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1、制 造 业 车 间 生 产 管 理 系 统 （ MES） 及 其 典 型 结 构【摘要】生产执行管理系统（MES）是企业CIMS信息集成的纽带， 是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。本文 介绍了MES 生产管理系统 的 概念、功 能 模 型，以及MES 与ERP 及 现 场 自动化系统 之 间的关系，并 且 描述了MES 系 统的典型结 构 。1、 概 述制 造 业 是 我 国 国 民 经 济 重 要 的 支 柱 产 业 ，在 第 二 产 业 中 占 据 中 心 地位。伴随中国加入 WTO和经济全球化，中国正在成为世界制造业的中 心。中国的制造业企业面临日益激烈的国内外竞
2、争，如何迅速提高企业 的核心竞争力，很重要的一点，就是以信息化带动工业化，加快信息化 进 程 ，走 新 型 工 业 化 道 路 ，实 现 全 社 会 生 产 力 的 跨 越 式 发 展 。 纵 观 我 国 制造业信息化系统 的 应 用 现 状 ， 建 设 的 重点 普 遍 放 在ERP 管理系统和现场自动化系统（Shop Floor Control System, SFC）两 个 方面。但是，由于产品行销在这一、二十年间从生产导向快速地演变成市场导向、竞 争导向，因而也对制造企业生产现场的管理和组织提出了挑战，仅仅依 靠 ERP 和 现 场 自 动 化 系 统 往 往 无 法 应 付 这 新
3、的 局 面 。工 厂 制 造 执 行 系 统 （ Manufacturing Exec ution System, MES ）恰好能填补这一空白。工 厂 制 造 执 行 系 统 MES 是 近 10 年 来在 国 际 上 迅 速发展、面向车间层的生 产 管 理 技 术 与 实 时 信 息系 统 。 MES 可 以 为 用 户 提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、 按期交货、提高产品的质量和提高服务质量。适用于不同行业（家电、 汽车、半导体、通讯、IT 、医 药 ） ，能够对单一的大批量生产和既有多品种小批量生产又有大批量生产的混合型制造企业提供良好的企业信息 管理。
4、目前国外知名企业 应用 MES 系统已经成为普遍现象，国内许多企业也逐渐开始采用这项技术来增强自身的核心竞争力。2、 企 业 计 划层 与 过程 控制 层之 间 的信 息“ 断 层” 问 题我国制 造业多年来采用 的传统生产 过程的特点是“由 上而 下”按计划生产。简单的说是从计划层到生产控制层：企业根据订单或市场 等情况制定生产计划生产计划到达生产现场组织生产产品派送。 企业管理信息化建设的重点也大都放在计划层，以进行生产规划管理及 一 般 事 务 处 理 。 如 ERP 就 是 “ 位 ” 于 企 业 上 层 计 划 层 ， 用 于 整 合 企 业 现 有的生产资源，编制生产计划。在下层的
5、生产控制层，企业主要采用自 动化生产设备、自动化检测仪器、自动化物流搬运储存设备等解决具体生产（制程）的生产瓶颈，实现生产现场的自动化控制。由 于 市 场 环 境 的 变 化 和 现 代 生 产 管 理 理 念 的 不 断 更 新 ，一 个 制 造 型企业能否良性运营，关键是使“计划”与“生产”密切配 合 ，企 业 和车间管理人员可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，作出准确的判 断和快速的应对措施，保证生产计 划得到 合理 而快速 修正。 虽 然ERP 和现场自动化系统已经发展到了非常 成熟的 程度 ，但是 由于ERP 系统 的 服务对象是企业管理的上层，一般对车间层的管理流程不提供直接和详
6、细 的支持 。而 现 场 自动化 系 统的 功能主要在 于现 场设 备和工 艺参 数的监控，它可以向管理人员提供现场检测和统计数据，但是本身并非真正意义上 的管理 系统 。 所 以，ERP 系统 和现场自动 化系 统之 间出现 了管 理信息方面的“断层”，对于用户 车间层面的调度和管理要 求，它们往往显得束手无策或功能薄弱。比如面对以下车间管理的典型问题，它们就难以给 出完善的解决手段： 出现用户产品投诉的时候，能否根据产品号码追溯这批产品 的所有生产过程信息？能否立即查明它的：原料供应商、操作机台、操 作人员、经过的工序、生产时间日期和关键的工艺参数？ 同一条生产线需要混合组装多种型号产品的
7、时候，能否自动 校验和操作提示以防止工人部件装配错误、产品生产流程错误、产品混 装和货品交接错误？ 过去12小时之内生产线上出现最多的5种产品缺陷是什么？ 次品数量各是多少？ 目前仓库以及前工序、中工序、后工序线上的每种产品数量 各是多少？要分别供应给哪些供应商？何时能够及时交货？ 生产线和加工设备有多少时间在生产，多少时间在停转和空 转？影响设备生产潜能的最主要原因是：设备故障？调度失误？材料供 应不及时？工人培训不够？还是工艺指标不合理？ 能否对产品的质量检测数据自动进行统计和分析，精确区分 产品质量的随机波动与异常波动，将质量隐患消灭于萌芽之中？ 能否废除人工报表，自动统计每个过程的生产
8、数量、合格率 和缺陷代码？MES 的定位，是处 于计划 层 和 现 场自动化系统 之 间的执行层，主要 负 责 车 间 生产管理和调 度执行 。 一 个 设计良好的MES 系统可以在统一平台上集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络 报表等管理功能，使用统一的数据库和通过网络联接可以同时为生产部 门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。系统通 过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，协助企业建 立 一 体 化 和 实 时 化 的 ERP/MES/SFC 信 息 体 系 。3、制造执行系统MES及其功能3 1 MES 的 定 义MES 是 美 国 管
9、 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)。MESA International (MES国际联合会
10、)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。MESA协会 白皮书(MESA White Paper , 1997 ) 对 MES 系 统 作 如 下 之 定 义 ： MES 系统在产品从工单发出到成品产出的过程中，扮演生产 活动最佳化的信息传递者。 当事件发生变异时，借着实时正确的信息、生产执行系统规 范、原始工作情况、资料反应及回馈，作出快速的响应以减少无附加价 值之生产活动，提升工厂生产制程的效率。 MES 改善生产条件及准时出货、库存周转、生产毛利及
11、现金流 量 效 益 ， MES 并 且 也 在 企 业 与 供 应 链 之 间 提 供 一 个 双 向 的 生 产 信 息 流 。MESA协会白皮书(MESA White Paper , 1997 )中提出说 明企业 资源规划(ERP) 、MES与控制系统间的作业互动与信息流模式，如图二 所示。图 中 左 边 ERP 等 系 统 需 随 时 注 意 产 品 库 存 量 、客 户 订 单 状 况 与 材 料需求，然 后将这些信息传 送 至MES，由 执 行 系 统 进 行生 产 或 安 排 库 存以满足客户 订单需求。对MES 而言 ， 这一 层 就 是 生 产 的计 划 层 。 中间部分为ME
12、S系统，负责完成产品制造工作，产品的规格、 型 号 、 参 数 等 相 关 资 料 储 存 于 此 系 统 中 ， MES 将 此 产 品 相 关 资 料 转 化 为 作业程序提供给控制系统之作业人员或机器设备来使用。 右边部分为控制系统，当作业程序、相关流程、文件及其它 相关生产需求项目就绪，控制系统便运用所有工厂内相关资源(软、硬 件及人员)负责完成生产制造过程以达成产品生产目标。4 2 MES 的 功 能由MES的定义可见，MES为一系列管理功能，而并非一套软件系 统，它完全可以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
13、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 的各 功 能模型与企 业其 它 信 息化系统的 关 系如图 三 所 示 。 实的 MES 产 品可 能 同时包含了 其中 一 个 或几个功能 模 块。4、MES的典型结构由 于 MES 在 产 品 从 工 单 发 出 到 成 品 产 出 的 整 个 过 程 中 ，扮 演 生 产 活动最佳化的“信息传递者”的角色，MES必然要具有多种功能并且能 够同时为生产、质检、工艺、物流等多个部门服务，这就决定了 MES的 结构设计必须满足以下原则：
14、 MES应该是一个分布式的计算机系统 MES系统能够与企业的其他制造信息系统相联接，从而提供高 效的企业管理功能 “它以生产行为信息为核心，为企业决策系统提供直接的支持 ” (MESA 1997)由于工厂可能会从不同的软件供应商购买适合自己的MES模块，或将车间现 有 的各种管理 系 统集成为MES 功能 的 一 部 分 ， 其 结 果 导 致 许多工厂的MES 系统实际上 是 一个大杂烩 。 每个 系 统 都 有 各 自 的 处 理 逻 辑 ， 数 据 库 ， 数 据 模 型 和 通 信 机 制 。 又 因 为 MES 应 用 常 常 是 要 满 足 关 键 任 务 的系统，这样的系统就很难
15、随技术的更新而进行升级。一个基于统一软硬件平台的MES系统往往采用工业PC/PLC/HMI 等设备作为车间内各生产单元（生产区域）功能站的主要构件，通过对 各个生产单元的数据收集和反馈，组成覆盖全厂或者整个流水线的、满 足 闭 环 生 产 管 理 需 要 的 开 放 式 以 太 网 络 。 采 用 MES 数 据 库 服 务 器 作 为 系 统核心，进行实时数据存取和比照，实现生产信息的监视、控制和生产 过程的管理。系统以大型关系型数据库技术为设计基础，便于大量实时 数 据 的 存 储 、 比 对 、 运 作 ， 产 生 各 类 统 计 分 析 报 表 ， 并 基 于 稳 定 的 Web 应
16、用 ， 提 供 标 准 的 网 际 网 络 的 浏 览 查 询 和 远 程 资 料 索 取 。 当 前 典 型 的 MES 结构模型如图四。在 企 业 内 部 ， 各 功 能 站 通 过 局 域 网 对 MES 服 务 器 进 行 交 互 操 作 ， 同 时 其 他 各 查 询 终 端 也 通 过 局 域 网 查 询 MES 处 理 后 提 供 的 数 据 、报 表 和 图形。在企业外部，通过Internet 可以连接到MES,在设定的权限内对 系统进行信息发布或读取操作。公司内部管理、外部机构以及其它相关 业 务 单 位 通 过 MES 联 系 形 成 了 一 个 紧 密 的 整 体 ， 做
17、 到 实 时 信 息 共 享 ， 使业务流程变得有序而高效。5、 MES与 ERP虽 然 ERP 和 MES 在 功 能 上 具 有 非 常 良 好 的 互 补 性 ，但 是 在 企 业 信 息化建设过程中，它们之间未必需要相互依赖于对方而存在。在生产计 划管理、质量管理和物流管理等方面，MES和ERP系统的功能可以互相 延伸和对接，共同构建更为完善的现代化企业信息管理体系。当企业已 经 存 在 ERP 系 统 时 ， 可 以 将 MES 与 ERP 系 统 进 行 集 成 ， 以 优 化 公 司 的 信 息管理，更加有力地保证商业目标的实现。MES 与 ERP 系 统 集 成 的 优 点 体
18、 现 为 ：, 进一步改进现有的操作流程，实现企业管理层和车间管理层一体化标 准运作，从而更加有效地缩短产品周期，提高劳动生产率。,进一步改造信息技术基础设施，实现公司内部信息和数据的 集中管理，从根本上减少信息和数据内部流通的时间。 配合供应链管理（SCM）系统，减少供应链成本，增强对顾客需 求的快速反应，优化客户服务并提高公司的整体工作效率。 增加财务系统数据当日更新和管理报表即时统计的功能，实现当日结帐的目标。 以实时数据为依据的生成计划更加正确及时地反映整个生产 情况。6、MES的前景MES 是面向车间层的生产管理技术与实 时 信息系统，它是 实 施企业敏捷制 造 战略，实现车间生产敏
19、捷化的基本 技 术手段。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。我 国 企 业 实 施 以 MRPII/ERP 为 主 的 企 业 管 理 软 件 有 将 近 20 年 的 历 史 ， 在 业 界 ， 存 在 着 为 数 庞 大 的 ERP 厂 商 和 开 发 军 团 ， 但 这 部 分 厂 商 只有较少部分会向MES的方向发展，其原因是：MES与工业控制紧密结 合，其研发和实施需要很强的工业自动化基础和工业现场工程经验，这 是一道比较 高的技 术 门 槛，将 很多ERP 类型的 IT厂 商 拒 之门 外 。但 我们也相信，随 着行业 和 经 济规 模 的发展 ，会有相 当 部分 的 IT厂 商 与自 动化厂商、制造型企业合并或紧密合作，在2-3年后，MES厂商可能会如雨 后春笋般涌现，其技术和实施手段也必然将日趋成熟。