MES的研究現(xiàn)狀及分析①

張學(xué)彥 曾黃麟

[摘 要]本文通過回顧計算機(jī)輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)的發(fā)展歷程,指出制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是新時代企業(yè)生產(chǎn)管理需求下的必然產(chǎn)物。首先闡述了目前國內(nèi)外MES的研究現(xiàn)狀及存在的問題,根據(jù)MES 的定義,分析了與MRPⅡ、ERP等的關(guān)系和建立了計劃層、執(zhí)行層和控制層數(shù)據(jù)流程,提出了MES的研究中值得注意的幾個關(guān)鍵問題。

[關(guān)鍵詞]制造執(zhí)行系統(tǒng) 實時信息 智能制造 計算機(jī)輔助生產(chǎn)

[中圖分類號]TH166[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0085-02

1 前言

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,越來越多的企業(yè)開始使用計算機(jī)軟件系統(tǒng)實施生產(chǎn)經(jīng)營管理,經(jīng)歷了由單項生產(chǎn)管理,發(fā)展到少數(shù)子系統(tǒng)的集成,乃至當(dāng)前的整個企業(yè)資源的全面規(guī)劃和管理。正如計算機(jī)技術(shù)在不斷發(fā)展一樣,計算機(jī)輔助生產(chǎn)管理也是一個不斷進(jìn)化的過程。

20世紀(jì)80年代美國在總結(jié)MRPⅡ?qū)嵤┏晒β瘦^低的教訓(xùn)并吸收日本準(zhǔn)時制生產(chǎn)系統(tǒng)(JIT)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,提出既重視計劃又重視執(zhí)行的管理新思想。此時,將計劃與制造過程統(tǒng)一起來的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,簡稱MES)應(yīng)運而生。事實上,早在20世紀(jì)70年代便已經(jīng)有企業(yè)開始開發(fā)或引入單一功能的軟件產(chǎn)品和軟件系統(tǒng),如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等,所有這些系統(tǒng)可以理解為單一功能的MES系統(tǒng)。而直到1990年,才由美國先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)AMR(Advanced Manufacturing Research)第一次提出并使用MES概念?？梢哉fMES不僅是一項新興的技術(shù),也是新時代企業(yè)生產(chǎn)管理需求下的必然產(chǎn)物。

早在“十五”期間,國家863項目就將MES作為重點研究項目下達(dá)了研究課題,并且將流程工業(yè)領(lǐng)域的MES技術(shù)研究作為突破口,以期實現(xiàn)最終目標(biāo):獲得MES技術(shù)研究成果、形成系統(tǒng)平臺、實現(xiàn)產(chǎn)品的工程應(yīng)用。目前,MES已經(jīng)在鋼鐵、石化等行業(yè)得到應(yīng)用,其應(yīng)用效益得到用戶認(rèn)可,并且推進(jìn)了企業(yè)信息化不僅僅停留在ERP實施,不斷深化,部分企業(yè)的MES已經(jīng)成為信息化的主體。過去的10年,MES理念、技術(shù)和軟件產(chǎn)品已經(jīng)顯著成熟。2007年,信息產(chǎn)業(yè)部又以信部規(guī)[2007]539號文件形式印發(fā)了《信息技術(shù)改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)“十一五”專項規(guī)劃》[5]?！兑?guī)劃》提出了八項共性技術(shù)和四個方面的重要系統(tǒng),其中就包括MES?！笆晃濉睍r期,國家將在石化、冶金等行業(yè)加快推動MES應(yīng)用,進(jìn)一步提高生產(chǎn)管理水平和資源配置的效率。

雖然MES的發(fā)展歷史并不長,但它所能帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益使它迅速走進(jìn)了企業(yè)的視線。當(dāng)前國內(nèi)正處在MES迅速發(fā)展的時期,MES正逐漸發(fā)展成為一個被關(guān)注的熱點。

2 MES的定義

對MES定位的認(rèn)識有三種:一種認(rèn)為MES是供應(yīng)鏈(SCM)關(guān)系密切;一種認(rèn)為它是產(chǎn)品生命周期管理(PLM)緊密聯(lián)系;還有一種最為主流的定位,認(rèn)為MES是ERP與生產(chǎn)過程及設(shè)備之間的橋梁。當(dāng)然,三者之間并不矛盾,MES是在SCM、PLM的需求下,以及為了彌補的ERP不足而產(chǎn)生的。

目前被人廣泛接受的是由MESA給出的定義:MES提供從接受訂單到制成最終產(chǎn)品全過程的生產(chǎn)活動實現(xiàn)優(yōu)化的信息。它采用當(dāng)前的和精確的數(shù)據(jù),對生產(chǎn)活動進(jìn)行初始化,及時引導(dǎo)、響應(yīng)和報告工廠的活動,對隨時可能發(fā)生變化的生產(chǎn)狀態(tài)和條件做出快速反應(yīng),重點削減不會產(chǎn)生附加值的活動,從而推動有效的工廠運行和過程。

此外,按照AMR所給出的定義:MES是一個常駐工廠層的信息系統(tǒng),介于企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層的計劃系統(tǒng)與主生產(chǎn)過程的直接工業(yè)控制系統(tǒng)之間。這里明確地將企業(yè)的運作劃分為三個層次,分別是:計劃層、執(zhí)行層和控制層。其中:計劃層就包括MRPⅡ、ERP等;控制層包括PLC、各種儀器設(shè)備等;介于兩者之間的是執(zhí)行層,MES就屬于執(zhí)行層?？梢酝ㄟ^繪出數(shù)據(jù)流圖來明確每個層次間的關(guān)系,如圖1所示。

圖1中不僅示出MES的數(shù)據(jù)流,也表明MES對實時的要求要明顯高于ERP,如果說控制層要求的實時時間系數(shù)為1,那么,MES的時間系數(shù)為10,ERP的時間系數(shù)為100。這從MESA的定義也可以看出,精確的實時數(shù)據(jù)是一個優(yōu)秀的MES必須達(dá)到的要求。

因此,一個MES系統(tǒng),就是負(fù)責(zé)溝通企業(yè)計劃層和控制層,憑借信息技術(shù)提供精確的實時數(shù)據(jù),并最終達(dá)到優(yōu)化管理活動和生產(chǎn)活動目的的系統(tǒng)。

3 國內(nèi)MES研究及存在的問題

目前我國制造行業(yè)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等諸多方面尚存在一些問題,這些問題要求我們加快推動MES應(yīng)用,進(jìn)一步提高生產(chǎn)管理水平和資源配置的效率。

根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展的需要,我國的許多高等院校、科研院所都加入了MES的研究與應(yīng)用開發(fā)工作,中國儀器儀表學(xué)會生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)分會(MES分會) 目前已舉辦了三屆“中國MES年會”。重點討論了以下幾點問題:MES技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展趨勢,實時數(shù)據(jù)庫與MES軟件平臺及應(yīng)用,?MES在中國制造業(yè)應(yīng)用的深層次需求,國內(nèi)MES應(yīng)用的實例剖析及實施關(guān)鍵等。中石化開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)、符合我們中國石化企業(yè)特色的中國石化MES系統(tǒng),上海寶信軟件公司聯(lián)合清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交大、東北大學(xué)、大連理工、冶金自動化院等六家研究院校,提出了符合我國國情并具有國際先進(jìn)水平的鋼鐵制造業(yè)MES控制策略與產(chǎn)品構(gòu)架,制定出了行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)《企業(yè)信息化技術(shù)規(guī)范 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)》等。

4 MES研究中的幾個關(guān)鍵問題

雖然MES技術(shù)已經(jīng)在快速地發(fā)展成熟,但是在實際應(yīng)用中仍然存在著不少的問題。目前MES研究中的幾個關(guān)鍵問題是:

4.1 MES系統(tǒng)通用性差

國內(nèi)開發(fā)商提供的MES系統(tǒng)通用性程度不高,直接導(dǎo)致商業(yè)化的成熟產(chǎn)品很難形成。目前的MES系統(tǒng)普遍都是特例式的系統(tǒng),客制化程度往往高達(dá)70%甚至更高。而很多人也對這個問題陷入一個誤區(qū)----MES就應(yīng)該是這樣一個特例式的系統(tǒng)。我們應(yīng)該做的工作是:先抽象出MES中共性化的東西,再進(jìn)行模塊化的技術(shù)開發(fā)。想象一下假如做個顛倒,MES的通用化程度可以達(dá)到70%,客戶化的開發(fā)只需要30%,這樣不僅開發(fā)成本將得到大大降低,而且后期的培訓(xùn)維護(hù)也將變得簡單。

即使是在國際上,這也是MES行業(yè)面臨的一大問題。目前已經(jīng)有眾多的人員投入在這方面的研究工作,并已取得了一定的成果。例如美國卡斯達(dá)系統(tǒng)有限公司推出的最新版電子行業(yè)解決方案(Electronics Suite)?？ㄋ惯_(dá)公司總裁兼首席執(zhí)行官Scott Toney表示,目前市場其他一些解決方案包括40%標(biāo)準(zhǔn)化功能、20%可配置功能,剩下的40%完全由客戶自己開發(fā),并且這40%需要從最基礎(chǔ)的編程工作做起;而Electronics Suite系統(tǒng)80%是標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊,20%屬于可配置功能,同時系統(tǒng)采用跨平臺開放的軟件和硬件架構(gòu)技術(shù),具有更高的性能可靠性。該方案已經(jīng)在不少公司成功實施,包括日立、索尼愛立信移動通信公司、Hutchinson Technology、EPIC Technology等。

4.2 信息化程度不高

這里的不足主要體現(xiàn)在實時監(jiān)控上,特別是離散制造業(yè)。目前國內(nèi)有些制造企業(yè)的自動化程度較低,導(dǎo)致實施MES的實時生產(chǎn)信息必須由人工收集和輸入。而通過人工統(tǒng)計的方式,周期太長,響應(yīng)嚴(yán)重滯后,還伴隨著人員工作的不穩(wěn)定因素,是無法做到生產(chǎn)運行持續(xù)平穩(wěn)的。這種生產(chǎn)環(huán)境下的MES與ERP的車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)沒有兩樣。MES是作為連接計劃層和執(zhí)行層的紐帶而存在,因此要充分發(fā)揮執(zhí)行層MES的作用,必須加強ERP和控制層的建設(shè)。

4.3 ERP與MES間的集成問題

MES作為溝通企業(yè)計劃層和控制層的一環(huán),與ERP交互的重要性顯而易見。MES與ERP的信息交互比較復(fù)雜,目前大多采用的是通過ODBC或XML方式,結(jié)合具體ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫定制。為了解決MES與企業(yè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)的接口,ISA-95 委員會的文件中有非常明確的表述,不僅描述了MES過程,同時還通過各種功能諸如資源管理和資源分配調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量保證管理、維護(hù)管理、績效分析、排程、文件控制、工時管理及物料和生產(chǎn)跟蹤等之間的交互作用來描述MES過程。國外有些MES公司與ERP廠商都是ISA-95 委員會成員,參與了S95標(biāo)準(zhǔn)的制定。雖然范圍和功能都還比較小,但是有的MES部分功能已經(jīng)可以與SAP等ERP集成。例如西門子公司遵照S95標(biāo)準(zhǔn),為MES的實施開發(fā)了核心產(chǎn)品——SIMATIC IT Production Suite。由于該產(chǎn)品符合S95標(biāo)準(zhǔn),從根本上能滿足企業(yè)管理控制系統(tǒng)集成的需要,又由于它能夠動態(tài)組織以滿足企業(yè)變化的需求,因此它成為MES的主角。

可以預(yù)見,隨著MES產(chǎn)品的不斷完善,以后MES與ERP需要的集成度必定越來越高。因此,國內(nèi)MES公司在產(chǎn)品發(fā)展過程中也要盡可能從基礎(chǔ)設(shè)計上支持S95標(biāo)準(zhǔn),為將來的集成問題打好基礎(chǔ)。此外,ERP廠商也應(yīng)該關(guān)注并盡快支持S95標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 平臺化問題

平臺化問題實際是通用性問題和集成問題的一個延伸,也是國內(nèi)MES廠商較之國外廠商有明顯差距的一個方面。MES 提出的MES標(biāo)準(zhǔn)有11個模塊,根據(jù)企業(yè)的不同情況就會存在不同的需求,而平臺化產(chǎn)品可以提供豐富可重復(fù)使用的“庫”,滿足企業(yè)的不同需求,以及基于國際化標(biāo)準(zhǔn)的制作,可以簡化解決與各個系統(tǒng)間集成的問題,避免企業(yè)的重復(fù)投資。

4.5 智能化問題

MES系統(tǒng)不僅僅是只給生產(chǎn)人員所使用的,更重要的是要為企業(yè)的決策提供支持。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程管理中很重要的一點就是管理人員和操作人員的經(jīng)驗,如何把這些經(jīng)驗固化在MES系統(tǒng)中直接用于生產(chǎn)管理,智能地代替人工作出最優(yōu)化的判斷,這也就是MES的智能化問題。這在我國MES研究開發(fā)中還少有涉及。

4.6 MES的認(rèn)識問題

MES在國內(nèi)研發(fā)才剛起步,各制造業(yè)尚缺乏成功的范例,也缺少專業(yè)的實施公司,對其沒有正確的觀念與認(rèn)識,推行信心及決心不夠。MES 現(xiàn)場第一線管理者可能難以正確理解MES導(dǎo)入的意義,反而因透明化使權(quán)力有被剝奪的感覺。生產(chǎn)過程中,整個企業(yè)從領(lǐng)導(dǎo)者到一線的生產(chǎn)者是環(huán)環(huán)相扣的,只有每一環(huán)都對MES有清楚的認(rèn)識,才能保證系統(tǒng)的正常運行。

4.7 企業(yè)自身管理體系問題

相當(dāng)一部分企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)在實施MES時有一個誤區(qū):信息技術(shù)能夠解決企業(yè)管理問題。事實上,許多企業(yè)面臨的管理問題是不可能靠計算機(jī)來解決的,必須靠企業(yè)自身通過科學(xué)的組織、嚴(yán)格的規(guī)章及有效的改革來解決。計算機(jī)只能通過信息的獲取與加工、一定的流程控制來支持企業(yè)管理思想的貫徹。信息技術(shù)可以成為提高企業(yè)管理水平的有效輔助手段,但不能自動地解決企業(yè)的管理問題。要想成功實施MES,企業(yè)必須先在管理上下功夫。

4.8 人員培訓(xùn)問題

無論是對MES的順利執(zhí)行還是后期維護(hù),人員培訓(xùn)都有巨大的作用。在MES實施之后,與其直接打交道的便是現(xiàn)場操作人員。MES強調(diào)實時數(shù)據(jù)收集、監(jiān)督及控制,較之一般數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用系統(tǒng),其技術(shù)難度較高,須有專業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)驗者才足以勝任,因此需要做好人員培訓(xùn)工作。而且如果一線的操作人員了解MES系統(tǒng),也更容易做好與MES供應(yīng)商的溝通,使其明確企業(yè)需求。

4.9 資金問題

除了以上幾點共性問題,這一點也是MES應(yīng)用發(fā)展比較突出的問題,特別是在中小型企業(yè)中尤為凸現(xiàn)。很多企業(yè)包括一些中小型企業(yè)是有引入MES的需求的,但是對整個企業(yè)引入MES毫無疑問是一個大工程,耗資也是巨大的,這也使相當(dāng)一部分中小型企業(yè)對MES望而卻步。實際上,雖然MES的內(nèi)容從生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品管理、質(zhì)量檢測等等無所不包,對于部分小型企業(yè)可以只考慮優(yōu)先就一些最需要的、容易立竿見影的項目實施,等到產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益以后再逐步對其他環(huán)節(jié)進(jìn)行改造,這些就需要企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者有個明確的發(fā)展認(rèn)識。

5 總結(jié)與展望

針對上一節(jié)提出的問題,由于目前MES的技術(shù)問題主要集中在標(biāo)準(zhǔn)化與客戶化上,因此在未來的一段時間里,系統(tǒng)通用化的開發(fā)仍然是MES技術(shù)研究的主題。

隨著IT技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展,客戶的要求也越來越高,希望供應(yīng)商能夠提供從控制層到MES再到ERP全套產(chǎn)品,因此學(xué)科滲透以及系統(tǒng)集成度的技術(shù)開發(fā)也必將成為一個趨勢。此外,廣大正在使用或者準(zhǔn)備使用MES的企業(yè)也需要不斷提升員工素質(zhì),破除思想誤區(qū),真正發(fā)揮出MES的優(yōu)勢。

科技的發(fā)展日新月異,短短幾十年MES已經(jīng)由最初企業(yè)自主開發(fā)單一功能的系統(tǒng)發(fā)展成為由專業(yè)MES公司專門從事MES開發(fā)。當(dāng)下MES的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,應(yīng)用范圍也大大拓展,其經(jīng)濟(jì)效益也吸引越來越多的公司關(guān)注和使用MES。未來擁有MES也許將逐漸成為制造企業(yè)競爭力的重要標(biāo)桿,甚至MES將不再只是企業(yè)內(nèi)的管理工具而為企業(yè)間的信息化服務(wù)。

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①本文得到四川省教育廳人工智能重點實驗室課題(2008RZ003) 基金的部分資助。