第六章 制造执行系统MES

第六章制造执行系统（MES）8.1MES的概念及产生、发展

8.1.1MES的概念

制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem，MES）是随着近十几年来生产形态的变革而产生的，因而它的发展史比MIS、ERP、CAD/CAM等要短，但人们对它的研究和应用却开展的非常迅速。MES国际联合会（ManufacturingExecutionSystemAssociation，MESA）对MES的定义是：“MES提供为优化从订单投入到产品完成的生产活动所需的信息。MES运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录工厂活动，从而能够对条件的变化做出迅速的响应，减少非增值活动，提高公司运作过程的效率。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。”从以上定义看出，MES在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用——在MRPII、ERP系统产生的长期计划的指导下，MES根据底层控制系统采集的与生产有关的实时数据，对短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程进行优化。其关键是强调整个生产过程的优化，它需要收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理。同时又与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。因此，MES不同于以派工单形式为主的生产管理和辅助的物料流为特征的传统车间控制器，也不同于偏重于作业与设备调度为主的单元控制器，而应将MES作为一种生产模式，把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理、设备的控制和计算机集成制造接口（CIM）等一体化去考虑，以最终实施制造自动化战略。8.1.2MES的产生背景21世纪，许多企业通过实施MRPII/ERP来加强管理。然而上层生产计划管理受市场影响越来越大，计划明显跟不上变化。企业决策者认识到，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，MRPⅡ/ERP软件主要是针对资源计划，通常能处理昨天以前发生的事情（作历史分析），亦可预计并处理明天将要发生的事件，但对今天正在发生的事件却往往留下了不规范的缺口，即传统生产现场管理是一黑箱作业，造成了生产计划与生产过程的脱节问题——这一问题长期以来不仅直接影响企业的生产效率，而且成为制约现代企业内部信息集成和企业之间供应链优化的瓶颈。制造执行系统（MES）恰好能填补这一空白。MES是处于计划层和车间层操作控制系统SFC之间的执行层，主要负责生产管理和调度执行，弥合了企业计划层和生产车间过程控制系统之间的间隔。它通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造的竞争力，提供了一种系统地在统一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的方式，从而实现企业实时化的ERP/MES/SFC系统。8.1.3MES的现状与发展趋势

MES作为生产形态变革的产物，其根源可追溯到20世纪70年代的零星车间级应用。但MES概念则是美国管理界于20世纪90年代提出的。美国先进制造研究机构AMR(AdvancedManufacturingResearch)通过对大量企业的调查发现，现有的企业生产管理系统普遍由以MRPII/ERP为代表的企业管理软件，以SCADA、HMI(HumanMachineInterface)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。根据调查结结果，AMR于1992年提提出了三层层的企业集集成模型（（见下图））：目前，一些些从事MES开发的的专业公司司（如美国国的Consilium，，加拿大的的Promise公司等等）拥有一一定的市场场份额。但但这些公司司大多是针针对特定的的生产类型型，或特定定的功能需需求而开发发出MES，存在着着通用性差差、可集成成性弱、重重构能力差差等缺点。。另外，由于于工厂可能能会从不同同的软件供供应商购买买适合自己己的MES模块，或或将现有系系统（legacysystem））集成为MES功能能的一部分分，结果导导致许多工工厂的MES系统实实际上是一一个大杂烩烩，每个系系统都有各各自的处理理逻辑、数数据库、数数据模型和和通信机制制，导致系系统很难随随技术的更更新而进行行升级。为了解决MES与外外部系统的的集成问题题，可集成成MES(IntegratableMES，I-MES)逐渐成为为人们研究究的热点。。I-MES采用高高效的基础础框架，通通过将面向向对象技术术、消息机机制和组件件技术应用用到系统开开发中，既既大大增强强了系统的的集成性和和适应性，，又能满足足关键事物物的处理。。I-MES结构分为为以下三个个层次：领领域层(domain-specificlayer)、对象象层(objectlayer)和和基础架构构层(low-levelinfrastructurelayer)。三层层之间相互互独立，从从而为I-MES的的实现提供供了技术保保证。I-MES具具有一些优优点，如单单一的逻辑辑数据库、、统一的数数据模型、、系统内部部良好的集集成性等，，从而能实实现客户化化、可重构构和互操作作。一个典型的的I-MES系统的的体系结构构：8.2MES的技技术架构8.2.1MES的功能模模块作为一种计计算机辅助助生产管理理系统，MES重要要使命就是是实现企业业的连续信信息流。MES国际际联合会归归纳了十一一个主要的的MES功功能模块，，包括工序序详细调度度、资源分分配和状态态管理、生生产单元分分配、物料料和过程管管理、人力力资源管理理、维护管管理、质量量管理、文文档控制、、产品跟踪踪和产品清清单管理、、性能分析析和数据采采集模块。。8.2.2MES的独到技技术MES涉及及的技术领领域，很多多方面与MRPII、ERP所用技技术相类似似。这里仅仅就MES中较有特特色的技术术进行说明明。运行状态实实时采集技技术：对对机器的开开/停、加加工运行状状态进行实实时采集，，为计划控控制和动态态调度提供供及时、准准确的信息息支持，使使车间管理理与控制真真正做到实实时。NC（NumericalControl，，数控）程程序的传输输技术：：在MES系统中，，NC程序序的双向传传输主要解解决具有不不同传输协协议的数控控系统NC程序的传传输问题。。维修知识库库的建立与与维修向导导技术：：是MES的一项关关键技术，，它可以实实现辅助故故障诊断，，在对故障障的统计、、归类分析析的基础上上，建立故故障现象与与原因之间间的关系，，通过决策策树的方式式支持故障障诊断。8.2.3MES的优势携手上下层层、优化数数据流MES在在工工厂厂综综合合自自动动化化系系统统中中起起着着中中间间层层的的作作用用。。在在MES下下层层，，是是底底层层生生产产控控制制系系统统，，包包括括DCS、、PLC、、NC/CNC和和SCADA或或这这几几种种类类型型的的组组合合；；在在MES上上层层，，则则是是高高层层管管理理计计划划系系统统，，包包括括MRPII/ERP。。从时时间间因因素素分分析析，，在在MES之之上上的的计计划划系系统统考考虑虑的的问问题题域域是是中中长长期期的的生生产产计计划划（（时时间间因因子子＝＝100倍倍））；；执执行行层层MES系系统统处处理理的的问问题题域域是是近近期期生生产产任任务务的的协协调调安安排排问问题题（（时时间间因因子子＝＝10倍倍））；；控控制制层层系系统统则则必必须须实实时时地地接接收收生生产产指指令令，，使使设设备备正正常常加加工工运运转转（（时时间间因因子子＝＝1倍倍））。。它它们们相相互互关关联联、、互互为为补补充充，，实实现现企企业业的的连连续续信信息息流流。。从层层次次角角度度分分析析，，制制造造企企业业的的控控制制结结构构可可划划分分为为工工厂厂层层（（或或公公司司层层））、、车车间间层层、、单单元元层层（（企企业业的的工工段段或或班班组组））和和设设备备层层。。通通常常，，ERP系系统统处处于于工工厂厂层层和和车车间间层层；；设设备备控控制制系系统统处处于于设设备备层层，，有有时时会会扩扩展展到到单单元元层层；；而而MES则则总总是是处处于于车车间间层层与与单单元元层层。。因因此此，，MES与与ERP在在车车间间层层（（有有时时包包括括单单元元层层））的的功功能能上上会会有有部部分分重重复复。。制造造企企业业的的控控制制结结构构图图如上上图图所所示示，，计计划划与与控控制制指指令令自自上上而而下下越越来来越越详详细细与与具具体体，，而而由由分分布布在在生生产产现现场场的的数数据据采采集集系系统统采采集集的的实实时时数数据据自自下下而而上上经经过过层层层层汇汇总总，，数数据据的的综综合合性性越越来来越越强强。。在MRPII、ERP系统统产生的的长期计计划的指指导下，，MES根据底底层控制制系统采采集的与与生产有有关的实实时数据据，进行行短期生生产作业业的计划划调度、、监控、、资源配配置和生生产过程程的优化化等工作作。下图图描述了了MES在企业业中的数数据流图图。企业中MES的的数据流流图在信息交交互的具具体内容容方面，，MES向上层层提交周周期盘点点次数、、生产能能力、材材料消耗耗、劳动动力和生生产线运运行性能能、在制制品(WIP)存放位位置和状状态、实实际定单单执行等等涉及生生产运行行的数据据；向底底层控制制系统发发布生产产指令控控制及有有关的生生产线运运行的各各种参数数等。下下图描述述了MES与计计划层和和控制层层的信息息交互关关系。MES与与计划层层和控制制层的信信息交互互与ERP优势互互补1）ERP的不不足虽然ERP能够够很好地地解决生生产计划划问题，，但是在在车间这这一层次次的控制制却往往往不够完完善。而而且ERP系统统中车间间加工单单和调度度单的时时间跨度度（或计计划期））常常比比较长，，通常为为周。但但实际时时间跨度度完全根根据系统统的实施施要求和和控制细细度来确确定。另另外，ERP通通常采集集主要工工序现场场信息的的时候，，基本靠靠手工录录入，不不仅效率率低、易易出错，，而且输输入的数数据是基基本上是是前一个个班或前前一天的的数据，，信息滞滞后。2）MES的优优势MES的的计划调调度功能能与ERP车间间层的功功能有些些类似，，但MES的计计划调度度的功能能比较强强，制定定的计划划也比较较详细；；MES一一般按车车间层和和单元层层分级制制定作业业计划，，并对车车间的每每一台设设备或操操作人员员分派任任务，通通常会细细化到计计划期内内每个单单元每台台设备每每天（或或每班））的生产产任务；；MES系系统反馈馈的数据据不仅包包括每台台设备、、每个工工序和每每个操作作人员的的数据，，还包括括加工过过程中的的状态数数据，而而且采用用自动化化数据采采集技术术实现实实时采集集。综上所述述，如果果把MES与ERP集集成起来来，不仅仅能充分分发挥它它们各自自的优势势，还可可使MES系统统的生产产计划更更合理，，使ERP系统统的数据据更及时时有效，，工作效效率更高高。8.3MES的的应用应应用的行行业差异异MES的的应用，，涉及到到具体的的生产过过程，故故要充分分考虑到到企业的的具体情情况，以以谋求最最合适的的信息化化解决方方案。企业的生生产方式式，主要要可以分分为按定定单生产产、按库库存生产产或上述述两者的的组合。。从生产产类型上上考虑，，则可以以分为批批量生产产和单件件小批生生产。从从产品类类型和生生产工艺艺组织方方式上，，企业的的行业类类型可分分为流程程生产行行业和离离散制造造行业。。典型的流流程生产产行业有有医药、、石油化化工、电电力、钢钢铁等领领域，主主要采用用按库存存、批量量、连续续的生产产方式。。典型的的离散制制造行业业主要包包括机械械制造、、航空制制造、汽汽车制造造等，既既有按定定单生产产，也有有按库存存生产；；既有批批量生产产，也有有单件小小批生产产。流程生产产行业和和离散制制造行业业在产品品结构、、工艺流流程、生生产组织织方式等等方面都都存在较较大的差差别。所所以，在在MES应用上上，要根根据行业业特征区区别对待待，主要要是对MRPII/ERP的的要求不不同，具具体表现现在：1)对生产产模型的要要求不同：：流程生产产行业的生生产模型以以配方为核核心，而离离散行业的的生产模型型以产品BOM为核核心。2）生产计计划方式不不同：流流程企业根根据市场的的需求进行行生产，离离散企业根根据定单或或市场预测测作为生产产计划制订订的依据。。3）作业计计划调度不不同：离散散企业根据据优先级、、工作中心心能力、设设备能力调调度，是基基于有限能能力的调度度；流程企企业是连续续的生产方方式，不需需要也无法法精确到工工序级别，，而是以整整个流水生生产线为单单元进行调调度。4）数据采采集不同：：离散企业业以手工上上报为主，，并可以结结合条形码码采集等半半自动信息息采集技术术；流程生生产行业的的自动化程程度较高，，对于MES而言，，重点在于于系统构建建的时候与与这些自动动化设备做做好数据接接口。5）作业指指令的下达达不同：离离散行业的的MES一一般采用用派工单、、施工单等等书面方式式，或采用用电子看板板方式；流流程生产行行业的MES不仅要要下达作业业指令，还还要将作业业指令转化化为各个机机组及设备备的操作指指令和各种种基础自动动化设备的的控制参数数（如PID控制参参数）。8.3.2MES的实施将MES系系统导入到到企业的运运作体系之之中，企业业需要先完完善管理基基础，根据据自身情况况选择好““合身”的的MES软软件系统，，而后采用用科学的实实施方法充充分准备，，才能促使使MES正正式运行、、发挥效用用。MES的管管理基础信息技术可可以成为提提高企业管管理水平的的有效手段段，但不会会自动地解解决企业的的管理问题题。因为没没有健全的的管理体系系，MES系统信息息的及时维维护就难以以保证，信信息就不能能得到有效效利用。要要想成功实实施MES，企业必必须先在管管理上下功功夫——与与MES密密切相关的的工作，包包括车间环环境、职责责分工以及及人员保障障等方面。。1）定置，，改善车间间环境：是是指通过对对生产和工工作环境的的分析，把把生产和工工作需要的的物品按照照工艺的需需要科学地地确定位置置。2）合理分分工、明确确责职：对对企业的业业务流程进进行合理重重组，去除除重叠的部部门责能，，减少无效效劳动，合合理分工、、明确责职职。3）提供人人员保证：：对不同类类型、不同同层次人员员进行不同同的培训方方式。MES的实实施进程一个典型的的MES实实施进程，，主要包括括前期工作作、实施准准备、模拟拟运行与试试运行、切切换运行以以及新系统统运行几个个阶段，如如下图所示示。MES实施施进程1）项目前前期，打好好基础：MES软硬硬件安装之之前，主要要工作包括括前面提到到的MES培训、车车间现场问问题诊断，，以及需求求分析、软软件选型等等方面的工工作。2）实施准准备，“软软”“硬””兼顾：准准备并录入入一系列基基础数据；；建设好网网络系统；；MES软软件的选型型；进行系系列原型测测试；MES补充开开发。3）运行管管理：进行行实战性模模拟并制定定工作规程程；进行试试运行；切切换运行。。4）业绩评评价和后期期支持。9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。1月-231月-23Sunday,January1,202310、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。20:50:1220:50:1220:5011、以我独沈久，愧君相见频。。1月-2307:17:2007:17Jan-2319-Jan-2312、故人江海别，几度隔山川。。07:17:2007:17:2007:17Thursday,January19,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。。1月-231月-2307:17:2007:17:20January19,202314、他乡生白发，旧国见青山。。19一月20237:17:20上午07:17:201月-2315、比不了得就不比，得不到的就不要。。。一月237:17上午1月-2307:17January19,202316、行动出成果，工作出财富。。2023/1/197:17:2007:17:2019January202317、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。。7:17:20上午7:17上午07:17:201月-239、没有失败，只有暂时停止成功！。1月-231月-23Thursday,January19,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。。07:17:2007:17:2007:171/19/20237:17:20AM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。。1月-2307:17:2007:17Jan-2319-Jan-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。。07:17:2007:17:2007:17Thursday,January19,202313、不知香积寺，数里入云峰。。1月-231