MES的研究现状及分析①

张学彦 曾黄麟

[摘 要]本文通过回顾计算机辅助生产管理系统的发展历程,指出制造执行系统(MES)是新时代企业生产管理需求下的必然产物。首先阐述了目前国内外MES的研究现状及存在的问题,根据MES 的定义,分析了与MRPⅡ、ERP等的关系和建立了计划层、执行层和控制层数据流程,提出了MES的研究中值得注意的几个关键问题。

[关键词]制造执行系统 实时信息 智能制造 计算机辅助生产

[中图分类号]TH166[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0085-02

1 前言

随着计算机软硬件技术的发展,越来越多的企业开始使用计算机软件系统实施生产经营管理,经历了由单项生产管理,发展到少数子系统的集成,乃至当前的整个企业资源的全面规划和管理。正如计算机技术在不断发展一样,计算机辅助生产管理也是一个不断进化的过程。

20世纪80年代美国在总结MRPⅡ实施成功率较低的教训并吸收日本准时制生产系统(JIT)经验的基础上,提出既重视计划又重视执行的管理新思想。此时,将计划与制造过程统一起来的制造执行系统(Manufacturing Execution System,简称MES)应运而生。事实上,早在20世纪70年代便已经有企业开始开发或引入单一功能的软件产品和软件系统,如设备状态监控系统、质量管理系统、生产管理系统等,所有这些系统可以理解为单一功能的MES系统。而直到1990年,才由美国先进制造研究机构AMR(Advanced Manufacturing Research)第一次提出并使用MES概念。可以说MES不仅是一项新兴的技术,也是新时代企业生产管理需求下的必然产物。

早在“十五”期间,国家863项目就将MES作为重点研究项目下达了研究课题,并且将流程工业领域的MES技术研究作为突破口,以期实现最终目标:获得MES技术研究成果、形成系统平台、实现产品的工程应用。目前,MES已经在钢铁、石化等行业得到应用,其应用效益得到用户认可,并且推进了企业信息化不仅仅停留在ERP实施,不断深化,部分企业的MES已经成为信息化的主体。过去的10年,MES理念、技术和软件产品已经显著成熟。2007年,信息产业部又以信部规[2007]539号文件形式印发了《信息技术改造提升传统产业“十一五”专项规划》[5]。《规划》提出了八项共性技术和四个方面的重要系统,其中就包括MES。“十一五”时期,国家将在石化、冶金等行业加快推动MES应用,进一步提高生产管理水平和资源配置的效率。

虽然MES的发展历史并不长,但它所能带来的巨大经济效益使它迅速走进了企业的视线。当前国内正处在MES迅速发展的时期,MES正逐渐发展成为一个被关注的热点。

2 MES的定义

对MES定位的认识有三种:一种认为MES是供应链(SCM)关系密切;一种认为它是产品生命周期管理(PLM)紧密联系;还有一种最为主流的定位,认为MES是ERP与生产过程及设备之间的桥梁。当然,三者之间并不矛盾,MES是在SCM、PLM的需求下,以及为了弥补的ERP不足而产生的。

目前被人广泛接受的是由MESA给出的定义:MES提供从接受订单到制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信息。它采用当前的和精确的数据,对生产活动进行初始化,及时引导、响应和报告工厂的活动,对随时可能发生变化的生产状态和条件做出快速反应,重点削减不会产生附加值的活动,从而推动有效的工厂运行和过程。

此外,按照AMR所给出的定义:MES是一个常驻工厂层的信息系统,介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间。这里明确地将企业的运作划分为三个层次,分别是:计划层、执行层和控制层。其中:计划层就包括MRPⅡ、ERP等;控制层包括PLC、各种仪器设备等;介于两者之间的是执行层,MES就属于执行层。可以通过绘出数据流图来明确每个层次间的关系,如图1所示。

图1中不仅示出MES的数据流,也表明MES对实时的要求要明显高于ERP,如果说控制层要求的实时时间系数为1,那么,MES的时间系数为10,ERP的时间系数为100。这从MESA的定义也可以看出,精确的实时数据是一个优秀的MES必须达到的要求。

因此,一个MES系统,就是负责沟通企业计划层和控制层,凭借信息技术提供精确的实时数据,并最终达到优化管理活动和生产活动目的的系统。

3 国内MES研究及存在的问题

目前我国制造行业在设备状态监控系统、质量管理系统、生产管理系统等诸多方面尚存在一些问题,这些问题要求我们加快推动MES应用,进一步提高生产管理水平和资源配置的效率。

根据生产发展的需要,我国的许多高等院校、科研院所都加入了MES的研究与应用开发工作,中国仪器仪表学会生产执行系统分会(MES分会) 目前已举办了三届“中国MES年会”。重点讨论了以下几点问题:MES技术、标准及发展趋势,实时数据库与MES软件平台及应用,?MES在中国制造业应用的深层次需求,国内MES应用的实例剖析及实施关键等。中石化开发出了具有自主知识产权、符合我们中国石化企业特色的中国石化MES系统,上海宝信软件公司联合清华大学、浙江大学、上海交大、东北大学、大连理工、冶金自动化院等六家研究院校,提出了符合我国国情并具有国际先进水平的钢铁制造业MES控制策略与产品构架,制定出了行业推荐标准《企业信息化技术规范 制造执行系统(MES)》等。

4 MES研究中的几个关键问题

虽然MES技术已经在快速地发展成熟,但是在实际应用中仍然存在着不少的问题。目前MES研究中的几个关键问题是:

4.1 MES系统通用性差

国内开发商提供的MES系统通用性程度不高,直接导致商业化的成熟产品很难形成。目前的MES系统普遍都是特例式的系统,客制化程度往往高达70%甚至更高。而很多人也对这个问题陷入一个误区----MES就应该是这样一个特例式的系统。我们应该做的工作是:先抽象出MES中共性化的东西,再进行模块化的技术开发。想象一下假如做个颠倒,MES的通用化程度可以达到70%,客户化的开发只需要30%,这样不仅开发成本将得到大大降低,而且后期的培训维护也将变得简单。

即使是在国际上,这也是MES行业面临的一大问题。目前已经有众多的人员投入在这方面的研究工作,并已取得了一定的成果。例如美国卡斯达系统有限公司推出的最新版电子行业解决方案(Electronics Suite)。卡斯达公司总裁兼首席执行官Scott Toney表示,目前市场其他一些解决方案包括40%标准化功能、20%可配置功能,剩下的40%完全由客户自己开发,并且这40%需要从最基础的编程工作做起;而Electronics Suite系统80%是标准化功能模块,20%属于可配置功能,同时系统采用跨平台开放的软件和硬件架构技术,具有更高的性能可靠性。该方案已经在不少公司成功实施,包括日立、索尼爱立信移动通信公司、Hutchinson Technology、EPIC Technology等。

4.2 信息化程度不高

这里的不足主要体现在实时监控上,特别是离散制造业。目前国内有些制造企业的自动化程度较低,导致实施MES的实时生产信息必须由人工收集和输入。而通过人工统计的方式,周期太长,响应严重滞后,还伴随着人员工作的不稳定因素,是无法做到生产运行持续平稳的。这种生产环境下的MES与ERP的车间生产管理系统没有两样。MES是作为连接计划层和执行层的纽带而存在,因此要充分发挥执行层MES的作用,必须加强ERP和控制层的建设。

4.3 ERP与MES间的集成问题

MES作为沟通企业计划层和控制层的一环,与ERP交互的重要性显而易见。MES与ERP的信息交互比较复杂,目前大多采用的是通过ODBC或XML方式,结合具体ERP系统的数据库定制。为了解决MES与企业关键业务的接口,ISA-95 委员会的文件中有非常明确的表述,不仅描述了MES过程,同时还通过各种功能诸如资源管理和资源分配调度、数据采集、质量保证管理、维护管理、绩效分析、排程、文件控制、工时管理及物料和生产跟踪等之间的交互作用来描述MES过程。国外有些MES公司与ERP厂商都是ISA-95 委员会成员,参与了S95标准的制定。虽然范围和功能都还比较小,但是有的MES部分功能已经可以与SAP等ERP集成。例如西门子公司遵照S95标准,为MES的实施开发了核心产品——SIMATIC IT Production Suite。由于该产品符合S95标准,从根本上能满足企业管理控制系统集成的需要,又由于它能够动态组织以满足企业变化的需求,因此它成为MES的主角。

可以预见,随着MES产品的不断完善,以后MES与ERP需要的集成度必定越来越高。因此,国内MES公司在产品发展过程中也要尽可能从基础设计上支持S95标准,为将来的集成问题打好基础。此外,ERP厂商也应该关注并尽快支持S95标准。

4.4 平台化问题

平台化问题实际是通用性问题和集成问题的一个延伸,也是国内MES厂商较之国外厂商有明显差距的一个方面。MES 提出的MES标准有11个模块,根据企业的不同情况就会存在不同的需求,而平台化产品可以提供丰富可重复使用的“库”,满足企业的不同需求,以及基于国际化标准的制作,可以简化解决与各个系统间集成的问题,避免企业的重复投资。

4.5 智能化问题

MES系统不仅仅是只给生产人员所使用的,更重要的是要为企业的决策提供支持。在传统的生产过程管理中很重要的一点就是管理人员和操作人员的经验,如何把这些经验固化在MES系统中直接用于生产管理,智能地代替人工作出最优化的判断,这也就是MES的智能化问题。这在我国MES研究开发中还少有涉及。

4.6 MES的认识问题

MES在国内研发才刚起步,各制造业尚缺乏成功的范例,也缺少专业的实施公司,对其没有正确的观念与认识,推行信心及决心不够。MES 现场第一线管理者可能难以正确理解MES导入的意义,反而因透明化使权力有被剥夺的感觉。生产过程中,整个企业从领导者到一线的生产者是环环相扣的,只有每一环都对MES有清楚的认识,才能保证系统的正常运行。

4.7 企业自身管理体系问题

相当一部分企业领导在实施MES时有一个误区:信息技术能够解决企业管理问题。事实上,许多企业面临的管理问题是不可能靠计算机来解决的,必须靠企业自身通过科学的组织、严格的规章及有效的改革来解决。计算机只能通过信息的获取与加工、一定的流程控制来支持企业管理思想的贯彻。信息技术可以成为提高企业管理水平的有效辅助手段,但不能自动地解决企业的管理问题。要想成功实施MES,企业必须先在管理上下功夫。

4.8 人员培训问题

无论是对MES的顺利执行还是后期维护,人员培训都有巨大的作用。在MES实施之后,与其直接打交道的便是现场操作人员。MES强调实时数据收集、监督及控制,较之一般数据处理的应用系统,其技术难度较高,须有专业计算机系统技术经验者才足以胜任,因此需要做好人员培训工作。而且如果一线的操作人员了解MES系统,也更容易做好与MES供应商的沟通,使其明确企业需求。

4.9 资金问题

除了以上几点共性问题,这一点也是MES应用发展比较突出的问题,特别是在中小型企业中尤为凸现。很多企业包括一些中小型企业是有引入MES的需求的,但是对整个企业引入MES毫无疑问是一个大工程,耗资也是巨大的,这也使相当一部分中小型企业对MES望而却步。实际上,虽然MES的内容从生产调度、产品管理、质量检测等等无所不包,对于部分小型企业可以只考虑优先就一些最需要的、容易立竿见影的项目实施,等到产生经济效益以后再逐步对其他环节进行改造,这些就需要企业的领导者有个明确的发展认识。

5 总结与展望

针对上一节提出的问题,由于目前MES的技术问题主要集中在标准化与客户化上,因此在未来的一段时间里,系统通用化的开发仍然是MES技术研究的主题。

随着IT技术和自动化技术的发展,客户的要求也越来越高,希望供应商能够提供从控制层到MES再到ERP全套产品,因此学科渗透以及系统集成度的技术开发也必将成为一个趋势。此外,广大正在使用或者准备使用MES的企业也需要不断提升员工素质,破除思想误区,真正发挥出MES的优势。

科技的发展日新月异,短短几十年MES已经由最初企业自主开发单一功能的系统发展成为由专业MES公司专门从事MES开发。当下MES的技术已经日趋成熟,应用范围也大大拓展,其经济效益也吸引越来越多的公司关注和使用MES。未来拥有MES也许将逐渐成为制造企业竞争力的重要标杆,甚至MES将不再只是企业内的管理工具而为企业间的信息化服务。

[参考文献]

[1] MESA International, Execution-Driven Manufacturing Management forCompetitive Advantage[R], Pittsburgh, USA: MESA International White Paper Number5, 1997.

[2] MESA International, MES Explained: A High Level Vision[R], Pittsburgh, USA: MESA International White Paper Number6, 1997.

[3] MESA International, Controls Definition & MES to Controls Data Flow Possibilities[R], Pittsburgh, USA: MESA International White Paper Number3, 1997.

[4] 刘飞.制造执行系统研究应用现状与发展展望,2006中国制造执行系统(MES)技术研讨会,2006,12.

[5] 石青云.基于实时信息的制造智能系统,2006中国制造执行系统(MES)技术研讨会,2006,12.

[6] 史海波.汽车行业总装生产线MES应用,2006中国制造执行系统(MES)技术研讨会,2006,12.

[7] http://www.china.com.cn/policy/txt/2008-01/10/content_9509257.htm.

[8] http://www.e-works.net.cn/tbbd/mes/mes07.htm.

[9] 荣冈,张泉灵.MES的现状及发展[J]. 自动化博览. 2008.03(14-18).

[10] 林立,刘笑天.利用S95模型集成企业ERP和控制系统[J].现代制造.2004.14(34, 36-37).

①本文得到四川省教育厅人工智能重点实验室课题(2008RZ003) 基金的部分资助。