21世紀的制造企業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的競爭力。許多企業通過實施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，企業決策者認識到計劃的制訂要依賴于市場和實際的作業執行狀態，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，這些系統通常能處理昨天以前發生的事情(作歷史分析)，亦可預計并處理明天將要發生的事件，但對今天正在發生的事件卻往往留下了不規范的缺口。而傳統生產現場管理只是人工加表單的作業方式，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所關心的問題。
精益生產執行系統(MES)恰好能填補這一空白。國際精益生產執行系統協會對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化的管理，對工廠發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集成模型，將企業分為三個層次：計劃層(MRPⅡ／ERP)、執行層(MES)和控制層(Control)。計劃層強調企業的計劃，它以客戶定單和市場需求為計劃源，充分利用企業內部的各種資源，降低庫存，提高企業效益；執行層強調計劃的執行，通過MES把MRPⅡ／ERP與企業的現場控制有機地集成起來；控制層強調設備的控制如PLC、數據采集器、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行層，主要負責生產管理和調度執行。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，提供了一種系統的在統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強調控制和協調，使現代制造業信息系統不僅有很好的計劃系統，而且有能使計劃落實到實處的執行系統。因此短短幾年間MES在國外的企業中迅速推廣開來，并給企業帶來了巨大的經濟效益。企業認識到只有將數據信息從產品級(基礎自動化級)取出，穿過操作控制級送達管理級，通過連續信息流來實現企業信息全集成才能使企業在日益激烈的競爭中立于不敗之地。
1 MES的產生及發展
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據庫等IT技術和先進的通訊技術的發展為依托，企業的信息系統也開始從局部的、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；在企業級層面上，管理系統軟件領域MRPⅡ以及OPT系統迅速普及，直到今天各類企業ERP系統如火如荼的進行；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。可以說企業信息化的各個領域都有了長足的發展，但在工廠及企業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數據、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行狀況。產生這些問題的主要原因仍然在于生產管理業務系統與生產過程控制系統的相互分離，計劃系統和過程控制系統之間的界限模糊、缺乏緊密的聯系。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，為解決企業信息集成問題提供了一個被廣為接受的思想。
1.2 MES的發展
從20世紀70年代后半期開始，出現了解決個別問題的單一功能的MES系統，如設備狀態監控系統、質量管理系統、包括生產進度跟蹤、生產統計等功能的生產管理系統。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：一個是橫向系統之間的信息孤島，二是MRP、MRPⅡ和DCS兩層之間形成缺損環或鏈接。
20世紀80年代中期，為了解決這兩個課題，生產現場的信息系統開始發展，生產進度跟蹤信息系統、質量信息系統、績效信息系統、設備信息系統及其整合已形成共識。與此同時，原來的底層過程控制系統和上層的生產計劃系統也得到發展。這時，產生了MES原型、即傳統的MES(Traditional MES，T-MES)。主要是POP(生產現場管理，Point of Production)和SFC(車間級控制系統，Shop Floor Control)。
到90年代，MES發展為I-MES(集成MES)和MES-Ⅱ。這時MES則作為整個工廠生產現場的集成系統出現，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、過程優化)、過程管理(回路監督控制、數據采集)和質量管理(SQC-統計質量管理、LIMS-實驗室信息管理系統)。MES在90年代初期的重點是生產現場信息的整合。對離散工業和流程工業來說，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、支持現場工人的技能和智慧，充分發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，而是橫向之間、縱向之間、系統之間集成的系統，即所謂經營系統，對于SCP、ERP、CRM、數據倉庫等近年被關注的各種企業信息系統來說，只要包含工廠這個對象就離不了MES。
近10年來，新興的業務類型不斷涌現，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和供應鏈屬于業務層的解決方案，但如果想要充分地實現它們，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務的功能。這些功能無法彼此獨立，也不能通過數據交換層簡單地連接，而是必須依據業務和生產策略彼此協同。
1.3 MES的作用
制造企業關心三個問題：生產什么？生產多少？如何生產？企業的生產計劃回答的是前兩個問題，“如何生產”由生產現場的過程控制系統“掌握”。ERP、CRM等系統只為生產計劃的編制提供了數據信息，對于“計劃”如何下達到“生產”環節，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(精益生產執行系統)就是計劃與生產之間承上啟下的“信息樞紐”。
企業信息化系統是一個信息相互貫通的集合體，作為制造業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車間控制器，也不同于偏重于作業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，把制造系統的計劃和進度安排、追蹤、監視和控制、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略。
國際精益生產執行系統協會定義了MES應具備的11個功能模塊：資源分配和狀態管理、操作／詳細排產、分配生產單元、文件控制、數據收集、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、性能分析和數據采集。
2 MES發展現狀
2 MES發展現狀
2.1 傳統的MES(T-MES)
傳統的MES可大致分為專用的MES系統(Point MES)和整合的MES系統(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而開發的單獨應用系統。整合的MES則是針對一特定行業如航空、裝配、半導體、食品和衛生等行業而設計，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系統包括了很多子系統，這些子系統都有各自的處理邏輯，數據庫，數據模型和通信機制。為了實現與外部系統的集成，往往采用API技術，OLAP技術和相應的通信機制。其中，外部應用系統的調用和插入使用API的方式，而應用EDI技術和外部環境進行數據交換。雖然專用的MES能夠為某一特定環境提供最好的性能，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，具有一些優點，如單一的邏輯數據庫，系統內部具有良好的集成性，統一的數據模型等。但其整個系統重構性能弱，很難隨業務過程的變化而進行功能配置和動態改變。為解決傳統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開發中，充分結合兩類T-MES的優點而發展起來的。通過采用高效的基礎框架既大大增強了系統的集成性和適應性，又能滿足關鍵事物的處理。NIIIP／SMART協會為整個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據，分別完成系統的各種功能。而其它功能如：工作流管理，產品數據管理，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的商業應用特征，一個分布式對象框架可以讓各種數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展，越來越多的MES、ERP、控制系統、產品數據管理、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。只要它們遵守統一的ORB，不管它們哪個開發商提供，都可以進行無縫地集成。現有的應用系統只要按正確的方法進行封裝也同樣能實現系統的即插即用。通過引入智能代理可以有效地實現分布式MES的協同工作，滿足虛擬企業中MES應用的要求。從而實現敏捷制造模式對信息系統的要求，即系統的可重構，可重用和可擴展特性。
信息技術的發展和制造企業的競爭需求將帶動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在整個企業信息集成系統中承上啟下，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和過程工業的ERP，脫離MES將無法根據市場需求去組織、管理和優化生產；
②MES技術在過去十年來已顯著地成熟。但MES的發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展和提高；
③要使企業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的實施需要恰當的規劃和細致的分析，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，定制和維護的成本很高。隨著計算機支撐技術的發展，開發更加模塊化，更具柔性的MES系統成為可能，實施和維護MES的成本大大降低。
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