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            制造執行系統

            1 MES 是什么?

            MES系統即制造執行系統 (manufacturing execution system,簡稱MES)是美國AMR公司(Advanced Manufacturing Research,Inc.)在90年代初提出的,旨在加強MRP計劃的執行功能,把MRP計劃同車間作業現場控制,通過執行系統聯系起來。這里的現場控制包括PLC程控器、數據采集器、條形碼、各種計量及檢測儀器、機械手等。MES系統設置了必要的接口,與提供生產現場控制設施的廠商建立合作關系。

            MES系統是一套面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統。MES可以為企業提供包括制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等管理模塊,為企業打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協同管理平臺。

            1.1 MES概述

            MES就是制造執行管理系統,它是企業CIMS信息集成的紐帶,是實施企業敏捷制造戰略和實現車間生產敏捷化的基本技術手段。

            蓋勒普MES系統 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。

            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。

            1.2 MES優點

            采用強大數據采集引擎、整合數據采集渠道(RFID、條碼設備、PLC、Sensor、IPC、PC等)覆蓋整個工廠制造現場,保證海量現場數據的實時、準確、全面的采集;

            打造工廠生產管理系統數據采集基礎平臺,具備良好的擴展性;

            采用先進的RFID、條碼與移動計算技術,打造從原材料供應、生產、銷售物流閉環的條碼系統;

            全面完整的產品追蹤追溯功能;

            生產WIP狀況監視;

            Just-In-Time 庫存管理與看板管理;

            實時、全面、準確的性能與品質分析SPC;

            基于Microsoft .NET平臺開發,支持Oracle/SQL Sever等主流數據庫。系統是C/S結構和B/S結構結合,安裝簡便,升級容易;

            個性化的工廠信息門戶(Portal),通過WEB瀏覽器,隨時隨地都能掌握生產現場實時信息;

            強大的MES技術隊伍,保證快速實施、降低項目風險;

            1.3 MES 的定義

            美國先進制造研究機構(AMR):MES是位于上層計劃管理系統與底層工業控制之間、面向車間層的管理信息系統。它為操作人員、管理人員提供計劃的執行、跟蹤以及所有資源(人、設備、物料、客戶需求等)的當前狀態信息。

            MES 國際聯合會(MESA International):MES 是一些能夠完成車間生產活動管理及優化的硬件和軟件的集合,這些生產活動覆蓋從訂單發放到出產成品的全過程。它通過維護和利用實時準確的制造信息來指導、傳授、響應并報告車間發生的各項活動,同時向企業決策支持過程提供有關生產活動的任務評價信息。

            Michael  McClellan (曾任MESA主席):MES是一個集成的計算機化的系統,它是用來完成車間生產任務的各種方法和手段的集合。

            制造執行系統協會(Manufacturing Execution System Association,MESA):MES能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。當工廠發生實時事件時,MES能對此及時做出反應、報告,并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。這種對狀態變化的迅速響應使MES能夠減少企業內部沒有附加值的活動,有效地指導工廠的生產運作過程,從而使其既能提高工廠及時交貨能力,改善物料的流通性能,又能提高生產回報率。MES還通過雙向的直接通訊在企業內部和整個產品供應鏈中提供有關產品行為的關鍵任務信息。

            MESA在MES定義中強調了以下三點:

            1)MES是對整個車間制造過程的優化,而不是單一的解決某個生產瓶頸;

            2)MES必須提供實時收集生產過程中數據的功能,并作出相應的分析和處理。

            3)MES需要與計劃層和控制層進行信息交互,通過企業的連續信息流來實現企業信息全集成。

            2 企業為什么需要 MES

            近年來,隨著JIT(Just In Time)、BTO(面向訂單生產)等新型生產模式的提出,以及客戶、市場對產品質量提出更高要求,MES才被重新發現并得到重視。同時在網絡經濟泡沫的破碎后,企業開始認識到要從最基礎的生產管理上提升競爭力,即只有將數據信息從產品級(基礎自動化級)取出,穿過操作控制級,送達管理級,通過連續信息流來實現企業信息集成才能使企業在日益激烈的競爭中立于不敗之地。目前,MES在國外被迅速而廣泛地應用。制造執行系統(MES)旨在提升企業執行能力,具有不可替代的功能,競爭環境下的流程行業企業應分清不同制造管理系統的目標和作用,明確MES在集成系統中的定位,重視信息的準確及時、規范流程、利用工具、管理創新,根據MES成熟度模型對自身的執行能力進行分析,按照信息集成、事務處理、制造智能三階段循序漸進地實施MES系統,才能充分發揮企業信息化的作用,提高企業競爭力,為企業帶來預期效益。

            2.1車間層生產管理系統本身發展的需要

            在MES出現之前,  車間生產管理依賴若干獨立的單一功能軟件,如車間作業計劃系統、工序調度、工時管理、設備管理、庫存控制、質量管理、數據采集等軟件來完成。這些軟件之間缺乏有效的集成與數據共享,難以達到車間生產過程的總體優化。

            為了提高車間生產過程管理的自動化與智能化水平,必須對車間生產過程進行集成化管理,實現信息集成與共享,從而達到車間生產過程整體全局優化的目標。

            2.2 MRPII/ERP進一步發展的需要

            MRPII/ERP強調企業的計劃性,好的計劃應該建立在實時、準確、全面信息的基礎之上。

            MRPII/ERP無法及時獲取車間生產現場的實時信息,造成“生產計劃”與“生產信息”不同步,使得計劃的合理性大打折扣。

            因此,必須把“生產”與“計劃”實時關聯起來。但MRPII/ ERP本身無法直接與生產現場的控制層相聯系,作為連接兩者的橋梁,MES應運而生。

            2.3 其它先進制造與管理模式發展的需要

            計算機集成制造系統(CIMS):對車間層制造過程及管理自動化以及與其它分系統集成的需求;

            JIT/精益生產:對生產現場實施“零庫存”控制的需求;

            網絡化制造:對車間生產過程及數據管理信息化、集成化、網絡化的需求;

            敏捷制造:對車間生產過程集成化、智能化、柔性化的需求。

            2.4 相關技術的發展為MES提供了技術支撐

            計算機網絡、數據庫及計算機軟件技術的發展:Internet /Intranet/LAN/Field Bus/MAP,大型分布式數據庫,分布式對象計算、軟總線及組件技術等;

            自動控制與傳感檢測技術:PLC/DCS/SCADA, 智能儀表,數字傳感器,網絡數控技術等;

            計算機輔助生產管理技術的普及與發展:生產計劃與控制,設備管理,工具管理,質量管理與控制,過程管理及工作流技術等。

            3 MES 在國內外的發展狀況

            1990年11月,美國先進制造研究中心AMR(Advanced Manufacturing Research)就提出了MES(制造執行系統)概念。1997年,MESA提出的MES功能組件和集成模型,包括11個功能,同時規定,只要具備11個功能之中的某一個或幾個,也屬MES系列的單一功能產品。2004年,MESA提出了協同MES體系結構(c-MES)。

            20世紀90年代初期,中國就開始對MES以及ERP的跟蹤研究、宣傳或試點,而且曾經提出了 “管控一體化”,“人、財、物、產、供、銷”等頗具中國特色的CIMS、MES、ERP、SCM等概念,只是總結、歸納、宣傳、堅持或者提煉、提升不夠,發展勢頭不快。

            國內最早的MES是20世紀80年代寶鋼建設初期從SIEMENS公司引進的。中國工業信息化基本上是沿著西方工業國家的軌跡前進,只是慢半拍而已。幾乎絕大多數大學和工業自動化研究單位,甚至于國家、省、市級政府主管部門都開始跟蹤、研究MES。從中央到地方,從學會到協會,從IT公司到制造生產廠,從綜合網站到專業網站,從綜合大學到專科院校,都卷入了MES熱潮之中。

            制造執行管理系統(MES)是企業CIMS信息集成的紐帶,是實施企業敏捷制造戰略和實現車間生產敏捷化的基本技術手段。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。返回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,能否根據產品文字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。

            4 MES 產品技術特點

            MES系統能夠幫助企業減低成本、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。

            可伸縮性

            采用SOA耦合應用集成服務技術,通過組件化的軟件相互協同工作,展現超強的可伸縮性,能夠快速響應需求變化,使得系統規模和應用范圍得以實時拓展。

            精確性

            企業追求動態化全程優化管理。MES系統實施精確的實時數據管理,即采集從接受訂單到制成最終產品全過程的各種數據和狀態信息。

            開放性

            MES系統從數據整合、集成整合、應用整合三方面即時解決實際生產過程中的集成和整合困難,實現物料、設備、人事以及信息等各種資源的無縫鏈接。

            承接性

            MES系統承擔企業整個生產的控制層,將上層ERP系統決策管理與下層協調/跟蹤并監控趨勢的執行層二者有機聯系起來,承上啟下,發揮信息橋梁作用。

            經濟性

            MES系統可快速搭建協同作業平臺,降低運營成本及維護成本。

            安全性

            系統安全是企業尤為關注的環節。MES系統支持安全管理與安全集成,以此應對關鍵挑戰和風險,保護核心基礎設施,保證生產順暢。

            5 MES 主要功能

            MES系統監視、收集和組織來自人員、機器和底層控制操作數據以及工序和物料信息,這些數據可由車間手工錄入或由各種自動方式獲取。

            MES制造執行系統是為了實現企業生產車間制造自動化、信息化管理,整體結構設計以及具體操作鏈上的功能模塊都是根據車間生產制造執行的具體過程、特點設計研發的,并將生產制造執行過程與供應鏈管理、企業資源規劃、銷售和客戶服務管理、財務和成本管理、底層生產控制管理、產品及工藝設計等高度集成,實現無縫鏈接,整個過程協調、有序、透明、高效。

            資源分配與狀態:該功能跟蹤資源狀態并維護一個詳細的歷史記錄。它保證設備能夠適時地安裝調整以及其它資源(如文檔)能夠及時獲取。對上述資源的管理包括對操作/詳細調度功能的支持。

            操作/詳細調度:提供基于優先級、屬性、特性以及制造方法與工藝等的作業排序功能,負責生成工序計劃(即詳細計劃)以滿足用戶定義的運行目標。

            分派生產單位:根據生產計劃和詳細排程,指導作業、訂單、批次、工作指令等形式的生產單位的工作流程。以適當的順序分派信息,使在正確的時間到達正確的地點。它具有變更預定排程/生產計劃、以及通過緩沖管理來控制在制品數量的能力。

            文檔管理:控制、管理與交付與生產單位關聯的信息包,包括工作指令、制造方法、圖紙、標準操作規程、零件加工程序、批次記錄、工程更改通知以及交班信息等。它支持編輯預定信息和維護文檔歷史版本。

            數據采集/獲取:獲取和更新用于產品跟蹤、維護生產歷史記錄以及其它生產管理功能的生產信息。它可使用掃描儀、輸入終端、與制造控制者的軟件界面以及其它軟件等方式相結合來完成上述功能。它以手工或自動方式在車間采集最新的數據。

            人力管理:提供最新的人員狀態信息,包括時間和出勤記錄、資質跟蹤以及追蹤起其間接活動的能力。它與資源分配進行交互以確定最優的人員分派。

            質量管理:及時提供產品和制造工序測量尺寸分析以保證產品質量控制,并辨別需要引起注意的問題。它可推薦一些矯正問題的措施。也可以包括SPC/SQC跟蹤、離線檢測操作以及在實驗室信息管理系統(LIMS)中分析。

            過程管理:監視生產過程,自動糾偏或為操作者提供決策支持以糾正和改善在制活動。它可包括報警管理。可能通過數據采集/獲取提供智能設備與MES的接口。(NIST認為過程管理活動已在分派與質量管理中描述;MESA將其單列,是因為該活動可能由一個單獨的系統來執行)

            維護管理:跟蹤和指導設備及工具的維護活動以保證這些資源在制造進程中的可獲性,保證周期性或預防性維護調度,以及對應急問題的反應(報警),并維護事件或問題的歷史信息以支持故障診斷。

            產品跟蹤和譜系:提供所有時期工作及其處置的可視性。其狀態信息可包括:誰在進行該工作;供應者提供的零件、物料、批量、序列號;任何警告、返工或與產品相關的其它例外信息。其在線跟蹤功能也創建一個歷史記錄,該記錄給予零件和每個末端產品使用的可跟蹤性。

            性能分析:提供實際制造操作活動的最新報告,以及與歷史記錄和預期經營結果的比較。運行性能結果包括對諸如資源利用率、資源可獲取性、產品單位周期、與排程表的一致性、與標準的一致性等指標的度量。

            物料管理:管理物料(原料、零件、工具)及可消耗品的運動、緩沖與儲存。這些運動可能直接支持過程操作或其它功能,如設備維護或安裝調整。   

            6 MES 主要作用

            使生產數據即時采集,通過實時數據采集,大大減少系統數據錄入。

            實現對生產數據的即時查詢、歷史查詢和精細化數據分析。

            對不良產品追溯管理,一方面即時處理不良產品維修并及時改進減少不良產品;另一方面,當已銷產品出現不良現象時,及時追溯相關批次,并準確召回不良批次,提高了服務質量,并減少召回成本。

            改進生產工藝,提高產品質量。

            提高生產效率,監控生產工人生產狀況,提高工作積極性。

            準確追溯到不合格供應商,減少不必要的損失。

            合理調配生產資源:人員、物料、生產線等。

            按時交貨,建立良性的供貨關系。

            為降低成本提供有力的數據來源。

            實現零庫存管理,提高企業資金流的運轉。

            7 MES 未來發展

            MES系統正朝著下一代MES(Next-GenerationMES)的方向發展。下一代MES的主要特點是:建立在ISA95標準上、易于配置、易于變更、易于使用、無客戶化代碼、良好的可集成性以及提供門戶(Portal)功能等等,其主要目標是以MES為引擎實現全球范圍內的生產協同。目前,國際上MES技術的主要發展趨勢體現在以下幾個方面:

            MES新型體系結構的發展。一方面,這種基于新型體系結構的MES具有開放式、客戶化、可配置、可伸縮等特性,可針對企業業務流程的變更或重組進行系統重構和快速配置;另一方面,隨著網絡技術的發展及其對制造業的重大影響,當前MES系統正在和網絡技術相結合,MES的新型體系結構大多基于Web技術、支持網絡化功能。

            更強的集成化功能。新型MES系統的集成范圍更為廣泛,不僅包括制造車間本身,而且覆蓋企業整個業務流程。通過建立能量流、物流、質量、設備狀態的統一工廠數據模型,開發模型維護工具,使數據適應企業業務流程的變更或重組的需求,真正實現MES軟件系統的可配置。在集成方式上更為快捷方便和易于實現,通過制定MES系統設計、開發的技術標準,使不同軟件供應商的MES構件和其他異構的信息化構件可以實現標準化互連與互操作以及即插即用等功能,并能方便地實現對遺留系統的保護。

            更強的實時性和智能化。新一代的MES應具有更精確的過程狀態跟蹤和更完整的數據記錄功能,可實時獲取更多的數據來更準確、更及時、更方便地進行生產過程管理與控制,并具有多源信息的融合及復雜信息處理與快速決策能力。有學者曾提出了智能化第二代ⅧS解決方案(MESⅡ),它的核心目標是通過更精確的過程狀態跟蹤和更完整的數據記錄以獲取更多的數據來更方便地進行生產管理,它通過分布在設備中的智能來保證車間生產的自動化。如日本森精機的計算機輔助生產管理系統(CAPS),可通過Internet和通信終端進行遠程實時數據采集、監控與生產管理。

            支持網絡化協同制造。2004年5月MESA提出了協同的制造執行系統(CollaborativeManufacturingExecutionSystems,c-MES)的概念,指出e-MES的特征是將原來MES的運行與改善企業運作效率的功能和增強MES與在價值鏈和企業中其他系統和人的集成能力結合起來,使制造業的各部分敏捷化和智能化。由此可見,下一代MES的一個顯著特點是支持生產同步性,支持網絡化協同制造。它對分布在不同地點甚至全球范圍內的工廠進行實時化信息互聯,并以MES為引擎進行實時過程管理,以協同企業所有的生產活動,建立過程化、敏捷化和級別化的管理,使企業生產經營達到同步化。

            MES標準化(ISA-95)。從1997年開始的國際儀表學會(ISA)啟動了編制ISA-SP95企業控制系統集成標準,ISA-95的目的是建立企業級和制造級信息系統之間的集成規范。ISA于2000年發布了SP95.01模型與術語標準,規定了生產過程涉及的所有資源信息及其數據結構和表達信息關聯的方法;2001年發布了SP95.02對象模型屬性標準,對第一部分定義的內容作了詳細規定和解釋,SP95.01和SP95.02已經被IEC/ISO接受為國際標準;2002年發布了SP95.03制造信息活動模型標準,提出了管理層與制造層間信息交換的協議和格式;2003年發布了SP95.04制造操作對象模型標準,定義了支持第三部分中制造運作管理活動的相關對象模型及其屬性。

            MES的標準化進程是推動MES發展的強大動力,國際上MES主流供應商紛紛采用ISA-95標準,如:ABB、SAP、GE、Rockwell、Honeywell、Siemens等。

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