MES的研究現狀及分析①

張學彥 曾黃麟

[摘 要]本文通過回顧計算機輔助生產管理系統的發展歷程,指出制造執行系統(MES)是新時代企業生產管理需求下的必然產物。首先闡述了目前國內外MES的研究現狀及存在的問題,根據MES 的定義,分析了與MRPⅡ、ERP等的關系和建立了計劃層、執行層和控制層數據流程,提出了MES的研究中值得注意的幾個關鍵問題。

[關鍵詞]制造執行系統 實時信息 智能制造 計算機輔助生產

[中圖分類號]TH166[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0085-02

1 前言

隨著計算機軟硬件技術的發展,越來越多的企業開始使用計算機軟件系統實施生產經營管理,經歷了由單項生產管理,發展到少數子系統的集成,乃至當前的整個企業資源的全面規劃和管理。正如計算機技術在不斷發展一樣,計算機輔助生產管理也是一個不斷進化的過程。

20世紀80年代美國在總結MRPⅡ實施成功率較低的教訓并吸收日本準時制生產系統(JIT)經驗的基礎上,提出既重視計劃又重視執行的管理新思想。此時,將計劃與制造過程統一起來的制造執行系統(Manufacturing Execution System,簡稱MES)應運而生。事實上,早在20世紀70年代便已經有企業開始開發或引入單一功能的軟件產品和軟件系統,如設備狀態監控系統、質量管理系統、生產管理系統等,所有這些系統可以理解為單一功能的MES系統。而直到1990年,才由美國先進制造研究機構AMR(Advanced Manufacturing Research)第一次提出并使用MES概念。可以說MES不僅是一項新興的技術,也是新時代企業生產管理需求下的必然產物。

早在“十五”期間,國家863項目就將MES作為重點研究項目下達了研究課題,并且將流程工業領域的MES技術研究作為突破口,以期實現最終目標:獲得MES技術研究成果、形成系統平臺、實現產品的工程應用。目前,MES已經在鋼鐵、石化等行業得到應用,其應用效益得到用戶認可,并且推進了企業信息化不僅僅停留在ERP實施,不斷深化,部分企業的MES已經成為信息化的主體。過去的10年,MES理念、技術和軟件產品已經顯著成熟。2007年,信息產業部又以信部規[2007]539號文件形式印發了《信息技術改造提升傳統產業“十一五”專項規劃》[5]。《規劃》提出了八項共性技術和四個方面的重要系統,其中就包括MES。“十一五”時期,國家將在石化、冶金等行業加快推動MES應用,進一步提高生產管理水平和資源配置的效率。

雖然MES的發展歷史并不長,但它所能帶來的巨大經濟效益使它迅速走進了企業的視線。當前國內正處在MES迅速發展的時期,MES正逐漸發展成為一個被關注的熱點。

2 MES的定義

對MES定位的認識有三種:一種認為MES是供應鏈(SCM)關系密切;一種認為它是產品生命周期管理(PLM)緊密聯系;還有一種最為主流的定位,認為MES是ERP與生產過程及設備之間的橋梁。當然,三者之間并不矛盾,MES是在SCM、PLM的需求下,以及為了彌補的ERP不足而產生的。

目前被人廣泛接受的是由MESA給出的定義:MES提供從接受訂單到制成最終產品全過程的生產活動實現優化的信息。它采用當前的和精確的數據,對生產活動進行初始化,及時引導、響應和報告工廠的活動,對隨時可能發生變化的生產狀態和條件做出快速反應,重點削減不會產生附加值的活動,從而推動有效的工廠運行和過程。

此外,按照AMR所給出的定義:MES是一個常駐工廠層的信息系統,介于企業領導層的計劃系統與主生產過程的直接工業控制系統之間。這里明確地將企業的運作劃分為三個層次,分別是:計劃層、執行層和控制層。其中:計劃層就包括MRPⅡ、ERP等;控制層包括PLC、各種儀器設備等;介于兩者之間的是執行層,MES就屬于執行層。可以通過繪出數據流圖來明確每個層次間的關系,如圖1所示。

圖1中不僅示出MES的數據流,也表明MES對實時的要求要明顯高于ERP,如果說控制層要求的實時時間系數為1,那么,MES的時間系數為10,ERP的時間系數為100。這從MESA的定義也可以看出,精確的實時數據是一個優秀的MES必須達到的要求。

因此,一個MES系統,就是負責溝通企業計劃層和控制層,憑借信息技術提供精確的實時數據,并最終達到優化管理活動和生產活動目的的系統。

3 國內MES研究及存在的問題

目前我國制造行業在設備狀態監控系統、質量管理系統、生產管理系統等諸多方面尚存在一些問題,這些問題要求我們加快推動MES應用,進一步提高生產管理水平和資源配置的效率。

根據生產發展的需要,我國的許多高等院校、科研院所都加入了MES的研究與應用開發工作,中國儀器儀表學會生產執行系統分會(MES分會) 目前已舉辦了三屆“中國MES年會”。重點討論了以下幾點問題:MES技術、標準及發展趨勢,實時數據庫與MES軟件平臺及應用,?MES在中國制造業應用的深層次需求,國內MES應用的實例剖析及實施關鍵等。中石化開發出了具有自主知識產權、符合我們中國石化企業特色的中國石化MES系統,上海寶信軟件公司聯合清華大學、浙江大學、上海交大、東北大學、大連理工、冶金自動化院等六家研究院校,提出了符合我國國情并具有國際先進水平的鋼鐵制造業MES控制策略與產品構架,制定出了行業推薦標準《企業信息化技術規范 制造執行系統(MES)》等。

4 MES研究中的幾個關鍵問題

雖然MES技術已經在快速地發展成熟,但是在實際應用中仍然存在著不少的問題。目前MES研究中的幾個關鍵問題是:

4.1 MES系統通用性差

國內開發商提供的MES系統通用性程度不高,直接導致商業化的成熟產品很難形成。目前的MES系統普遍都是特例式的系統,客制化程度往往高達70%甚至更高。而很多人也對這個問題陷入一個誤區----MES就應該是這樣一個特例式的系統。我們應該做的工作是:先抽象出MES中共性化的東西,再進行模塊化的技術開發。想象一下假如做個顛倒,MES的通用化程度可以達到70%,客戶化的開發只需要30%,這樣不僅開發成本將得到大大降低,而且后期的培訓維護也將變得簡單。

即使是在國際上,這也是MES行業面臨的一大問題。目前已經有眾多的人員投入在這方面的研究工作,并已取得了一定的成果。例如美國卡斯達系統有限公司推出的最新版電子行業解決方案(Electronics Suite)。卡斯達公司總裁兼首席執行官Scott Toney表示,目前市場其他一些解決方案包括40%標準化功能、20%可配置功能,剩下的40%完全由客戶自己開發,并且這40%需要從最基礎的編程工作做起;而Electronics Suite系統80%是標準化功能模塊,20%屬于可配置功能,同時系統采用跨平臺開放的軟件和硬件架構技術,具有更高的性能可靠性。該方案已經在不少公司成功實施,包括日立、索尼愛立信移動通信公司、Hutchinson Technology、EPIC Technology等。

4.2 信息化程度不高

這里的不足主要體現在實時監控上,特別是離散制造業。目前國內有些制造企業的自動化程度較低,導致實施MES的實時生產信息必須由人工收集和輸入。而通過人工統計的方式,周期太長,響應嚴重滯后,還伴隨著人員工作的不穩定因素,是無法做到生產運行持續平穩的。這種生產環境下的MES與ERP的車間生產管理系統沒有兩樣。MES是作為連接計劃層和執行層的紐帶而存在,因此要充分發揮執行層MES的作用,必須加強ERP和控制層的建設。

4.3 ERP與MES間的集成問題

MES作為溝通企業計劃層和控制層的一環,與ERP交互的重要性顯而易見。MES與ERP的信息交互比較復雜,目前大多采用的是通過ODBC或XML方式,結合具體ERP系統的數據庫定制。為了解決MES與企業關鍵業務的接口,ISA-95 委員會的文件中有非常明確的表述,不僅描述了MES過程,同時還通過各種功能諸如資源管理和資源分配調度、數據采集、質量保證管理、維護管理、績效分析、排程、文件控制、工時管理及物料和生產跟蹤等之間的交互作用來描述MES過程。國外有些MES公司與ERP廠商都是ISA-95 委員會成員,參與了S95標準的制定。雖然范圍和功能都還比較小,但是有的MES部分功能已經可以與SAP等ERP集成。例如西門子公司遵照S95標準,為MES的實施開發了核心產品——SIMATIC IT Production Suite。由于該產品符合S95標準,從根本上能滿足企業管理控制系統集成的需要,又由于它能夠動態組織以滿足企業變化的需求,因此它成為MES的主角。

可以預見,隨著MES產品的不斷完善,以后MES與ERP需要的集成度必定越來越高。因此,國內MES公司在產品發展過程中也要盡可能從基礎設計上支持S95標準,為將來的集成問題打好基礎。此外,ERP廠商也應該關注并盡快支持S95標準。

4.4 平臺化問題

平臺化問題實際是通用性問題和集成問題的一個延伸,也是國內MES廠商較之國外廠商有明顯差距的一個方面。MES 提出的MES標準有11個模塊,根據企業的不同情況就會存在不同的需求,而平臺化產品可以提供豐富可重復使用的“庫”,滿足企業的不同需求,以及基于國際化標準的制作,可以簡化解決與各個系統間集成的問題,避免企業的重復投資。

4.5 智能化問題

MES系統不僅僅是只給生產人員所使用的,更重要的是要為企業的決策提供支持。在傳統的生產過程管理中很重要的一點就是管理人員和操作人員的經驗,如何把這些經驗固化在MES系統中直接用于生產管理,智能地代替人工作出最優化的判斷,這也就是MES的智能化問題。這在我國MES研究開發中還少有涉及。

4.6 MES的認識問題

MES在國內研發才剛起步,各制造業尚缺乏成功的范例,也缺少專業的實施公司,對其沒有正確的觀念與認識,推行信心及決心不夠。MES 現場第一線管理者可能難以正確理解MES導入的意義,反而因透明化使權力有被剝奪的感覺。生產過程中,整個企業從領導者到一線的生產者是環環相扣的,只有每一環都對MES有清楚的認識,才能保證系統的正常運行。

4.7 企業自身管理體系問題

相當一部分企業領導在實施MES時有一個誤區:信息技術能夠解決企業管理問題。事實上,許多企業面臨的管理問題是不可能靠計算機來解決的,必須靠企業自身通過科學的組織、嚴格的規章及有效的改革來解決。計算機只能通過信息的獲取與加工、一定的流程控制來支持企業管理思想的貫徹。信息技術可以成為提高企業管理水平的有效輔助手段,但不能自動地解決企業的管理問題。要想成功實施MES,企業必須先在管理上下功夫。

4.8 人員培訓問題

無論是對MES的順利執行還是后期維護,人員培訓都有巨大的作用。在MES實施之后,與其直接打交道的便是現場操作人員。MES強調實時數據收集、監督及控制,較之一般數據處理的應用系統,其技術難度較高,須有專業計算機系統技術經驗者才足以勝任,因此需要做好人員培訓工作。而且如果一線的操作人員了解MES系統,也更容易做好與MES供應商的溝通,使其明確企業需求。

4.9 資金問題

除了以上幾點共性問題,這一點也是MES應用發展比較突出的問題,特別是在中小型企業中尤為凸現。很多企業包括一些中小型企業是有引入MES的需求的,但是對整個企業引入MES毫無疑問是一個大工程,耗資也是巨大的,這也使相當一部分中小型企業對MES望而卻步。實際上,雖然MES的內容從生產調度、產品管理、質量檢測等等無所不包,對于部分小型企業可以只考慮優先就一些最需要的、容易立竿見影的項目實施,等到產生經濟效益以后再逐步對其他環節進行改造,這些就需要企業的領導者有個明確的發展認識。

5 總結與展望

針對上一節提出的問題,由于目前MES的技術問題主要集中在標準化與客戶化上,因此在未來的一段時間里,系統通用化的開發仍然是MES技術研究的主題。

隨著IT技術和自動化技術的發展,客戶的要求也越來越高,希望供應商能夠提供從控制層到MES再到ERP全套產品,因此學科滲透以及系統集成度的技術開發也必將成為一個趨勢。此外,廣大正在使用或者準備使用MES的企業也需要不斷提升員工素質,破除思想誤區,真正發揮出MES的優勢。

科技的發展日新月異,短短幾十年MES已經由最初企業自主開發單一功能的系統發展成為由專業MES公司專門從事MES開發。當下MES的技術已經日趨成熟,應用范圍也大大拓展,其經濟效益也吸引越來越多的公司關注和使用MES。未來擁有MES也許將逐漸成為制造企業競爭力的重要標桿,甚至MES將不再只是企業內的管理工具而為企業間的信息化服務。

[參考文獻]

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

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①本文得到四川省教育廳人工智能重點實驗室課題(2008RZ003) 基金的部分資助。