1、制造执行系统（MES）“十一五”发展规划华中科技大学20066161目录目录前言 .1前言 .21MES 概述 .41.1 国外研究与技术发展状况 .81.2 MES 需求分析 .171.3 存在的问题（国内） .232国内的工作基础 .272. 1 理论研究 .272. 2 关键技术实现 .332. 3 原型系统 .462. 4 软件产品 .503 待解决的关键技术 .583.1 生产过程建模 .583.2 面向业务流程集成 .593.3 可配置化软组件 .623.4 优化调度技术 .643.5 开展 MES 技术标准研究 .654 发展方向 .724.1 基于组件的 MES.814.2 基
2、于工作流的 MES.894.3 基于 SOA 的 MES.9324.4 MES 发 展趋势 .1004.5 MES 标 准化研究 .1024.6 “十一五”总体目标 .1044.7 未来 MES 产品形态 .1063前言二十一世纪以来，随着全球经济一体化发展，人 们对产品的需求日趋多样化和个性化。产品的生命周期日益缩短，更新 换代的速度也在逐步地加快，使得企业的生产模式和组织方式逐渐由面向产品转变为面向客户、面向需求和面向服务。企业 的生产方式也转向了按照订单的方式来组织生产，大批量定制和多品种少批量的生产方式逐渐成为主流。面对竞争激烈的全球一体化市场，企业要想立于不败之地，就必须具有把握机遇
3、和不断创新的能力，能够以更快的响应速度和应变能力生产出市场需要的产品，其重要对策就是将传统的制造技术与现代的信息、自动化、管理技术等有机融合为新一代的先进 制造技术，提高企 业生产的敏捷性和核心竞争力。以计算机网络、数据库和应用软件等 IT 技术为依托，企业的信息化技术也从局部的、事后处理方式转 向全局的、及 时（实时）处 理方式。多种先 进的生产管理和制造信息化软件也大量地涌现和应用，在企业生产过程中发挥越来越重要的作用。在产品开发层面，CAD、CAM、 CAPP、PDM 等软件已深入企业应用；在企业管理层面，ERP/MRP-II、 SCM、CRM 等软件也在迅速普及，直到今天企业ERP 系
4、统还在如火如荼的进行；在生产现场， JIT（准 时生产）、LP （精良生产）、OPT（最 优化生产技术）等先进的生产组织、管理理念及生产模式也得到了初步应用，同时 ，在 过 程控制领域 PLC、DCS 等得到大量应用，也在车间级的流程控制和管理方面取得了良好的成效。信息技术的广泛采用，使得以市场需求和订单为轴心的生产活动已可以不受时间和地域的限制，依靠信息技术从事市场竞争，提高了企业的综合竞争能力。4全球经济一体化进程，加速了制造全球化的形成和快速发展，现代制造企业面临的竞争环境将会越来越残酷，市场竞争日趋国际化，迫使制造企业必须做出及时反应和制定相应的对策，改变传统观念与方法，采用与一体化进
5、程相符的现代管理思想和方法。建立现 代管理理念，引 进现代管理决策机制，提高核心 竞争力已经成为企业最迫切的要求和机遇所在。纵观全球生产管理模式的发展趋势，可以清晰的得出企业行为势必从单项、局部逐渐向综合、集成的优化转变，尤其是生产计划、组织、控制三大职能的整体优化更是企 业为实现其经营目标， 获得竞争优势的重点。面对拥有高度信息化优势的国际企业的挑战，要使我国制造企业积极参与国际化分工合作和竞争，必须掌握和应用现代网络、通讯技术、 计算机软件等技术，全面集成企 业各种信息系统，打通制造企业从市场预测、 产品分析、产品 设计、生产计划、生 产制造、 销售到售后服务的产品全生命周期数字化通道，在
6、提升我国制造企业 信息化应用水平基础上，促进企业提高市场的综合竞争能力，帮助实现我国制造 业跨越式的发展。目前，我国企业信息化应用的总体水平仍然不高， 许多企业根据自身的特点和财力情况，在信息化建设 中有重点的分别推进。如在离散型企业中，有的企 业注重产品研发、有的企业注重生产管理、有的企 业则 注重财务管理等等；对于一些流程型的企业，信息化的建 设主要围绕供应、 销售和 财务管理来进行。因此，各企业信息化应用水平、实 施的内容也不均衡。在很多实施了信息化建设的企业中，系统 集成和资源共享水平 还比较低， “信息孤岛” 现象大量存在于企业内部。其突出表现是许多企业只重视物质供应、产品设计、生产
7、计划、 销售和财务管理等计划层的信息化建设，忽视产 品在车间制造过程管理等执行层的信息化建设，使得企业的计划层与控制层之间缺乏有效联系和沟通，两者间出现了信息断层，导5致物资供应、产品设计、生产计划、产品销售与车间 作业之间脱节，计划层的静态和动态信息不能及时地传达的车间，而车间中的零件在制品、加工设备、物料需求、人员配置，以及计划的执行和完成情况等信息也无法快速反馈给上面的计划层。在市场需求越来越多地趋于大批量订制和多品种少批量订单方式，企业表现出对市场反应不够灵敏，对客户的个性化订单也不能够及时满足，直接导致企业在市场竞争中处于被动地位。因此，在激烈的市场竞争中要把被动地位变为主动地位，必
8、须快速响应市场，保证企业计划层与控制层之间的信息畅通。鉴于我国企业信息化的建设状况，消除企业计划层与控制层之间的断层，建立它们之间的数据联系，就是要研制和开发适用于不同行业（企业）和生产模式的制造执行系统（Manufacturing Execution System，以下简称 MES），MES 是实现企业计划层与控制层之间信息畅通的必由之路。1MES 概述在企业的生产运作管理流程中，一般抽象为三个层次，即计划层、 执行层和控制层。 计划层按照客户订单 、库存和市场预测情况，安排生产和组织物料。执行层根据计划层下达的生产计划、物料和控制层的工作情况，制定车间作业计划，安排控制层的加工任务，对 作
9、业计划和任务执行情况进行汇总和上报；当生产计划变更、物料短缺、设备发生故障、出 现加工质量等 问题时，执行层对作业计划进行及时调整，保证生产过 程正常进行。 执行层处于企 业计划层与控制层之间，存在大量的信息传递、交互与 处理的过程。控制 层，又称设备层，完成产品零件的加工或装配。6美国先进制造研究机构（Advanced Manufacturing Research Inc.，简称 AMR）通过对大量企业的调查研究和归纳总结，于 90 年代初首次提出了“ 制造执行系统”的理念。ARM 的调查结果表明，在企业地计划层普遍采用 MRP-II/ERP 为代表的企业管理信息系统，在企业 的生产控制层则
10、采用 SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）和 HMI（Human Machine Interface）为代表的生产过程监控软件系统，在计划和控制层 之间则是由 MES 构成的执行层，MES 作为计划和控制层之间的桥梁，实现计划和控制层之间数据交换。因此， AMR 组织提出了由计划层、执 行层和控制层组成的企业信息集成模型， 图 1.1 所示。计划与决策M E S 系统计划层执行层控制层协作工厂供货商原材料响应时间因子客户产品1 X1 0 X1 0 0 XE R PS C M C R MC 3 P车间事务 ：设备 / 人力 / 时间 /
11、材料 / 工艺 / 在制品 / 产成品基础自动化设备图 1.1 企业信息化的三层结 构模型在企业的信息化三层结构模型中， MES 在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁，以实现两者之 间的无缝联接。一方面， MES 可以对来自 MRP-II/ERP 的生产计划信息分解、 细化，形成作业指令，控制层按照作业指令完成生产加工过程；另一方面，MES 可以实时监控底层设备的运行状态、在制品及作业指令的执行情况，并将它们 及时反馈给计划层。企 业 信息化的三层结构模型的信7息流动状况，如图 1.2 所示。E R P / M R P / . . . 系 统订 单 状 态W I P 状 态质 量 数 据生
12、 产 历 史检 查 资 源 生 产 作 业 计 划跟 踪 W I P 释 放 生 产 订 单显 示 操 作 员 指 令更 新 E R P 系 统客 户采 购订 单工 作指 令生 产订 单控 制 参 数操 作 指 令实 时 工 厂 管 理 （ M E S 在 工 厂 中 的 数 据 流 ）操 作 / 任 务 状 态机 器 / 操 作 员 状 态过 程 参 数制造执行系统（ M E S ）控制系统（ 或手工操作 ）图 1.2 三层结构模型的信息流因此，通过 MES 把生产计划与车间作业现场控制联系起来，解决了上层生产计划管理与底层生产过程之间脱节的问题，打通了企业的信息通道，使企业的生产计划的执行
13、过程实现了透明化，为企业快速响应市场奠定了良好的基础。由美国牵头发起成立的制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，简称 MESA）组织， 给 MES 所下了一个定义：“MES 能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时 ，MES 能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种状态变化的迅速响应使 MES 能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物流的流通性能，又能提高生产 回报率。 MES 还通过双向的8
14、直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。 ”MESA 组织在 MES 定义中强调了三个观点：（1）MES 是对 整个车间制造 过程的优化，而不是单一的解决某个生产瓶颈；（2）MES 必须 提供实时收集生 产过程中数据的功能，并做出相应的分析和处理；（3）MES 需要与 计划层和控制 层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业乃至整个供应链的信息集成。该组织还归纳总结出 MES 的十一个功能模块，分派生产单元、资源配置与状态、作 业/详细调度、产品跟踪与谱系、人力管理、文档控制、性能分析、维护管理、过程管理、质量管理和数据采集/获取模块，图 1.3 所示。M E
15、SS C M供应链管理S S M销售服务管理P / P E产品及过程工程E R P企业资源计划C o n t r o l s车间设备控制分派生产单元资源配置与状态作业 / 详细调度产品跟踪与谱系维护管理人力管理性能分析质量管理数据采集 / 获取过程管理文档控制图 1.3 MESA 组织定义的 MES 功能模型（1）分派生产单元模块以任务、订单、批次、数量以及作 业指令对生产流程 进行管理，针对生产过程中出现的突发问题及时修改作业指令，调整加工顺序。还可以通过重新安排生产和补救措施，改变已下达的 计划，以及利用 缓冲区来控制生产单元的负荷。9（2）资源配置与状态模块管理各种资源，如设备、工具、材
16、料、辅助设备以及派工单、领料单、工序卡等相关作业指令和文件，提供 设备的实时状态，确保设备正常开工所必需的资源，对生产过程所需各种资源都有详细的记录，以保证车间滚动作业计划顺利执行。（3）作业/详细调度模块按照在制品的优先级、属性、几何特征安排加工顺序或路径，使得设备的调整或准备时间最少。根据不同的加工路径以及加工路径的重叠与并行情况，通过计算出它们加工时间或设备负荷，从而获得较优的加工顺序或路径。（4）产品跟踪与谱系模块管理加工过程（从原料、在制品、零部件到成品）中每个生产单元的在制品，实时记录在制品的状态、物料（供应商、批号、数量等）消耗状况、在制品暂存、返工、报废 、入 库 等情况，在 线提供计划的实际执行进 度，反映在制品和产品的当前状态情况，追溯产品在加工 过程中的各项记录。（5）人力管理模块记录员工的作息时间、操作技能、变动和调整情况、员工的间接活动（如领料、备料、准 备时间等），作为成本分析和绩效考核的依据。（6）文档控制模块统一管理与生产单元、生产过程相关的文档/表单，如作业指令、操作指导书、工艺文件（配方）、 、图纸、 标准操作规程、加工程序、计划任务文档、质量信息记录文档、质 量体系文档、批次记录、工程变更通知、交接班记录、批量产品记录、工程设计变动通知，以及文档的 历史记录和版本等。（7）性能分析模块
