制造执行系统MES的发展和挑战Word格式.docx

1、按理在生产制造计划中，ERP支持MES的管理模式，通过MES支持不同行业（就大的分类而言，主要是离散制造业，流程工业和批量流程工业）的管理模式。但仍然需要化大力气去解决ERP与MES之间，如何针对特定工业企业建立协同作用的解决方案和实际存在的问题。 在典型的ERP软件平台中，财务管理（包括会计核算，财务管理）、生产控制（包括生产计划，制造）、物流管理（包括采购，库存管理，销售）和人力资源管理等是基本功能模块。 过去的若干年来，ERP在国内得到了较广泛地重视，一些企业花了大量资金上ERP。但就一般情况而言，商业企业从ERP中获得的利益比较明显，而工业企业却没有那么幸运，甚至受到不同程度的损害。这

2、一现象并非我国独有，在工业发达国家也是如此。美国ARC公司调查结果说，53%的客户反映ERP对工厂生产存在负面影响。怪不得有人说：“不上ERP是等死，上了ERP是找死。”这里反映出在ERP实施过程中确实存在一些不可忽视的问题，其中最主要的是光有ERP并不能帮助和指导工厂分析其生产的瓶颈、改进和控制产品的质量，以及对具体的产品生产进行排产；ERP不但没有调动工厂管理人员的积极性，反而把他们降格为一种信息的收集者：ERP虽有生产控制模块，但难以真正在工厂层中使用：而不加分析和改进这些问题，其结果则是将IT推离、而不是融入工厂的生产活动。 但是对于一个企业，如果仅仅从生产工厂的视角来分析其在竞争中所

3、处的地位，显然是短视的。即使是最好的MES解决方案，对于整个企业来讲，也不过是提供一个相对狭窄的视角，缺乏在管理层为进行决策支持所需要的生产执行数据的广度和深度。这就启示我们，完整的、能够引导一个企业保持长期的业务利益和价值的企业信息系统，必须是控制、制造执行系统MES和企业规划系统ERP三者协同作用的整合。可惜的是，在人们认识到ERP的重要作用的同时，并不曾给予MES足够的重视。更何况上ERP项目动辄要投资上千万，甚至上亿元。一般中小企业难以承担，即使是大型企业化那么多钱也不是轻而易举的。当前摆人们面前的严峻问题是，如何使对企业信息技术网络的投资能迅速取得回报？看来正确认识MES的作用和正确

4、地发挥MES的作用，是非常关键的事情。本文将重点放在至今在国内尚未引起足够注意的MES，以期对这个沟通ERP和生产制造的控制系统之间的关键环节（见图1）给予应有的重视。图1 MES是上承ERP、下接控制系统的桥梁2、MES的定义 在给出制造执行系统MES定义前，先看制造系统的定义。制造系统由一系列包括机器、工具、物料处理设备和人员等元素组合而成，目的是把原材料转化为成品。系统的输入是除原材料以外，还有信息（顾客定单、系统现行状况等），资本（资金、设备和固定资产）和能源（劳动力、电力和辅助能源等）：系统的输出是成品、信息、废品和利润。制造系统包括对系统进行支持、操作和控制的所有功能，维护、工程、

5、人力资源、财务、销售和市场营销也是制造系统资源的一部分。图2示出了以系统的角度看制造过程的示意图。图2 以系统的角度看制造过程 在制造系统生产控制上，20多年来存在着两种不同的方法：基于成本控制机制的制造系统（LEAN）和基于运行状况控制机制的制造系统（MES）。二者有很大的区别，尤其是在产品成本、质量和产出时间等参数上的要求等方面。LEAN强调成本和效率，不考虑弹性和速度，如果订货批量小、要求高，影响成本和效率，按照LEAN的理念只能不接受订货。现在管理的理念更注重弹性和和响应速度，不采用建立在计算机信息化基础上的MES，又如何得以实现！近年来出现了将二者优点结合起来的整体设备效能（over

6、all equipment effectiveness，OEE）概念，综合考虑可用性、性能和质量等因素。 按照国际MES协会所给出的定义2，MES提供从接受订货到制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信息。它采用当前的和精确的数据，对生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变化的生产状态和条件作出快速反应，重点削减不会产生附加值的活动，从而推动有效的工厂运行和过程。MES改善运行设备的回报，以及改善及时交货、库存周转、毛利和现金流通性能。MES通过双向通信，提供整个企业的生产活动以及供应链中以任务作为关键因素的（mission critical）信息。其关键词是精确的

7、实时数据，这是以业务为基础的（transaction-based）ERP和MRP-II系统未曾加以考虑的。 美国AMR研究公司对MES也有自己的定义3：MES是一个常驻工厂层的信息系统，介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间。它以当前视角向操作人员/管理人员提供生产过程的全部资源（人员、设备、材料、工具和客户要求）的数据和信息。其着重点是将信息技术运用于改善制造过程。在AMR的MES集成企业模型中分为3层：承担企业全面管理，包括会计/财务系统的管理决策层ERP：承担工厂级协调/跟踪/发现并监控趋势的执行层MES：承担工厂生产控制的控制层。 美国的国家标准研究所（NIST）有

8、关MES定义的表述是：为使从接受订货到制成最终产品全过程的管理活动得以优化，采集硬件/软件的各种数据和状态信息。 由上可知，关于MES的定义存在一些不同的表述。但以下几点共识还是普遍被接受的： MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。 MES采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管理活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。 从对实时的要求而言，如果说控制层要求的实时的时间系数为1，那么，MES的时间系数为10，ERP的时间系数为100（见图3）4。图3 MES中数据流和响应时间要求3、我们为什么需要MES? 在许多工厂中其全厂

9、管理的功能目前仍然由文件和人工系统进行，通常有经验的人员执掌着工厂生产效益的钥匙。在大多数运行中，人工系统和有经验运行人员的判断总是起着重要作用（见图4）。 但是，市场要求产品的品种和数量经常变化，靠人工和经验调整生产显然效率低、反应慢、缺乏竞争力。而且人工系统也不可能适应产品、工艺、技术和用户要求日趋加速的变化。由于生产运行变化如此迅速，MES的信息对及时性要求以“分”，甚至“秒”的速度进行反应，此时光靠人恐怕不行。因此，采用MES带来的效益不言而喻（见图4）5。ERP/MRP的环境是以具体事务为基础的。其数据交换系对生产调度、运输安排或对生产计划要求的响应。与此不同的是，控制的决策必须在“

10、秒”级，甚至更短的时间内完成，它对生产过程、操作人员，或对材料的操作需求做出响应。显然，实时环境和实时响应的差异影响着绝大多数的具体业务及其在控制层的执行。传统的数据流和控制流在ERP与控制层之间存在着巨大的鸿沟。传统的信息管理系统向主管财务的总经理和财务管理负责人报告，居于管理层：而传统的工程生产信息则向负责生产的总经理报告：职责不同，相互之间的沟通不一定能做到及时且细致深入。 与此相反，MES能提供的材料数据是与生产消耗相关的，同时能生成基于精确执行时间的材料供应提前量，这将改善仓储控制。准确的生产模型是与实际测量相对于计划时间表的关系紧紧相连的，因而可用来修正过程模型，而且有助于精确表达

11、生产计划的实时行为。 在当今激烈竞争的世界经济中，要占有“最有价值”的地位，必须使企业具有最好的质量、最佳的客户服务、最低的制造成本、快速响应，以及灵活性的特点。而要达到这样的水平，就必须在正确的时间提供正确的信息才可能进行最佳的决策。这就要求不断地对公用的数据库进行改善，同时让每个部门都拥有把数据转化为有用信息的工具。怎么能做到这些呢？唯有MES才能真正向企业提供以上这些功能。4、MES在信息系统体系结构中的地位5 主要的制造信息系统有：ERP（企业资源计划）、SCM（供应链管理）、SSM（销售和服务管理）、P/PE（产品和过程工程），以及MES（制造执行系统）和控制。这些系统每一个都有其一

12、定的功能，包括若干不同的模块。它们之间存在一些重叠，如调度可能出现在MES和SCM：劳务管理出现在MES、SSM，ERP中的人力资源（HR）功能模块中：文件管理出现在MES和P/PE：过程管理出现于MES和控制中。 ERP包括财务，订货管理，生产和材料计划，以及相关功能：SCM包括预测、分配和后勤，运输管理、电子商务以及高级计划系统：P/PE包括计算机辅助设计/制造（CAD/CAM），过程建模，以及产品数据管理（即PDM）：控制包括DCS、PLC、SCADA、DNC（分布式数控），以及其它计算机化控制装置。5、MES与其它系统的关系图5 MES与其它系统的关系模型 图5给出了MES和ERP、S

13、CM、SSM、P/PE，以及控制系统之间实施数据交换的相互关系。主要是：MES作为生产制造系统的核心向其它系统提供有关生产的数据： MES向ERP提供实际生产数据，如成本、周期时间、产出和其它生产数据。 MES向SCM提供实际订货状态、生产能力和容量、班次间的约束等。 MES向SSM提供在一定时间内根据生产设备和能力成功进行报价和交货期的数据。 MES向P/PE提供有关产品产出和质量的实际数据，便于CAD/CAM作适当调整。 MES向控制提供在一定时间内使整个生产设备以优化的方式进行生产的工艺规程、配方和指令等，将其下载。6、其它信息系统向MES提供的数据 MES也从其它系统取得数据，以保证工

14、厂的智能化操作运行。例如ERP的生产计划模块供给MES作工作调配：供应链向MES提供计划和调度是为了确定工厂生产活动的时间表：销售/服务的配置和报价模块为MES提供生产信息的底线：P/PE向MES发出工作指令，配方（recipe，泛指一组相互关连的工艺数据，也可能是一组材料的比例），工艺规程和运行参数：来自控制的数据用作测量实际性能和操作条件。7、MES的功能模型5 照MESA的定义，MES共有11个功能模块（见图6）。图6 MES的功能模型 包括： （1） 资源（包括机械设备，工具，熟练劳工，材料，其它设备及文挡等）配置和状态模块 为了启动运行，资源必须是可供使用的。该模块提供资源的详细历史

15、记录，确保设备已做好加工处理的准备，并能提供实时状态。资源管理包括为满足生产调度目标的储备和调配。 （2） 生产单元（以任务、订单、批次、批量和工作命令等形式表达）调度模块 调度信息以必须完成的工件的顺序予以表述，而且当工厂级有事件发生时要实时修改。本模块具有改变工厂级规定计划的能力。还提供返工处理和废品处理，以及在任何具有缓冲管理的点控制生产流程中工件数量的能力。 （3） 文件/文挡控制模块 按生产单元控制和保存，包括工作指令、配方、图纸、标准操作规程、零件计划、批量记录、工程变更通知、交班记录等在内的记录文件：以及具有将上述文件以计划形式和以完成形式进行编辑的能力。该模块还要向生产执行部门

16、下达指令，包括向操作人员提供数据，或向设备控制提供配方。它还包括对环境、卫生保健和安全法规的控制和完善，以及ISO 9000的相关信息（如纠正动作程序）。存储历史数据。 （4） 数据采集/获取模块 此模块提供为采集/获取生产操作的内部数据和参数的链接接口，这些数据将分发至有关文件和记录中。数据以“分钟”为刷新单位，直接从装置自动采集，或由人工输入。 （5） 质量管理模块 （6） 维护管理模块 （7） 性能分析（提供不超过以“分”为计时单位的实际制造运行结果的报告，包括SPC/SQC）模块 （8） 运行细节计划编制与调度模块（提供按“分钟”为时间单位编制的基于优先级、属性、特性和/或与具体特性相

17、关的配方、工艺等的安排顺序） 为了详细计算精确的时间或装置的负荷，该模块应识别交替操作和重叠/并行操作。 （9） 劳务管理模块 （10） 过程管理（监控生产，并自动校正或向操作人员提供决策支持，以校正和改善生产流程中的活动）模块 （11） 产品跟踪模块图4 采用MES取代人工决策的工厂信息系统由于每个行业的生产和流通流程不同，还有其特定的行规，不同的行业对MES的要求和着重点是完全不同的。例如电子工业通常要求MES着重于建立精确的产品记录，即使产品经常变化，以及工艺和设计经常变化的情况下仍有精确记录。纺织行业、食品工业以及许多批量处理的行业，使用MES是为了改善设备利用率，保证不间断的批量记录

18、，进行配方管理和加速生过程。宇航和军工企业需要MES能满足在线的工作指令，在加工过程中保持出错几乎为零，对产品进行完整的历史记录以保证法规和用户的检验，以及跟踪大项目的进程。制药行业通常要求MES能精确地进行便于管理的批量记录，证明产品符合法规。甚至同一个行业中不同企业也各具特色。但是，最大的差异应该发生在流程工业与离散工业之间。 表1示出流程工业与离散工业的异同： 由表1可见，MES软件包总是针对某一个行业的特定要求而开发的。MES具体的应用程序开发和应用服务的工作量相当大，可能占工作量的70-80%，也相当专业化。这就往往造成MES的开发成本和应用成本过高，反过来又影响MES的大面积的推应

19、用。7、MES带来的效益 基于MES用户的经验，使用MES所带来的价值很可观，相比于其它任何制造软件，MES应该是最具吸引力的： 平均减少制造周期时间45%； 一般减少数据输入时间为75%以上； 平均减少半成品（WIP）24%； 平均减少为交班而准备的纸面工作61%； 平均减少引导时间27%； 平均减少纸面工作和设计蓝图所带来的损失56%； 平均减少产品缺陷18%。 以上列举的若干统计数据，是由国际MESA协会通过调查研究确定的，具有充分的根据6的。8、ISA SP95-正在形成中的MES标准 为了进一步规范MES，正在制定和发展企业信息整合（集成）标准和模型7，但是大多数是针对一种特定的工业

20、门类或类似的几种工业门类的。例如，欧洲技术委员会CEN TC310 WG1正在为制造业制订高级信息集成解决方案。Aachen Information Systems在为化学工业开发数据库和元数据库（meta-database）信息集成。ISO正在开发生产数据交换标准STEP（STandard for Exchange of Product data），为供应链系统提供统一的数据结构。从1997年开始美国仪表学会起动了编制ISA SP95企业控制系统集成标准的工作，如表2所示，还有ISA的批量控制标准ISA SP88。图7 ISA SP95.00.01的MES功能模型表2 ISA SP95企业与

21、控制系统集成标准 已经成为ISA正式标准的ISA SP95.00.01企业控制系统，集成 第1部份“模型和专用术语”目前已被国际标准组织IEC/ISO所接受，正在发展成为国际标准。它详细规定了业务经营和后勤支持系统与生产运行系统之间的接口。其功能模型（参见图7）主要依据国际MES协会提出的模型和美国普渡大学著名教授T.Williams指导下提出普渡企业参考体系结构PERA8，9。 ISA SP95.01标准规定，在选定时间内生产过程涉及的所有资源称为生产能力信息，简称产能信息。它包括4种主要资源类型：人员，材料，设备和过程分段（process segment）。前3种资源定义表示人员、材料和设

22、备的信息，可进行静态或动态数据交换：第4种资源从制造过程的角度向经营管理系统提供关于材料、劳力和设备的计划和成本的信息。产能又可分为有用产能、已用产能和无用产能。有用产能是可使用的产能的理论最大值。标准规定了4种交换信息集合：产能信息，产品信息，生产要求和生产响应。这些信息的动态交换通常是在系统之间进行，也是当前大多数经营管理与制造信息集成的基础。标准定义了这类数据结构和表达这些信息之间的复杂相互关系的方法。 （1） 产能信息界定经营管理调度所需要的信息； （2） 产品信息界定包括生产一种单一产品（或某种产品一个生产批次）所需要的材料、设备和人员信息； （3） 生产要求或称排产调度（produ

23、ction schedules）界定安排进行生产的工厂及相关材料、设备和人员信息； （4） 生产响应或称生产特性界定实际生产的工厂和实际所用的材料、设备和人员信息。 ISA SP95.00.02企业控制系统集成 第2部分“数据结构和属性”在2001年上半年成为ISA的正式标准。该部分并未增加任何有关集成模型的新概念，但是对第1部分所定义的内容作出详细的规定，并通过举例和图解进行进一步的解释。例如按可使用的人员、所用的材料和已加工的材料所用的设备，以及所用的排产调度和成本控制的流程段来描述生产信息。 在该标准的第1和第2部分没有对系统之间的信息交换规定一种正式的协议或详尽的格式，仅仅提供了发生交

24、换的基础。正在编制中的第3部分将要定义为了最终达到企业信息集，而必须对发生在生产制造与经营管理和后勤支持系统之间的各种活动进行非对称采集的模型。 ISA SP95的第三部分试图通过定义和详细规定发生在管理层与制造层之间的数据流和功能来重点解决互操作性的问题。它定义最小或基本功能（组件），以及包括支持管理层与制造层之间交换信息在内的数据流。借助于用一种共同语言，使用户和MES开发、供应商都能以更有效和精确的方法交流、描述自己的要求，表达可提供MES软件包和服务的能力。该标准还具备灵活性，允许MES开发、供应商增加其附加值的功能。例如一个用户要实现一种新的数据历史记录功能，他发现由SP95定义的8

25、个数据历史记录功能中5个可满足其要求。如果某种功能超出了SP95的范围，那么用户可以寻求一个供应商其软件产品既符合SP95，又能提供额外的功能。 对ISA SP95标准最严峻的挑战是，它必须满足多种工业和行业对企业信息集成的需要。它必须搞成一个适用于食品工业、化学工业，以及电子工业这些不同类型的工业的跨行业的定义集合，从而保证ISA SP95可以成为复盖离散型制造业、连续流程制造业和批处理流程制造业的MES的标准。9、从MES入手，目标是降低风险，提高投资回报率 面向制造业和过程工业的ERP在经历了90年代后期的稳健增长后，在2001年和2002年有显著地下降。软件包的许可证收入受到的打击最厉

26、害，而服务的收入继续强劲。同时在大规模的ERP项目已趋于饱和后，大多数ERP供应商正在全力开发中小规模项目的市场10。这说明，如何使在企业信息技术网络的投资迅速取得回报，引起企业管理层的极度重视，目前广大的制造业和流程工业正在把投资转向工厂级的IT项目聚焦于MES，或在2001年ISA展览会上称的工厂软件11上。因为从这里切入，显然要比大把大把的钱花在无尽头的企业IT改造的风险低得多。据称，一个典型的工厂信息项目其投资回收周期少于12个月。这种投资回报易于定量，且完全可用真实的工厂数据加以检验12。 在经历过去十年多的努力实践和改进，MES技术显著地变得成熟。它不但有着明确的定义、统一的名词术

27、语和参考模型，而且正在制定相关的包括MES基本功能、XML扩展标记语言纲要等在内的标准，甚至出现了所谓最佳实践的微软的解决方案架构和通用建模语言（Microsoft Solution Framework and Universal Modeling Language）。不过我们还应有清醒的认识：如果没有恰当的规划，MES的挑战仍然是高风险的。只有把目标确定为既保证易于在MES本身内部和ERP、SCM等组合的灵活性，又能采用不断改进的新制造工艺的优点的同时，求取制造过程的优化，才能渐进地、逐步地通过MES的实践取得高投资回报12。10、MES正面临着许多挑战 MES面临着许多挑战，这些挑战相互有

28、关，而且因各别环境而相互关连的权重也存在差异。就其典型情况而言，在这些挑战中，80%属于企业文化的范畴，只有20%才属技术范畴。这些挑战主要是： （1） 如何取得工厂和企业形成双赢局面 如果工厂人员拒绝引入MES和拒绝对自动化系统作相应的改造，或者如果企业领导层不理解或不支持工厂的改造，再好的MES的应用也会沦为失败。 （2） 不同行业之间的MES应用存在巨大差异 对不同行业的MES的形态结构，应该抓住对MES系统维护的矛盾。MES是一种应用于工厂的动态的IT解决方案，经常因产品、流程、以及新老产品的产出比例发生变化而不断地有所改变。由于数据库的应用软件实现由过程要求和具体事务的负荷导出的数据模型，所以当过程或产品发生改变，数据模型也必须相应“迁移”。其中包含报表结构和数据关系的规格化，以及增加数据负荷。如果用户在老模型上附加表格，过程的性能将会很快变坏，致使生产线运转速度减慢，于是形成了MES应用的瓶颈。一般地说5年的周期内，MES的应用软件会30-50%的变化。而且MES系统有30%左右的跨多个系统的网络和设备接口需要维护。因此公司必须聘请或培养具有过程控制、IT和管理业务系统工作知识的制造业IT专家。但是这样专业人士很难找。因此，解决维护的矛盾，要求用系统方法通过建立公用的语言、业务过程和协议进行工厂和企业的纵向