微締工廠制造執行系統生產管理軟件(MES系統)
1、概 述
制造業是我國國民經濟重要的支柱產業，在第二產業中占據中心地位。伴隨中國加入WTO和經濟全球化，中國正在成為世界制造業的中心。中國的制造業企業面臨日益激烈的國內外競爭，如何迅速提高企業的核心競爭力，很重要的一點，就是以信息化帶動工業化，加快信息化進程，走新型工業化道路，實現全社會生產力的跨越式發展。
縱觀我國制造業信息化系統的應用現狀，建設的重點普遍放在ERP管理系統和現場自動化系統（Shop Floor Control System, SFC）兩個方面。但是，由于產品行銷在這一、二十年間從生產導向快速地演變成市場導向、競爭導向，因而也對制造企業生產現場的管理和組織提出了挑戰，僅僅依靠ERP和現場自動化系統往往無法應付這新的局面。
工廠制造執行系統（Manufacturing Execution System, MES）恰好能填補這一空白。工廠制造執行系統MES是近10年來在國際上迅速發展、面向車間層的生產管理技術與實時信息系統。MES可以為用戶提供一個快速反應、有彈性、精細化的制造業環境，幫助企業減低成本、按期交貨、提高產品的質量和提高服務質量。適用于不同行業（家電、汽車、半導體、通訊、IT、醫藥），能夠對單一的大批量生產和既有多品種小批量生產又有大批量生產的混合型制造企業提供良好的企業信息管理。目前國外知名企業應用MES系統已經成為普遍現象，國內許多企業也逐漸開始采用這項技術來增強自身的核心競爭力。
2、企業計劃層與過程控制層之間的信息“斷層”問題
我國制造業多年來采用的傳統生產過程的特點是“由上而下”按計劃生產。簡單的說是從計劃層到生產控制層：企業根據訂單或市場等情況制定生產計劃—生產計劃到達生產現場—組織生產—產品派送。企業管理信息化建設的重點也大都放在計劃層，以進行生產規劃管理及一般事務處理。如ERP就是“位”于企業上層計劃層，用于整合企業現有的生產資源，編制生產計劃。在下層的生產控制層，企業主要采用自動化生產設備、自動化檢測儀器、自動化物流搬運儲存設備等解決具體生產（制程）的生產瓶頸，實現生產現場的自動化控制。
由于市場環境的變化和現代生產管理理念的不斷更新，一個制造型企業能否良性運營，關鍵是使“計劃”與“生產”密切配合，企業和車間管理人員可以在最短的時間內掌握生產現場的變化，作出準確的判斷和快速的應對措施，保證生產計劃得到合理而快速修正。雖然ERP和現場自動化系統已經發展到了非常成熟的程度，但是由于ERP系統的服務對象是企業管理的上層，一般對車間層的管理流程不提供直接和詳細的支持。而現場自動化系統的功能主要在于現場設備和工藝參數的監控，它可以向管理人員提供現場檢測和統計數據，但是本身并非真正意義上的管理系統。所以，ERP系統和現場自動化系統之間出現了管理信息方面的“斷層”，對于用戶車間層面的調度和管理要求，它們往往顯得束手無策或功能薄弱。比如面對以下車間管理的典型問題，它們就難以給出完善的解決手段：出現用戶產品投訴的時候，能否根據產品號碼追溯這批產品的所有生產過程信息？能否立即查明它的：原料供應商、操作機臺、操作人員、經過的工序、生產時間日期和關鍵的工藝參數？
· 同一條生產線需要混合組裝多種型號產品的時候，能否自動校驗和操作提示以防止工人部件裝配錯誤、產品生產流程錯誤、產品混裝和貨品交接錯誤？
· 過去12小時之內生產線上出現最多的5種產品缺陷是什么？次品數量各是多少？
· 目前倉庫以及前工序、中工序、后工序線上的每種產品數量各是多少？要分別供應給哪些供應商？何時能夠及時交貨？
· 生產線和加工設備有多少時間在生產，多少時間在停轉和空轉？影響設備生產潛能的最主要原因是：設備故障？調度失誤？材料供應不及時？工人培訓不夠？還是工藝指標不合理？
· 能否對產品的質量檢測數據自動進行統計和分析，精確區分產品質量的隨機波動與異常波動，將質量隱患消滅于萌芽之中？ · 能否廢除人工報表，自動統計每個過程的生產數量、合格率和缺陷代碼？
MES的定位，是處于計劃層和現場自動化系統之間的執行層，主要負責車間生產管理和調度執行。一個設計良好的MES系統可以在統一平臺上集成諸如生產調度、產品跟蹤、質量控制、設備故障分析、網絡報表等管理功能，使用統一的數據庫和通過網絡聯接可以同時為生產部門、質檢部門、工藝部門、物流部門等提供車間管理信息服務。系統通過強調制造過程的整體優化來幫助企業實施完整的閉環生產，協助企業建立一體化和實時化的ERP/MES/SFC信息體系。
3、制造執行系統MES及其功能
3．1 MES的定義
MES是美國管理界90年代提出的新概念。美國先進制造研究機構AMR(Advanced Manufacturing Research)通過對大量企業的調查發現現有的企業生產管理系統普遍由以ERP/MRPII為代表的企業管理軟件，以SCADA、HMI(Human Machine Inteface)為代表的生產過程監控軟件和以實現操作過程自動化，支持企業全面集成的MES軟件群組成。根據調查結果，AMR于1992年提出的三層的企業集成模型（如圖1）。
MESA International (MES國際聯合會)是以宣傳MES思想和產品為宗旨的貿易聯合會，它為了幫助其成員組織在企業界推廣MES制定了一系列研究、分析和開發計劃。MESA協會白皮書（MESA White Paper No.6，1997）對MES 系統作如下之定義：
· MES 系統在產品從工單發出到成品產出的過程中，扮演生產活動最佳化的信息傳遞者。
· 當事件發生變異時，借著實時正確的信息、生產執行系統規范、原始工作情況、資料反應及回饋，作出快速的響應以減少無附加價值之生產活動，提升工廠生產制程的效率。
· MES 改善生產條件及準時出貨、庫存周轉、生產毛利及現金流量效益，MES 并且也在企業與供應鏈之間提供一個雙向的生產信息流。
MESA協會白皮書（MESA White Paper No.3，1997）中提出說明企業資源規劃（ERP）、MES與控制系統間的作業互動與信息流模式，如圖二所示。
圖中左邊ERP等系統需隨時注意產品庫存量、客戶訂單狀況與材料需求，然后將這些信息傳送至MES，由執行系統進行生產或安排庫存以滿足客戶訂單需求。對MES而言，這一層就是生產的計劃層。
· 中間部分為MES 系統，負責完成產品制造工作，產品的規格、型號、參數等相關資料儲存于此系統中，MES將此產品相關資料轉化為作業程序提供給控制系統之作業人員或機器設備來使用。
· 右邊部分為控制系統，當作業程序、相關流程、文件及其它相關生產需求項目就緒，控制系統便運用所有工廠內相關資源（軟、硬件及人員）負責完成生產制造過程以達成產品生產目標。
3．2 MES的功能
由MES的定義可見，MES為一系列管理功能，而并非一套軟件系統，它完全可以是各種生產管理的功能軟件集合。MESA通過其各成員的實踐歸納了十一個主要的MES功能模塊，包括：工序詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文檔控制、產品跟蹤和產品清單管理、性能分析和數據采集。
MES的各功能模型與企業其它信息化系統的關系如圖三所示。實際的MES產品可能同時包含了其中一個或幾個功能模塊。
4、MES的典型結構
由于MES在產品從工單發出到成品產出的整個過程中，扮演生產活動最佳化的“信息傳遞者”的角色，MES必然要具有多種功能并且能夠同時為生產、質檢、工藝、物流等多個部門服務，這就決定了MES的結構設計必須滿足以下原則：
· MES應該是一個分布式的計算機系統
· MES系統能夠與企業的其他制造信息系統相聯接，從而提供高效的企業管理功能
· “它以生產行為信息為核心，為企業決策系統提供直接的支持” (MESA 1997)
由于工廠可能會從不同的軟件供應商購買適合自己的MES模塊，或將車間現有的各種管理系統集成為MES功能的一部分，其結果導致許多工廠的MES系統實際上是一個大雜燴。每個系統都有各自的處理邏輯，數據庫，數據模型和通信機制。又因為MES應用常常是要滿足關鍵任務的系統，這樣的系統就很難隨技術的更新而進行升級。
一個基于統一軟硬件平臺的MES系統往往采用工業PC/PLC/HMI等設備作為車間內各生產單元（生產區域）功能站的主要構件，通過對各個生產單元的數據收集和反饋，組成覆蓋全廠或者整個流水線的、滿足閉環生產管理需要的開放式以太網絡。采用MES數據庫服務器作為系統核心，進行實時數據存取和比照，實現生產信息的監視、控制和生產過程的管理。系統以大型關系型數據庫技術為設計基礎，便于大量實時數據的存儲、比對、運作，產生各類統計分析報表，并基于穩定的Web應用，提供標準的網際網絡的瀏覽查詢和遠程資料索取。當前典型的MES結構模型如圖四。
在企業內部，各功能站通過局域網對MES 服務器進行交互操作，同時其他各查詢終端也通過局域網查詢MES 處理后提供的數據、報表和圖形。在企業外部，通過Internet 可以連接到MES，在設定的權限內對系統進行信息發布或讀取操作。公司內部管理、外部機構以及其它相關業務單位通過 MES 聯系形成了一個緊密的整體，做到實時信息共享，使業務流程變得有序而高效。
5、MES與ERP
雖然ERP和MES在功能上具有非常良好的互補性，但是在企業信息化建設過程中，它們之間未必需要相互依賴于對方而存在。在生產計劃管理、質量管理和物流管理等方面，MES和ERP系統的功能可以互相延伸和對接，共同構建更為完善的現代化企業信息管理體系。當企業已經存在ERP系統時，可以將MES與ERP系統進行集成，以優化公司的信息管理，更加有力地保證商業目標的實現。
MES與ERP系統集成的優點體現為：
· 進一步改進現有的操作流程，實現企業管理層和車間管理層一體化標準運作，從而更加有效地縮短產品周期，提高勞動生產率。
· 進一步改造信息技術基礎設施，實現公司內部信息和數據的集中管理，從根本上減少信息和數據內部流通的時間。
· 配合供應鏈管理(SCM)系統，減少供應鏈成本，增強對顧客需求的快速反應，優化客戶服務并提高公司的整體工作效率。
· 增加財務系統數據當日更新和管理報表即時統計的功能，實現當日結帳的目標。
· 以實時數據為依據的生成計劃更加正確及時地反映整個生產情況。
6、MES的前景
MES是面向車間層的生產管理技術與實時信息系統，它是實施企業敏捷制造戰略，實現車間生產敏捷化的基本技術手段。由于MES強調控制和協調,使現代制造業信息系統不僅有很好的計劃系統，而且能使計劃落實到實處的執行系統。因此短短幾年間MES在國外的企業中迅速推廣開來，并給企業帶來了巨大的經濟效益。
我國企業實施以MRPII/ERP為主的企業管理軟件有將近20年的歷史，在業界，存在著為數龐大的ERP廠商和開發軍團，但這部分廠商只有較少部分會向MES的方向發展，其原因是：MES與工業控制緊密結合，其研發和實施需要很強的工業自動化基礎和工業現場工程經驗，這是一道比較高的技術門檻，將很多ERP類型的IT廠商拒之門外。但我們也相信，隨著行業和經濟規模的發展，會有相當部分的IT廠商與自動化廠商、制造型企業合并或緊密合作，在2-3年內，MES廠商可能會如雨后春筍般涌現，其技術和實施手段也必然將日趨成熟。
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