制造执行系统简介

1.生产管理理论的发展过程

在制造企业的产品生产过程中，其最主要的问题之一是车间生产管理和控制问题，这个问题一直是国内外车间管理的重点。立足于计算机在生产管理过程中大规模应用的角度，把生产管理和控制理论的发展过程分为两个阶段，即计算机大规模应用到生产管理过程之前的传统生产管理理论和计算机大规模应用到生产管理过程之后的现代生产管理理论。

在计算机大规模应用到车间生产管理之前（大约20世纪60年代之前），随着生产技术的发展，生产管理技术也应运而生并且得以发展，这一过程以英国的工业革命为标志的现代工业为开始。在此期间，具有典型意义的有：英国经济学家亚当·斯密于1776年在《国富论》一书中强调了劳动分工和专业化的优越性。由于是实行劳动分工，使得每个人的工作范围缩小、工作熟练程度提高，致使工作速度提高。而专业化的实施，使生产过程中工具的变换、原材料使用的变更减少，形成工作的简化，生产管理的作用明显体现出来。1911年被后人称之为“科学管理之父”的美国泰罗在生产管理上做出了突出的贡献。他倡导管理是一门科学。通过实践，他提出了生产管理的一些有效方法，如设置专门的计划部门与其他业务分离；认真开展时间研究和定额管理；在操作方法和工具使用上实行标准化；管理人员明确规定的工作程序；生产实践工作按照职能划分为组长负责，称之为“职能组长职”等。1911年美国的吉尔布雷斯夫妇对生产动作及产生疲劳问题进行了研究，首创了分解动作研究，为提高劳动生产效率做出了贡献；同时还强调加强对人的管理，发挥其在生产和作业管理中的地位和作用。以致后来，梅约的霍桑实验，把心理学、人类学的研究深入到生产管理中去。作为生产管理中具有生产方式里程碑意义的是1913年的美国福特汽车公司的T型汽车生产移动式装配流水线，这种大规模生产方式使生产效率大大提高、成本显著降低，成为20世纪企业采用的代表性生产方式。除上述典型理论之外，还有大量其他的生产管理理论，如1927年爱尔顿·梅约（美国）的霍桑研究对行为科学的发展理论、1934年L.H.C.皮蒂特（英国）的工作抽样理论、1940年运筹学小组（英国）的解决复杂问题应用的运筹学方法理论、1947年G.B.但泽（美国）的线性规划的单纯型法理论等。

随着科学技术的进步、生产力水平的提高，市场需求日益多样化，大批量生产已经不能适应市场的需求，加之计算机的广泛应用，生产管理从观念到生产方式的采用都发生了重大的变革，这一切都导致了现代生产管理理论的出现，它以计算机技术在生产管理领域的大规模应用为起点。具有代表性的现代生产管理理论，如物料需求计划（MRP）、制造资源计划（MRPII）、企业资源计划（ERP）、准时制生产方式（JIT）、最优生产技术（OPT）、约束理论（TOC）、面向负荷的生产控制（LOMC）、计算机集成制造系统（CIMS）、敏捷制造（AM）等相继出现。

（1）MRP、MRPⅡ、ERP。

制造企业中，生产管理经常面临这样的几个问题：生产所需的原材料不能准时供应或供应数量不足；零部件生产不配套，半成品（在制品）和外购件库存积压严重；产品生产周期过长，劳动生产率下降；资金积压严重，周转期长；市场和客户多变、快速的要求使企业的经营、计划系统难以适应等。针对这些问题，人们首先提出了订货点法，订货点法主要根据历史的记录或经验来推测未来生产需求。显然，订货点法难以适应物料需求随时间变化的情况，因为它没有按照各种物料实际需要的准确时间来确定订货与生产日期，所以应用面很窄。为了解决订货点法的不足，在20世纪60年代，由美国BIM公司的Dr.Jose Ph.AOrilc首先提出了MRP理论，MRP的基本思想是，围绕物料转化来组织制造资源，实现按需求准时生产。通过产品出产的时间和数量计划，根据工序顺序反推出所有零部件的投入产出时间和数量，进而确定对制造资源（机器设备、场地、工具、工装、人力、资金等）所需要的时间和数量，由此围绕物料的转化组织制造资源，实现准时生产。20世纪80年代初期，一个结构完整的生产资源规划及执行控制系统，即所谓的闭环MRP诞生了。它以整体生产的观点，利用计划—执行—评估与反馈的管理逻辑，有效地对各项生产资源进行规划与控制。在闭环MRP的基础上，把企业的各种活动加以统一考虑，就发展成为整体的制造资源计划（MRPⅡ）。在MRP Ⅱ中，一切制造资源，包括人工、物料、设备、能源、市场、资金、技术、空间、时间等，都被考虑进来。制造资源计划是一种以物料需求计划为核心的企业生产管理计划系统。20世纪90年代以来，随着信息技术尤其是计算机网络技术的迅猛发展，统一的世界市场正在形成，在日益激烈的竞争压力下，面对国际化的销售与采购市场及逐步形成的全球供应链环境，现代企业的生产经营管理模式也不断发展。MRP Ⅱ管理系统经过扩充与进一步完善从而发展成为ERP。美国Gartner Group咨询公司最早提出了ERP的概念。与MRP Ⅱ相比，ERP更加适应全球化的市场竞争环境，功能更为强大，所管理的企业资源更多，覆盖面更广。它是站在全球市场环境下，从企业全局角度对经营与生产进行计划，是制造企业的综合的集成经营系统。因此，从理论体系上来看，MRP、MRP Ⅱ和ERP一脉相承，其核心的闭环思想保持不变，采用MRPⅡ、ERP生产方式的生产是“推动式”生产，在目前的企业生产管理中ERP系统占有很大的市场。

（2）JIT。

准时制生产方式（Just In Time，JIT）起源于日本丰田汽车公司。其基本思想是：只在需要的时候，生产需要的数量。IJT生产方式力图通过“彻底排除浪费”来实现最大利润目标，为了排除浪费，IJT相应地产生了适时、适量生产，弹性配置作业人数及保证质量等基本方法。IJT的核心是适时、适量生产。JIT采用“看板”（Kanban）系统，看板系统采取的是一种“拉动式”的生产控制方法。在现实生产中，产品最终装配可看作是一个“拉动”系统，在进行装配时，按照当前的需要对前一道工序提出要求，发出工作指令，每道工序都按照后工序的需要生产，这样就实现了所谓的无库存生产，即不进行暂时不需要的物料的生产。IJT在国外的实际应用中也取得了很大的成功，但是目前中国企业实现IJT模式生产缺乏很多的基础条件。

（3）OPT/TOC。

最优生产技术是20世纪70年代末以色列物理学家Dr.E.Gofdratt首创的。OPT的基本思想主要包含两个方面：一方面追求物流的平衡，即要求实现物流的同步化，以求生产周期最短，在制品最少；另一方面分清主次，将精力集中在对企业生产瓶颈环节的控制上，而其他非瓶颈环节的生产安排取决于瓶颈环节。OPT的计划与控制是通过鼓-缓冲-绳法（Drum-Buffer-Rope，DBR）来进行的。OPT在管理思想上独树一帜，并且在生产实践中取得了明显的经济效益，其方法被西方的许多大公司如通用汽车公司、通用电器公司等采用，并获得了很大的成功，但由于它的主要技术和具体的算法规则目前是保密的，无法知道其技术上的核心内容，只能从它公开宣传的OPT思想来了解。约束理论TOC是OPT技术的发展和延续，其目的是找出各种条件下生产的内在规律，寻求一种分析生产经营问题的科学逻辑思维方式和解决问题的有效方法。TOC强调必须把企业看成是一个系统，从整体效益出发来考虑和处理问题。

（4）LOMC。

德国Hannover大学的Bechte和Wiendall等人在20世纪80年代依据存量控制的基本思想，在分析生产系统的工作地点通过时间和在制品库存的关系的基础上，提出“漏斗模型”，进而形成了面向负荷的生产控制方法。LOMC适合应用于多品种中小批量生产系统的计划与控制，其目标同前面的生产控制方法没有本质的不同，也是尽可能限制和平衡在制品库存，使订单（生产任务）迅速而及时地通过系统，并且还可以兼顾工作中心的高利用率。但是它的方法是独特的，它是基于统计观点并采用了一种叫作“漏斗模型”的工具。LOMC认为，一个企业、一个车间、一台机床等都可以看作一个“漏斗”，“漏斗”的输入可以是来自用户的订单或上一道工序转来的工件等；“漏斗”的输出是整个企业、车间、机床完工的任务量。利用“漏斗模型”，可以对一个工作中心的负荷、在制品库存以及平均通过时间和产出量之间的相互关系进行动态分析，得出相应的数量关系，进而建立以工作中心控制为核心的生产作业计划与控制系统。在制品库存主要取决于加工任务的投料方法，这样就可以通过控制“漏斗”的输入，调整在制品数量和平均通过时间，同时控制在制品的输出，保证生产能均衡地进行。

（5）混合生产管理系统。

各种生产管理理论和技术的繁荣和发展，也推动了大量混合生产管理系统的出现，如：spearman等通过研究MRP Ⅱ、JIT和OPT理论，于1990年提出了CONWIP（CONstan work in Process），CONWIP系统在关键工序上采用拉动式系统，在其他工序上采用推动式系统。如果把生产线按关键工序分成若干段，每段可以作为一个CONWIP系统，因此形成一系列串联的CONWIP系统，当CONWIP系统只含有一个工作中心时，它与Kanban系统是等同的。

（6）车间生产调度算法研究。

生产管理中的另一个重要研究方向是生产调度问题的研究，人们提出了各种各样的调度算法，并在生产调度中得到应用，特别是优化计算方法和人工智能方法。随着计算机技术的飞速发展，一些新的优化方法得到了迅速发展，如数学规划、人工神经网络、模拟退火法、遗传算法、禁忌搜索算法和启发式图搜索算法等。这些算法具有不同的特点，在各种条件下的使用和适应性能也各不相同，但任何一种算法都不是万能的，不能很好地解决车间生产中出现的多种多样问题。

总之，近一个世纪以来，生产管理理论的研究得到了很大的发展，各种理论和方法应运而生，为企业生产管理提供了很多有效的管理工具和方法，生产管理理论的总体是朝着量化、优化和系统化的方向发展。

2.MES的产生

尽管ERP、IJT、OPT等理论和方法及基于这些理论的生产管理系统在实际的企业管理中得到很多成功的应用，为企业的生产管理提供了有效的解决方法和工具。但是，由于车间生产管理强调生产计划的执行及生产现场数据的采集和回馈，而ERP、IJT等强调企业的计划性。因此，在车间生产管理和控制上，ERP、JIT等就显得力不从心。

其原因如下：

按照MRP Ⅱ/ERP方式组织生产，存在4个明显的问题：①不确定的产品结构的引入；②陈旧的工时定额数据；③不合实际时提前期定义；④缺乏来自生产现场的反馈而导致计划的不准确。因此，在实际应用过程中，存在在制品的库存量过多，造成管理混乱和资金占用过多的问题。JIT强调零库存生产，实行JIT生产模式必须满足以下条件：生产计划平稳、减少调整准备时间、提高工人素质、生产车间重新布局、准时采购、消除原材料和外构件的库存、加强质量管理、消除废品。目前我国企业实现JIT生产模式缺乏很多的基础条件；OPT技术在面向订单生产的情况下，对于多品种、小批量生产方式的生产计划制定有很大的指导意义，但是它也有相当的局限性，只能用在一些工序较少的生产场合。

目前MRP Ⅱ/ERP软件，如SAP的R/3 System、利玛信息技术公司的CAPMS等，这些管理软件属于企业的上层生产计划管理系统，其中有些软件是从财务管理和物料管理角度开发的，在对车间级制造执行过程的管理上基本不能或不能完善地解决生产调度过程中出现的复杂多变问题，软件的适应性比较差。例如，目前的大多数MRP Ⅱ/ERP商品软件只能做到零部件级生产计划，而没有做到工序级生产计划，个别商品软件虽然做到工序级生产计划，但由于系统的生产日历是以日为最小时段，其计划的精度只能精确到日，生产计划还是比较粗糙，在实际的应用中，难以充分利用企业的所有资源和能力，造成生产时紧时松，原料、工装或辅料等短缺。

20世纪80年代后期，全球市场竞争更加激烈，上层计划管理系统（MRP Ⅱ/ERP等）受市场影响越来越大，计划的适应性问题愈来愈突出，明显感到计划跟不上变化，面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多产品的改型和订单的不断调整，企业的决策者逐渐认识到计划的制定和执行要依赖于市场和实际的作业执行状态，而不能单纯以物料和库存回报来控制生产。

因此，解决生产计划的适应性及增加底层生产过程的信息流动，提高计划的实时性和灵活性，已经成为一个重要的研究课题。为解决这个问题，20世纪90年代美国先进制造研究机构（Advanced Manufacturing Research，AMR）提出了“制造执行系统”概念，并将MES定位于重点解决车间生产管理问题。1992年，一些有识之士发起并成立了国际性组织——MES国际联合会（Manufacturing Execution System Association，MESA），它是以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会，并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。自MES国际联合会成立以来，该组织相继发布了7份MES白皮书，与此同时，国际上一些著名软件厂商和企业界纷纷响应并加入这一组织。

随着MES理论的发展，大量的MES软件被开发出来，并且广泛地应用于车间生产管理，如：美国Consilium公司面向半导体和电子行业相继开发了Workstream（MES I）和FAB300（MES Ⅱ）；美国Honeywell公司面向制药行业开发的POMS-MES，美国的Intllution公司面向多种行业开发的FIX for Windows，并在日本三菱汽车获得很大成功；日本的横河电机公司面向石油相关企业开发的终端自动化系统Exatas；广州今朝科技有限公司开发的MES（Today MES）。