supervisory control and Data Acquisition）等系统其作用是对

8、生产过程和设备的控制。*Q位于中间层的MES面向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填补计划层和控制层之间的空白作用。计划层的业务系统生成的生产计划（计划要做什么）被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。*MES 的信息交互和信息流 制造执行系统是面向制造过程的，它必然与其它的制造管理系统共享和交互信息，这些系统包括供应链管理(Supply Chain Management，SCM)、企业资源计划管理(ERP)、销售和客户服务管理(Sales and Service Management，SSM)、产品及产品工艺管理

9、(Product & Process Engineering，P&PE)以及生产底层控制管理等管理系统。制造执行系统起到连接以上各信息系统的信息集线器的作用，制造执行系统与以上各信息系统之间都存在着功能信息的重叠，图3反映了MES与企业其他管理系统之间的关系。*供应链管理SCM产品及工艺管理P/PE制造执行系统MES销售客户服务管理SSM底层生产管理控制Control企业资源计划ERP销售客户服务管理SSM供应链管理SCM销售客户服务管理SSM企业资源计划ERP供应链管理SCM销售客户服务管理SSM产品及工艺管理P/PE企业资源计划ERP供应链管理SCM底层生产管理控制Control销售客户服

10、务管理SSM制造执行系统MES底层生产管理控制Control销售客户服务管理SSM产品及工艺管理P/PE制造执行系统MES底层生产管理控制Control销售客户服务管理SSM企业资源计划ERP产品及工艺管理P/PE制造执行系统MES底层生产管理控制Control销售客户服务管理SSM供应链管理SCM企业资源计划ERP产品及工艺管理P/PE制造执行系统MES底层生产管理控制Control销售客户服务管理SSM图3* MESA给出了在企业生产管理中ERP层、MES层和底层控制系统之间的操作、交互活动和信息流，如图所示。资源检查资源检查/车间生产车间生产计划制定计划制定/下发工单下发工单/在制品跟踪

11、在制品跟踪任务状态任务状态设备状态设备状态加工参数加工参数订单状态订单状态在制品状态在制品状态质量数据质量数据历史记录历史记录底层控制系统MESERP/MRP生产指令生产指令控制参数控制参数制造信息制造信息物料库存物料库存产品需求产品需求生产计划生产计划客户订单客户订单设备信息设备信息工装信息工装信息人员信息人员信息图4* ERP系统根据客户订单制定产品需求，安排生产计划任务给MES系统，MES系统通过任务单和来自车间层的资源状态信息制订生产指令和控制参数给底层控制系统，底层控制系统将生产现场的设备信息、工装信息和人员信息以及任务状态、设备状态和加工参数传递给MES系统，使MES系统完成资源检

12、查、在制品跟踪功能和控制加工过程功能，并根据底层提供的信息对车间生产计划的制定、实时调度、现场控制指令等做出实时调整。同时，ERP系统可以查询订单状态、在制品状态和其他性能数据以便作出符合实际的预测和决策。* 从时间因素分析，在MES之上的计划系统考虑的问题是长期的生产计划(时间因子100倍)，执行层系统考虑的问题是中长期的生产计划(时间因子10倍)，控制层系统则必须实时地接收生产指令，使设备正常加工运转(时间因子1倍)。它们相互关联、互为补充，实现企业的连续信息流。图5* MES的运行流程* MES的运行流程* MES的运行流程*MES的发展 传统的MES (Traditional MES，

13、T-MES)大致可分为两大类： Q 专用的MES 系统(Point MES) 主要是针对某个特定的领域问题而开发的系统，如车间维护、生产监控、有限能力调度或是SCADA等。 Q 集成的MES系统 (Integrated MES) 该类系统起初是针对一个特定的、规范化的环境而设计的，如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业，目前也拓展到整个工业领域。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， 但仍然是针对一个特定的行业，缺少通用性和集成能力。* 由于T-MES系统是基于预先设定的程式进行系统开发的，因此此类系统成本高、效率低，并隐含较大的风险。具体表现如下：Q 通用性差 目前市场上

14、的T-MES系统，由于没有一定的技术规范指导，针对不同的行业的MES功能基本上无法借鉴和使用，使得系统开发周期长、投资大，限制MES的快速发展。Q 可集成性弱 目前某些集成功能的MES虽然能实现与上层事务处理和下层控制系统的集成，但也仅仅局限某个特定的系统，用户在选择MES产品时受到很大限制。*Q 缺乏互操作性 企业采用的数据库、操作系统是异构的，在分布式生产环境下，需要从不同的MES系统中裁剪不同的功能以满足某个特定任务的需要，实现互操作。Q 重构能力差 不同的行业、不同的企业其生产组织模式不尽相同，信息系统必须具有可重构能力，即根据不同的需要搭建相应的模式。Q 敏捷性差 敏捷性在生产中表现

15、为对市场的快速响应和对实际生产环境的应变能力，在信息系统中表现为系统的可重构、可重用和可扩展。* AMR研究小组在分析信息技术的发展和MES的应用前景的基础上提出可集成MES (Integratable MES)。它是将模块化应用组件技术应用到MES系统开发中，是两类T-MES系统的结合。从表现形式上，它具有专用MES系统的特点，即T-MES的部分功能可作为可重用组件单独销售；同时具有集成MES的特点，即可实现上下层之间的集成。 从系统功能讲，它与T-MES没有多大的区别，主要的区别在于软件系统本身的体系结构和开发技术手段不同，从而带来质的飞跃。* MES的实际意义 在许多工厂中其全厂管理的功

16、能目前仍然由文件和人工系统进行，通常有经验的人员执掌着工厂生产效益的钥匙。在大多数运行中，人工系统和有经验人员的判断总是起着重要作用. 但是，市场要求产品的品种和数量经常变化，靠人工和经验调整生产显然效率低、反应慢、缺乏竞争力。而且人工系统也不可能适应产品、工艺、技术和用户要求日趋加速的变化。如图7采用MES取代人工决策的工厂信息系统 *供应链管理ERP运行操作系统人员/文件经验/实践销售/服务管理产品/过程工程PLC电机驱动数据采集手动控制DCS控制控制自动化，仪表，设备实现实现MES之前之前供应链管理ERP销售/服务管理产品/过程工程自动化，仪表，设备PLC电机驱动数据采集手动控制DCSM

17、ES集成生产数据有人员干预的操作运行管理系统实现实现MES之后之后供应链管理运行操作系统ERP供应链管理运行操作系统销售/服务管理ERP供应链管理运行操作系统产品/过程工程销售/服务管理ERP供应链管理运行操作系统人员/文件产品/过程工程销售/服务管理ERP供应链管理运行操作系统经验/实践人员/文件产品/过程工程销售/服务管理ERP供应链管理运行操作系统控制控制供应链管理ERP供应链管理销售/服务管理ERP供应链管理运行操作系统销售/服务管理ERP供应链管理产品/过程工程运行操作系统销售/服务管理ERP供应链管理人员/文件产品/过程工程运行操作系统销售/服务管理ERP供应链管理经验/实践人员/

18、文件产品/过程工程运行操作系统销售/服务管理ERP供应链管理自动化，仪表，设备自动化，仪表，设备经验经验/实践实践人员人员/文件文件产品产品/过程过程工程工程运行操作系统运行操作系统销售销售/服务管理服务管理ERP供应链管理供应链管理产品/过程工程自动化，仪表，设备MES集成生产数据有人员干预的操作运行管理系统产品/过程工程自动化，仪表，设备ERPMES集成生产数据有人员干预的操作运行管理系统产品/过程工程自动化，仪表，设备供应链管理ERPMES集成生产数据有人员干预的操作运行管理系统产品/过程工程自动化，仪表，设备销售销售/服务管理服务管理供应链管理供应链管理ERPMES集成生产数据集成生产数据有人员干预的有人员干预的操作运行管理系统操作运行管理系