21世紀的制造企業(yè)面臨著日益激烈的國際競爭，要想贏得市場、贏得客戶就必須全面提高企業(yè)的競爭力。許多企業(yè)通過實施MRPⅡ／ERP來加強管理。然而上層生產計劃管理受市場影響越來越大，明顯感到計劃跟不上變化。面對客戶對交貨期的苛刻要求，面對更多產品的改型，訂單的不斷調整，企業(yè)決策者認識到計劃的制訂要依賴于市場和實際的作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)，而不能完全以物料和庫存來控制生產。同時MRPⅡ／ERP軟件主要是針對資源計劃，這些系統(tǒng)通常能處理昨天以前發(fā)生的事情(作歷史分析)，亦可預計并處理明天將要發(fā)生的事件，但對今天正在發(fā)生的事件卻往往留下了不規(guī)范的缺口。而傳統(tǒng)生產現(xiàn)場管理只是人工加表單的作業(yè)方式，這已無法滿足今天復雜多變的競爭需要。因此如何找出任何影響產品品質和成本的問題，提高計劃的實時性和靈活性，同時又能改善生產線的運行效率已成為每個制造企業(yè)所關心的問題。
精益生產執(zhí)行系統(tǒng)(MES)恰好能填補這一空白。國際精益生產執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會對MES的定義是“MES能通過信息的傳遞，對從訂單下達開始到產品完成的整個產品生產過程進行優(yōu)化的管理，對工廠發(fā)生的實時事件及時作出相應的反應和報告，并用當前準確的數(shù)據進行相應的指導和處理。”。美國先進制造研究中心AMR于1992年提出了三層的企業(yè)集成模型，將企業(yè)分為三個層次：計劃層(MRPⅡ／ERP)、執(zhí)行層(MES)和控制層(Control)。計劃層強調企業(yè)的計劃，它以客戶定單和市場需求為計劃源，充分利用企業(yè)內部的各種資源，降低庫存，提高企業(yè)效益；執(zhí)行層強調計劃的執(zhí)行，通過MES把MRPⅡ／ERP與企業(yè)的現(xiàn)場控制有機地集成起來；控制層強調設備的控制如PLC、數(shù)據采集器、條形碼、各種計量及檢測儀器、機械手等的控制。MES是處于計劃層和控制層間的執(zhí)行層，主要負責生產管理和調度執(zhí)行。它通過控制包括物料、設備、人員、流程指令和設施在內的所有工廠資源來提高制造競爭力，提供了一種系統(tǒng)的在統(tǒng)一平臺上集成諸如質量控制、文檔管理、生產調度等功能的方式。由于MES強調控制和協(xié)調，使現(xiàn)代制造業(yè)信息系統(tǒng)不僅有很好的計劃系統(tǒng)，而且有能使計劃落實到實處的執(zhí)行系統(tǒng)。因此短短幾年間MES在國外的企業(yè)中迅速推廣開來，并給企業(yè)帶來了巨大的經濟效益。企業(yè)認識到只有將數(shù)據信息從產品級(基礎自動化級)取出，穿過操作控制級送達管理級，通過連續(xù)信息流來實現(xiàn)企業(yè)信息全集成才能使企業(yè)在日益激烈的競爭中立于不敗之地。
1 MES的產生及發(fā)展
1.1 MES的產生背景
自20世紀80年代以后，伴隨著消費者對產品的需求愈加多樣化，制造業(yè)的生產方式開始由大批量的剛性生產轉向多品種少批量的柔性生產；以計算機網絡和大型數(shù)據庫等IT技術和先進的通訊技術的發(fā)展為依托，企業(yè)的信息系統(tǒng)也開始從局部的、事后處理方式轉向全局指向的、實時處理方式。在制造管理領域出現(xiàn)了JIT、LP、TOC等新的理念和方法并依此將基于定單的生產扶正、進行更科學的預測和制定更翔實可行的計劃；在企業(yè)級層面上，管理系統(tǒng)軟件領域MRPⅡ以及OPT系統(tǒng)迅速普及，直到今天各類企業(yè)ERP系統(tǒng)如火如荼的進行；在過程控制領域PLC、DCS得到大量應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)信息化的各個領域都有了長足的發(fā)展，但在工廠及企業(yè)范圍信息集成的實踐過程中，仍產生了下列問題：一方面在計劃過程中無法準確及時地把握生產實際狀況，另一方面在生產過程中無法得到切實可行的作業(yè)計劃做指導；工廠管理人員和操作人員難以在生產過程中跟蹤產品的狀態(tài)數(shù)據、不能有效地控制產品庫存，而用戶在交貨之前無法了解定單的執(zhí)行狀況。產生這些問題的主要原因仍然在于生產管理業(yè)務系統(tǒng)與生產過程控制系統(tǒng)的相互分離，計劃系統(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月美國先進制造研究中心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被廣為接受的思想。
1.2 MES的發(fā)展
從20世紀70年代后半期開始，出現(xiàn)了解決個別問題的單一功能的MES系統(tǒng)，如設備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、質量管理系統(tǒng)、包括生產進度跟蹤、生產統(tǒng)計等功能的生產管理系統(tǒng)。當時，ERP層(稱為MRP)和DCS層的工作也是分別進行的，因此產生了兩個問題：一個是橫向系統(tǒng)之間的信息孤島，二是MRP、MRPⅡ和DCS兩層之間形成缺損環(huán)或鏈接。
20世紀80年代中期，為了解決這兩個課題，生產現(xiàn)場的信息系統(tǒng)開始發(fā)展，生產進度跟蹤信息系統(tǒng)、質量信息系統(tǒng)、績效信息系統(tǒng)、設備信息系統(tǒng)及其整合已形成共識。與此同時，原來的底層過程控制系統(tǒng)和上層的生產計劃系統(tǒng)也得到發(fā)展。這時，產生了MES原型、即傳統(tǒng)的MES(Traditional MES，T-MES)。主要是POP(生產現(xiàn)場管理，Point of Production)和SFC(車間級控制系統(tǒng)，Shop Floor Control)。
到90年代，MES發(fā)展為I-MES(集成MES)和MES-Ⅱ。這時MES則作為整個工廠生產現(xiàn)場的集成系統(tǒng)出現(xiàn)，故又稱為Integrated MES(E-MES)。主要功能為工廠管理(資源管理、調度管理、維護管理)、工廠工藝設計(文檔管理、標準管理、過程優(yōu)化)、過程管理(回路監(jiān)督控制、數(shù)據采集)和質量管理(SQC-統(tǒng)計質量管理、LIMS-實驗室信息管理系統(tǒng))。MES在90年代初期的重點是生產現(xiàn)場信息的整合。對離散工業(yè)和流程工業(yè)來說，MES有許多差異。就離散MES而言，由于其多品種、小批量、混合生產模式，如果只是依靠人工提高效率是有限的。而MES則擔當了整合、支持現(xiàn)場工人的技能和智慧，充分發(fā)揮制造資源效率的功能。90年代中期，提出了MES標準化和功能組件化、模塊化的思路。這時，許多MES軟件實現(xiàn)了組件化，也方便了集成和整合，這樣用戶根據需要就可以靈活快速地構建自己的MES。因此，MES不只是工廠的單一信息系統(tǒng)，而是橫向之間、縱向之間、系統(tǒng)之間集成的系統(tǒng)，即所謂經營系統(tǒng)，對于SCP、ERP、CRM、數(shù)據倉庫等近年被關注的各種企業(yè)信息系統(tǒng)來說，只要包含工廠這個對象就離不了MES。
近10年來，新興的業(yè)務類型不斷涌現(xiàn)，對技術革新產生了巨大的推動力。正是基于這一點，使人們對B2B以及供應鏈給予了極大的關注。盡管B2B和供應鏈屬于業(yè)務層的解決方案，但如果想要充分地實現(xiàn)它們，還需要得到MES的強有力的支持。其結果是MES不能僅僅做成業(yè)務和過程之間的接口層，還需要建立大量可以完成公司關鍵業(yè)務的功能。這些功能無法彼此獨立，也不能通過數(shù)據交換層簡單地連接，而是必須依據業(yè)務和生產策略彼此協(xié)同。
1.3 MES的作用
制造企業(yè)關心三個問題：生產什么？生產多少？如何生產？企業(yè)的生產計劃回答的是前兩個問題，“如何生產”由生產現(xiàn)場的過程控制系統(tǒng)“掌握”。ERP、CRM等系統(tǒng)只為生產計劃的編制提供了數(shù)據信息，對于“計劃”如何下達到“生產”環(huán)節(jié)，生產過程中變化因素如何快速反映給“計劃”，在計劃與生產之間需要有一個“實時的信息通道”，MES(精益生產執(zhí)行系統(tǒng))就是計劃與生產之間承上啟下的“信息樞紐”。
企業(yè)信息化系統(tǒng)是一個信息相互貫通的集合體，作為制造業(yè)內部最重要最基本的活動一生產，它的相關信息尤其需要得到實時的處理和分析。具體的說，就是收集生產過程中大量的實時數(shù)據，并對實時事件及時處理，同時又與計劃層和生產控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應數(shù)據并反饋處理結果和生產指令。
MES不同于以派工單形式為主的生產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)與設備調度為主的單元控制器，而應將MES作為一種生產模式，把制造系統(tǒng)的計劃和進度安排、追蹤、監(jiān)視和控制、物料流動、質量管理、設備的控制和計算機集成制造接口等一體化去考慮，以最終實施制造自動化戰(zhàn)略。
國際精益生產執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會定義了MES應具備的11個功能模塊：資源分配和狀態(tài)管理、操作／詳細排產、分配生產單元、文件控制、數(shù)據收集、勞動力管理、質量管理、過程管理、維護管理、產品跟蹤和產品清單管理、性能分析和數(shù)據采集。
2 MES發(fā)展現(xiàn)狀
2 MES發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 傳統(tǒng)的MES(T-MES)
傳統(tǒng)的MES可大致分為專用的MES系統(tǒng)(Point MES)和整合的MES系統(tǒng)(Integrated MES)兩大類。專用的MES是指為解決某個特定領域問題，如車間維護、生產調度或SCADA而開發(fā)的單獨應用系統(tǒng)。整合的MES則是針對一特定行業(yè)如航空、裝配、半導體、食品和衛(wèi)生等行業(yè)而設計，具有一定的通用性。并且逐步加強了與上層事務處理和下層實時控制系統(tǒng)的集成能力。由于工廠可能會從不同的軟件供應商購買適合自己的MES模塊，使得MES系統(tǒng)包括了很多子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)都有各自的處理邏輯，數(shù)據庫，數(shù)據模型和通信機制。為了實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的集成，往往采用API技術，OLAP技術和相應的通信機制。其中，外部應用系統(tǒng)的調用和插入使用API的方式，而應用EDI技術和外部環(huán)境進行數(shù)據交換。雖然專用的MES能夠為某一特定環(huán)境提供最好的性能，卻常常難以與其它應用集成，整合的MES比專用的MES邁進了一大步，具有一些優(yōu)點，如單一的邏輯數(shù)據庫，系統(tǒng)內部具有良好的集成性，統(tǒng)一的數(shù)據模型等。但其整個系統(tǒng)重構性能弱，很難隨業(yè)務過程的變化而進行功能配置和動態(tài)改變。為解決傳統(tǒng)EMS的不足，可集成MES(I-MES)逐漸成為人們研究的熱點。
2.2 可集成的MES(I-MES)
可集成MES通過將面向對象技術、消息機制和組件技術應用到系統(tǒng)開發(fā)中，充分結合兩類T-MES的優(yōu)點而發(fā)展起來的。通過采用高效的基礎框架既大大增強了系統(tǒng)的集成性和適應性，又能滿足關鍵事物的處理。NIIIP／SMART協(xié)會為整個MES應用領域提出的一個分布式對象和信息交換模型代表了發(fā)展中MES的技術模型(見圖1)。
圖1 MES的技術模型
從模型中可看出，在面向對象的應用中，每個對象都使用自身具有的功能和方法來操作數(shù)據，分別完成系統(tǒng)的各種功能。而其它功能如：工作流管理，產品數(shù)據管理，知識管理等都從功能邏輯中分離出來。通過對象請求代理(ORB)(如CORBA，COM／DCOM)可使不同軟件商的對象相互交換信息和進行互操。NIIIP／SMART所描述的MES技術模型非常適合未來MES的商業(yè)應用特征，一個分布式對象框架可以讓各種數(shù)據和功能邏輯在使用時變得更加緊密。而且，通過使用小巧簡練的對象，可使系統(tǒng)模型在不破壞相互關系的情況下方便地進行客戶化定義。這些特征使實施的MES費用較低同時又具有良好的適應性和柔性。隨著計算機技術的發(fā)展，越來越多的MES、ERP、控制系統(tǒng)、產品數(shù)據管理、供應鏈管理和客戶關系管理都是以對象的方式來編寫代碼的。只要它們遵守統(tǒng)一的ORB，不管它們哪個開發(fā)商提供，都可以進行無縫地集成。現(xiàn)有的應用系統(tǒng)只要按正確的方法進行封裝也同樣能實現(xiàn)系統(tǒng)的即插即用。通過引入智能代理可以有效地實現(xiàn)分布式MES的協(xié)同工作，滿足虛擬企業(yè)中MES應用的要求。從而實現(xiàn)敏捷制造模式對信息系統(tǒng)的要求，即系統(tǒng)的可重構，可重用和可擴展特性。
信息技術的發(fā)展和制造企業(yè)的競爭需求將帶動MES應用技術的不斷進步。從以上分析可將MES總的發(fā)展趨勢歸納為以下幾點：可集成性、可配置性、可適應性、可擴展性和可靠性。
3 結 論
①MES在整個企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下，是生產活動與管理活動信息溝通的橋梁。不實施MES管控一體化只是一句空話。對于面向制造加工業(yè)和過程工業(yè)的ERP，脫離MES將無法根據市場需求去組織、管理和優(yōu)化生產；
②MES技術在過去十年來已顯著地成熟。但MES的發(fā)展和應用是一個過程，而不是一個事件，MES的實施決不是可以一蹴而就的。要取得長期的成功，要求改造制造環(huán)境，獲得有組織的支持，管理機制作適應性的改變。與此同時，MES軟件在改善維護、改善與其它IT管理軟件的接口等方面也有待于進一步發(fā)展和提高；
③要使企業(yè)信息技術網絡的投資迅速取得回報，從MES入手是一種明智的選擇。但MES的實施需要恰當?shù)囊?guī)劃和細致的分析，可從旨在解決一兩個當務之急的工廠生產瓶頸問題著手，逐步地擴大；
④以往MES通常是一個很大的整體軟件系統(tǒng)，定制和維護的成本很高。隨著計算機支撐技術的發(fā)展，開發(fā)更加模塊化，更具柔性的MES系統(tǒng)成為可能，實施和維護MES的成本大大降低。
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