流程工业MES的现状与发展
[摘 要]
制造执行系统MES 是流程工业现代集成制造系统CIMS 中的关键环节,是在近20 年发展起来的新型企业生产管理系统。本文首先介绍了MES 系统的发展背景,随后阐述了MES 系统的功能架构,并在此基础上探讨了MES 系统的软件架构,最后介绍了国内外现有的MES 系统产品以及MES 系统今后的发展方向。
[关键词]MES 系统;分布式软件架构;协同制造
Actuality and trend of MES
GU Jia2chen ,LIU Xiao2qiang ,SUN Yan2guang
(Automation Research and Design Institute of Metallurgical Industry , Beijing 100071 , China)
Abstract :Manufacturing execution system (MES) as the key role of CIMS has been developed for about twenty years. In this paper , the background of MES is introduced. The functions and the software structure of MES are discussed. The trend and some products of MES are introduced finally.
Key words :MES;distributed software ;collaborative manufacturing
0 引言
制造执行系统(Manufacturing Execution System)是上个世纪80 年代开始出现的一种新型的企业生产管理系统。它作为现代集成制造系统CIMS的关键,在企业资源计划ERP 层和过程控制系统PCS 层中间,起到了承上启下的核心作用。MES系统融合了先进的信息技术和网络技术,为实现敏捷制造和网络制造提供了先进的信息处理平台。
1 MES 系统的背景
1. 1 制造业信息化的背景
自上世纪末开始,世界经济的全球化趋势越来越明显,市场瞬息万变,企业间的竞争越来越激烈,为应付多变的市场需求,企业对于自身的信息化要求也日益紧迫。随着计算机技术和网络技术的不断发展,使得建立分布式的企业信息系统成为可能。国内外许多大型流程制造企业纷纷投入大量人力、物力和财力,构建企业级或集团级的信息化系统,即现代集成制造系统(CIMS) ,并以此为手段提高企业在激烈的市场竞争中的应变能力和创新能力。在欧美和日本等发达国家,众多大型流程工业企业成功实施了CIMS 计划,推动了流程工业整体CIMS 应用水平的提高。在新的世纪,许多国家都将制造系统集成技术列入了跨世纪战略计划。如美国的“敏捷制造使能技术研究战略计划”与“国家工业信息基础设施协议NIIIP”计划,欧盟的“第四届框架研究计划”和日本的“智能制造系统计划”等。同时,许多跨国公司应用现代集成制造系统实现了设计、制造、管理、经营一体化,加强了他们在国际市场的垄断地位。如美国波音公司在实施了集成制造系统后使波音777 的开发周期从8~9 年缩短到4.5年,成本降低了25 % ,返工率降低了75 %;通用汽车公司应用了现代集成制造技术后,轿车的开发周期从4 年缩短到2 年,碰撞试验由原来的100 多次降低到50 次;美孚石油公司应用先进的综合自动化技术后,企业效益提高5 %~8 % ,劳动生产率提高10 %~15 %。韩国浦项在3 年时间内实施了PI (Process Innovation)工程,典型产品的交货期从30 天缩短到14 天。由此可见,集成制造技术已成为带动制造业发展的重要推动力。
进入新的世纪,信息技术特别是网络技术的快速发展,促进了全球信息化。经济全球化和制造网络化是本世纪制造业发展的主要趋势与重要特征。
1. 2 现代集成制造系统的发展背景
现代集成制造系统通过追踪生产信息流来实现对企业的全面控制和管理,经过几十年的理论和实践发展,它的系统结构已经逐步摆脱了完全按照物理层次划分并配置系统的传统模式,朝着一种更加简单合理的综合模式发展,如图1 所示。
新的系统结构按照任务的要求和功能的分担进行配置。在新的系统结构中,其核心功能是处于中间层的MES 系统,它是一个承上启下的功能层。
为了全面实施CIMS 的建设,单纯依靠提高设备控制的自动化水平和增强企业管理并不能解决全部问题,在设备和过程控制与企业ERP 系统之间存在着生产过程监控管理一体化的功能需求,即要实现从PCS 层的毫秒和秒级信息到ERP 层的日、周、月级信息之间的转换和沟通[1 ] ,以填补传感器到ERP 之间的“沟壑”,完成过程信息与管理信息的双向集成,这就是MES 系统的功能,如图2所示。
从图2 中可以看出,MES 系统的主要任务是将PCS 系统中的生产实际状况经过分析和汇总及时反馈回ERP 中,同时将ERP 中产生的生产订单转化为生产实际操作数据并交PCS 系统完成,其中主要包括生产计划的一体化编制和处理、生产过程动态优化调度、生产成本的在线预测和优化控制、生产流程的质量控制和跟踪、生产设备的在线状态检测和故障诊断。
许多完成了ERP 系统的企业发现缺少MES系统的支撑, ERP 系统很难用来指导生产实际。
在国家“十五”863 战略目标论证报告中指出,现代集成制造系统(CIMS) 主题的一个主要研究任务就包括生产过程执行系统(MES) 。因此,MES 系统是企业实施CIMS 的关键,是使CIMS 系统发挥作用的基础和保证。
2 企业MES 系统功能架构
从图1 中可以看出,MES 系统主要完成原来属于车间管理级和工厂管理级的任务,根据国际MES 协会MESA 的定义,MES 系统的主要功能包括11 个方面[2 ] ,如图3 所示。这11 个方面基本上囊括了所有的生产管理要素,这些功能的取舍取决于特定的企业环境和期望的产出效益。
1) 资源配置与状态跟踪。对所有的生产资料进行管理,包括机器、工具、劳工技能、材料等等,使其井然有序,随时可以投入运转。同时记录资源的各种历史信息,以保证生产设备的配置,并对设备的实时状态信息进行跟踪。
2) 工序/ 细节调度。根据生产单元的优先级、属性、特征,对生产工序进行优化,使生产资源配置的变化降到最低。
3) 生产计划和调度。制定生产计划,并以任务、工单、批次、订单等形式下发给各生产单元。可以根据生产实绩实时调整原始计划,产生新的调度信息。
4) 文档控制。对所有与生产单元有关的资料进行管理,包括工作指令、图纸、配方、标准操作流程、设计变更、产品记录以及ISO 信息等,并进行历史数据的存储。
5) 数据采集/ 获取。实时采集生产数据,记录生产单元的各种参数,并保存在相应的表格和记录中。数据可以由人工录入和从设备中自动采集。该功能需向外提供一个接口,以便其它应用可以通过它获得生产实时数据。
6) 人力资源管理。记录员工的考勤以及专业技能,提供员工的实时状况记录,同时与资源配置功能交互,以产生最优配置。
7) 质量管理。提供生产的实时分析,保证严格的产品质量控制,发现潜在的质量问题。对出现的质量问题进行诊断、分析,并提出改进方法,包括SPC/ SQC 的在线跟踪和离线分析功能。
8) 过程管理。对生产过程进行监视,自动纠正或提示操作人员纠正生产中的纰漏,提供报警管理以及MES 系统与智能设备的接口。
9) 维护管理。跟踪并指导生产,以维护设备和工具,对突发问题作出快速响应。建立历史事件和故障记录数据库,协助完成故障诊断。
10) 产品跟踪与记录。提供可视化的跟踪手段,监视产品的状态及用途。跟踪信息包括加工者、原料供应者、批号、序列号、当前产品状态、报警信息、返工及异常情况。通过跟踪信息可以追溯生产历史以及产品最终用途。
11) 性能分析。对生产实绩和历史信息进行分析,以得到现