使用制造执行系统MES的好处,以及现状及发展趋势探讨

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21世纪的企业面临着日益激烈的国际竞争,要想赢得市场、赢得用户就必须通过实施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,明显感到计划跟不上变化。面对客户对交货期的苛刻要求,面对更多产品的改型,订单的不断调整,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,这些系统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。而传统生产现场管理只是一个黑箱作业,这已无法满足今天复杂多变的竞争需要。因此如何将黑箱作业透明化,找出任何影响产品品质和成本的问题,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已成为目前每个企业十分关心的问题。

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。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竞争力,提供一种系统的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。

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(Advanced Manufacturing Research)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。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。企业认识到只有将数据信息从产品级取出,穿过操作控制级,送达管理级,通过连续信息流来实现企业信息全集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。

随着企业生产模式逐渐向敏捷制造发展,企业业务流程重组(BPR)的实施、企业环境的异构性以及企业间动态联盟的组建等等对MES又提出了更高的要求,传统的MES解决方案难以适应敏捷制造的要求,面向敏捷制造的MES不仅要费用合理更要具有良好的适应性(adptable),可重构性(reconfigurable)和可集成性(integratable),因此,国外许多组织和研究机构开始研究面向敏捷制造的MES。

    一、MES 典型模型

1、 MES内涵
MES的需求是这十多年来生产形态的变革所产生的,因而它的发展史比MIS、MRP、CAD/CAM等要短,但人们对它的研究和应用却开展的非常迅速,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。MES国际联合会对MES的定义是:MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时,MES能对作出及时反应、报告,并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动,有效地指导工厂的生产运作过程,从而使其既能提高工厂及时交货能力,改善物料的流通性能,又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。

从以上定义可看出MES的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。如图反应了MES在企业生产管理中的数据流图和所处地位。

2、MES的框架模型
20世纪80年代后期,随着计算机技术和网络技术的迅速发展,流程工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉;同时,信号处理技术、计算机技术、通信技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式,出现了集控制、优化、调度、管理和经营于一体的综合自动化新模式。

20世纪90年代,随着计算机技术的日新月异,计算机集成生产系统的研究已成为自动化领域的一个前沿课题。国外大型流程工业企业,特别是石油化工企业,均十分重视信息集成技术的应用,纷纷以极大的热情和精力,构架工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统。它以面向数据(而非面向应用)的模型为核心系统,连接实时数据库和关系数据库,对生产过程进行过程监视、控制和诊断、环境监测、单元整合、模拟和优化。并在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、排产、企业资源计划、离线在线模拟与优化等。

据国外资料统计,石油化工企业为提高经济效益所采取的各项控制及优化技术主要有:装置的先进控制技术、库存管理、化验室自动化管理、公用工程优化和生产调度的优化等,其中生产调度的优化产生的经济效益是最明显的。这样,就使流程工业综合自动化系统中原来难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到了解决。目前,这已成为西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论和产品的主流框架。

3、MES的定位模型
MES作为面向制造的系统必然要与企业其它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它应用系统提供生产现场的实时数据。MES的定位模型如图所示,可看出MES与其它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。

    4、MES的功能模型
MES本身也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。实际的产品可能是包含其中一个或几个功能模块。各模块的功能简述如下:
(1)工序详细调度:通过基于有限资源能力的作业排序和调度来优化车间性能。
(2)资源分配和状态管理: 指导劳动者,机器,工具和物料如何协调的进行生产,并跟踪其现在的工作状态和刚刚完工情况。
(3)生产单元分配:通过生产指令将物料或加工命令送到某一加工单元开始工序或工步的操作。
(4) 文档控制: 管理和分发与产品,工艺规程,设计,或工作令有关的信息,同时也收集与工作和环境有关的标准信息。
(5)产品跟踪和产品清单管理: 通过监视工件在任意时刻的位置和状态来获取每一个产品的历史纪录,该记录向用户提供产品组及每个最终产品使用情况的可追溯性。
(6)性能分析 :将实际制造过程测定的结果与过去的历史记录和企业制定的目标以及客户的要求进行比较。其输出的报告或在线显示用以辅助性能的改进和提高。
(7)人力资源管理:提供按分钟级更新的员工状态信息数据(工时,出勤等),基于人员资历,工作模式,业务需求的变化来指导人员的工作。
(8)维护管理: 通过活动监控和指导保证机器和其它资产设备的正常运转以实现工厂的执行目标。
(9)过程管理:基于计划和实际产品制造活动来指导工厂的工作流程。这一模块的功能实际上也可由生产单元分配和质量管理来实现。这里是作为一个单独的系统来实现。
(10)质量管理:根据工程目标来实时记录,跟踪和分析产品和加工过程的质量,以保证产品的质量控制和确定生产中需要注意的问题。
(11) 数据采集:监视,收集和组织来自人员,机器和底层控制操作数据以及工序,物料信息。这些数据可由车间手工录入或由各种自动方式获取。

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