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制造执行系统现状与发展趋势

2002/7/23    来源:AMT-企业资源管理研究中心    作者:曹江辉  王宁生      
关键字:制造执行系统  MES  

    引言

    21世纪的制造企业面临着日益激烈的国际竞争,要想赢得市场、赢得用户就必须全面提高企业的T、Q、C、S、E。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,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。因此如何将此黑箱作业透明化,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每个企业所关心的问题。
    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。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。根据调查结果,AMR于1992年提出的三层的企业集成模型(如图1)。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。因此短短几年间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(基础自动化级)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),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。然而,国内对MES概念和应用的研究却不太多,更不说有成熟的软件产品。随着企业计算机应用的不断推广,企业信息化应用水平逐渐提高,企业越来越需要车间执行层的管理信息系统。因此如何深刻理解MES内涵,把握它的发展趋势,在我国企业中开发和应用MES,对于提高企业竞争力,缩小与发达国家企业差距是迫在眉睫的事情,也将是企业信息化水平深层次推进的需要。

    图1 AMR三层企业集成模型

    1、 制造执行系统(MES)

    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的定义如下: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能对此及时作出反应、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。图2反应了MES在企业生产管理中的数据流图和所处地位。

    图2 MES在企业中数据流图

    2) MES框架模型
    ① MES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3
    从图3中可看出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。

    ② MES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。MES的功能模型如图4所示。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:

    图3 MES定位模型
    (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。

责任编辑:张宋
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