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1、精选优质文档-倾情为你奉上制造业车间级管理系统（MES）及其典型结构制造执行管理系统(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
2、。 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的局面。工厂制造执行系统（Manufacturing Execution 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
3、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。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
4、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
5、程不提供直接和详细的支持。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“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时候，能否自动校验和操作提示以防止工人部件装配错误
6、、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
7、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31 MES的定义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(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
8、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)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 No.6，1997）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
9、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 No.3，1997）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
10、。对MES而言，这一层就是生产的计划层。中间部分为MES? 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。32 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功能模块，包括：工序详细调度资源分配和状态管理生产
11、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。实际的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：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”(
12、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
13、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，做到实时信息共享，使业务流程变得有序而高效。
14、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
15、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
16、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。IDC的研究报告显示，全球财富500强企业中，信息技术投资超过生产设备投资的企业达65%，而企业网络投资的回报率则高达10倍以上。由于信
17、息技术广泛的渗透性和关联带动作用，使得信息化成为技术创新的关键环节，信息技术已成为企业竞争力的关键因素之一。从简单的低质廉价品到精密的可与其他制造强国匹敌的优质产品，短短十几年间，“中国制造”让世界刮目相看。作为世界第四大生产国，我国已经有上百种产品产量为“世界第一”。由强到大 问题还很多尽管中国制造业令世界瞩目，已是不争的事实，但我们必须清醒地认识到，中国目前只是制造大国，并非制造强国。中国工程院朱高峰院士不久前曾指出，我国制造业在快速发展中存在不少问题。1、制造业总体规模小，仅相当于美国的1/5，日本的1/4；2、制造业的人均劳动生产率远远落后于发达国家；3、技术创新能力十分薄弱，有自主知
18、识产权的产品少；4、低水平生产能力过剩，管理水平低等等。盘点中国制造业的不足，装备水平和管理水平是主要问题。以最能体现制造业装备水平的数控机床为例，我国数控机床拥有量仅占机床总量的5%，远低于发达国家50%的水平，甚至低于世界7%的平均水平；而且，昂贵的进口数控机床利用率较低。重要原因是企业普遍“重硬轻软”重视买机床，轻视买软件。据日本某公司调查，由于没有开发或应用各种应用软件，数控机床利用率只有25%。同时，多数企业尚处于经验型管理阶段。先进国家制造企业已经普遍采用精益生产（LP），在我国只有个别企业在应用，而且还基本上都是有外资参股的企业。因而，导致生产周期、资金周转期、在制品和库存占用资
19、金率等，为国外先进企业的数倍。此外，据有关部门对重点企业信息化建设状况的调查，目前，我国企业信息化整体水平较低。虽然有约80%的企业建立了OA系统，70%接入互联网，50%建立了内部局域网，但上述投资只占企业总资产的0.3%，而发达国家则占到8%。三层结构组成制造业信息化上个世纪90年代初期，美国先进制造研究机构（AMR）通过对大量企业的调查发现，完善的企业生产管理系统，普遍由以下三种软件构成：以ERP、MRP为代表的企业管理软件，以SCADA（数据采集与监视）、HMI(Human Machine Interface)为代表的生产过程监控软件，以及实现操作过程自动化、支持企业全面集成的MES软
20、件。根据调查结果，AMR于1992年提出了三层的企业集成模型（如图1所示）。1、计划层。也是决策层使用的管理工具，主要应用系统是ERP、CRM、SCM、BPM（企业绩效管理）等。2、执行层。企业中层使用的工具MES（制造执行系统），制造执行系统MES在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁。3、控制层。一线操作人员使用的，以SCADA（数据采集与监视）、HMI(Human Machine Interface)为代表的生产过程监控软件。据美国MESA在1996年的调查统计结果，在采用以ERP/MES/PCS三层结构为基础的MES技术后，效果显著，主要指标为：生产周期缩短35%；数据输入时间缩短3
21、6%；在制品减少32%；文书工作减少67%；交货期缩短22%；不合格产品降低22%；文书丢失减少55%。据美国ARC公司（Automation Research Corp.）调查，基于三层结构的MES可获得的效益为：质量提高19.2%，劳动生产率提高13.5%，产量提高11.5%。1999年，美国财富杂志发表文章称，MES是“ERP市场的挑战者”。该文介绍年产值16亿美元的美国化纤企业Unifi公司，其下属Yadkinville厂应用MES软件后，效益增加69%，实际增效1600万美元。典型但不完美的信息系统模型有资料显示，一个典型的、设备先进的流程型制造企业的信息系统模型如图2所示。由图2可
22、以知道，现代企业的信息系统包括了6个部分：1、ERP系统。ERP的核心是实现对整个供应链的有效管理，主要体现在三个方面：对整个供应链资源进行管理；实现精益生产、同步工程和敏捷制造；实现事先计划与事中控制。2、CRM系统。CRM系统的目标是提高效率、拓展市场和保留客户。3、SCM系统。SCM系统是对供应链中的信息流、物流和资金流进行设计、规划和控制。通过和商业伙伴的密切配合，以最低的供应链成本向消费者和客户提供产品。4、PDM系统。也是PLM系统，以企业的产品为核心，在其全生命周期内，涵盖整个企业和供应链，协同化地支持产品定义信息的生成、管理、分发和使用，充分利用企业现有智力资产，推动创新产品的
23、研发。5、MES系统。MES系统为企业中其他管理信息系统提供实时数据。例如，ERP系统需要MES提供的成本、制造周期和预计产出时间等实时生产数据；SCM从MES中获取当前的订单状态、当前的生产能力以及企业中生产换班的相互约束关系；CRM的成功报价与准时交货，则取决于MES所提供的有关生产的实时数据；PDM中的产品设计信息，可以基于MES的产品产出和生产质量数据进行优化等。6、T&L系统。企业的内外物流系统。图2的模型是否是一个流程型制造企业完美的信息化方案？答案是否定的。就图2而言，它也没有完全融入现有全部的信息系统，如BPM（企业绩效管理，根据IDC的定义，是构建一套自动化系统，帮助企业评价
24、和优化企业运营，或者帮助企业发现和建立新的商业机会。从国外的实践来看，它是一个包含自动化、业务分析方法论、流程的系统框架，目的帮助管理者准确掌握企业运营的真实状况，提升企业的绩效）就没有提及。企业开展信息化的目的是实现企业快速发展，完成传统经营方式的转变，节约营运中的各项业务成本，并大大提高工作效率，使内部管理结构更加扁平化，增强市场竞争力。所以，企业选择信息系统时也是以解决企业发展过程中客观存在的问题为根本出发点。国外市场经济经过百年的发展，相关游戏规则都已经非常完善，并且有一整套科学方法为决策提供依据。而我国由计划经济转向市场经济的时间还很短，游戏规则还没有制定，需要各个行业的领头者来完成
25、。规则还没完成，自然也就没有科学的体系来支持决策。是不是说中国企业就不需要信息化？当然不是。各个企业应该根据自身在发展过程中遇到的实际问题来寻找适当的解决方案。国外的一些制造型企业根据自身特点，放弃了MES，选择了SFC（车间现场管理系统），目的就是强化企业中层管理人员对车间现场的管理。企业选择的信息系统应该最能解决企业目前的经营困境，这才是关键。五个数字化是重中之重我国九成以上的企业属于中小型企业。有实力实现图2所示全面信息化建设的企业并不多。我国正在从制造大国向制造强国转变。制造业信息化是重中之重。我国将制造业信息化归结为五个数字化：设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和
26、企业数字化。设计数字化技术实现了产品设计手段与设计过程的数字化，缩短产品开发周期，提高企业的产品创新能力；制造装备数字化技术实现了加工和装配的自动化和精密化，提高产品的精度和加工装配的效率；生产过程数字化技术实现了生产过程控制的自动化和智能化，提高企业生产过程自动化水平；管理数字化技术实现了企业内外部管理的数字化和最优化，提高企业管理水平；企业数字化技术实现了全球化环境下企业内外部资源的集成和最佳利用，促进制造企业的业务过程、组织结构与产品结构的调整，提高我国企业、区域和行业的竞争能力。IDC的研究报告显示，全球财富500强企业中，信息技术投资超过生产设备投资的企业达65%，而企业网络投资的回报率则高达10倍以上。由于信息技术广泛的渗透性和关联带动作用，使得信息化成为技术创新的关键环节，信息技术已成为企业竞争力的关键因素之一。图1 AMR三层企业集成模型图2 信息系统模型专心-专注-专业