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步骤工业MES现实状况和发展

[摘　要]制造实施系统MES 是步骤工业现代集成制造系统CIMS 中关键步骤,是在近20 年发展起来新型企业生产管理系统。本文首先介绍了MES 系统发展背景,随即叙述了MES 系统功效架构,并在此基础上探讨了MES 系统软件架构,最终介绍了中国外现有MES 系统产品和MES 系统以后发展方向。

[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
制造实施系统(Manufacturing Execution System)是上个世纪80 年代开始出现一个新型企业生产管理系统。它作为现代集成制造系统CIMS关键,在企业资源计划ERP 层和过程控制系统PCS 层中间,起到了承上启下关键作用。MES系统融合了优异信息技术和网络技术,为实现灵敏制造和网络制造提供了优异信息处理平台。

1 　MES 系统背景
1. 1 　制造业信息化背景
自上世纪末开始,世界经济全球化趋势越来越显著,市场瞬息万变,企业间竞争越来越猛烈,为应付多变市场需求,企业对于本身信息化要求也日益紧迫。伴随计算机技术和网络技术不停发展,使得建立分布式企业信息系统成为可能。中国外很多大型步骤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信息化系统,即现代集成制造系统(CIMS) ,并以此为手段提升企业在猛烈市场竞争中应变能力和创新能力。在欧美和日本等发达国家,众多大型步骤工业企业成功实施了CIMS 计划,推进了步骤工业整体CIMS 应用水平提升。在新世纪,很多国家全部将制造系统集成技术列入了跨世纪战略计划。如美国“灵敏制造使能技术研究战略计划”和“国家工业信息基础设施协议NIIIP”计划,欧盟“第四届框架研究计划”和日本“智能制造系统计划”等。同时,很多跨国企业应用现代集成制造系统实现了设计、制造、管理、经营一体化,加强了她们在国际市场垄断地位。如美国波音企业在实施了集成制造系统后使波音777 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 %;通用汽车企业应用了现代集成制造技术后,轿车开发周期从4 年缩短到2 年,碰撞试验由原来100 数次降低到50 次;美孚石油企业应用优异综合自动化技术后,企业效益提升5 %～8 % ,劳动生产率提升10 %～15 %。韩国浦项在3 年时间内实施了PI (Process Innovation)工程,经典产品交货期从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关键推进力。
进入新世纪,信息技术尤其是网络技术快速发展,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关键趋势和关键特征。
1. 2 　现代集成制造系统发展背景
现代集成制造系统经过追踪生产信息流来实现对企业全方面控制和管理,经过几十年理论和实践发展,它系统结构已经逐步摆脱了完全根据物理层次划分并配置系统传统模式,朝着一个愈加简单合理综合模式发展,图1 所表示。

新系统结构根据任务要求和功效分担进行配置。在新系统结构中,其关键功效是处于中间层MES 系统,它是一个承上启下功效层。
为了全方面实施CIMS 建设,单纯依靠提升设备控制自动化水平和增强企业管理并不能处理全部问题,在设备和过程控制和企业ERP 系统之间存在着生产过程监控管理一体化功效需求,即要实现从PCS 层毫秒和秒级信息到ERP 层日、周、月级信息之间转换和沟通[1 ] ,以填补传感器到ERP 之间“沟壑”,完成过程信息和管理信息双向集成,这就是MES 系统功效,图2所表示。

从图2 中能够看出,MES 系统关键任务是将PCS 系统中生产实际情况经过分析和汇总立即反馈回ERP 中,同时将ERP 中产生生产订单转化为生产实际操作数据并交PCS 系统完成,其中关键包含生产计划一体化编制和处理、生产过程动态优化调度、生产成本在线估计和优化控制、生产步骤质量控制和跟踪、生产设备在线状态检测和故障诊疗。
很多完成了ERP 系统企业发觉缺乏MES系统支撑, ERP 系统极难用来指导生产实际。
在国家“十五”863 战略目标论证汇报中指出,现代集成制造系统(CIMS) 专题一个关键研究任务就包含生产过程实施系统(MES) 。所以,MES 系统是企业实施CIMS 关键,是使CIMS 系统发挥作用基础和确保。
2 　企业MES 系统功效架构
从图1 中能够看出,MES 系统关键完成原来属于车间管理级和工厂管理级任务,依据国际MES 协会MESA 定义,MES 系统关键功效包含11 个方面[2 ] ,图3 所表示。这11 个方面基础上囊括了全部生产管理要素,这些功效取舍取决于特定企业环境和期望产出效益。

1) 资源配置和状态跟踪。对全部生产资料进行管理,包含机器、工具、劳工技能、材料等等,使其井然有序,随时能够投入运转。同时统计资源多种历史信息,以确保生产设备配置,并对设备实时状态信息进行跟踪。
2) 工序/ 细节调度。依据生产单元优先级、属性、特征,对生产工序进行优化,使生产资源配置改变降到最低。
3) 生产计划和调度。制订生产计划,并以任务、工单、批次、订单等形式下发给各生产单元。能够依据生产实绩实时调整原始计划,产生新调度信息。
4) 文档控制。对全部和生产单元相关资料进行管理,包含工作指令、图纸、配方、标准操作步骤、设计变更、产品统计和ISO 信息等,并进行历史数据存放。
5) 数据采集/ 获取。实时采集生产数据,统计生产单元多种参数,并保留在对应表格和统计中。数据能够由人工录入和从设备中自动采集。该功效需向外提供一个接口,方便其它应用能够经过它取得生产实时数据。
6) 人力资源管理。统计职员考勤和专业技能,提供职员实时情况统计,同时和资源配置功效交互,以产生最优配置。
7) 质量管理。提供生产实时分析,确保严格产品质量控制,发觉潜在质量问题。对出现质量问题进行诊疗、分析,并提出改善方法,包含SPC/ SQC 在线跟踪和离线分析功效。
8) 过程管理。对生产过程进行监视,自动纠正或提醒操作人员纠正生产中纰漏,提供报警管理和MES 系统和智能设备接口。
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统计数据库,帮助完成故障诊疗。
10) 产品跟踪和统计。提供可视化跟踪手段,监视产品状态及用途。跟踪信息包含加工者、原料供给者、批号、序列号、目前产品状态、报警信息、返工及异常情况。经过跟踪信息能够追溯生产历史和产品最终用途。
11) 性能分析。对生产实绩和历史信息进行分析,以得到现实生产情况效果,并和估计效果进行比较。
3 　MES 系统分布式软件架构
作为企业应用软件,MES 系统应含有分布式软件架构。伴随网络技术发展和应用需求改变,分布式应用软件架构逐步由原来2层C/ S 架构转化为3 层或多层分布式架构,图4所表示。
在新架构中,全部复杂业务逻辑和大量计算工作被编写为组件安装在中间层应用服务器中,这部分功效在2 层C/ S 架构中关键是在用户端完成。将复杂逻辑和计算功效从原来用户端分离出来,形成中间层应用服务器,有3 个关键益处:

1) 提升了系统可扩展性。原来2 层C/ S架构中能够容纳用户端多少,很大程度上取决于数据服务器性能;在3 层架构中,每台应用服务器能够挂接多个用户端,当用户端数目超出单台应用服务器能力限制后,能够增加新应用服务器,同时在多台应用服务器之间采取负载均衡技术,这么就大大提升了整个系统可扩展性。
2) 提升了系统可维护性。原来2 层C/ S架构中,假如后台数据库结构或业务逻辑发生了改变,那幺用户端程序必需做出对应调整;在3层架构中,用户端不直接和数据库交互,全部业务逻辑全部放在了中间层应用服务器上,一旦数据库结构或业务逻辑发生了改变,只需要修改相关业务逻辑组件,而用户端无需任何改动,大大降低了系统维护成本。
3) 增加了系统可复用性和灵活性。因为业务逻辑被编写为相对功效独立组件,所以新MES 系统只需要重写原来系统中和新用户需求不相符部分,而大量功效近似组件能够复用,降低了开发新系统成本。另外,3 层架构对基于浏览器、用户端应用模式也提供了愈加好支持,增加了系统灵活性。
当然,分布式3 层或多层架构软件,对编程人员提出了更高要求,而且在用户端需要大量数据情况下,对系统效率也提出了更高要求。
分布式3 层或多层架构对系统组成方法也提出了以组件为基础新要求,OMGCORBA、微软COM/ DCOM/ COM + 和SUN EJB 是3 种可供选择分布式组件标准。现在常见企业分布式应用软件架构有2 种:
*微软Windows DNA 架构;
*基于Java Sun 企业J2EE。
现在国外多个MES 软件大全部是采取了微软技术, 西门子SIMATIC IT , WONDERWARE FactorySuite 和CAMSTAR InSiteLive 全部采取了微软COM/ DCOM标准。
4 　中国外MES 软件产品现实状况
现在提供MES 产品企业关键是国外企业,其中包含了关键MES 功效产品有: 西门子SIMATIC IT , WONDERWARE FactorySuite ,CAMSTAR InSiteLive ,CIMNET Factelligence ,和法国阿尔斯通企业MES 等。西门子企业提供MES 产品SIMATIC IT 功效最全,基础上包含了全部MES 功效,它组织结构由框架(Frame2work) 、功效组件(Components) 、工业套件(Suites) 3部分组成,其中框架部分关键提供了应用开发工具、建模工具和多种接口适配器,功效组件部分提供了全部对应MES 功效模块,工业套件则是专门为特定工业领域,如离散制造企业、冶金企业、食品饮料和制药企业提供专门套件。
WONDERWARE 企业MES 产品FactorySuite 不像西门子产品提供了完整MES 功效,它产品只提供了部分MES 功效,包含产品跟踪、质量管理等,更多模块,如InTouch , InSql 等偏向于PCS 功效。CAMSTAR 企业是世界上最早提供MES 产品企业之一,也是MES 协会最早组员之一,它MES 产品InSiteLive 也只提供了部分MES 功效,包含工作步骤管理、物料跟踪、资源管理等, 其外延产品LiveVIEW, LiveCONNECT ,LiveSYNC ,LiveRELAY,LiveALERT 提供了更多协同制造功效。
中国现在还没有比较成熟MES 产品,只有宝信企业MES 产品宝信MES、冶金自动化研究设计院MES 产品AriMES 在开发中。
5 　MES 发展趋势
在早期国际MES 协会MESA 描述中,MES系统功效关键分为关键功效模块和外围功效模块2 部分。以生产计划和数据采集、物流管理等模块合并起来形成MES 关键功效,而其它部分功效模块,如质量管理、维护管理、文档管理等形成MES 系统外围功效模块。在近期MES 协会对MES 系统功效描述上能够发觉,已不再突出这种功效上主次之分,而是关键突出了协同制造(Collaborative Manufacturing) 概念[3 ] ,这关键是为适应经济全球化发展。同时,也为了适应愈加猛烈市场竞争,MES 协会将原来MES 系统外延扩大,加入了部分原来属于ERP 范围内容,如供给链管理SCM(Supply Chain Management) 、用户关系管理CRM(Customer Relationships Management)等,从而形成了一套完整制造企业处理方案。所以,对应MES 概念也转变为Manufacturing En2terprise Solutions (制造企业处理方案) ,图5 所表示。

另外,原来部分提供ERP 处理方案企业也意识到了ERP 和PCS 之间存在断层,在原来系统上增加了部分MES 功效,这么就形成了ERP 系统和MES 系统之间功效相互渗透局面,双方全部期望为用户提供一整套企业信息化处理方案,最大程度地降低企业在这方面投资,以使自己能够在竞争中立于不败之地。