制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的發(fā)展和挑戰(zhàn)

0引言 20世紀90年代以來，經(jīng)濟全球化的趨勢日益增加，信息技術的發(fā)展極為迅速，市場環(huán)境發(fā)生了根本性的變化。顧客驅動已成為市場的主要特征，市場競爭的要素涉及到工控時間、質量、價格、服務和環(huán)境。而信息技術的廣泛采用，使得以顧客訂貨和市場需求為軸心的生產(chǎn)活動已可以不受時間和地域的限制，競爭的高科技含量因此大大提高了。面對激烈競爭，企業(yè)界的重要對策就時采用將制造技術與信息技術、自動化技術、現(xiàn)代管理技術和系統(tǒng)科學技術有機融合的新一代先進制造技術。以此為契機，企業(yè)資源計劃ERP和制造執(zhí)行系統(tǒng)MES從理念發(fā)展到軟件平臺，再形成完整的系統(tǒng)，并開始了較為廣泛的應用【1】。它們或以軟件平臺形式出現(xiàn)，或以系統(tǒng)形式出現(xiàn)，或以應用服務的形式出觀，這預示著人類正在進入電子商務和電子制造完美結合的新時代。 ERP立足于經(jīng)濟全球化的環(huán)境，面向正在迅速形成的供應鏈，從企業(yè)全局的角度對經(jīng)營和生產(chǎn)進行全面計劃，并實施企業(yè)資源的一體化管理。它以財務管理為核心，將資金流、物流與信息流加以有機結合，使整體價值鏈管理的概念得以實現(xiàn)。它集成了供應鏈管理功能，強調供應商、制造商與分銷商之間的新型伙伴關系，支持企業(yè)后勤管理，形成對市場快速響 應的能力。它強調企業(yè)流和半制成品的管理，通過對半制成品的管理實現(xiàn)企業(yè)的人員、財務、制造與銷售之聞的整合，支持企業(yè)業(yè)務過程重組。按理，在生產(chǎn)制造計劃中，ERP支持MES的管理模式，通過MES支持不同行業(yè)(就大的分類而言，主要是離散制造業(yè)，流程工業(yè)和批量流程工業(yè))的管理模式。但仍然需要化大力氣去解決ERP與MES之間如何針對特定工業(yè)企業(yè)建立協(xié)同作用的解決方案和實際存在的問題。 在典型的ERP軟件平臺中，財務管理(包括會計核算，財務管理)、生產(chǎn)控制(包括生產(chǎn)計劃，制造)、物流管理(包括采購，庫存管理，銷售)和人力資源管理等是基本功能模塊。過去的若干年來，ERP在國內(nèi)得到了較廣泛的重視，一些企業(yè)花了大量資金上ERP。但就一般情況而言，商業(yè)企業(yè)從ERP中獲得的利益比較明顯，而工業(yè)企業(yè)卻沒有那么幸運，甚至受到 不同程度的損害。這一現(xiàn)象并非我國獨有，在工業(yè)發(fā)達國家也是如此。美國ARC公司調查結果顯示，53％的客戶反映ERP對工廠生產(chǎn)存在負面影響。怪不得有人說：不上ERP是等死，上了ERP找找死。這里反映出在ERP實施過程中確實存在一些不可忽視的問題，其中最主要的是光有ERP并不能幫助和指導工廠分析其生產(chǎn)的瓶頸，改進和控制產(chǎn)品的質量，以及對具體的產(chǎn)品生產(chǎn)進行排產(chǎn)；ERP不但沒有調動工廠管理人員的積極性，反而把他們降格為一種信息的收集者；ERP雖有生產(chǎn)控制模塊，但難以真正在工廠層中使用。如果不加分析和改進這些問題，其結果則是將IT推離、而不是融人工廠的生產(chǎn)活動。 但是對于一個企業(yè)，如果僅僅從生產(chǎn)工廠的視角來分析其在競爭中所處的地位，顯然是短視的。即使是最好的MES解決方案，對于整個企業(yè)來講，也不過是提供一個相對狹窄的視角，缺乏在管理層為進行決策支持所需要的生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)的廣度和深度。這就啟示我們，完整的、能夠引導一個企業(yè)保持長期的業(yè)務利益和價值的企業(yè)信息系統(tǒng)，必須是控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES和企業(yè)規(guī)劃系統(tǒng)ERP三者協(xié)同作用的整合?？上У氖牵谌藗冋J 識到ERP的重要作用的同時，并不曾給予MES足夠的重視，更何況上ERP項目動輒要投資上千萬，甚至上億元。一般中小企業(yè)難以承擔，即使是大型企業(yè)花那么多錢也不是輕而易舉的。當前擺在人們面前的嚴峻問題是，如何使對企業(yè)信息技術網(wǎng)絡的投資能迅速取得回報?看來正確認識MES的作用和正確地發(fā)揮MES的作用是非常關鍵的事情。本文將重點放在至今在國內(nèi)尚未引起足夠注意的MES，以期對這個溝通ERP和生產(chǎn)制造的控制系統(tǒng)之間的關鍵環(huán)節(jié)(見圖1)給予應有的重視。

圖1　MES是上承ERP、下接控制系統(tǒng)的橋梁

1 MES的定義 按照國際MES協(xié)會所給出的定義【2】，MES提供從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過程的生產(chǎn)活動實現(xiàn)優(yōu)化的信息。它采用當前的和精確的數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)活動進行初始化，及時引導、響應和報告工廠的活動，對隨時可能發(fā)生變化的生產(chǎn)狀態(tài)和條件作出快速反應，重點削減不會產(chǎn)生附加值的活動，從而推動有效的工廠運行和過程。MES改善運行設備的回報，以及改善及時交貨、庫存周轉、毛利和現(xiàn)金流通性能。MES通過雙向通信，提供整個企業(yè)的生產(chǎn)活動以及供應鏈中以任務作為關鍵因素的(mission critical)信息。其關鍵詞是精確的實時數(shù)據(jù)，這是以業(yè)務為基礎的（transaction-based)ERP和MRP-Ⅱ系統(tǒng)未曾加以考慮的。 美國AMR研究公司對MES也有自己的定義【3】:MES是一個常駐工廠層的信息系統(tǒng)，介于企業(yè)領導層的計劃系統(tǒng)與主生產(chǎn)過程的直接工業(yè)控制系統(tǒng)之間。它以當前視角向操作人員／管理人員提供生產(chǎn)過程的全部資源(人員，設備，材料,工具和客戶要求)的數(shù)據(jù)和信息。 其著重點是將信息技術運用于改善制造過程。在AMR的MES集成企業(yè)模型中分為3層： 承擔企業(yè)全面管理，包括會計／財務系統(tǒng)的管理決策層ERP；承擔工廠級協(xié)調／跟蹤跋現(xiàn)并監(jiān)控趨勢的執(zhí)行層MES；承擔工廠生產(chǎn)控制的控制層。 美國的國家標準研究所(NIST)有關MES定義的表述是：為使從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過程的管理活動得以優(yōu)化，采集硬件嗽件的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。 由上可知，關于MES的定義存在一些不同的表述。但是，以下幾點共識還是普遍被接受的： *MES在整個企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下，是生產(chǎn)活動與管理活動信息溝通的橋梁。 *MES采集從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過程的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，目的在于優(yōu)化管理活動。它強調是當前視角，即精確的實時數(shù)據(jù)。 *從對實時的要求而言，如果說控制層要求的實時的時間系數(shù)為1，那么,MES的時間系數(shù)為1O,ERP的時間系數(shù)為100(見圖2)【4】。

圖2　　MES中數(shù)據(jù)流和響應時間要求

2  我們?yōu)槭裁葱枰狹ES? 在許多工廠中，全廠管理的功能目前仍然由文件和人工系統(tǒng)進行，通常有經(jīng)驗的人員執(zhí)掌著工廠生產(chǎn)效益的鑰匙。在大多數(shù)運行中，人工系統(tǒng)和有經(jīng)驗運行人員的判斷總是起著重要作用(見圖3)。但是，市場要求產(chǎn)品的品種和數(shù)量經(jīng)常變化，靠人工和經(jīng)驗調整生產(chǎn)顯然效率低、反應慢、缺乏競爭力。而且人工系統(tǒng)也不可能適應產(chǎn)品、工藝、技術和用戶要求日趨加速的變化。由于生產(chǎn)運行變化如此迅速，MES的信息的及時性要求以分，甚至秒的速度進行反應，此時光靠人恐怕不行。因此，采用MES帶來的效益不言而喻(圖4)【5】。

圖3　　工廠　信息系統(tǒng)在許多時候還由人來決策

圖4　　采用MES取代人工決策的工廠信息系統(tǒng)

ERP／MRP的環(huán)境是以具體事務為基礎的。其數(shù)據(jù)交換系對生產(chǎn)調度、運輸安排或對生產(chǎn)計劃要求的響應。與此不同的是，控制的決策必須在秒甚至更短的時間內(nèi)完成，它對生產(chǎn)過程、操作人員，或對材料的操作需求作出響應。顯然，實時環(huán)境和實時響應的差異影響著絕大多數(shù)的具體事務和在控制層的執(zhí)行。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和控制流在ERP與控制層之間存在著巨大的鴻溝。傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)向主管財務的總經(jīng)理和財務管理負責人報告，居于管理層；而傳統(tǒng)的工程生產(chǎn)信息則向負責生產(chǎn)的總經(jīng)理報告；職責不同，相互之間的溝通不一定能做到及時且細致深入。   與此相反，MES能提供的材料數(shù)據(jù)是與生產(chǎn)消耗相關的，同時能生成基于精確執(zhí)行時間的材料供應提前量，這將改善倉儲控制。準確的生產(chǎn)模型是與實際測量相對于計劃時間表的關系緊緊相連的，因而可用來修正過程模型，而且有助于精確表達生產(chǎn)計劃的實時行為。 在當今激烈競爭的世界經(jīng)濟中，要占有“最有價值”的地位，必須使企業(yè)具有最好的質量、最佳的客戶服務、最低的制造成本、快速響應以及靈活性的特點。而要達到這樣的水平，就必須在正確的時間提供正確的信息才可能進行最佳的決策。這就要求不斷地對公用的數(shù)據(jù)庫進行改善，同時讓每個部門都擁有把數(shù)據(jù)轉化為有用信息的工具。怎么能做到這些呢?唯有MES才能真正向企業(yè)提供以上這些功能。 3 MES在信息系統(tǒng)體系結構中的地位【5】 主要的制造信息系統(tǒng)有：ERP(企業(yè)資源計劃)、SCM(供應鏈管理)、SSM(銷售和服務管理)、P／PE(產(chǎn)品和過程工程)，以及MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))和控制。這些系統(tǒng)每一個都有其一定的功能，包括若干不同的模塊。它們間存在一些重疊，如調度可能出現(xiàn)在MES和SCM；勞務管理出現(xiàn)在MES、SSM、ERP中的人力資源(HR)功能模塊中；文件管理出現(xiàn)在MES 和P／PE；過程管理出現(xiàn)于MES和控制中。 ERP包括財務、訂貨管理、生產(chǎn)和材料計劃，以及相關功能； SCM包括預測、分配和后勤、運輸管理、電子商務以及高級計劃系統(tǒng)； SSM包括銷售力自動化、產(chǎn)品配置、服務報價、產(chǎn)品返回等； P／PE包括計算機輔助設計／制造(CAD／CAM)、過程建模以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(即PDM)： 控制包括DCS、PLC、SCADA、DNC(分布式數(shù)控)，以及其它計算機化控制裝置。 4MES與其它系統(tǒng)的關系 圖5給出了MES和ERP、SCM、SSM、P／PE，以及控制系統(tǒng)之間實施數(shù)據(jù)交換的相互關系，主要是：MES作為生產(chǎn)制造系統(tǒng)的核心向其它系統(tǒng)提供有關生產(chǎn)的數(shù)據(jù)： MES向ERP提供實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如成本、周期時間、產(chǎn)出和其它生產(chǎn)數(shù)據(jù)。 MES向SCM提供實際訂貨狀態(tài)、生產(chǎn)能力和容量、班次間(shift-to-s