管理大講堂：制造執(zhí)行系統(tǒng)（一）MES的產(chǎn)生及發(fā)展（AMT 管政）

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在經(jīng)濟(jì)全球化、市場全球化的必然趨勢下，我國部分行業(yè)如化工、鋼鐵等等面臨嚴(yán)峻的競爭形勢和經(jīng)歷著深遠(yuǎn)變化的生存發(fā)展要求，轉(zhuǎn)變與趨勢相符的現(xiàn)代管理思路，建立現(xiàn)代管理理念，引進(jìn)現(xiàn)代管理決策機(jī)制，提高核心競爭力已經(jīng)成為企業(yè)最迫切的要求和機(jī)遇所在。觀察世界生產(chǎn)管理模式的發(fā)展趨勢可以清晰的得出企業(yè)行為勢必從單項(xiàng)、局部的改善向著綜合、集成的優(yōu)化轉(zhuǎn)變，尤其是計(jì)劃、組織、控制三大職能的整體優(yōu)化更是企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)和獲得競爭優(yōu)勢的難點(diǎn)和重點(diǎn)，制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System) 主要用來解決整體優(yōu)化中生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)過程的脫節(jié)問題——這一問題長期以來不僅直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，而且成為制約現(xiàn)代企業(yè)內(nèi)部信息集成和企業(yè)之間供應(yīng)鏈優(yōu)化的瓶頸。

一、MES的產(chǎn)生及發(fā)展

1． MES的產(chǎn)生背景

自上世紀(jì)八十年代以后，伴隨著消費(fèi)者對產(chǎn)品的需求愈加多樣化，制造業(yè)的生產(chǎn)方式開始由大批量的剛性生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多品種少批量的柔性生產(chǎn)；以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和大型數(shù)據(jù)庫等IT技術(shù)和先進(jìn)的通訊技術(shù)的發(fā)展為依托，企業(yè)的信息系統(tǒng)也開始從局部的、事后處理方式轉(zhuǎn)向全局指向的、實(shí)時(shí)處理方式。在制造管理領(lǐng)域出現(xiàn)了JIT、LP、TOC等新的理念和方法并依此將基于定單的生產(chǎn)扶正、進(jìn)行更科學(xué)的預(yù)測和制定更翔實(shí)可行的計(jì)劃；在企業(yè)級層面上，管理系統(tǒng)軟件領(lǐng)域MRPII以及OPT系統(tǒng)迅速普及，直到今天各類企業(yè)ERP系統(tǒng)如火如荼的進(jìn)行；在過程控制領(lǐng)域PLC、DCS得到大量應(yīng)用也是取得高效的車間級流程管理的主要因素?？梢哉f企業(yè)信息化的各個(gè)領(lǐng)域都有了長足的發(fā)展，但是在工廠以及企業(yè)范圍信息集成的實(shí)踐過程中，仍然難以解決這一瓶頸帶來的各種問題：在計(jì)劃過程中無法準(zhǔn)確及時(shí)地把握生產(chǎn)實(shí)際狀況，另一方面則在生產(chǎn)過程中無法得到切實(shí)可行的作業(yè)計(jì)劃做指導(dǎo)；工廠管理人員和操作人員難以在生產(chǎn)過程中跟蹤產(chǎn)品的狀態(tài)數(shù)據(jù)、不能有效地控制在制品庫存，而用戶在交貨之前無法了解定單的執(zhí)行狀況。產(chǎn)生這些問題的主要原因仍然在于生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的相互分離，計(jì)劃系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)之間的界限模糊、缺乏緊密的聯(lián)系。針對這種狀況，1990年11月，美國的調(diào)查咨詢公司AMR首次提出MES的概念，為解決企業(yè)信息集成問題提供了一個(gè)被廣為接受的思想，就是我們今天要談的制造執(zhí)行系統(tǒng)。

2． MES的發(fā)展歷程

20世紀(jì)80年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，流程工業(yè)控制中出現(xiàn)了多學(xué)科間的相互滲透與交叉；同時(shí)，信號處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與自動控制技術(shù)的結(jié)合使過程控制開始突破自動化孤島模式，出現(xiàn)了集控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和經(jīng)營于一體的綜合自動化新模式。

20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)的研究已成為自動化領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題。1995年美國、日本、西歐等國已有100多家煉油、化工企業(yè)在實(shí)施CIMS計(jì)劃，推動了流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向上下游、產(chǎn)供銷一體化或集成化方向發(fā)展，意大利AGIP石油公司提出了以數(shù)據(jù)模型為核心的工廠信息集成系統(tǒng)方案，信息采集從底層到上層，從供應(yīng)鏈的源頭到盡頭，而計(jì)算結(jié)果和指令則從上層一直傳遞到底層。它以面向數(shù)據(jù)（而非面向應(yīng)用）的模型為核心系統(tǒng)，連接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對生產(chǎn)過程進(jìn)行過程監(jiān)視、控制和診斷、環(huán)境監(jiān)測、單元整合、模擬和優(yōu)化。并在管理決策層進(jìn)行物料平衡、生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、排產(chǎn)、企業(yè)資源計(jì)劃、離線在線模擬與優(yōu)化等。

流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的理論和技術(shù)經(jīng)過多年的研究發(fā)展，特別是經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，已逐步形成合理的體系結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框架已由下圖所示的五層Purdue模型演變?yōu)?/span>ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)。目前，這已成為西方先進(jìn)工業(yè)國家流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)理論和產(chǎn)品的主流框架。

圖1：Purdue模型

在Purdue模型中，流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)自下而上從功能上分為過程控制、過程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理和經(jīng)營決策五個(gè)層次，將生產(chǎn)過程和管理過程明顯分開。雖然這種體系框架在流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展過程中起過很大的推動作用，但隨著研究與開發(fā)的深入，它在綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐中遇到了較大問題。在流程工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動中，除了底層的過程控制與頂層的企業(yè)管理和經(jīng)營決策外，在中間層次是很難將生產(chǎn)行為與管理行為截然分開的。因此，在牽涉到大量既有生產(chǎn)性質(zhì)又有管理性質(zhì)的信息時(shí)，根據(jù)五層結(jié)構(gòu)模型就很難明確劃分應(yīng)該屬于綜合自動化系統(tǒng)的哪一層次，這就造成了流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)研究與開發(fā)過程中概念的混亂和標(biāo)準(zhǔn)的難以統(tǒng)一。

ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)較好地解決了上述問題。這一結(jié)構(gòu)將流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)劃分為：考慮生產(chǎn)過程問題的過程控制系統(tǒng)PCS；考慮企業(yè)經(jīng)營管理問題的企業(yè)資源計(jì)劃ERP；以及考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問題的中間層生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES。這樣，就使流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中原來難以處理的具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問題得到了解決。

3． MES的定義

國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會（Manufacturing Execution System Association，MESA）對MES的定義是“MES提供為優(yōu)化從訂單投入到產(chǎn)品完成的生產(chǎn)活動所需的信息。MES運(yùn)用及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，指導(dǎo)、啟動、響應(yīng)并記錄工廠活動，從而能夠?qū)l件的變化做出迅速的響應(yīng)、減少非增值活動、提高工廠運(yùn)作過程的效率。MES不但可以改善設(shè)備投資回報(bào)率，而且有助于及時(shí)交貨、加快庫存周轉(zhuǎn)、提高收益和現(xiàn)金流的績效。MES在企業(yè)和供應(yīng)鏈間，以雙向交互的形式提供生產(chǎn)活動的基礎(chǔ)信息。”

如此定義，道出了MES的設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施都是圍繞企業(yè)生產(chǎn)----這一為企業(yè)直接帶來效益的價(jià)值增值過程進(jìn)行的，而針對目前企業(yè)信息化建設(shè)過程中通常對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重視不夠的情況，我們研究所開發(fā)的目前國內(nèi)唯一針對大型流程企業(yè)的專業(yè)MES系統(tǒng)以其精心的設(shè)計(jì)、完善的實(shí)施以及良好的維護(hù)等為MES的興起迎來了良好的開端。

美國的權(quán)威機(jī)構(gòu)先進(jìn)制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）提出的： MES是位于上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)。它為操作人員/管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行和跟蹤以及所有資源（人員、設(shè)備、物料、客戶需求等）的當(dāng)前狀況。AMR于1992年提出了三層的企業(yè)集成模型，將企業(yè)分為三個(gè)層次：計(jì)劃層（MRPII/ERP），執(zhí)行層（MES），控制層（Control）。計(jì)劃層強(qiáng)調(diào)企業(yè)的計(jì)劃，它以客戶定單和市場需求為計(jì)劃源，充分利用企業(yè)內(nèi)部的各種資源，降低庫存，提高企業(yè)效益；執(zhí)行層強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的執(zhí)行，通過MES把MRPII/ERP與企業(yè)的現(xiàn)場控制有機(jī)地集成起來；控制層強(qiáng)調(diào)設(shè)備的控制，如PLC、數(shù)據(jù)采集器、條形碼、各種計(jì)量及檢測儀器、機(jī)械手等的控制。

4.MES的作用

制造企業(yè)關(guān)心三個(gè)問題：生產(chǎn)什么？生產(chǎn)多少？如何生產(chǎn)？企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃回答的是前兩個(gè)問題，“如何生產(chǎn)”由生產(chǎn)現(xiàn)場的過程控制系統(tǒng)“掌握”。ERP、CRM等系統(tǒng)只為生產(chǎn)計(jì)劃的編制提供了數(shù)據(jù)信息，對于“計(jì)劃”如何下達(dá)到“生產(chǎn)”環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程中變化因素如何快速反映給“計(jì)劃”，在計(jì)劃與生產(chǎn)之間需要有一個(gè)“實(shí)時(shí)的信息通道”，MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）就是計(jì)劃與生產(chǎn)之間承上啟下的“信息樞紐”。

近年來，隨著JIT(Just In Time)、BTO（面向訂單生產(chǎn)）等新型生產(chǎn)模式的提出，以及客戶、市場對產(chǎn)品質(zhì)量提出更高要求，MES才被重新發(fā)現(xiàn)并得到重視。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)泡沫的破碎后，企業(yè)開始認(rèn)識到要從最基礎(chǔ)的生產(chǎn)管理上提升競爭力，即只有將數(shù)據(jù)信息從產(chǎn)品級（基礎(chǔ)自動化級）取出，穿過操作控制級，送達(dá)管理級，通過連續(xù)信息流來實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成才能使企業(yè)在日益激烈的競爭中立于不敗之地。目前，MES在國外被迅速而廣泛地應(yīng)用。

企業(yè)信息化系統(tǒng)是一個(gè)信息相互貫通的集合體，作為制造業(yè)內(nèi)部最重要最基本的活動——生產(chǎn)，它的相關(guān)信息尤其需要得到實(shí)時(shí)的處理和分析。具體的說，就是收集生產(chǎn)過程中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對實(shí)時(shí)事件及時(shí)處理，同時(shí)又與計(jì)劃層和生產(chǎn)控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。

MES不同于以派工單形式為主的生產(chǎn)管理和輔助的物料流為特征的傳統(tǒng)車間控制器,也不同于偏重于作業(yè)與設(shè)備調(diào)度為主的單元控制器,而應(yīng)將MES作為一種生產(chǎn)模式, 把制造系統(tǒng)的計(jì)劃和進(jìn)度安排、追蹤、監(jiān)視和控制、物料流動、質(zhì)量管理、設(shè)備的控制和計(jì)算機(jī)集成制造接口（CIM）等一體化去考慮，以最終實(shí)施制造自動化戰(zhàn)略。

國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會（MESA）定義了MES應(yīng)具備的11個(gè)功能模塊：主要包括1)資源分配和狀態(tài)管理；2）操作/詳細(xì)排產(chǎn)；3）分配生產(chǎn)單元；4）文件控制；5）數(shù)據(jù)收集；6）勞動力管理；7）質(zhì)量管理；8）過程管理；9）維護(hù)管理；10)產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理；11)性能分析和數(shù)據(jù)采集。實(shí)際的產(chǎn)品可能是包含其中一個(gè)或幾個(gè)功能模塊。

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