MES的定位和功能解析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：当工厂发生实时事件时，MES能够对此及时地做出反应和报告，并用当前的准确数据对它们进行分析和处理。MES的定位符合CIMS的递阶控制思想。通过MES把ERP与企业的生产现场控制有机地集成起来。图2-9反映了MES与企业其他管理系统之间的关系。

美国先进制造研究机构AMR将MES定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的ERP”，它为操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪及所有资源（人、设备、物料、客户需求等）的当前状态等信息。MES国际联合会对MES的定义如下：MES能够通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能够对此及时地做出反应和报告，并用当前的准确数据对它们进行分析和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通信在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品生产行为的关键任务信息。

1.MES在生产管理中的系统定位

AMR于20世纪90年代提出的企业集成模型，如图2-7所示，清楚地描述了MES在企业系统中的位置。MES的定位符合CIMS的递阶控制思想。

计划层（ERP）：强调企业的计划性。它以客户订单和市场需求为计划源头，充分利用企业内的各种资源，降低库存，提高企业效益。ERP等从生产管理的角度来看，属于企业的计划层。

执行层（MES）：强调计划的执行和控制。通过MES把ERP与企业的生产现场控制有机地集成起来。

控制层（Control）：强调设备的控制。包括DCS（Distributed Control System，Des）、PLC（Programmable Logic Controllers，PLC）、NC/DNC（Distributed Numerical Control，DNC）、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）及其他的控制产品制造过程的计算机控制方法。

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图2-7　AMR的三层企业集成模型

从企业集成模型可以看出，MES在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙。近年来，一些ERP软件试图将其车间管理的功能向下延拓，而一些底层控制软件如DCS软件、各种底层组态软件等尝试向上延伸功能，尽管增加了一些功能模块，但是其收效不大。MRP Ⅱ/ERP软件缺少足够的底层控制信息，无法实现与控制系统紧密相连；DCS、各种组态软件等控制软件又缺乏足够的上层控制信息，不能实现对生产的管理与控制。因此，上述情况造成了企业内部的信息传递瓶颈，不能对瞬息万变的市场变化做出快速响应。其主要原因是虽然重视了计划管理和底层控制，却忽视了车间执行功能，如图2-8所示。因此重视制造执行过程对企业来说，可以起到事半功倍的效果。MES是面向车间生产过程的“实时”生产和调度，一方面MES可以将来自MRP Ⅱ/ERP软件的生产管理信息细化、分解，形成操作指令传递给底层控制；另一方面MES可以实时监控底层设备的运行状态，采集设备、仪表的状态数据，经过分析、计算与处理，触发新的事件，从而方便、可靠地将控制系统与信息系统联系在一起。

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图2-8　传统的企业管理与控制之间的鸿沟

目前的国内外市场上，支持工厂综合自动化的软件主要分为支持面向企业的生产管理软件和面向底层设备的生产过程控制软件两大类，而在工厂管理和制造活动控制中，留下了几乎没有软件产品覆盖的真空地带，MES的提出，填补了这个真空地带。

随着市场经济的发展和完善，企业的制造车间逐步向分厂制转变，其角色也由传统的企业成本中心向利润中心转变，因此，位于车间级并起着控制执行过程作用的MES具有十分重要的作用，它填补了图2-8中所示的计划管理层和底层控制之间的“鸿沟”。

MES是面向制造过程的，它必然与其他的制造管理系统共享和交互信息，这些系统包括供应链（SCM）、计划管理（ERP）、销售和客户服务管理（SSM）、产品及产品二艺管理（P/PE）、财务和成本管理（FCM）及生产底层控制管理（Controls）等管理系统。图2-9反映了MES与企业其他管理系统之间的关系。

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图2-9　MES系统定位模型

作为车间生产管理系统核心的MES可看作是一个通信工具，它为企业各种其他应用系统提供现场的数据信息。MES向上层ERP/SCM提交周期盘点次数、生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品（Work in Process，WIP）的存放位置和状态、实际订单执行等涉及生产运行的数据；向底层控制系统发布生产指令控制及有关的生产线运行的各种参数等；生产工艺管理可以通过MES的产品产出和质量数据进行优化。另一方面，MES也要从其他的系统中获取自身需要的数据，这些数据保证了MES在工厂中的正常运行。例如，MRPⅡ/ERP的计划数据是MES进行生产调度的依据；供应链通过外来物料的采购和供应时间控制着生产计划的制订和某些零件在工厂中的生产活动时间；销售和客户服务模块提供的产品配置和报价为实际生产订单信息提供基本的参考数据；生产工艺管理提供实际生产的工艺文件和各种配方及操作参数；从控制模块传来的实时生产状态数据被MES用于实际生产性能评估和操作条件的判断。总之，MES接受企业管理系统的各种信息，充分利用这些信息资源，实现优化调度和合理资源配置。图2-10反映了ERP份DM/MES/Controls三者之间的信息流动和交互，MSE国际联合会在MSE白皮书中也给出了MES在企业生产管理中的数据流图和所处地位，如图2-11所示。

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图2-10　MES与ERP/PDM/低层控制系统之间信息交互

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图2-11　在企业数据流图中的MES

2.MES主要功能

MES在工厂综合自动化系统中起着承上启下的作用，它在ERP系统产生的生产计划指导下，收集底层控制系统的与生产相关的实时数据，安排短期的生产作业的计划调度、监控、资源调配和生产过程的优化工作。MES国际联合会给出的MES的功能如图2-12所示。

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图2-12　MES系统功能图

（1）资源分配和状态管理：对资源状态及分配信息进行管理，包括机床、辅助工具（如刀具、夹具、量具等）、物料、劳动者等其他生产能力实体，以及开始进行加工时必须具备的文档（工艺文件、数控设备的数控加工程序等）和资源详细历史数据，对资源的管理还包括为满足生产计划的要求而对资源所做的预留和调度。

（2）工序级详细生产计划：负责生成工序级操作计划，即详细计划，提供基于指定生产单元相关的优先级、属性、特征、方法等的作业排序功能。其目的就是要安排一个合理的序列，以最大限度地压缩生产过程中的辅助时间，这个计划是基于有限能力的生产执行计划。

（3）生产调度管理：以作业、订单、批量以及工作订单等形式管理和控制生产单元中的物料流和信息流。生产调度能够调整车间规定的生产作业计划，对返修品和废品进行处理，用缓冲管理的方法控制每一点的在制品数量。

（4）文档管理：管理与生产单元相关包括图纸、配方、工艺文件、工程变更等的记录/单据。该部分还完成包括对存储的生产历史数据进行维护的操作。

（5）现场数据采集：负责采集生产现场中的各种必要的实时更新的数据信息。这些现场数据可以从车间手工输入或由各种自动方式获得。

（6）人力资源管理：提供实时更新的员工状态信息数据。人力资源管理可以与设备的资源管理模块相互作用来决定最终的优化分配。

（7）生产质量管理：把从制造现场收集到的数据进行实时分析以控制产品质量，并确定生产中需要注意的问题。

（8）生产过程管理：监控生产过程，自动修正生产中的错误，提高加工效率和质量，并向用户提供纠正错误和提高在制产品生产行为的决策支持。

（9）生产设备维护管理：跟踪和指导企业维护设备和刀具以保证制造过程的顺利进行，并产生除报警外的阶段性、周期性和预防性的维护计划，也提供对直接需要维护的问题进行响应。

（10）产品跟踪和产品数据管理：通过监视工件在任意时刻的位置和工艺状态来获取每一个产品的历史记录，该记录向用户提供产品组及每个最终产品使用情况的可追溯性。

（11）性能分析：能提供实时更新的实际制造过程的结果报告，并将这些结果与过去的历史记录及所期望出现的经营目标进行比较。

（12）另外，在敏捷制造模式下，MES除了具有上述常规的功能之外，还应该具有实现生产单元动态重构以及通过网络对外交流和合作的功能。即外协生产管理：在敏捷制造模式下，当车间的任务不能完成时，可直接通过网络在网上寻求合作伙伴，实现跨车间乃至跨厂的资源组合，实现企业之间加工设备及资源的共享，构成一个虚拟车间；另一方面，车间也可直接接受其他车间或企业的生产任务，作为其他虚拟企业/虚拟车间的一部分。

MES的定位和功能解析

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