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柔性制造
柔性制造系统（FMS）
【编者按】柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。
柔性制造技术是技术密集型的技术群，凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的加工技术都属于柔性制造技术。
什么是柔性呢？
柔性可以表述为两个方面。
第一方面是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰（如机器出现故障）情况下，这时系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔性。
“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。
其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。
但价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件。
如果想要获得其他品种的产品，则必须对其结构进行大调整，重新配置系统内各要素，其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下。
刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品，难以应付多品种中小批量的生产。
随着社会进步和生活水平的提高，市场更加需要具有特色、符合顾客个人要求样式和功能千差万别的产品。
激烈的市场竞争迫使传统的大规模生产方式发生改变，要求对传统的零部件生产工艺加以改进。
传统的制造系统不能满足市场对多品种小批量产品的需求，这就使系统的柔性对系统的生存越来越重要。
随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。
柔性已占有相当重要的位置。
柔性主要包括：
●机器柔性当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。
●工艺柔性一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。
●产品柔性一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。
●维护柔性采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。
●生产能力柔性当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。
对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。
●扩展柔性当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。
●运行柔性利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。
柔性制造系统是有一个由计算机集成管理和控制的、用于高效率地制造中小批量多品种零部件的自动化制造系统。
它具有：
●多个标准的制造单元，具有自动上下料功能的数控机床；
●一套物料存储运输系统，可以在机床的装夹工位之间运送工件和刀具；
FMS是一套可编程的制造系统，含有自动物料输送设备，能在计算机的支持下实现信息集成和物流集成，它
●可同时加工具有相似形体特征和加工工艺的多种零件；
●能自动更换刀具和工件；
●能方便地上网，容易于其它系统集成；
●能进行动态调度，局部故障时，可动态重组物流路径。
现代流程企业的制造执行系统
目前FMS规模趋于小型化、低成本，演变成柔性制造单元FMC，它可能只有一台加工中心，但具有独立自动加工能力。
有的FMC具有自动传送和监控管理的功能，有的FMC还可以实现24小时无人运转。
用于装备的FMS称为柔性装备系统。
以国内某大型钢铁企业MES项目为例，讲述了现代流程企业的定义和分类，以及流程企业的供应链模式最后提出了钢铁企业的集成模型。
观察世界生产管理模式的发展趋势可以清晰地看出，企业行为势必从单项、局部的改善向着综合、集成的优化转变，尤其是计划、组织、控制三大职能的整体优化，更是企业实现经营目标和获得竞争优势的难点和重点。
制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem）主要用来解决整体优化中，生产计划与生产过程的脱节问题——这一问题长期以来不仅直接影响企业的生产效率，而且成为制约现代企业内部信息集成和企业之间供应链优化的瓶颈。
本系列讲座，将以国内某大型钢铁企业MES项目为例，详细分析现代流程企业制造执行系统的管理理念、管理方法以及系统实现。
自上世纪八十年代以后，伴随着消费者对产品的需求愈加多样化，制造业的生产方式开始由大批量的刚性生产转向多品种少批量的柔性生产；以计算机网络、大型数据库等IT技术和先进的通讯技术的发展为依托，企业的信息系统也开始从局部的、事后处理方式转向全局指向的、实时处理方式。
1990年11月，美国的IT咨询公司AMR首次提出制造执行系统（MES）的概念，为解决企业信息集成问题提供了一个被广为接受的思想。
针对企业增值过程瓶颈的MES
国际制造执行系统协会（ManufacturingExecutionSystemAssociation，MESA）对MES的定义是，“MES提供为优化从订单投入到产品完成的生产活动所需的信息。
MES运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录工厂活动，从而能够对条件的变化做出迅速的响应、减少非增值活动、提高公司运作过程的效率。
MES不但可以改善设备投资回报率，而且有助于及时交货、加快库存周转、提高收益。
MES在企业和供应链间，以双向交互的形式提供生产活动的基础信息。
”
如此定义，道出了MES的设计、开发、实施都是围绕企业生产—这一为企业直接带来效益的价值增值过程进行的，而针对目前企业信息化建设过程中，通常对生产环节的重视不够的情况，软件厂商根据流程型企业的特点来定制专业化的MES。
现代流程企业的定义和分类
现代流程工业通常是指，以从原料到制成品、兼具物理变化和化学变化的连续性生产过程实现增值的工业。
如此定义也仅仅是将服务业和部分加工行业划分出去，根据企业生产过程中的物流情况对生产企业进行分类，即能区分不同类型企业，又能在准确反映生产增值状况的过程中实现企业从宏观控制到微观协调的科学管理方法。
从“V”型物流情况，易看出其特点：
原材料少、加工路线相似、最终产品种类多，生产过程中“V”型物流占多数的企业如钢铁、炼油等。
而与之相对应的流程行业的一种是“A”型物流为主的企业，如造船厂，具有原材料多、加工路线繁杂、最终产品较少等特点。
介于两者之间就是“T”型物流为主的企业，比如汽车制造厂、装配厂，特点是材料中通用件较多、加工路线、最终产品种类都不算多。
根据上文的说法，严格意义上的流程企业，多数都是“V”型物流为主的，基本上都属于基础性产业，是典型的资本密集型工业，在一定的范围内增加企业规模可以有效降低成本，工艺技术和材料技术已经相当成熟，技术的刚性大。
目前我国流程企业普遍存在的一些弱点主要是规模经济实现程度很低、技术装备仍旧比较落后、产能相对需求过剩，以及产品中高附加值部分所占比例小等等。
实施MES有助于从管理方法和技术层面上改进现状。
流程企业供应链模式
任何生产系统都应实现经济意义,即最优处理生产系统的物流、资金流和信息流,凭借最低的资源消耗生产符合市场要求的产品。
因此在对现代流程工业生产的研究，是从分析其物流、资金流和信息流特点开始的，下面以钢铁企业为例予以说明。
1．物流特点：
多段生产、多段运输、多段存储，物流种类多、工序多且形式不一、并伴有多种原料。
在制品和制成品包括：
铁矿石、粉矿、原煤、生铁、废钢、铁水、钢水、最终产品（板、管、卷、线、型）。
所使用的都是大型设备，成本高、操作复杂，工序连接紧密、作业的连续性强、对时间要求条件高，不仅存在时间平衡和温度平衡问题，还存在资源能力和物流平衡的问题。
2．资金流特点：
企业投资巨大、资金流动频繁、复杂的物流特征，以及为庞大的生产规模做的财务分析，都为资金流的控制增加了难度，必须遵守严格的财会制度并实施灵活的资金管理，才能准确全面和及时地反映企业经营状况，并有效地加以控制。
资金等财务数据的滞后性与控制资金流向的实时性，要求为网络数据库等提供了用武之地。
3．信息流特点：
生产经营活动需要大量的特征值来描述，涉及内容从财务、人事等传统信息管理领域延伸到生产管理领域。
不仅要根据定单进行生产、制定合理的生产计划、实施全面质量管理，还应以对生产过程进行全面监控、数据采集来满足生产管理的实时性要求，不断更新的人员、物料、产品等信息、全面详尽的统计信息，辅助管理者发布最合理的控制信息，从而尽善尽美地实现企业经营目标。
钢铁企业集成模型
在得到企业外部的供应链模式之后，还需对企业内部根据分析需求而进行功能模型设计，对系统按照功能分“层”，而在实现的时候则要按照计算机、网络系统而分“级”。
钢铁企业的经营管理可划分为三层，通过七级实现。
1．计划层：
包括经营决策级和企业计划级。
主要功能模块：
生产经营决策；长期、中长期生产计划编制；财务管理；人力资源管理；采购分销；成本管理；库存管理；定单处理；辅助决策等。
2．执行层：
包括车间生产级和生产调度级。
主要功能模块：
生产调度和作业；质量管理；人员和设备管理；物料追踪和产品追踪；对运作过程的分析。
3．控制层：
包括过程控制级、设备控制级和检测驱动级。
主要功能模块：
生产线范围的监控；自适应控制；设备控制；现场各种信号检测。
制造执行系统现状与发展趋势
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（AdvancedManufacturingResearch）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（HumanMachineInteface）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1AMR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，MESAInternational（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。
2）MES框架模型
①MES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（InformationHub）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。
②MES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：
（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。
（3）生产单元分配：
通过生产指令将物料或加工命令送到某一加工单元开始工序或工步的操作。
（4）文档控制：
管理和分发与产品，工艺规程，设计，或工作令有关的信息，同时也收集与工作和环境有关的标准信息。
（5）产品跟踪和产品清单管理：
通过监视工件在任意时刻的位置和状态来获取每一个产品的历史纪录，该记录向用户提供产品组及每个最终产品使用情况的可追溯性。
（6）性能分析：
将实际制造过程测定的结果与过去的历史记录和企业制定的目标以及客户的要求进行比较。
其输出的报告或在线显示用以辅助性能的改进和提高。
（7）人力资源管理：
提供按分钟级更新的员工状态信息数据（工时，出勤等），基于人员资历，工作模式，业务需求的变化来指导人员的工作。
（8）维护管理：
通过活动监控和指导保证机器和其它资产设备的正常运转以实现工厂的执行目标。
（9）过程管理：
基于计划和实际产品制造活动来指导工厂的工作流程。
这一模块的功能实际上也可由生产单元分配和质量管理来实现。
这里是作为一个单独的系统来实现。
（10）质量管理：
根据工程目标来实时记录，跟踪和分析产品和加工过程的质量，以保证产品的质量控制和确定生产中需要注意的问题。
（11）数据采集：
监视，收集和组织来自人员，机器和底层控制操作数据以及工序，物料信息。
这些数据可由车间手工录入或由各种自动方式获取。
2、MES发展现状
MES作为生产形态变革的产物，其起源大多源自工厂的内部需求，传统的MES（TraditionalMES，T-MES）就是从70年代的零星车间级应用发展起来的，在积累了相当的经验后，逐渐形成了一些从事MES开发的专业公司，并且其系统也开发出了相当成熟的标准。
通常他们都是针对特定的生产类型，或特定的功能需求而开发出较为标准化的MES，并拥有了一定的市场份额（例如美国的Consilium，加拿大的Promise公司都是开发IC厂MES的知名厂商）。
总的来说T-MES可大致分为两大类：
专用的MES系统（PointMES）和集成的MES系统（IntegratedMES）。
专用的MES是指为解决某个特定领域问题，如车间维护、生产调度或SCADA而开发的单独应用系统。
集成的MES则是针对一特定行业如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业而设计，具有一定的通用性。
并且逐步加强了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成能力。
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，或将现有系统（legacysystem）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，系统就很难随技术的更新而进行升级。
为了实现与外部系统的集成，往往采用API技术，OLAP技术和相应的通信机制，这些技术在某种意义上说，也是MES功能的核心部分。
其中，外部应用系统的调用和插入使用API的方式，而应用EDI技术和外部环境进行数据交换。
当前MES的技术模型如图5。
虽然专用的MES能够为某一特定环境提供最好的性能，却常常难以与其它应用集成，集成的MES比专用的MES迈进了一大步，具有一些优点如：
单一的逻辑数据库，系统内部具有良好的集成性，统一的数据模型等等。
但其整个系统重构性能弱，很难随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。
为了解决T-MES的不足，可集成MES（IntegratableMES，I-MES）逐渐成为人们研究的热点。
3、面向敏捷制造的MES—可集成MES（I-MES）
可集成MES通过将面向对象技术，消息机制和组件技术应用到系统开发中，充分结合两类T-MES的优点而发展起来的。
通过采用高效的基础框架既大大增强了系统的集成性和适应性，又能满足关键事物的处理。
NIIIP/SMART协会为整个MES应用领域提出的一个分布式对象和信息交换模型（如图6）代表了发展中MES的技术模型。
从模型中可看出，在面向对象的应用中，每个对象都使用自身具有的功能和方法来操作数据，分别完成系统的各种功能。
而其它功能如：
工作流管理，产品数据管理，知识管理等都从功能逻辑中分离出来。
通过对象请求代理（ORB）（如CORBA,COM/DCOM）可使不同软件商的对象相互交换信息和进行互操作。
NIIIP/SMART所描述的MES技术模型非常适合未来MES的商业应用特征，一个分布式对象框架可以让各种数据和功能逻辑在使用时变得更加紧密。
而且，通过使用小巧简练的对象，可使系统模型在不破坏相互关系的情况下方便地进行客户化定义。
这些特征使实施的MES费用较低同时又具有良好的适应性和柔性。
随着计算机技术的发展，越来越多的MES、ERP、控制系统、产品数据管理、供应链管理和客户关系管理都是以对象的方式来编写代码的。
只要它们遵守统一的ORB，不管它们哪个开发商提供，都可以进行无缝地集成。
现有的应用系统（LegacySystem）只要按正确的方法进行封装也同样能实现系统的即插即用。
通过引入智能代理（Agent）可以有效地实现分布式MES的协同工作，满足虚拟企业中MES应用的要求。
从而实现敏捷制造模式对信息系统的要求，既系统的可重构，可重用和可扩展（3R）特性。
显然建立制造信息系统的体系结构是最重要，也是最基础的事情。
体系结构的好坏直接关系到整个系统的敏捷性能。
目前比较有影响的有基于CORBA的NIIIP-SMART体系结构和基于COM/DCOM的面向制造业的WindowsDNA。
两者各有优势，前者在跨平台及实时任务处理上具有优势，后者则有着广泛的应用基础。
无论采用哪种体系结构，MES都需要解决以下关键问题：
（1）设计面向对象的MES模型以支持应用集成。
（2）设计分布式MES对象网络以支持实时活动。
（3）设计MES工作流模型以支持各种控制策略，加强过程管理。
（4）设计基于知识的规则以支持管理基于MES的产品。
（5）集成CORBA/STEP以实现与PDM的无缝集成。
（6）设计MES智能代理以支持虚拟企业中MES应用。
信息技术的发展和制造企业的竞争需求将带动MES应用技术的不断进步。
从以上分析可将MES总的发展趋势归纳为以下几点：
可集成性（Integratability）、可配置性（Configurability）、可适应性（Adaptability）、可扩展性（Extensibility）和可靠性（Reliability）。
4、结论
制造执行系统（MES）软件弥合了企业计划层和生产车间过程控制系统之间的间隔，是制造过程信息集成的纽带。
MES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，同时也为敏捷制造企业的实施提供了良好的基础。
深刻理解MES这一先进的管理思想，把握它的发展趋势，对于如何在我国正确的研究和推广MES应用具有重要的理论和应用价值。
MES的技术架构
南京航空航天大学楼佩煌教授叶文华教授2003-8-5
中国计算机用户
MES在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用——在MRPII、ERP系统产生的长期计划的指导下，MES根据底层控制系统采集的与生产有关的实时数据，对短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程进行优化。
那么，MES依靠哪些技术、模块实现这一目标？
尤其是与ERP、控制系统如何实现协作呢？
作为一种计算机辅助生产管理系统，MES重要使命就是实现企业的连续信息流。
它包含了许多功能模块。
通过实践，MESA（MES国际联合会）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等模块。
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