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MES系统的应用与发展

[日期:2013-12-24] 来源:51CTO技术博客  作者:wylit的BLOG [字体: ]

  企业信息技术应用的焦点已经由ERP转向MES,然而制造执行系统MES的标准化仍有大量工作要做。当今制造业的生存三要素是信息技术(IT)、供应链管理(SCM)和成批制造技术。使用信息技术就是由依赖人工的作业方式转变为作业的快速化、高效化,大量减少人工介入,降低生产经营成本;供应链管理是从原材料供应到产品出厂的整个生产过程,使物流资源的流通和配置最优化。这和局部优化的区别就是全面最优化;成批制造技术是在合适的时间,生产适量产品的生产计划排产优化技术,并随着生产制造技术的深化,改善对设备的管理。这里,MES技术在企业信息化中扮演着最重要的角色。

  一、制造执行系统MES的产生和发展

  从20世纪70年代后半期开始,出现了解决个别问题的单一功能的MES系统,如设备状态监控系统、质量管理系统、包括生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统。也就是说,在未实施整体解决方案或信息系统以前,各企业引入的只是单功能的软件产品和个别系统。当时,ERP层(称为MRP)和DCS层的工作也是分别进行的,因此产生了两个问题:一个是横向系统之间的信息孤岛,二是MRP、MRPⅡ和DCS两层之间形成缺损环或链接。

  80年代中期,为了解决这两个课题,生产现场的信息系统开始发展,生产进度跟踪信息系统、质量信息系统、绩效信息系统、设备信息系统及其整合已形成共识。与此同时,原来的底层的过程控制系统和上层的生产计划系统也得到发展。这时,产生了MES原型、即传统的MES(Traditional MES,T-MES)。主要是POP(生产现场管理,Point of Production)和SFC(车间级控制系统,Shop Floor Control)。

  MES(Manufacturing Execution System)直译成制造执行系统,俗称生产管理系统。直到1990年,才由AMR组织提出并使用。20世纪90年代初,工业界开始认识到需要一个可以将业务系统和控制系统集成在一起的中间层。制造执行系统(MES)从一开始就是一个特定集合的总称,用来表示一些特定功能的集合以及实现这些特定功能的产品。美国的咨询调查公司(Advanced Manufacturing Research,AMR) ,倡导制造业用三层模型(3rd layer model)表示信息化。将位于计划层的控制层的中间位置的执行层叫做MES,并说明了各层的功能和重要性。在中国,生产和制造两词有时混用或等同。MES处于企业信息系统ERP/SCM和过程控制系统DCS/PLC的中间位置。ERP作为业务管理系统,DCS/PLC作为控制系统,而MES则作为生产执行系统。MES与上层ERP等业务系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统,一是把业务计划的指令传达到生产现场,二是将生产现场的信息及时收集、上传和处理。MES不单是面向生产现场的系统,而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统,是连结现场层和经营层,改善生产经营效益的前沿系统。MES也不是一个特定行业的概念,而且应用于各种制造业的重要信息系统。

  由于ERP层和DCS层的IT应用起步较早,多已基本实现,因此,需要通过MES层的功能实现对两者进行整合,并填充其间的空隙或狭缝。最初,MES并没有一个非常明确的定义,它几乎涵盖了所有那些无法准确地分配给其他层的应用程序或产品。此后,在国际上,各相关组织都开始意识到要对MES进行更加明确的定义。制造执行系统国际联盟组织(MESA),ISA都相继开发了相关的模型对MES加以描述,并试图通过模型使其标准化。

  ERP是对企业资源进行有效地综合地计划与管理,是提高企业经营效率和效益的手段和概念。其核心是计划,而不是财务。实现这个目的软件则叫ERP软件。ERP面向企业的主要业务,包括产品定货、原材料采购,生产制造、配送、销售、会计等一系列业务流,是覆盖全公司的信息系统。ERP的数据库要与实时数据库相连,提取生产过程的有关数据,同时又需要和SCM集成。SCM包括从原材料供应采购到终端客户的商品供应的主要业务功能(如计划、采购、制造、作业流程管理、后勤保障、销售管理等)。在实施ERP的过程中,人们发现,ERP的实施规模大、周期长,导致46%逾期完成;支出多、投入大,导致41%超过预算;由于多种原因,致使49%没有达到预期的社会效益、经济效益和目标。其申一个重要因素是与生产现场的连接与集成被忽略了,而生产现场的数据,特别是整合过的高质量的数据,即完美的生产信息是ERP的基础,是集成的关键。而这些正是催生MES的重要原因。

  到90年代,MES发展为I-MES(集成MES)和MES-Ⅱ(Manufacturing Execution Solutions)。这样MES则作为整个工厂生产现场的集成系统出现,故又称为Integrated MES(E-MES)。主要功能为工厂管理(资源管理、调度管理、维护管理)、工厂工艺设计(文档管理、标准管理、过程优化)、过程管理(回路监督控制、数据采集)和质量管理(SQC-统计质量管理、LIMS-实验室信息管理系统)。在这个模型指导下,MES在90年代初期的重点是生产现场信息的整合。对于离散工业和流程工业来说,MES有许多差异。就离散MES而言,由于其多品种、小批量、混合生产模式,如果只是依靠人工提高效率是有限的。而MES则担当了整合、支持现场工人的技能和智慧,充分发挥制造资源效率的功能。

  90年代中期,又提出了MES标准化和功能组件化、模块化的思路。这时,许多MES软件实现了组件化,也方便了集成和整合,这样用户根据需要就可以灵活快速地构建自己的MES。MES的11个功能主要包括:(1)生产资源分配与监控;(2)作业计划和排产;(3)工艺规格标准管理;(4)数据采集(装置在线连接采集实时数据和各种参数信息,控制系统接口,生成生产数据记录、质量数据、绩效信息、台帐累计);(5)作业员工管理;(6)产品质量管理;(7)过程管理(过程控制、APC、基于模型的分析与模拟、与外部解析系统接口);(8)设备维护;(9)绩效分析;(10)生产单元调度;(11)产品跟踪。

  这一时期,很多团体、政府机构、组织也参与了MES的标准化以及标准、模型的研究和建立活动。涉及分布对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用等技术。其主要成果如下:

  (1)MESA提出了MES对象模型。

  (2)标准化组织OMG(Object Management Group)的制造分会(MfgDTF,Manufacturing Domain TaskForce)发布了RFI(Requestfor Information)文件。

  (3)ISA(International Federation of the National Standardiz-ing Associations)的SP95(Enterprise Control system Integration)标准委员会发布了ERP与MES之间的接口标准模型。

  (4)发布NIIIP—SMART(National Industrial Information Infrastructure Protocols—Solution for MES Adaptable Replicable Technology)信息结构标准。

  (5)由半导体制造技术协会(SEMATECH,Semiconduc-tor Manufacturing Technology)发表了SEMATECH/SEMI CIM平台标准。

  (6)NIST—SIMA(National Institute of Standard and Tech-nology—System Integration of Manufacturing Applications)用IDEFO描述了通用业务活动模型(Activity Models)。

  (7)日本标准化与制造科技中心发布了open MES,涉及面向对象、平台、功能模块、计算机网络、CORBA等。

  其中,从1997年开始的国际仪表学会(ISA)启动的编制ISASP95企业控制系统集成标准和ISA SP98批量控制标准的工作尤为重要,2000年发布了SP95.01模型与术语标准,2001年发布了SP95.02对象模型属性标准,2002年发布了SP95.03制造信息活动模型(Activity Models)标准,2003年发布了SP95.04制造操作对象模型标准。其中SP95.01已经被IEC/ISO接受为国际标准。SP95.01规定了生产过程涉及的所有资源信息及其数据结构和表达信息关联的方法。SP95.02对第1部分定义的内容作了详细规定和解释,SP95.03提出了管理层与制造层间信息交换的协议和格式。

  所有组织和学者都倡导MES功能和接口的标准化,以及集成(Integration)、互操作性(Inter-operability)的重要性。系统之间、功能模块之间提倡以ORB(Object Request Broker)作为MES信息访问接口协议,实现MES功能组合的即插即用。另外,分部式对象技术标准CORBA和有关标准平台都是开发MES软件的基础,但是开发成木高、系统性能差以及三层模型界限不明确等因素,一直影响着MES功能的组件化。

  1998年,AMR公司发表REPAC模型(Ready,Execute,Process,Analyze,Coordinate),即包括准备、实行、处理、分析、调整五个阶段组成的过程周期。该模型参考了供应链业务参考模型(SCOR,Supply Chain Operation Reference),把其中的Make作为关注焦点,将计划、技术方案、调度、执行和控制等对应的五个信息系统集成连接。REPAC模型不只是针对MES三层模型的中间层,而是与相应系统一起连接在经营系统的闭环回路中。

  在AMR的INTECHl994年5月号上,对MES的概念表述如下:MES是在公司的整个资源按其经营目标进行管理时,为公司提供实现执行目标的执行手段,通过实时数据库连接基本信息系统的理论数据和工厂的实际数据,并提供业务计划系统与制造控制系统之间的通信功能。

  因此,MES不只是工厂的单一信息系统,而是横向之间、纵向之间、系统之间集成的系统,即所谓经营系统,对于SCP、ERP、CRM、数据仓库等近年被关注的各种企业信息系统来说,只要包含工厂这个对象,就离不了MES。归结起来,MES可以概括为一个宗旨——制造怎样执行,两个核心数据库——实时数据库、关系数据库,两个通信接口——与控制层接口和与业务计划层接口,四个重点功能——生产管理、工艺管理、过程管理和质量管理,以及11个基本功能(包括重点功能和辅助功能)。

  二、日本的MES

  日本的MES起步较早、成果较多、应用较广,而且与中国的管理理念相近。其特点如下:

  (1)日本有比较系统地研究、介绍MES的专著——《MES入门》,介绍了MES的概要和发展,MES的功能、作用、软件以及各个行业的特点,MES对生产经营管理、提高产品产量、质量和降低成本等方面的贡献,并提供了参考文献、MES网址和应用案例一览,是一本参考价值很高的入门书籍。2004年2月,中村实和中村一世又编著了《图解MES应用第一线——从应用案例看引入MES的注意事项》,这是日本的第二本MES专著。另外,日本很多杂志,如《计装》、《化学装置》、《 略》、《略》、《化学经济》、《工场管理》等杂志经常举办MES专刊或刊登MES文章,日本生产管理协会、工厂自动化推进协会、生产系统模型专门委员会、东京实践经营研究会、实践MES研究会、工业调查会等组织经常组织MES的调查、研究和召开各种主题专业会议。日本标准化与制造科技中心还制订发布了Open MES标准。

  (2)对MES重新进行了定义,其文化内涵更接近于东方。首先,在MES的基础上,提出了“制造管理系统”、“制造实行系统”、“生产实行系统”和“综合生产管理系统”的新解。除了遵循AMR和MESA的定义和描述外,日本的学者更强调对生产现场各种信息的时实采集与集成,将过程信息(PIMS,工厂信息管理系统)作为MES的核心;通过CIM(计算机集成制造)将工厂系统和业务系统进行理想整合的具体化。

  (3)总结了日本企业引入MES软件的必要步骤和注意事项。即计划编制、组织组建、培训与准备、需求定义、建模与差异分析、概要设计与详细设计、客户化开发与测试、设备安装定义、软件接口规格定义与设计、接口开发与联调共10个步骤和注意MES在经营系统的重要地位,考虑生产现场信息系统的五个要素——人、信息系统、业务规则、设备和产品,区分客户信息的必要性、MES软件包的适应性,注重项目管理,强调应用效果,快速实施和投用,生产现场系统是MES成功的基础等事项。

  三、国外流程工业的MES

  MES属于企业管理应用软件的范围,起源于离散工业,又扩展到流程工业。

  在离散工业和流程工业,生产管理存在着极大差异。即便是流程工业,也差异不小。例如炼油工业和化工业,虽说像姊妹俩,但炼油却有油品输转调和功能模块,而化工则不需要。至于冶金、轻工甚至其他行业,差异就更大了。因此,目前形成了炼油工业、化学工业、医药工业、食品工业、化纤纺织工业、机器制造业、汽车制造业、航空业、造船业、半导体制造业、冶金业、炼铝业等不同行业和领域的MES。在石油、天然气、石油化工领域,装置之间都由配管连接,过程控制非常必要。作为工厂运行信息系统的DCS从20世纪70年代开始普及,较早地实现了过程监控和自动化,但是至今DCS和MES之间的接口还是薄弱环节。在MES中,专门设计了PIMS(工厂信息管理系统,Plant Information Management System)接收DCS实时数据,实现生产绩效管理和运行数据的集成。

  对于流程工业,作为填补计划系统和控制系统狭缝的MES的主要功能模块,一般包括短期生产计划、作业排产和调度(APS),过程控制和管理,维护管理,技术信息管理,过程优化控制(APC),提高质量管理功能的LIMS以及与ERP之间的连接。还有流程工业生产的特殊需求,如数据调理和校正、运行数据统计、公用工程平衡管理、设备寿命预测、设备性能计算(equipment performance calculations)、罐区管理、罐区平衡、物料平衡等,都作为MES的单一功能模块,并往往集成到MES系统中。

  四、国内的MES进展

  尽管在国外MES和ERP的概念同一年提出,但是ERP却比MES的发展势头迅猛。因此,国内尽管关于MES的研究、开发和应用只是近年来的事情,但是与国外的差距还是不大。

  20世纪90年代初期,中国就开始对MES以及ERP的跟踪研究、宣传或试点,而且曾经提出了“管控一体化”,“人、才、物、产、供、销”等颇具中国特色的CIMS、MES、ERP、SCM等概念,只是总结、归纳、宣传、坚持或者提炼、提升不够,发展势头不快。

  据称,中国最早的MES是20世纪80年代宝钢建设初期从SIEMENS公司引进的。中国工业信息化基本上是沿着西方工业国家的轨迹前进,只是慢半拍而已。70-80年代以工厂自动化为主,80-90年代以管理信息化为主。进入21世纪初,仍然以提升工厂自动化水平,普及DCS、SCADA、PLC、FCS和提升管理信息化水平,由开发MIS转向推广普及ERP为主。但是,尽管MES层仍然是断层、残缺环和狭缝,人们对MES的概念、MES在企业信息化的地位已不陌生,并开始形成共识。几乎绝大多数大学和工业自动化研究单位,甚至于国家、省、市级政府主管部门都开始跟踪、研究MES,具体表现为开设MES课程,培养MES研究生,成立工程技术研究、先进制造扶术、制造业信息化工程等相关研究中心和实验室,开设MES网站、论坛和专栏,筹办、主办MES国际研讨会,将MES纳入国家、省、市科技发展规划,成立MES公司和事业部,封闭开发MES产品,借助国内外产品实施MES工程等等。真可谓是从中央到地方,从学会到协会,从IT公司到制造生产厂,从综合网站到专业网站,从综合大学到专科院校,都卷入了MES热潮之中。

  但是,从总体上看,相对于应用来说,仍以研究居多,而且仍处于浅层研究;就产品来讲,自主研发才刚刚开始,尽管有少数国内IT公司一方面模仿国外的模式,同时也总结提炼中国工业企业MES层面的经验(know-how),但是仍以实验室产品居多,离商品化还有一段路程;就应用来说,像冶金、石化、烟草、食品等行业虽已有应用,但仍属拓荒者或先行者。

  尽管如此,仍然有一批出类拔萃者或佼佼者,下面列举流程工业的两个相对成型、成熟和有规模、有影响、有前途、有希望成大气候的国产MES产品。

  首先是和利时公司。其在搞硬件研究生产的同时,又搞软件,先是过程控制软件,后是管理软件,又走过了由硬件到软件、由企业单层信息系统到集成信息系统的历程。为了满足工业发展需要,它研发了流程行业生产管理系统HOLLIAS-MES(Manufacturing Execution System)。

  I/O Servers支持OPC、DDE等多种通讯接口协议,可连接到由和利时、横河、霍尼韦尔、西门子、罗克韦尔、ABB、费希尔罗斯蒙特、日立、三菱、欧姆龙等工业自动化厂家生产的DCS、PLC、RTU等设备。并提供ODBC接口,可与ERP等企业经营管理系统集成,实现企业生产的管理控制一体化。

  另一个国内知名的产品是浙大中控的ESP-Suite——企业综合自动化整体解决方案。浙大中控也是由从硬件单机到DCS系统,从硬件系统到软件系统,由DCS层、ERP层到MES层的模式发展起来的。ESP-Suite是面向流程工业企业的综合自动化整体解块方案,包括企业资源规划(ERP)、生产执行系统(MES)和过程控制系统(PCS)三个层次的软件产品、工程与技术服务。ESP-Suite企业综合自动化整体解决方案包括以综合信息集成软件平台(基于关系数据库)和实时监控软件平台(基于实时数据库)为核心的一系列应用软件。

  当然,国内还有一些接近T-MES、I-MES和MES-Ⅱ的产品,不一一列举。综上所述,国内的一些产品不能说达到炉火纯青的程度,但基本上符合AMR、MESA、ISA提出的主要定义、模型和标准。不管是国内,还是国外,要推进MES的推广和普及,还任重而道远。

  五、MES的发展关键是建模技术

  随着因需而变的理念提出,西门子公司为MES指出了一个全新的发展方向,它将MES建立在一种结构之上,通过这种结构,用户可以用层级模型(Hierarchical Model)将各种专用产品(组件,Component)协同起来,来描述业务和生产作业。这正是西门子在全面集成自动化(Totally Integrated Automation)中所展示的概念。

  近年来,一种新的国际标准正在成为企业的行为规范—控制系统集成规范。这就是国际标准化组织/国际电工委员会的IEC/ISO 62264和美国国家标准组织/美国仪表系统与自动化学会的ANSI/ISA-95,它定义了企业级业务系统与工厂车间级控制系统相集成时所使用的术语和模型。该标准还定义了中间层MES系统应支持的生产作业活动。

  很多供应商、用户、顾问都参与了该标准的制定和定义。这就确保了该标准具有坚实的基础以及高度的可用性。该标准目前由三部分组成,其中第3部分定义了MES的作业活动。它着重阐述了与生产(Production)、维护(Maintenance)及质量(Quality)等有关的作业活动。通常来说,这些活动都是同等重要的,不过,如果和生产或者生产作业无关的话,可能也就不需要维护作业或质量作业了。

  过程控制、MES及ERP之间的完全集成对现代企业的商业运作来说是至关重要的。制造系统是由许多不同的功能相互协同而构成的。制造系统的整体集成可以帮助企业实现一流的运营效率,相反,零散的解决方案将成为车间绩效改善的瓶颈。

  六、结语

  从国外的发展趋势看,已经形成了一批MES软件产品和解决方案,出现了一批以MES为核心产品的工业企业管理应用软件公司,而且企业信息技术应用的焦点已经由ERP转向MES,然而MES的标准化仍有大量工作要做。

  从国内的发展趋势看,CIMS、MES、ERP等概念都进入中国较早,但只以DCS为代表的底层自动化和以ERP为代表的管理系统普及速度较快,因此,中国工业企业的信息孤岛和缺损环链现象比国外更为突出,也就是对MES层的认识相对落后,但是,确实有一些公司在加快开发中国式的MES产品或应用国外的MES产吕,而且势头较好,同时,在认识观念上由关注ERP到关注MES的转变也已开始。

  从技术角度看,MES的功能正在向控制层和计划层渗透,三层结构的分工可能更模糊。MES功能中的计划排产与执行调度模块(APS)越发突出的推广普及。它应是MES的核心。单一功能的MES产品正在向集成的MES和整体解决方案发展。信息技术领域的分布对象技术(CORBA、DCOM等)标准日臻成熟是MES发展和集成的基础。DCS和ERP的普及和提高进一步推动了MES的发展和推广。

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