國(guó)內(nèi)外MES系統(tǒng)的發(fā)展以及應(yīng)用詳解

某些專家認(rèn)為，當(dāng)今制造業(yè)的生存三要素是信息技術(shù)(IT)、供應(yīng)鏈管理(SCM)和成批制造技術(shù)。使用信息技術(shù)就是由依賴人工的作業(yè)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳂I(yè)的快速化、高效化，大量減少人工介入，降低生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本；供應(yīng)鏈管理是從原材料供應(yīng)到產(chǎn)品出廠的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，使物流資源的流通和配置最優(yōu)化。這和局部?jī)?yōu)化的區(qū)別就是全面最優(yōu)化；成批制造技術(shù)是在合適的時(shí)間，生產(chǎn)適量產(chǎn)品的生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)優(yōu)化技術(shù)，并隨著生產(chǎn)制造技術(shù)的深化，改善對(duì)設(shè)備的管理。這里， MES系統(tǒng) 技術(shù)在企業(yè)信息化中扮演著最重要的角色。


  
一、MES系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展
  
從20世紀(jì)70年代后半期開(kāi)始，出現(xiàn)了解決個(gè)別問(wèn)題的單一功能的MES系統(tǒng)，如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、包括生產(chǎn)進(jìn)度*、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)等功能的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。也就是說(shuō)，在未實(shí)施整體解決方案或信息系統(tǒng)以前，各企業(yè)引入的只是單功能的軟件產(chǎn)品和個(gè)別系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)，ERP層(稱為MRP)和DCS層的工作也是分別進(jìn)行的，因此產(chǎn)生了兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是橫向系統(tǒng)之間的信息孤島(islandofinformation)，二是MRP、MRPⅡ和DCS兩層之間形成缺損環(huán)或鏈接(missingringorlink)。

80年代中期，為了解決這兩個(gè)課題，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)展，生產(chǎn)進(jìn)度*信息系統(tǒng)、質(zhì)量信息系統(tǒng)、績(jī)效信息系統(tǒng)、設(shè)備信息系統(tǒng)及其整合已形成共識(shí)。與此同時(shí)，原來(lái)的底層的過(guò)程控制系統(tǒng)和上層的生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)也得到發(fā)展。這時(shí)，產(chǎn)生了MES系統(tǒng)原型、即傳統(tǒng)的MES系統(tǒng)(TraditionalMES系統(tǒng),T-MES系統(tǒng))。主要是POP(生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理，PointofProduction)和SFC(車間級(jí)控制系統(tǒng)，ShopFloorControl)。

MES系統(tǒng)(ManufacturingExecutionSystem)直譯成制造執(zhí)行系統(tǒng)，俗稱生產(chǎn)管理系統(tǒng)。直到1990年，才由AMR組織提出并使用。20世紀(jì)90年代初，工業(yè)界開(kāi)始認(rèn)識(shí)到需要一個(gè)可以將業(yè)務(wù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)集成在一起的中間層。如圖4所示。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES系統(tǒng))從一開(kāi)始就是一個(gè)特定集合的總稱，用來(lái)表示一些特定功能的集合以及實(shí)現(xiàn)這些特定功能的產(chǎn)品。美國(guó)的咨詢調(diào)查公司(AdvancedManufacturingResearch,AMR)，倡導(dǎo)制造業(yè)用三層模型(3rdlayermodel)表示信息化。將位于計(jì)劃層的控制層的中間位置的執(zhí)行層叫做MES系統(tǒng)，并說(shuō)明了各層的功能和重要性。如圖5所示。在中國(guó)，生產(chǎn)和制造兩詞有時(shí)混用或等同，仔細(xì)推敲，生產(chǎn)的范疇比制造要廣。MES系統(tǒng)處于企業(yè)信息系統(tǒng)ERP/SCM和過(guò)程控制系統(tǒng)DCS/PLC的中間位置。ERP作為業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，DCS/PLC作為控制系統(tǒng)，而MES系統(tǒng)則作為生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。MES系統(tǒng)與上層ERP等業(yè)務(wù)系統(tǒng)和底層DCS等生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)一起構(gòu)成企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)，一是把業(yè)務(wù)計(jì)劃的指令傳達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，二是將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息及時(shí)收集、上傳和處理。MES系統(tǒng)不單是面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)，而是作為上、下兩個(gè)層次之間雙方信息的傳遞系統(tǒng)，是連結(jié)現(xiàn)場(chǎng)層和經(jīng)營(yíng)層，改善生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益的前沿系統(tǒng)。MES系統(tǒng)也不是一個(gè)特定行業(yè)的概念，而且應(yīng)用于各種制造業(yè)的重要信息系統(tǒng)。

由于ERP層和DCS層的IT應(yīng)用起步較早，多已基本實(shí)現(xiàn)，因此，需要通過(guò)MES系統(tǒng)層的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者進(jìn)行整合，并填充其間的空隙或狹縫。最初，MES系統(tǒng)并沒(méi)有一個(gè)非常明確的定義，它幾乎涵蓋了所有那些無(wú)法準(zhǔn)確地分配給其他層的應(yīng)用程序或產(chǎn)品。大多數(shù)這樣的產(chǎn)品都是由一些定制的應(yīng)用程序逐漸演化而來(lái)的，而這些應(yīng)用程序基本上都是由系統(tǒng)集成商針對(duì)某類特定用戶進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，并且通常都是針對(duì)某個(gè)特定領(lǐng)域(如排產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)室、質(zhì)量、產(chǎn)品*等)的。此后，在國(guó)際上，各相關(guān)組織都開(kāi)始意識(shí)到要對(duì)MES系統(tǒng)進(jìn)行更加明確的定義。MES系統(tǒng)A(ManufacturingExecutionSystemAssociationInternational,制造執(zhí)行系統(tǒng)國(guó)際聯(lián)盟組織)，ISA都相繼開(kāi)發(fā)了相關(guān)的模型對(duì)MES系統(tǒng)加以描述，并試圖通過(guò)模型使其標(biāo)準(zhǔn)化。位于美國(guó)的MES系統(tǒng)A成立于1992年，是繼AMR組織之后促進(jìn)MES系統(tǒng)普及和標(biāo)準(zhǔn)化的團(tuán)體，經(jīng)常發(fā)布關(guān)于MES系統(tǒng)白皮書，還有用戶使用MES系統(tǒng)后的效果調(diào)查報(bào)告。
  
ERP是對(duì)企業(yè)資源進(jìn)行有效地綜合地計(jì)劃與管理，是提高企業(yè)經(jīng)營(yíng)效率和效益的手段和概念。其核心是計(jì)劃，而不是財(cái)務(wù)。或者說(shuō)，財(cái)務(wù)是手段，計(jì)劃優(yōu)化是目的。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的軟件則叫ERP軟件。德國(guó)SAP公司的R/3最有名。據(jù)AMR(AdvancedManufacturingResearch)組織2003年統(tǒng)計(jì)，SAP約占世界ERP市場(chǎng)的35%,ORACLE約占13%,PeopleSoft約占10%，J.D.E約占5%。ERP面向企業(yè)的主要業(yè)務(wù)，包括產(chǎn)品定貨、原材料采購(gòu)，生產(chǎn)制造、配送、銷售、會(huì)計(jì)等一系列業(yè)務(wù)流，是覆蓋全公司的信息系統(tǒng)，其關(guān)鍵業(yè)務(wù)包括計(jì)劃、財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)和管理會(huì)計(jì)，還有人力資源管理等。ERP的數(shù)據(jù)庫(kù)要與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相連，提取生產(chǎn)過(guò)程的有關(guān)數(shù)據(jù)，ERP又和SCM集成。SCM包括從原材料供應(yīng)采購(gòu)到終端客戶的商品供應(yīng)的主要業(yè)務(wù)功能(如計(jì)劃、采購(gòu)、制造、作業(yè)流程管理、后勤保障、銷售管理等)。在實(shí)施ERP的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)，ERP的實(shí)施規(guī)模大、周期長(zhǎng)，導(dǎo)致46%逾期完成;支出多、投入大，導(dǎo)致41%超過(guò)預(yù)算；由于多種原因，致使49%沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和目標(biāo)。其申一個(gè)重要因素是與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的連接與集成被忽略了，而生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，特別是整合過(guò)的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，即完美的生產(chǎn)信息是ERP的基礎(chǔ)，是集成的關(guān)鍵。而這些正是催生MES系統(tǒng)的重要原因。

到90年代，MES系統(tǒng)發(fā)展為I-MES系統(tǒng)(集成MES系統(tǒng))和MES系統(tǒng)-Ⅱ(ManufacturingExecutionSolutions)。
  
AMR公司1993提出的MES系統(tǒng)集成模型，這樣MES系統(tǒng)則作為整個(gè)工廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的集成系統(tǒng)出現(xiàn)，故又稱為IntegratedMES系統(tǒng)(E-MES系統(tǒng))。本模型包括以下4個(gè)主要功能，并由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)支持。主要功能為工廠管理(資源管理、調(diào)度管理、維護(hù)管理)、工廠工藝設(shè)計(jì)(文檔管理、標(biāo)準(zhǔn)管理、過(guò)程優(yōu)化)、過(guò)程管理(回路監(jiān)督控制、數(shù)據(jù)采集)和質(zhì)量管理(SQC-統(tǒng)計(jì)質(zhì)量管理、LIMS-實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng))。在這個(gè)模型指導(dǎo)下，MES系統(tǒng)在90年代初期的重點(diǎn)是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息的整合。對(duì)于離散工業(yè)(discretemanufacturing)和流程工業(yè)(processmanufacturing)來(lái)說(shuō)，MES系統(tǒng)有許多差異。就離散MES系統(tǒng)而言，由于其多品種、小批量、混合生產(chǎn)模式，如果只是依靠人工提高效率是有限的。而MES系統(tǒng)則擔(dān)當(dāng)了整合、支持現(xiàn)場(chǎng)工人的技能和智慧，充分發(fā)揮制造資源效率的功能。

90年代中期，又提出了MES系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化和功能組件化、模塊化的思路。這時(shí)，許多MES系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了組件化，也方便了集成和整合，這樣用戶根據(jù)需要就可以靈活快速地構(gòu)建自己的MES系統(tǒng)。MES系統(tǒng)Aintertuational于1997年提出的MES系統(tǒng)功能組件和集成模型。該模型代表的11個(gè)功能模塊如同龜背一樣配置。MES系統(tǒng)A規(guī)定，只具備11個(gè)之中的某一個(gè)或幾個(gè)，也屬M(fèi)ES系統(tǒng)系列的單一功能產(chǎn)品。MES系統(tǒng)的11個(gè)功能主要如下:(1)生產(chǎn)資源分配與監(jiān)控；(2)作業(yè)計(jì)劃和排產(chǎn);(3)工藝規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)管理;(4)數(shù)據(jù)采集(裝置在線連接采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和各種參數(shù)信息，控制系統(tǒng)接口，生成生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄、質(zhì)量數(shù)據(jù)、績(jī)效信息、臺(tái)帳累計(jì))；(5)作業(yè)員工管理;(6)產(chǎn)品質(zhì)量管理;(7)過(guò)程管理(過(guò)程控制、APC、基于模型的分析與模擬、與外部解析系統(tǒng)接口)；(8)設(shè)備維護(hù)；(9)績(jī)效分析；(10)生產(chǎn)單元調(diào)度；(11)產(chǎn)品*。AMR組織則又把按著11個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的整體解決方案稱為MES系統(tǒng)Ⅱ(ManufacturingExecutionSolution)。

這一時(shí)期，很多團(tuán)體、政府機(jī)構(gòu)、組織也參與了MES系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化以及標(biāo)準(zhǔn)、模型的研究和建立活動(dòng)。涉及分布對(duì)象技術(shù)、集成技術(shù)、平臺(tái)技術(shù)、互操作技術(shù)和即插即用等技術(shù)。其主要成果如下：
  
(1)MES系統(tǒng)A提出了MES系統(tǒng)對(duì)象模型。
(2)標(biāo)準(zhǔn)化組織OMG(ObjectManagementGroup)的制造分會(huì)(MfgDTF,ManufacturingDomainTaskForce)發(fā)布了RFI(RequestforInformation)文件。
(3)ISA(InternationalFederationoftheNationalStandardiz-ingAssociations)的SP95(EnterpriseControlsystemIntegration)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)發(fā)布了ERP與MES系統(tǒng)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)模型。
(4)發(fā)布NIIIP—SMART(NationalIndustrialInformationInfrastructureProtocols—SolutionforMES系統(tǒng)AdaptableReplicableTechnology)信息結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。
(5)由半導(dǎo)體制造技術(shù)協(xié)會(huì)(SEMATECH,Semiconduc-torManufacturingTechnology)發(fā)表了SEMATECH/SEMICIM平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。
(6)NIST—SIMA(NationalInstituteofStandardandTech-nology—SystemIntegrationofManufacturingApplications)用IDEFO描述了通用業(yè)務(wù)活動(dòng)模型(ActivityModels)。
(7)日本標(biāo)準(zhǔn)化與制造科技中心發(fā)布了openMES系統(tǒng)，涉及面向?qū)ο蟆⑵脚_(tái)、功能模塊、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、CORBA等。
  
其中，從1997年開(kāi)始的國(guó)際儀表學(xué)會(huì)(ISA)啟動(dòng)的編制ISASP95企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)和ISASP98批量控制標(biāo)準(zhǔn)的工作尤為重要，2000年發(fā)布了SP95.01模型與術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)，2001年發(fā)布了SP95.02對(duì)象模型屬性標(biāo)準(zhǔn)，2002年發(fā)布了SP95.03制造信息活動(dòng)模型(ActivityModels)標(biāo)準(zhǔn)，2003年發(fā)布了SP95.04制造操作對(duì)象模型標(biāo)準(zhǔn)。其中SP95.01已經(jīng)被IEC/ISO接受為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。SP95.01規(guī)定了生產(chǎn)過(guò)程涉及的所有資源信息及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表達(dá)信息關(guān)聯(lián)的方法。SP95.02對(duì)第1部分定義的內(nèi)容作了詳細(xì)規(guī)定和解釋，SP95.03提出了管理層與制造層間信息交換的協(xié)議和格式。
  
此外，許多專家學(xué)者也在MES系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化方面做出了不少成果，比如C.Gilman等人在1998年出版了《Enterpriseusingenter-priserules,intelIigentagents,STEP,andworkflow》一書，總結(jié)了虛擬企業(yè)集成設(shè)計(jì)與制造以及使用的企業(yè)規(guī)則、智能代理、STEP標(biāo)準(zhǔn)和工作流程;AshokK.Nangid和MelyssaEvanson等人1997年在《IntegratingProcesscontrolwithinformationsystemsusingmanufacturingexecutionsystems》一書中總結(jié)了MES系統(tǒng)信息系統(tǒng)與過(guò)程控制系統(tǒng)的集成;JeffLoebl997年在《Theapplica-tionofamanufacturingexecutionandJITprinciplestoplantinfor-mationprocesses》一書中總結(jié)了在工廠級(jí)信息處理中制造執(zhí)行系統(tǒng)和JIT原理的應(yīng)用等。
  
所有組織和學(xué)者都倡導(dǎo)MES系統(tǒng)功能和接口的標(biāo)準(zhǔn)化，以及集成(Integration)、互操作性(Inter-operability)的重要性。系統(tǒng)之間、功能模塊之間提倡以O(shè)RB(ObjectRequestBroker)作為MES系統(tǒng)信息訪問(wèn)接口協(xié)議，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)功能組合的即插即

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