經(jīng)濟(jì)全球化、市場全球化的必然趨勢下，我國部分行業(yè)如化工、鋼鐵等等面臨嚴(yán)峻的競爭形勢和經(jīng)歷著深遠(yuǎn)變化的生存發(fā)展要求，轉(zhuǎn)變與趨勢相符的現(xiàn)代管理思路，建立現(xiàn)代管理理念，引進(jìn)現(xiàn)代管理決策機(jī)制，提高核心競爭力已經(jīng)成為企業(yè)最迫切的要求和機(jī)遇所在。觀察世界生產(chǎn)管理模式的發(fā)展趨勢可以清晰的得出企業(yè)行為勢必從單項(xiàng)、局部的改善向著綜合、集成的優(yōu)化轉(zhuǎn)變，尤其是計(jì)劃、組織、控制三大職能的整體優(yōu)化更是企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)和獲得競爭優(yōu)勢的難點(diǎn)和重點(diǎn)，制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System) 主要用來解決整體優(yōu)化中生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)過程的脫節(jié)問題——這一問題長期以來不僅直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，而且成為制約現(xiàn)代企業(yè)內(nèi)部信息集成和企業(yè)之間供應(yīng)鏈優(yōu)化的瓶頸。
一、MES的產(chǎn)生及發(fā)展
1. MES的產(chǎn)生背景
自上世紀(jì)八十年代以后，伴隨著消費(fèi)者對產(chǎn)品的需求愈加多樣化，制造業(yè)的生產(chǎn)方式開始由大批量的剛性生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多品種少批量的柔性生產(chǎn);以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和大型數(shù)據(jù)庫等IT技術(shù)和先進(jìn)的通訊技術(shù)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(zhuǎn)向全局指向的、實(shí)時處理方式。在制造管理領(lǐng)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(chǎn)扶正、進(jìn)行更科學(xué)的預(yù)測和制定更翔實(shí)可行的計(jì)劃;在企業(yè)級層面上，管理系統(tǒng)軟件領(lǐng)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(jìn)行;在過程控制領(lǐng)域PLC、DCS得到大量應(yīng)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(lǐng)域都有了長足的發(fā)展，但是在工廠以及企業(yè)范圍信息集成的實(shí)踐過程中，仍然難以解決這一瓶頸帶來的各種問題:在計(jì)劃過程中無法準(zhǔn)確及時地把握生產(chǎn)實(shí)際狀況，另一方面則在生產(chǎn)過程中無法得到切實(shí)可行的作業(yè)計(jì)劃做指導(dǎo);工廠管理人員和操作人員難以在生產(chǎn)過程中跟蹤產(chǎn)品的狀態(tài)數(shù)據(jù)、不能有效地控制在制品庫存，而用戶在交貨之前無法了解定單的執(zhí)行狀況。產(chǎn)生這些問題的主要原因仍然在于生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的相互分離，計(jì)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，美國的調(diào)查咨詢公司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，就是我們今天要談的制造執(zhí)行系統(tǒng)。
2. MES的發(fā)展歷程
20世紀(jì)80年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，流程工業(yè)控制中出現(xiàn)了多學(xué)科間的相互滲透與交叉;同時，信號處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與自動控制技術(shù)的結(jié)合使過程控制開始突破自動化孤島模式，出現(xiàn)了集控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和經(jīng)營于一體的綜合自動化新模式。
20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)的研究已成為自動化領(lǐng)域的一個前沿課題。1995年美國、日本、西歐等國已有100多家煉油、化工企業(yè)在實(shí)施CIMS計(jì)劃，推動了流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向上下游、產(chǎn)供銷一體化或集成化方向發(fā)展，意大利AGIP石油公司提出了以數(shù)據(jù)模型為核心的工廠信息集成系統(tǒng)方案，信息采集從底層到上層，從供應(yīng)鏈的源頭到盡頭，而計(jì)算結(jié)果和指令則從上層一直傳遞到底層。它以面向數(shù)據(jù)(而非面向應(yīng)用)的模型為核心系統(tǒng)，連接實(shí)時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對生產(chǎn)過程進(jìn)行過程監(jiān)視、控制和診斷、環(huán)境監(jiān)測、單元整合、模擬和優(yōu)化。并在管理決策層進(jìn)行物料平衡、生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、排產(chǎn)、企業(yè)資源計(jì)劃、離線在線模擬與優(yōu)化等。
流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的理論和技術(shù)經(jīng)過多年的研究發(fā)展，特別是經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，已逐步形成合理的體系結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框架已由下圖所示的五層Purdue模型演變?yōu)镋RP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)。目前，這已成為西方先進(jìn)工業(yè)國家流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)理論和產(chǎn)品的主流框架。
圖1:Purdue模型
在Purdue模型中，流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)自下而上從功能上分為過程控制、過程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理和經(jīng)營決策五個層次，將生產(chǎn)過程和管理過程明顯分開。雖然這種體系框架在流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展過程中起過很大的推動作用，但隨著研究與開發(fā)的深入，它在綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐中遇到了較大問題。在流程工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動中，除了底層的過程控制與頂層的企業(yè)管理和經(jīng)營決策外，在中間層次是很難將生產(chǎn)行為與管理行為截然分開的。因此，在牽涉到大量既有生產(chǎn)性質(zhì)又有管理性質(zhì)的信息時，根據(jù)五層結(jié)構(gòu)模型就很難明確劃分應(yīng)該屬于綜合自動化系統(tǒng)的哪一層次，這就造成了流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)研究與開發(fā)過程中概念的混亂和標(biāo)準(zhǔn)的難以統(tǒng)一。
ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)較好地解決了上述問題。這一結(jié)構(gòu)將流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)劃分為:考慮生產(chǎn)過程問題的過程控制系統(tǒng)PCS;考慮企業(yè)經(jīng)營管理問題的企業(yè)資源計(jì)劃ERP;以及考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問題的中間層生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES。這樣，就使流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中原來難以處理的具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問題得到了解決。
3. MES的定義
國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(Manufacturing Execution System Association，MESA)對MES的定義是“MES提供為優(yōu)化從訂單投入到產(chǎn)品完成的生產(chǎn)活動所需的信息。MES運(yùn)用及時、準(zhǔn)確的信息，指導(dǎo)、啟動、響應(yīng)并記錄工廠活動，從而能夠?qū)l件的變化做出迅速的響應(yīng)、減少非增值活動、提高工廠運(yùn)作過程的效率。MES不但可以改善設(shè)備投資回報(bào)率，而且有助于及時交貨、加快庫存周轉(zhuǎn)、提高收益和現(xiàn)金流的績效。MES在企業(yè)和供應(yīng)鏈間，以雙向交互的形式提供生產(chǎn)活動的基礎(chǔ)信息。”
如此定義，道出了MES的設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施都是圍繞企業(yè)生產(chǎn)----這一為企業(yè)直接帶來效益的價值增值過程進(jìn)行的，而針對目前企業(yè)信息化建設(shè)過程中通常對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重視不夠的情況，我們研究所開發(fā)的目前國內(nèi)唯一針對大型流程企業(yè)的專業(yè)MES系統(tǒng)以其精心的設(shè)計(jì)、完善的實(shí)施以及良好的維護(hù)等為MES的興起迎來了良好的開端。
美國的權(quán)威機(jī)構(gòu)先進(jìn)制造研究中心AMR(Advanced Manufacturing Research)提出的: MES是位于上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)。它為操作人員/管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行和跟蹤以及所有資源(人員、設(shè)備、物料、客戶需求等)的當(dāng)前狀況。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(jì)劃層(MRPII/ERP)，執(zhí)行層(MES)，控制層(Control)。計(jì)劃層強(qiáng)調(diào)企業(yè)的計(jì)劃，它以客戶定單和市場需求為計(jì)劃源，充分利用企業(yè)內(nèi)部的各種資源，降低庫存，提高企業(yè)效益;執(zhí)行層強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的執(zhí)行，通過MES把MRPII/ERP與企業(yè)的現(xiàn)場控制有機(jī)地集成起來;控制層強(qiáng)調(diào)設(shè)備的控制，如PLC、數(shù)據(jù)采集器、條形碼、各種計(jì)量及檢測儀器、機(jī)械手等的控制。
4.MES的作用
制造企業(yè)關(guān)心三個問題:生產(chǎn)什么?生產(chǎn)多少?如何生產(chǎn)?企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃回答的是前兩個問題，“如何生產(chǎn)”由生產(chǎn)現(xiàn)場的過程控制系統(tǒng)“掌握”。ERP、CRM等系統(tǒng)只為生產(chǎn)計(jì)劃的編制提供了數(shù)據(jù)信息，對于“計(jì)劃”如何下達(dá)到“生產(chǎn)”環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程中變化因素如何快速反映給“計(jì)劃”，在計(jì)劃與生產(chǎn)之間需要有一個“實(shí)時的信息通道”，MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))就是計(jì)劃與生產(chǎn)之間承上啟下的“信息樞紐”。
近年來，隨著JIT(Just In Time)、BTO(面向訂單生產(chǎn))等新型生產(chǎn)模式的提出，以及客戶、市場對產(chǎn)品質(zhì)量提出更高要求，MES才被重新發(fā)現(xiàn)并得到重視。同時在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)泡沫的破碎后，企業(yè)開始認(rèn)識到要從最基礎(chǔ)的生產(chǎn)管理上提升競爭力，即只有將數(shù)據(jù)信息從產(chǎn)品級(基礎(chǔ)自動化級)取出，穿過操作控制級，送達(dá)管理級，通過連續(xù)信息流來實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成才能使企業(yè)在日益激烈的競爭中立于不敗之地。目前，MES在國外被迅速而廣泛地應(yīng)用。
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(nèi)部最重要最基本的活動——生產(chǎn)，它的相關(guān)信息尤其需要得到實(shí)時的處理和分析。具體的說，就是收集生產(chǎn)過程中大量的實(shí)時數(shù)據(jù)，并對實(shí)時事件及時處理，同時又與計(jì)劃層和生產(chǎn)控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。
MES不同于以派工單形式為主的生產(chǎn)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(shè)備調(diào)度為主的單元控制器,而應(yīng)將MES作為一種生產(chǎn)模式, 把制造系統(tǒng)的計(jì)劃和進(jìn)度安排、追蹤、監(jiān)視和控制、物料流動、質(zhì)量管理、設(shè)備的控制和計(jì)算機(jī)集成制造接口(CIM)等一體化去考慮，以最終實(shí)施制造自動化戰(zhàn)略。
國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(MESA)定義了MES應(yīng)具備的11個功能模塊:主要包括1)資源分配和狀態(tài)管理;2)操作/詳細(xì)排產(chǎn);3)分配生產(chǎn)單元;4)文件控制;5)數(shù)據(jù)收集;6)勞動力管理;7)質(zhì)量管理;8)過程管理;9)維護(hù)管理;10)產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理;11)性能分析和數(shù)據(jù)采集。實(shí)際的產(chǎn)品可能是包含其中一個或幾個功能模塊。
二、MES在中國應(yīng)用的現(xiàn)狀
1.傳統(tǒng)的MES(T-MES)
傳統(tǒng)的MES可大致分為兩大類:專用的MES系統(tǒng)(Point MES) 和整合的MES系統(tǒng)(Integrated MES)。專用的MES是指為解決某個特定領(lǐng)域問題，如車間維護(hù)、生產(chǎn)調(diào)度或SCADA而開發(fā)的單獨(dú)應(yīng)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(dǎo)體、食品和衛(wèi)生等行業(yè)而設(shè)計(jì)，具有一定的通用性。并且逐步加強(qiáng)了與上層事務(wù)處理和下層實(shí)時控制系統(tǒng)的集成能力。
我國對 MES的研究開發(fā)起步較晚，目前主要停留在MES思想、內(nèi)涵及體系結(jié)構(gòu)方面的研究上，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)一般局限于 MES單一功能。一些大學(xué)和科研院所等單位在國家863計(jì)劃資助下在 MES理論與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方面做了一定的工作。但目前存在著很多問題，例如:(1)可集成性差;(2)缺乏智能性和敏捷性;(3)缺乏非常規(guī)信息條件下的科學(xué)決策方法。
由于工廠可能會從不同的軟件供應(yīng)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(jù)庫，數(shù)據(jù)模型和通信機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的集成，往往采用API技術(shù)，OLAP技術(shù)和相應(yīng)的通信機(jī)制。其中，外部應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)用和插入使用API的方式，而應(yīng)用EDI技術(shù)和外部環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)前MES的技術(shù)模型如圖所示。
雖然專用的MES能夠?yàn)槟骋惶囟ōh(huán)境提供最好的性能，卻常常難以與其它應(yīng)用集成，整合的MES比專用的MES邁進(jìn)了一大步，具有一些優(yōu)點(diǎn)如:單一的邏輯數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)內(nèi)部具有良好的集成性，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型等等。但其整個系統(tǒng)重構(gòu)性能弱，很難隨業(yè)務(wù)過程的變化而進(jìn)行功能配置和動態(tài)改變。為了解決傳統(tǒng)EMS的不足，可集成MES (Integratable MES，I-MES)逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。
2.可集成的MES(I-MES)
MES是近10年來在國際上迅速發(fā)展、面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時信息系統(tǒng)，它是實(shí)施企業(yè)敏捷制造戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)敏捷化的基本技術(shù)手段。在我國實(shí)施的CIMS戰(zhàn)略中，車間自動化一直是一個薄弱環(huán)節(jié)，而實(shí)施MES則是提升車間自動化水平的有效途徑，因此 MES技術(shù)的推廣應(yīng)用可有力促進(jìn) CIMS的發(fā)展。另一方面，隨著CAD/ CAM及 ERP在制造企業(yè)的逐步應(yīng)用，其進(jìn)一步的信息化需求將迫使企業(yè)更多地去考慮在車間層次構(gòu)建更高效的智能自動化信息系統(tǒng)，發(fā)展敏捷化MES無疑是其必由之路，因此 MES在我國具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。
然而，由于國內(nèi)外現(xiàn)有的 MES技術(shù)及系統(tǒng)沒有充分考慮車間制造信息中大量存在的不確定性等非常規(guī)特點(diǎn)，缺乏在這些非常規(guī)信息條件下的科學(xué)決策方法，而片面地去追求車間信息的數(shù)量或精確性，不僅造成車間信息集成困難和決策效率不高，導(dǎo)致 MES缺乏足夠的敏捷性與智能性以適應(yīng)日益不確定的車間制造環(huán)境，而且大大增加了MES的開發(fā)和使用成本，嚴(yán)重影響了 MES這一先進(jìn)的車間生產(chǎn)管理與控制技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用與普及。因此必須從根本上解決 MES的敏捷化問題，并大大降低 MES的開發(fā)與使用成本，有力促進(jìn) MES在我國的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和推廣應(yīng)用。本文提出的應(yīng)對策略為上述問題的解決提供了一條有效途徑，它通過車間信息的有效集成和制造決策過程的智能化來保證車間生產(chǎn)的運(yùn)行敏捷性，通過可重構(gòu)和分布式對象技術(shù)解決 MES的結(jié)構(gòu)敏捷性，從而從根本上來解決 MES的敏捷化問題，這對我國整個制造工業(yè)乃至國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、提高我國制造業(yè)的國際競爭能力具有非常重要的理論意義和實(shí)用價值。
三、MES應(yīng)用舉例——流程企業(yè)(鋼鐵企業(yè))的制造執(zhí)行系統(tǒng)
1.現(xiàn)代流程企業(yè)的定義和分類
現(xiàn)代流程工業(yè)通常是指以從原料到制成品兼具物理變化和化學(xué)變化的連續(xù)性生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)增值的工業(yè)。如此定義也僅僅是將服務(wù)業(yè)和部分加工行業(yè)劃分出去，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)過程中的物流情況對生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行分類，即能區(qū)分不同類型企業(yè)，又能在準(zhǔn)確反映生產(chǎn)增值狀況的過程中實(shí)現(xiàn)企業(yè)從宏觀控制到微觀協(xié)調(diào)的科學(xué)管理方法。
如圖2，“V”型物流情況，易看出其特點(diǎn)原材料少、加工路線相似、最終產(chǎn)品種類多，生產(chǎn)過程中“V”型物流占多數(shù)的企業(yè)如鋼鐵、煉油等。而與之相對應(yīng)的流程行業(yè)的一種是“A”型物流為主的企業(yè)，如造船廠，具有原材料多、加工路線繁雜、最終產(chǎn)品較少等特點(diǎn)。介于兩者之間就是“T”型物流為主的企業(yè)，比如汽車制造廠、裝配廠，特點(diǎn)是材料中通用件較多、加工路線、最終產(chǎn)品種類都不算多。
如果根據(jù)上文的說法，嚴(yán)格意義上的流程企業(yè)，多數(shù)都是“V”型物流為主的，基本上都屬于基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是典型的資本密集型工業(yè)，在一定的范圍內(nèi)增加企業(yè)規(guī)?？梢杂行Ы档统杀?，工藝技術(shù)和材料技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，技術(shù)的剛性大，目前我國流程企業(yè)普遍存在的一些弱點(diǎn)主要是規(guī)模經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)程度很低、技術(shù)裝備仍舊比較落后、產(chǎn)能相對需求過剩以及產(chǎn)品中高附加值部分所占比例小等等。實(shí)施MES有助于從管理方法和技術(shù)層面上改進(jìn)現(xiàn)狀。
圖2 以物流特點(diǎn)為依據(jù)的企業(yè)分類
2.流程企業(yè)供應(yīng)鏈模式
任何生產(chǎn)系統(tǒng)都應(yīng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)意義,即最優(yōu)處理生產(chǎn)系統(tǒng)的物流、資金流和信息流,憑借最低的資源消耗生產(chǎn)符合市場要求的產(chǎn)品。因此在對現(xiàn)代流程工業(yè)生產(chǎn)的研究是從分析其物流、資金流和信息流特點(diǎn)開始的。以鋼鐵企業(yè)為例。
1)物流特點(diǎn):多段生產(chǎn)、多段運(yùn)輸、多段存儲，物流種類多、工序多且形式不一、并伴有多種原料。在制品和制成品包括:鐵礦石、粉礦、原煤、生鐵、廢鋼、鐵水、鋼水、最終產(chǎn)品(板、管、卷、線、型)。所使用的都是大型設(shè)備，成本高、操作復(fù)雜，工序連接緊密、作業(yè)的連續(xù)性強(qiáng)、對時間要求條件高，不僅存在時間平衡和溫度平衡問題，還存在資源能力和物流平衡的問題。
2)資金流特點(diǎn):企業(yè)投資巨大、資金流動頻繁、復(fù)雜的物流特征，以及為龐大的生產(chǎn)規(guī)模做的財(cái)務(wù)分析都為資金流的控制增加了難度，必須遵守嚴(yán)格的財(cái)會制度并實(shí)施靈活的資金管理，才能準(zhǔn)確全面和及時地反映企業(yè)經(jīng)營狀況，并有效地加以控制。資金等財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的滯后性與控制資金流向的實(shí)時性要求為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫等提供了用武之地。
3)信息流特點(diǎn):生產(chǎn)經(jīng)營活動需要大量的特征值來描述，涉及內(nèi)容從財(cái)務(wù)、人事等傳統(tǒng)信息管理領(lǐng)域延伸到生產(chǎn)管理領(lǐng)域。不僅要根據(jù)定單進(jìn)行生產(chǎn)、制定合理的生產(chǎn)計(jì)劃、實(shí)施全面質(zhì)量管理，還應(yīng)以對生產(chǎn)過程進(jìn)行全面監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集來滿足生產(chǎn)管理的實(shí)時性要求，不斷更新的人員、物料、產(chǎn)品等信息、全面詳盡的統(tǒng)計(jì)信息輔助管理者發(fā)布最合理的控制信息，從而盡善盡美地實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營目標(biāo)。
分析完這些特點(diǎn)之后,可得到鋼鐵企業(yè)的基本供應(yīng)鏈模式如圖3:
3. 鋼鐵企業(yè)集成模型
在得到企業(yè)外部的供應(yīng)鏈模式之后，還需對企業(yè)內(nèi)部根據(jù)分析需求而進(jìn)行功能模型設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)按照功能分“層”，而在實(shí)現(xiàn)的時候則要按照計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而分“級”。鋼鐵企業(yè)的經(jīng)營管理可劃分為三層，通過七級實(shí)現(xiàn)。
1.計(jì)劃層:包括經(jīng)營決策級和企業(yè)計(jì)劃級。主要功能模塊:生產(chǎn)經(jīng)營決策;長期、中長期生產(chǎn)計(jì)劃編制;財(cái)務(wù)管理;人力資源管理;采購分銷;成本管理;庫存管理;定單處理;輔助決策等。
2.執(zhí)行層:包括車間生產(chǎn)級和生產(chǎn)調(diào)度級。主要功能模塊:生產(chǎn)調(diào)度和作業(yè);質(zhì)量管理;人員和設(shè)備管理;物料追蹤和產(chǎn)品追蹤;對運(yùn)作過程的分析。
3.控制層:包括過程控制級、設(shè)備控制級和檢測驅(qū)動級。主要功能模塊:生產(chǎn)線范圍的監(jiān)控;自適應(yīng)控制;設(shè)備控制;現(xiàn)場各種信號檢測。集成模型的層級如圖4:
圖4流程企業(yè)典型集成模型的層級結(jié)構(gòu)
4.企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)(BOS)的功能模塊
在流程企業(yè)外部供應(yīng)鏈模式和集成模型的層級結(jié)構(gòu)都已確定之后，可定義詳細(xì)的企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)(BOS，Business Operation System)的功能模塊，如圖5(其中BPS為計(jì)劃層——經(jīng)營計(jì)劃系統(tǒng)，Business Planning System;PCS為控制層——過程控制系統(tǒng)，Process Control System)。
圖5:企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)(BOS)的功能模塊
其中，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)主要包括八個模塊，分別為:
生產(chǎn)計(jì)劃:處理屬性關(guān)聯(lián)的定單生成按照成本目標(biāo)優(yōu)化后的車間級計(jì)劃，保留定單的原始數(shù)據(jù)以便于控制。
車間調(diào)度:根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史案例，現(xiàn)場動態(tài)協(xié)調(diào)人員、物料、設(shè)備以最大可能優(yōu)化生產(chǎn)。
作業(yè)計(jì)劃:實(shí)現(xiàn)以小時間單位為基準(zhǔn)的批量組合計(jì)劃、生產(chǎn)排序計(jì)劃，以維持車間的高效運(yùn)作。
人員管理:對行為的詳實(shí)記錄，不僅與人員薪酬相聯(lián)系，且能為生產(chǎn)分析提供依據(jù)，便于管理并能有效地提高生產(chǎn)率。
設(shè)備管理:預(yù)防性設(shè)備維修為主，分析、優(yōu)化設(shè)備能力以消除瓶頸環(huán)節(jié)對生產(chǎn)的制約，實(shí)現(xiàn)設(shè)備最大利用率。
質(zhì)量管理:整合后的功能支持各種與質(zhì)量計(jì)劃、檢查和控制相關(guān)的工作，動態(tài)的數(shù)據(jù)分析為車間調(diào)度提供依據(jù)。
物料跟蹤:由現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)對物料變化情況進(jìn)行跟蹤，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部條件和外部環(huán)境的變化作出快速反應(yīng)提供可能。
產(chǎn)品跟蹤:由現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)對在制品變化情況進(jìn)行跟蹤，變動中的產(chǎn)品信息便于生產(chǎn)管理的同時還能為客戶提供服務(wù)。
5.MES目標(biāo)與設(shè)計(jì)原則
為流程企業(yè)定制制造執(zhí)行系統(tǒng)，其最主要的目標(biāo)就是建立和完善生產(chǎn)管理體系，包括根據(jù)客戶定單、市場預(yù)測和內(nèi)部資源狀況來制定生產(chǎn)計(jì)劃;從整體角度優(yōu)化、協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程;生產(chǎn)計(jì)劃的動態(tài)調(diào)整等等。與此同時，要建立保證質(zhì)量管理的信息體系，包括在線物料跟蹤和質(zhì)量控制的在線反饋與調(diào)整，以及對產(chǎn)品質(zhì)量零缺陷的追求。以上述兩個目標(biāo)為契機(jī)，構(gòu)建流程企業(yè)MES系統(tǒng)可以促進(jìn)生產(chǎn)方式和管理思路的轉(zhuǎn)變，這將是一個漸進(jìn)的過程。
MES的設(shè)計(jì)將以軟件工程為規(guī)范，主要考慮全局性、通用性，既要實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化，又要提供標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的應(yīng)用程序框架;同時要以可擴(kuò)充性、開放性和兼容性為原則，這樣在生產(chǎn)能力變動時不至于影響系統(tǒng)功能，還要提供標(biāo)準(zhǔn)、開放的通訊接口以及減少由于開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具的變化帶來的影響;在可操作性、可視性和魯棒性上也要注意，友好而操作簡單的界面、監(jiān)控跟蹤的仿真示意圖和較強(qiáng)的容錯能力都有助于各級用戶的使用;最后是必須具備實(shí)時性，只有最短的反應(yīng)時間才能對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和調(diào)整。
6.MES信息庫設(shè)計(jì)
在現(xiàn)代流程企業(yè)中流動的信息具有強(qiáng)烈的動態(tài)特征且大量冗余信息與缺失信息、信息斷裂并存的現(xiàn)象，無論是從現(xiàn)場采集來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)還是從市場獲得的定單信息都可能因不能真實(shí)體現(xiàn)而對企業(yè)造成不可估量的后果，為保證有價值的信息能對企業(yè)決策和運(yùn)作有著正確的指導(dǎo)意義，在流程企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)中要構(gòu)建好多種信息庫;并且不同的信息庫具有不同的特點(diǎn)。
物料信息庫:企業(yè)庫存狀況和需外部采購或內(nèi)部調(diào)整的物料情況，部分信息與供應(yīng)商共享;定單信息庫:定單對產(chǎn)品的要求(鋼種、質(zhì)量、數(shù)量等)情況，部分信息與合同商共享;產(chǎn)品信息庫:產(chǎn)品目錄和與特定合同商聯(lián)系的在制品狀態(tài)，部分信息與分銷商/用戶共享;基礎(chǔ)信息庫:企業(yè)人員、設(shè)備狀況，財(cái)會數(shù)據(jù)等企業(yè)運(yùn)營的基礎(chǔ)信息，在系統(tǒng)內(nèi)部按照不同密級使用，還包括部分經(jīng)常更新的政策、市場等外部信息;生產(chǎn)信息庫:生產(chǎn)過程中人員、設(shè)備的實(shí)時變化情況等動態(tài)性要求較高的信息，以及基本不變的工藝路線等生產(chǎn)相關(guān)信息，外部不可見。
這些信息庫都是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，建立信息庫將降低車間級計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)，同時減少了因數(shù)據(jù)保存和操作故障而引發(fā)的一系列后果。物料、定單、產(chǎn)品信息庫可供對應(yīng)的外部人員進(jìn)行查詢等操作，便于結(jié)成與供應(yīng)商密切的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系。而較穩(wěn)定的基礎(chǔ)信息庫為人事、財(cái)務(wù)、設(shè)備方面的日常管理提供極大的方便。生產(chǎn)信息庫則是動態(tài)性能要求最高的，每時每刻都有大量的流動數(shù)據(jù)注入其他信息庫，因此對它的設(shè)計(jì)要求也最高。這些信息庫常見功能有:報(bào)表、保存與備份、恢復(fù)與刪除，以及口令與權(quán)限。
動態(tài)的生產(chǎn)信息庫中，與數(shù)據(jù)采集模塊相連的部分成為重中之重，實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、主生產(chǎn)流程的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，以確保采集的數(shù)據(jù)可靠而不冗余，充分而不斷裂。
7.MES數(shù)據(jù)流圖設(shè)計(jì)
長期以來，對于企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營狀況的改善總是圍繞著計(jì)劃層進(jìn)行，而對于真正的增值環(huán)節(jié)—生產(chǎn)、調(diào)度、過程控制等環(huán)節(jié)仍舊采用經(jīng)驗(yàn)方法來維持，即使是引進(jìn)的世界先進(jìn)水平的生產(chǎn)線，在數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控方面與計(jì)劃層脫節(jié)情況也比較突出，而且根據(jù)國內(nèi)流程企業(yè)的實(shí)情，不少企業(yè)已經(jīng)構(gòu)建了ERP等計(jì)劃系統(tǒng)，所以本文主要討論國內(nèi)流程企業(yè)很少實(shí)施卻亟需構(gòu)建的MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖設(shè)計(jì)(由于實(shí)際情況的限制，將劃分在控制層中的功能模塊也一并考慮進(jìn)來)。
流程企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)的外部實(shí)體為:供應(yīng)商、合同商、系統(tǒng)維護(hù)和分銷商/用戶。
供應(yīng)商:提供設(shè)備、物料、運(yùn)輸?shù)任锲坊蚍?wù)的部門，向系統(tǒng)提供相關(guān)物料(服務(wù))信息。
合同商:生產(chǎn)定單的另一方，向系統(tǒng)提供相關(guān)定單信息。
系統(tǒng)維護(hù):企業(yè)成員，負(fù)責(zé)更新、維護(hù)企業(yè)基礎(chǔ)信息庫。
分銷商/用戶:產(chǎn)品使用方，需要企業(yè)提供相關(guān)產(chǎn)品信息和信息服務(wù)。
至此，可得到流程企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)BOS的數(shù)據(jù)流圖，包括系統(tǒng)頂級DFD圖、一級DFD總圖和MES二級DFD圖，圖6主要描述了MES二級DFD圖。
圖6:流程企業(yè)2級DFD圖(MES/PCS)
結(jié)語
MES對于制造企業(yè)的作用已經(jīng)非常明朗，但人們對MES的認(rèn)識遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如ERP、CRM、SCM等管理系統(tǒng)。由于認(rèn)識不清，自然就會導(dǎo)致需求不清楚，也就難以形成一定的市場規(guī)模。目前美國的MES發(fā)展是已25%速度發(fā)展，而國內(nèi)基本是局部MES功能的發(fā)展，具體是一些簡單的數(shù)據(jù)采集，物流管理等，其實(shí)這些也屬于MES功能的范疇。但隨著人們對MES認(rèn)識的逐步加深，MES在企業(yè)中的應(yīng)用必將會逐步深入。
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