国内外MES系统的发展以及应用详解

国内外MES系统的发展以及应用详解

一些专家认为,当今制造业的三大要素是信息技术(IT)、供应链管理(SCM)和大规模制造技术。信息技术的应用是从手动操作模式转变为快速高效的操作模式,大大降低了人工干预和生产运营成本。供应链管理是从原材料供应到产品交付的整个生产过程,优化物流资源的流通和配置。这和局部优化的区别在于整体优化。批量制造技术是一种生产计划和调度优化技术,随着生产制造技术的不断深入,在适当的时间生产出适量的产品,提高设备的管理水平。在此,我想介绍一下制造执行系统在国内外的发展和应用。

一、MES系统的产生和发展

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(islandofinformation),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系统原型、即传统的MES系统(TraditionalMES系统,T-MES系统)。主要是POP(生产现场管理,PointofProduction)和SFC(车间级控制系统,ShopFloorControl)。

MES系统(ManufacturingExecutionSystem)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。如图4所示。制造执行系统(MES系统)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(AdvancedManufacturingResearch,AMR),倡导制造业用三层模型(3rdlayermodel)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系统,并说明了各层的功能和重要性。如图5所示。在中国,生产和制造两词有时混用或等同,仔细推敲,生产的范畴比制造要广。MES系统处于企业信息系统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系统则作为生产执行系统。MES系统与上层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系统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系统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系统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系统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。大多数这样的产品都是由一些定制的应用程序逐渐演化而来的,而这些应用程序基本上都是由系统集成商针对某类特定用户进行开发的,并且通常都是针对某个特定领域(如排产、实验室、质量、产品跟踪等)的。此后,在国际上,各相关组织都开始意识到要对MES系统进行更加明确的定义。MES系统A(ManufacturingExecutionSystemAssociationInternational,制造执行系统国际联盟组织),ISA都相继开发了相关的模型对MES系统加以描述,并试图通过模型使其标准化。位于美国的MES系统A成立于1992年,是继AMR组织之后促进MES系统普及和标准化的团体,经常发布关于MES系统白皮书,还有用户使用MES系统后的效果调查报告。

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。或者说,财务是手段,计划优化是目的。实现这个目的软件则叫ERP软件。德国SAP公司的R/3最有名。据AMR(AdvancedManufacturingResearch)组织2003年统计,SAP约占世界ERP市场的35%,ORACLE约占13%,PeopleSoft约占10%,J.D.E约占5%。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,其关键业务包括计划、财务会计和管理会计,还有人力资源管理等。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,ERP又和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系统的重要原因。

到90年代,MES系统发展为I-MES系统(集成MES系统)和MES系统-Ⅱ(ManufacturingExecutionSolutions)。

AMR公司1993提出的MES系统集成模型,这样MES系统则作为整个工厂生产现场的集成系统出现,故又称为IntegratedMES系统(E-MES系统)。本模型包括以下4个主要功能,并由实时数据库支持。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系统在90年代初期的重点是生产现场信息的整合。对于离散工业(discretemanufacturing)和流程工业(processmanufacturing)来说,MES系统有许多差异。就离散MES系统而言,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系统则担当了整合、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系统标准化和功能组件化、模块化的思路。这时,许多MES系统软件实现了组件化,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系统。MES系统Aintertuational于1997年提出的MES系统功能组件和集成模型。该模型代表的11个功能模块如同龟背一样配置。MES系统A规定,只具备11个之中的某一个或几个,也属MES系统系列的单一功能产品。MES系统的11个功能主要如下:(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。AMR组织则又把按着11个功能实现的整体解决方案称为MES系统Ⅱ(ManufacturingExecutionSolution)。

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