MES在各行業中的需求與解決方案（一）

羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕

MES在各行業中的需求與解決方案（一）

羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕

1　概述

許多公司已經開發出針對各個行業的軟件產品和解決方案，解決制造過程中的管理和組織問題。雖然它們一般表現為制造執行系統（MES），但這些產品涵蓋的范圍從“我的Excel工作表”到所有與生產相關過程的綜合管理、組織和自動化處理。

本系列文章（共12篇）并不打算定義一種新的“制造執行系統”，主要目的是對有興趣的讀者提供目前存在的、可行的解決方案，簡要介紹滿足不同行業特殊要求的方案，了解和推廣適合的MES應用，優化生產流程。

本系列文章將使用“企業與控制系統集成—IEC62264”這套標準作為基礎，解決方案盡可能與產品和供應商無關，只指出方案的功能表現。從第1到第3部分，簡要介紹這套標準，該標準也被稱為S95（美國標準）。目前，相同的MES術語和任務在不同企業有著不同的解釋，甚至也在供應商當中使用。因此，在第4部分，基于S95的結構和術語，這里按行業分類列出最重要的術語，并對多種不同的術語和產品提供解釋。

基于工業的典型需求，第5部分介紹MES的功能和收益；第6部分介紹在流程行業和制造行業MES應用的相同與差異；第7和第8部分提供了需求定義的概述和MES功能的選擇，并基于特定案例展現他們的收益；第9部分總結本文的全部內容，并給出MES解決方案的未來前景。

就像在第5部分介紹的，在整個工業領域，針對他們的可擴展性、模塊化和集成能力等各自的需求，今天每個特定行業都有可供選擇的解決方案，這些解決方案可以顯著提高企業的運營績效。

工業運營商面臨的挑戰是如何抓住這個機會，使本企業的績效達到最大化。

2　使用MES的市場需求和理由

為了評價MES解決方案的最新技術和發展動態，必須要考慮MES在自動化歷史中的位置。今天的MES解決方案包括了以前的計算機集成制造（CIM）組件，如計算機輔助設計（CAP）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助質量保證（CAQ）、生產數據采集（PDA）、機器數據采集（MDA）和員工時間記錄/時間與考勤（PTR/ T&A）。

然而，這些計算機集成制造組件并沒有完全融入到企業流程之中。相反，他們大多數只應用于部門級單一項目中。現在，為了更好地支持大企業制造，企業項目需要集成越來越多的部門，需要協調內部和外部的價值鏈，也需要更多的集成軟件解決方案。

由于以上這些原因，企業越來越多地使用綜合MES解決方案，這種方法也被流程行業和制造行業所認可。正在出現的經濟全球化也加速了這一趨勢，因為全球化需要競爭力的最大化。必須完成以下目標：

? 提高工作績效，同時增加靈活性；

? 更高的生產流程效率；

? 增強并確保流程和產品質量；

? 整體流程的成本優化；

? 產品生命周期的縮短。

使用MES的驅動力是新型生產模式的發展、新型物流理念的推廣，以及產品市場的迅速變化和不斷縮短的開發流程。

隨著產品生命周期的連續縮短，產品生產技術的日益復雜，加之不斷縮短的開發時間，需要更多的原型、更多的產品變化。

在一個全球性和競爭性的經濟中，“上市時間”是決定每一家制造商成功的關鍵性因素。MES可以為這種成功作出顯著的貢獻。

上面列出要求內容中，企業價值鏈的持續改進需要這樣一組工具，該工具不僅能支持各個部門，而且應考慮把“該生產”作為企業內的整體流程。

MES實現這一流程就像一種實時應用。由于整個生產的每一個環節都由這一整體流程來控制，持續的改進和優化就可以實現。

MES的實時性能力橫跨多個部門的要求（如訂單規劃和控制、物料管理、生產數據采集、機器數據收集、質量管理、文檔管理等），提供了與生產流程的直接連接。

此外，需要擴展供應鏈和全球采購以及各區域公司銷售業務在開發市場中表現的集成。

MES不僅是“生產”和“企業”之間的運營橋梁，它還連接了供應鏈中的所有合作伙伴。這意味著它連接了一個連續的、全面的和可管理的價值流。

在此基礎上，MES正成為一種靈活的和一體化生產的戰略要素。在今天的軟件系統中，MES結合了現代化生產管理的所有任務。

同時，該系統是每個企業不斷向未來“數字工廠”發展的運營平臺。

3　MES和規范性標準（IEC62264）

正如概述中指出的，術語MES通常是指工業、公司或者供應商為生產運營管理的特定解決方案。

有些組織一般將“制造執行系統”歸類于離散制造領域，作為“面向流程的制造管理系統”，并作為“生產流程組織和執行的全面驅動力”。以下為MES的主要任務：

（1） 組織和支持生產流程的所有活動：

? 流程需求（工單處理、資源規劃、質量需求）；

? 運行行為（確保資源、材料流動和質量的可用性）；

? 跟蹤和分析（庫存管理、關鍵績效指標的計算、持續改進流程的依據，如：六西格瑪和營運開支（OpEx））。

（2） 與生產流程（規劃、啟動、管理、控制、記錄、評估、審查等）執行相關的所有行為閉環的實現。

（3） 與其他級別的信息交換，如企業管理級（企業資源規劃、ERP）和制造/流程級（可編程控制器PLC、分布式控制系統DCS），以及運營支撐系統，例如產品和流程工程（P/PE），供應鏈管理（SCM）。

為了符合相關指南，MES的功能涵蓋了生產流程按時間順序排列的所有方面：

產前方面—生產流程的規劃；

實時方面—生產流程的管理；

歷史方面—生產流程的分析與評估。

本文使用的MES術語基于IEC62264 “制造運營和控制” 中第3級規定的所有解決方案和系統的代名詞。

與此同時，一些其他術語諸如“制造運營管理（MOM）”或“協同生產管理（CPM）” 也在目前的市場中使用，試圖強調任務的全面性。

本文基于IEC62264“企業與控制系統集成”這套標準，該標準的中文版本GB/T20720也即將發布，其中有：

企業—控制系統集成—第一部分：模型與術語；

企業—控制系統集成—第二部分：對象模型屬性；

企業—控制系統集成—第三部分：制造運營管理的行為模型；

企業—控制系統集成—第四部分：制造運營管理集成的對象與屬性；

企業—控制系統集成—第五部分：制造交易的業務。

其中三個部分“模型和術語”、“對象模型屬性”和“制造運營管理的活動模型”是主要焦點。

IEC62264定義了一個企業的多個功能級，他們按不同的時間尺度和不同的詳細程度進行分級。這些功能級由較高的或較低的功能信息是否可用，以及其他因素來決定。功能級在下面列出，如圖1所示。

圖1 功能級，引用IEC62264-3中的圖2

? 第4級：業務規劃和物流；

? 第3級：制造運營管理；

? 第2級：監視以及生產流程的監督和自動化控制：

—批控制；

—連續控制；

—離散控制。

? 第1級：流程或機械的控制和數據采集；

? 第0級：生產流程。

該標準的第1部分描述了企業所有部門第3和第4級的相關功能，以及他們之間通常交換的對象。圖2給出了部門與部門之間關系的一般描述。

圖2 制造運營管理模型，引用IEC62264-3中的圖1

MES的相關區域用灰色橢圓顯示。

在IEC62264中定義的術語、概念和模型，為企業管理級和生產管理級的集成提供了一個標準。這不僅改善了MES項目中利益相關者之間的溝通，還為企業管理和生產管理的集成提供了最佳集成實踐。同時，該標準與企業自動化的程度和特定技術的使用無關。

在IEC62264第2部分中定義了交換對象的特性和屬性。第3部分描述了有關的制造或流程工廠管理的活動和功能。

本文主要涉及制造相關的運營活動，而不是功能區域之間的接口，因此圖2表示了制造運營管理的區域。圖3所示的管理活動的通用模型將在以后的章節中敘述。

圖3 制造運營管理的一般活動模型，引用IEC62264-3中的圖6

如圖2中所示，與企業控制模型相關功能的活動，可以分配到制造運營管理級（第3級，黃色示出），并分成以下四個功能區域（灰色背景）：

? 生產運營管理；

? 質量運營管理；

? 維護運營管理；

? 庫存運營管理。

圖3模型中的活動主要解決下面的問題：

? 如何管理……？（規范管理）；

? 管理什么，在哪里，誰可以管理……？（資源管理）；

? 何時，何地，誰來管理……？（詳細調度和分派）；

? 需要做什么，在哪里，由誰做……？（執行管理）；

? 何時，何地，誰來做……？（數據采集與跟蹤）；

? 怎么樣……？（數據采集與分析）。

生產、質量、庫存和維護：這些活動能夠均勻地分布在制造運營管理級的四個功能區域。因為這個模型特別適合使用MES模塊構造和描述，作為各個活動的基礎，下一部分將做更詳細的解釋。

從現有架構或計劃架構的分析可以看出，這些活動可以在不同的系統中實現，例如在MES模塊中的功能、在ERP系統中的功能或者在流程控制系統中的功能。圖4提供了關于制造運營管理活動的技術集成及其分配到不同技術實現層的例子。

根據特定需求，允許一個級同時分配多個活動，該一般活動模型可以用于描述完整的解決方案，定義必要的接口。

圖4 不同的活動類別和他們的技術集成（示例），引用IEC62264-3中的圖31

華镕，男，1982年畢業于北京科技大學自動化系，現任羅克韋爾自動化（中國）有限公司全球標準及貿易部中國地區經理。