第六章制造執行系統（MES）8.1MES的概念及產生、發展

8.1.1MES的概念

制造執行系統（ManufacturingExecutionSystem，MES）是隨著近十幾年來生產形態的變革而產生的，因而它的發展史比MIS、ERP、CAD/CAM等要短，但人們對它的研究和應用卻開展的非常迅速。MES國際聯合會（ManufacturingExecutionSystemAssociation，MESA）對MES的定義是：“MES提供為優化從訂單投入到產品完成的生產活動所需的信息。MES運用及時、準確的信息，指導、啟動、響應并記錄工廠活動，從而能夠對條件的變化做出迅速的響應，減少非增值活動，提高公司運作過程的效率。MES在企業和供應鏈間，以雙向交互的形式提供生產活動的基礎信息。”從以上定義看出，MES在工廠綜合自動化系統中起著中間層的作用——在MRPII、ERP系統產生的長期計劃的指導下，MES根據底層控制系統采集的與生產有關的實時數據，對短期生產作業的計劃調度、監控、資源配置和生產過程進行優化。其關鍵是強調整個生產過程的優化，它需要收集生產過程中大量的實時數據，并對實時事件及時處理。同時又與計劃層和控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應數據并反饋處理結果和生產指令。因此，MES不同于以派工單形式為主的生產管理和輔助的物料流為特征的傳統車間控制器，也不同于偏重于作業與設備調度為主的單元控制器，而應將MES作為一種生產模式，把制造系統的計劃和進度安排、追蹤、監視和控制、物料流動、質量管理、設備的控制和計算機集成制造接口（CIM）等一體化去考慮，以最終實施制造自動化戰略。8.1.2MES的產生背景21世紀，許多企業通過實施MRPII/ERP來加強管理。然而上層生產計劃管理受市場影響越來越大，計劃明顯跟不上變化。企業決策者認識到，計劃的制訂要依賴于市場和實際的作業執行狀態，而不能完全以物料和庫存回報來控制生產。同時，MRPⅡ/ERP軟件主要是針對資源計劃，通常能處理昨天以前發生的事情（作歷史分析），亦可預計并處理明天將要發生的事件，但對今天正在發生的事件卻往往留下了不規范的缺口，即傳統生產現場管理是一黑箱作業，造成了生產計劃與生產過程的脫節問題——這一問題長期以來不僅直接影響企業的生產效率，而且成為制約現代企業內部信息集成和企業之間供應鏈優化的瓶頸。制造執行系統（MES）恰好能填補這一空白。MES是處于計劃層和車間層操作控制系統SFC之間的執行層，主要負責生產管理和調度執行，彌合了企業計劃層和生產車間過程控制系統之間的間隔。它通過控制包括物料、設備、人員、流程指令和設施在內的所有工廠資源來提高制造的競爭力，提供了一種系統地在統一平臺上集成諸如質量控制、文檔管理、生產調度等功能的方式，從而實現企業實時化的ERP/MES/SFC系統。8.1.3MES的現狀與發展趨勢

MES作為生產形態變革的產物，其根源可追溯到20世紀70年代的零星車間級應用。但MES概念則是美國管理界于20世紀90年代提出的。美國先進制造研究機構AMR(AdvancedManufacturingResearch)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MRPII/ERP為代表的企業管理軟件，以SCADA、HMI(HumanMachineInterface)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。根據調查結結果，AMR于1992年提提出了三層層的企業集集成模型（（見下圖））：目前，一些些從事MES開發的的專業公司司（如美國國的Consilium，，加拿大的的Promise公司等等）擁有一一定的市場場份額。但但這些公司司大多是針針對特定的的生產類型型，或特定定的功能需需求而開發發出MES，存在著著通用性差差、可集成成性弱、重重構能力差差等缺點。。另外，由于于工廠可能能會從不同同的軟件供供應商購買買適合自己己的MES模塊，或或將現有系系統（legacysystem））集成為MES功能能的一部分分，結果導導致許多工工廠的MES系統實實際上是一一個大雜燴燴，每個系系統都有各各自的處理理邏輯、數數據庫、數數據模型和和通信機制制，導致系系統很難隨隨技術的更更新而進行行升級。為了解決MES與外外部系統的的集成問題題，可集成成MES(IntegratableMES，I-MES)逐漸成為為人們研究究的熱點。。I-MES采用高高效的基礎礎框架，通通過將面向向對象技術術、消息機機制和組件件技術應用用到系統開開發中，既既大大增強強了系統的的集成性和和適應性，，又能滿足足關鍵事物物的處理。。I-MES結構分為為以下三個個層次：領領域層(domain-specificlayer)、對象象層(objectlayer)和和基礎架構構層(low-levelinfrastructurelayer)。三層層之間相互互獨立，從從而為I-MES的的實現提供供了技術保保證。I-MES具具有一些優優點，如單單一的邏輯輯數據庫、、統一的數數據模型、、系統內部部良好的集集成性等，，從而能實實現客戶化化、可重構構和互操作作。一個典型的的I-MES系統的的體系結構構：8.2MES的技技術架構8.2.1MES的功能模模塊作為一種計計算機輔助助生產管理理系統，MES重要要使命就是是實現企業業的連續信信息流。MES國際際聯合會歸歸納了十一一個主要的的MES功功能模塊，，包括工序序詳細調度度、資源分分配和狀態態管理、生生產單元分分配、物料料和過程管管理、人力力資源管理理、維護管管理、質量量管理、文文檔控制、、產品跟蹤蹤和產品清清單管理、、性能分析析和數據采采集模塊。。8.2.2MES的獨到技技術MES涉及及的技術領領域，很多多方面與MRPII、ERP所用技技術相類似似。這里僅僅就MES中較有特特色的技術術進行說明明。運行狀態實實時采集技技術：對對機器的開開/停、加加工運行狀狀態進行實實時采集，，為計劃控控制和動態態調度提供供及時、準準確的信息息支持，使使車間管理理與控制真真正做到實實時。NC（NumericalControl，，數控）程程序的傳輸輸技術：：在MES系統中，，NC程序序的雙向傳傳輸主要解解決具有不不同傳輸協協議的數控控系統NC程序的傳傳輸問題。。維修知識庫庫的建立與與維修向導導技術：：是MES的一項關關鍵技術，，它可以實實現輔助故故障診斷，，在對故障障的統計、、歸類分析析的基礎上上，建立故故障現象與與原因之間間的關系，，通過決策策樹的方式式支持故障障診斷。8.2.3MES的優勢攜手上下層層、優化數數據流MES在在工工廠廠綜綜合合自自動動化化系系統統中中起起著著中中間間層層的的作作用用。。在在MES下下層層，，是是底底層層生生產產控控制制系系統統，，包包括括DCS、、PLC、、NC/CNC和和SCADA或或這這幾幾種種類類型型的的組組合合；；在在MES上上層層，，則則是是高高層層管管理理計計劃劃系系統統，，包包括括MRPII/ERP。。從時時間間因因素素分分析析，，在在MES之之上上的的計計劃劃系系統統考考慮慮的的問問題題域域是是中中長長期期的的生生產產計計劃劃（（時時間間因因子子＝＝100倍倍））；；執執行行層層MES系系統統處處理理的的問問題題域域是是近近期期生生產產任任務務的的協協調調安安排排問問題題（（時時間間因因子子＝＝10倍倍））；；控控制制層層系系統統則則必必須須實實時時地地接接收收生生產產指指令令，，使使設設備備正正常常加加工工運運轉轉（（時時間間因因子子＝＝1倍倍））。。它它們們相相互互關關聯聯、、互互為為補補充充，，實實現現企企業業的的連連續續信信息息流流。。從層層次次角角度度分分析析，，制制造造企企業業的的控控制制結結構構可可劃劃分分為為工工廠廠層層（（或或公公司司層層））、、車車間間層層、、單單元元層層（（企企業業的的工工段段或或班班組組））和和設設備備層層。。通通常常，，ERP系系統統處處于于工工廠廠層層和和車車間間層層；；設設備備控控制制系系統統處處于于設設備備層層，，有有時時會會擴擴展展到到單單元元層層；；而而MES則則總總是是處處于于車車間間層層與與單單元元層層。。因因此此，，MES與與ERP在在車車間間層層（（有有時時包包括括單單元元層層））的的功功能能上上會會有有部部分分重重復復。。制造造企企業業的的控控制制結結構構圖圖如上上圖圖所所示示，，計計劃劃與與控控制制指指令令自自上上而而下下越越來來越越詳詳細細與與具具體體，，而而由由分分布布在在生生產產現現場場的的數數據據采采集集系系統統采采集集的的實實時時數數據據自自下下而而上上經經過過層層層層匯匯總總，，數數據據的的綜綜合合性性越越來來越越強強。。在MRPII、ERP系統統產生的的長期計計劃的指指導下，，MES根據底底層控制制系統采采集的與與生產有有關的實實時數據據，進行行短期生生產作業業的計劃劃調度、、監控、、資源配配置和生生產過程程的優化化等工作作。下圖圖描述了了MES在企業業中的數數據流圖圖。企業中MES的的數據流流圖在信息交交互的具具體內容容方面，，MES向上層層提交周周期盤點點次數、、生產能能力、材材料消耗耗、勞動動力和生生產線運運行性能能、在制制品(WIP)存放位位置和狀狀態、實實際定單單執行等等涉及生生產運行行的數據據；向底底層控制制系統發發布生產產指令控控制及有有關的生生產線運運行的各各種參數數等。下下圖描述述了MES與計計劃層和和控制層層的信息息交互關關系。MES與與計劃層層和控制制層的信信息交互互與ERP優勢互互補1）ERP的不不足雖然ERP能夠夠很好地地解決生生產計劃劃問題，，但是在在車間這這一層次次的控制制卻往往往不夠完完善。而而且ERP系統統中車間間加工單單和調度度單的時時間跨度度（或計計劃期））常常比比較長，，通常為為周。但但實際時時間跨度度完全根根據系統統的實施施要求和和控制細細度來確確定。另另外，ERP通通常采集集主要工工序現場場信息的的時候，，基本靠靠手工錄錄入，不不僅效率率低、易易出錯，，而且輸輸入的數數據是基基本上是是前一個個班或前前一天的的數據，，信息滯滯后。2）MES的優優勢MES的的計劃調調度功能能與ERP車間間層的功功能有些些類似，，但MES的計計劃調度度的功能能比較強強，制定定的計劃劃也比較較詳細；；MES一一般按車車間層和和單元層層分級制制定作業業計劃，，并對車車間的每每一臺設設備或操操作人員員分派任任務，通通常會細細化到計計劃期內內每個單單元每臺臺設備每每天（或或每班））的生產產任務；；MES系系統反饋饋的數據據不僅包包括每臺臺設備、、每個工工序和每每個操作作人員的的數據，，還包括括加工過過程中的的狀態數數據，而而且采用用自動化化數據采采集技術術實現實實時采集集。綜上所述述，如果果把MES與ERP集集成起來來，不僅僅能充分分發揮它它們各自自的優勢勢，還可可使MES系統統的生產產計劃更更合理，，使ERP系統統的數據據更及時時有效，，工作效效率更高高。8.3MES的的應用應應用的行行業差異異MES的的應用，，涉及到到具體的的生產過過程，故故要充分分考慮到到企業的的具體情情況，以以謀求最最合適的的信息化化解決方方案。企業的生生產方式式，主要要可以分分為按定定單生產產、按庫庫存生產產或上述述兩者的的組合。。從生產產類型上上考慮，，則可以以分為批批量生產產和單件件小批生生產。從從產品類類型和生生產工藝藝組織方方式上，，企業的的行業類類型可分分為流程程生產行行業和離離散制造造行業。。典型的流流程生產產行業有有醫藥、、石油化化工、電電力、鋼鋼鐵等領領域，主主要采用用按庫存存、批量量、連續續的生產產方式。。典型的的離散制制造行業業主要包包括機械械制造、、航空制制造、汽汽車制造造等，既既有按定定單生產產，也有有按庫存存生產；；既有批批量生產產，也有有單件小小批生產產。流程生產產行業和和離散制制造行業業在產品品結構、、工藝流流程、生生產組織織方式等等方面都都存在較較大的差差別。所所以，在在MES應用上上，要根根據行業業特征區區別對待待，主要要是對MRPII/ERP的的要求不不同，具具體表現現在：1)對生產產模型的要要求不同：：流程生產產行業的生生產模型以以配方為核核心，而離離散行業的的生產模型型以產品BOM為核核心。2）生產計計劃方式不不同：流流程企業根根據市場的的需求進行行生產，離離散企業根根據定單或或市場預測測作為生產產計劃制訂訂的依據。。3）作業計計劃調度不不同：離散散企業根據據優先級、、工作中心心能力、設設備能力調調度，是基基于有限能能力的調度度；流程企企業是連續續的生產方方式，不需需要也無法法精確到工工序級別，，而是以整整個流水生生產線為單單元進行調調度。4）數據采采集不同：：離散企業業以手工上上報為主，，并可以結結合條形碼碼采集等半半自動信息息采集技術術；流程生生產行業的的自動化程程度較高，，對于MES而言，，重點在于于系統構建建的時候與與這些自動動化設備做做好數據接接口。5）作業指指令的下達達不同：離離散行業的的MES一一般采用用派工單、、施工單等等書面方式式，或采用用電子看板板方式；流流程生產行行業的MES不僅要要下達作業業指令，還還要將作業業指令轉化化為各個機機組及設備備的操作指指令和各種種基礎自動動化設備的的控制參數數（如PID控制參參數）。8.3.2MES的實施將MES系系統導入到到企業的運運作體系之之中，企業業需要先完完善管理基基礎，根據據自身情況況選擇好““合身”的的MES軟軟件系統，，而后采用用科學的實實施方法充充分準備，，才能促使使MES正正式運行、、發揮效用用。MES的管管理基礎信息技術可可以成為提提高企業管管理水平的的有效手段段，但不會會自動地解解決企業的的管理問題題。因為沒沒有健全的的管理體系系，MES系統信息息的及時維維護就難以以保證，信信息就不能能得到有效效利用。要要想成功實實施MES，企業必必須先在管管理上下功功夫——與與MES密密切相關的的工作，包包括車間環環境、職責責分工以及及人員保障障等方面。。1）定置，，改善車間間環境：是是指通過對對生產和工工作環境的的分析，把把生產和工工作需要的的物品按照照工藝的需需要科學地地確定位置置。2）合理分分工、明確確責職：對對企業的業業務流程進進行合理重重組，去除除重疊的部部門責能，，減少無效效勞動，合合理分工、、明確責職職。3）提供人人員保證：：對不同類類型、不同同層次人員員進行不同同的培訓方方式。MES的實實施進程一個典型的的MES實實施進程，，主要包括括前期工作作、實施準準備、模擬擬運行與試試運行、切切換運行以以及新系統統運行幾個個階段，如如下圖所示示。MES實施施進程1）項目前前期，打好好基礎：MES軟硬硬件安裝之之前，主要要工作包括括前面提到到的MES培訓、車車間現場問問題診斷，，以及需求求分析、軟軟件選型等等方面的工工作。2）實施準準備，“軟軟”“硬””兼顧：準準備并錄入入一系列基基礎數據；；建設好網網絡系統；；MES軟軟件的選型型；進行系系列原型測測試；MES補充開開發。3）運行管管理：進行行實戰性模模擬并制定定工作規程程；進行試試運行；切切換運行。。4）業績評評價和后期期支持。9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業業貧。。1月-231月-23Sunday,January1,202310、雨中黃葉樹樹，燈下白頭頭人。。20:50:1220:50:1220:5011、以我獨沈久，愧君相見頻。。1月-2307:17:2007:17Jan-2319-Jan-2312、故人江海別，幾度隔山川。。07:17:2007:17:2007:17Thursday,January19,202313、乍見翻疑夢，相悲各問年。。1月-231月-2307:17:2007:17:20January19,202314、他鄉生白發，舊國見青山。。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、行動出成果，工作出財富。。2023/1/197:17:2007:17:2019January202317、做前，能夠環視四周；做時，你只能或者最好沿著以腳為起點的射線向前。。7:17:20上午7:17上午07:17:201月-239、沒有失敗，只有暫時停止成功！。1月-231月-23Thursday,January19,202310、很多事情努力了未必有結果，但是不努力卻什么改變也沒有。。07:17:2007:17:2007:171/19/20237:17:20AM11、成功就是日復一日那一點點小小努力的積累。。1月-2307:17:2007:17Jan-2319-Jan-2312、世間成事，不求其絕對圓滿，留一份不足，可得無限完美。。07:17:2007:17:2007:17Thursday,January19,202313、不知香積寺，數里入云峰。。1月-231