制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的發(fā)展和挑戰(zhàn)

0引言 20世紀(jì)90年代以來(lái)，經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)日益增加，信息技術(shù)的發(fā)展極為迅速，市場(chǎng)環(huán)境發(fā)生了根本性的變化。顧客驅(qū)動(dòng)已成為市場(chǎng)的主要特征，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要素涉及到工控時(shí)間、質(zhì)量、價(jià)格、服務(wù)和環(huán)境。而信息技術(shù)的廣泛采用，使得以顧客訂貨和市場(chǎng)需求為軸心的生產(chǎn)活動(dòng)已可以不受時(shí)間和地域的限制，競(jìng)爭(zhēng)的高科技含量因此大大提高了。面對(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)界的重要對(duì)策就時(shí)采用將制造技術(shù)與信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)有機(jī)融合的新一代先進(jìn)制造技術(shù)。以此為契機(jī)，企業(yè)資源計(jì)劃ERP和制造執(zhí)行系統(tǒng)MES從理念發(fā)展到軟件平臺(tái)，再形成完整的系統(tǒng)，并開始了較為廣泛的應(yīng)用【1】。它們或以軟件平臺(tái)形式出現(xiàn)，或以系統(tǒng)形式出現(xiàn)，或以應(yīng)用服務(wù)的形式出觀，這預(yù)示著人類正在進(jìn)入電子商務(wù)和電子制造完美結(jié)合的新時(shí)代。 ERP立足于經(jīng)濟(jì)全球化的環(huán)境，面向正在迅速形成的供應(yīng)鏈，從企業(yè)全局的角度對(duì)經(jīng)營(yíng)和生產(chǎn)進(jìn)行全面計(jì)劃，并實(shí)施企業(yè)資源的一體化管理。它以財(cái)務(wù)管理為核心，將資金流、物流與信息流加以有機(jī)結(jié)合，使整體價(jià)值鏈管理的概念得以實(shí)現(xiàn)。它集成了供應(yīng)鏈管理功能，強(qiáng)調(diào)供應(yīng)商、制造商與分銷商之間的新型伙伴關(guān)系，支持企業(yè)后勤管理，形成對(duì)市場(chǎng)快速響 應(yīng)的能力。它強(qiáng)調(diào)企業(yè)流和半制成品的管理，通過(guò)對(duì)半制成品的管理實(shí)現(xiàn)企業(yè)的人員、財(cái)務(wù)、制造與銷售之聞的整合，支持企業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)程重組。按理，在生產(chǎn)制造計(jì)劃中，ERP支持MES的管理模式，通過(guò)MES支持不同行業(yè)(就大的分類而言，主要是離散制造業(yè)，流程工業(yè)和批量流程工業(yè))的管理模式。但仍然需要化大力氣去解決ERP與MES之間如何針對(duì)特定工業(yè)企業(yè)建立協(xié)同作用的解決方案和實(shí)際存在的問(wèn)題。 在典型的ERP軟件平臺(tái)中，財(cái)務(wù)管理(包括會(huì)計(jì)核算，財(cái)務(wù)管理)、生產(chǎn)控制(包括生產(chǎn)計(jì)劃，制造)、物流管理(包括采購(gòu)，庫(kù)存管理，銷售)和人力資源管理等是基本功能模塊。過(guò)去的若干年來(lái)，ERP在國(guó)內(nèi)得到了較廣泛的重視，一些企業(yè)花了大量資金上ERP。但就一般情況而言，商業(yè)企業(yè)從ERP中獲得的利益比較明顯，而工業(yè)企業(yè)卻沒(méi)有那么幸運(yùn)，甚至受到 不同程度的損害。這一現(xiàn)象并非我國(guó)獨(dú)有，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也是如此。美國(guó)ARC公司調(diào)查結(jié)果顯示，53％的客戶反映ERP對(duì)工廠生產(chǎn)存在負(fù)面影響。怪不得有人說(shuō)：不上ERP是等死，上了ERP找找死。這里反映出在ERP實(shí)施過(guò)程中確實(shí)存在一些不可忽視的問(wèn)題，其中最主要的是光有ERP并不能幫助和指導(dǎo)工廠分析其生產(chǎn)的瓶頸，改進(jìn)和控制產(chǎn)品的質(zhì)量，以及對(duì)具體的產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)行排產(chǎn)；ERP不但沒(méi)有調(diào)動(dòng)工廠管理人員的積極性，反而把他們降格為一種信息的收集者；ERP雖有生產(chǎn)控制模塊，但難以真正在工廠層中使用。如果不加分析和改進(jìn)這些問(wèn)題，其結(jié)果則是將IT推離、而不是融人工廠的生產(chǎn)活動(dòng)。 但是對(duì)于一個(gè)企業(yè)，如果僅僅從生產(chǎn)工廠的視角來(lái)分析其在競(jìng)爭(zhēng)中所處的地位，顯然是短視的。即使是最好的MES解決方案，對(duì)于整個(gè)企業(yè)來(lái)講，也不過(guò)是提供一個(gè)相對(duì)狹窄的視角，缺乏在管理層為進(jìn)行決策支持所需要的生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)的廣度和深度。這就啟示我們，完整的、能夠引導(dǎo)一個(gè)企業(yè)保持長(zhǎng)期的業(yè)務(wù)利益和價(jià)值的企業(yè)信息系統(tǒng)，必須是控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES和企業(yè)規(guī)劃系統(tǒng)ERP三者協(xié)同作用的整合?？上У氖?，在人們認(rèn) 識(shí)到ERP的重要作用的同時(shí)，并不曾給予MES足夠的重視，更何況上ERP項(xiàng)目動(dòng)輒要投資上千萬(wàn)，甚至上億元。一般中小企業(yè)難以承擔(dān)，即使是大型企業(yè)花那么多錢也不是輕而易舉的。當(dāng)前擺在人們面前的嚴(yán)峻問(wèn)題是，如何使對(duì)企業(yè)信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的投資能迅速取得回報(bào)?看來(lái)正確認(rèn)識(shí)MES的作用和正確地發(fā)揮MES的作用是非常關(guān)鍵的事情。本文將重點(diǎn)放在至今在國(guó)內(nèi)尚未引起足夠注意的MES，以期對(duì)這個(gè)溝通ERP和生產(chǎn)制造的控制系統(tǒng)之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)(見(jiàn)圖1)給予應(yīng)有的重視。

圖1　MES是上承ERP、下接控制系統(tǒng)的橋梁

1 MES的定義 按照國(guó)際MES協(xié)會(huì)所給出的定義【2】，MES提供從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過(guò)程的生產(chǎn)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的信息。它采用當(dāng)前的和精確的數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行初始化，及時(shí)引導(dǎo)、響應(yīng)和報(bào)告工廠的活動(dòng)，對(duì)隨時(shí)可能發(fā)生變化的生產(chǎn)狀態(tài)和條件作出快速反應(yīng)，重點(diǎn)削減不會(huì)產(chǎn)生附加值的活動(dòng)，從而推動(dòng)有效的工廠運(yùn)行和過(guò)程。MES改善運(yùn)行設(shè)備的回報(bào)，以及改善及時(shí)交貨、庫(kù)存周轉(zhuǎn)、毛利和現(xiàn)金流通性能。MES通過(guò)雙向通信，提供整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)以及供應(yīng)鏈中以任務(wù)作為關(guān)鍵因素的(mission critical)信息。其關(guān)鍵詞是精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這是以業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的（transaction-based)ERP和MRP-Ⅱ系統(tǒng)未曾加以考慮的。 美國(guó)AMR研究公司對(duì)MES也有自己的定義【3】:MES是一個(gè)常駐工廠層的信息系統(tǒng)，介于企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層的計(jì)劃系統(tǒng)與主生產(chǎn)過(guò)程的直接工業(yè)控制系統(tǒng)之間。它以當(dāng)前視角向操作人員／管理人員提供生產(chǎn)過(guò)程的全部資源(人員，設(shè)備，材料,工具和客戶要求)的數(shù)據(jù)和信息。 其著重點(diǎn)是將信息技術(shù)運(yùn)用于改善制造過(guò)程。在AMR的MES集成企業(yè)模型中分為3層： 承擔(dān)企業(yè)全面管理，包括會(huì)計(jì)／財(cái)務(wù)系統(tǒng)的管理決策層ERP；承擔(dān)工廠級(jí)協(xié)調(diào)／跟蹤跋現(xiàn)并監(jiān)控趨勢(shì)的執(zhí)行層MES；承擔(dān)工廠生產(chǎn)控制的控制層。 美國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所(NIST)有關(guān)MES定義的表述是：為使從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過(guò)程的管理活動(dòng)得以優(yōu)化，采集硬件嗽件的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。 由上可知，關(guān)于MES的定義存在一些不同的表述。但是，以下幾點(diǎn)共識(shí)還是普遍被接受的： *MES在整個(gè)企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下，是生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息溝通的橋梁。 *MES采集從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過(guò)程的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，目的在于優(yōu)化管理活動(dòng)。它強(qiáng)調(diào)是當(dāng)前視角，即精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 *從對(duì)實(shí)時(shí)的要求而言，如果說(shuō)控制層要求的實(shí)時(shí)的時(shí)間系數(shù)為1，那么,MES的時(shí)間系數(shù)為1O,ERP的時(shí)間系數(shù)為100(見(jiàn)圖2)【4】。

圖2　　MES中數(shù)據(jù)流和響應(yīng)時(shí)間要求

2  我們?yōu)槭裁葱枰狹ES? 在許多工廠中，全廠管理的功能目前仍然由文件和人工系統(tǒng)進(jìn)行，通常有經(jīng)驗(yàn)的人員執(zhí)掌著工廠生產(chǎn)效益的鑰匙。在大多數(shù)運(yùn)行中，人工系統(tǒng)和有經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行人員的判斷總是起著重要作用(見(jiàn)圖3)。但是，市場(chǎng)要求產(chǎn)品的品種和數(shù)量經(jīng)常變化，靠人工和經(jīng)驗(yàn)調(diào)整生產(chǎn)顯然效率低、反應(yīng)慢、缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。而且人工系統(tǒng)也不可能適應(yīng)產(chǎn)品、工藝、技術(shù)和用戶要求日趨加速的變化。由于生產(chǎn)運(yùn)行變化如此迅速，MES的信息的及時(shí)性要求以分，甚至秒的速度進(jìn)行反應(yīng)，此時(shí)光靠人恐怕不行。因此，采用MES帶來(lái)的效益不言而喻(圖4)【5】。

圖3　　工廠　信息系統(tǒng)在許多時(shí)候還由人來(lái)決策

圖4　　采用MES取代人工決策的工廠信息系統(tǒng)

ERP／MRP的環(huán)境是以具體事務(wù)為基礎(chǔ)的。其數(shù)據(jù)交換系對(duì)生產(chǎn)調(diào)度、運(yùn)輸安排或?qū)ιa(chǎn)計(jì)劃要求的響應(yīng)。與此不同的是，控制的決策必須在秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)完成，它對(duì)生產(chǎn)過(guò)程、操作人員，或?qū)Σ牧系牟僮餍枨笞鞒鲰憫?yīng)。顯然，實(shí)時(shí)環(huán)境和實(shí)時(shí)響應(yīng)的差異影響著絕大多數(shù)的具體事務(wù)和在控制層的執(zhí)行。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和控制流在ERP與控制層之間存在著巨大的鴻溝。傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)向主管財(cái)務(wù)的總經(jīng)理和財(cái)務(wù)管理負(fù)責(zé)人報(bào)告，居于管理層；而傳統(tǒng)的工程生產(chǎn)信息則向負(fù)責(zé)生產(chǎn)的總經(jīng)理報(bào)告；職責(zé)不同，相互之間的溝通不一定能做到及時(shí)且細(xì)致深入。   與此相反，MES能提供的材料數(shù)據(jù)是與生產(chǎn)消耗相關(guān)的，同時(shí)能生成基于精確執(zhí)行時(shí)間的材料供應(yīng)提前量，這將改善倉(cāng)儲(chǔ)控制。準(zhǔn)確的生產(chǎn)模型是與實(shí)際測(cè)量相對(duì)于計(jì)劃時(shí)間表的關(guān)系緊緊相連的，因而可用來(lái)修正過(guò)程模型，而且有助于精確表達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)時(shí)行為。 在當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的世界經(jīng)濟(jì)中，要占有“最有價(jià)值”的地位，必須使企業(yè)具有最好的質(zhì)量、最佳的客戶服務(wù)、最低的制造成本、快速響應(yīng)以及靈活性的特點(diǎn)。而要達(dá)到這樣的水平，就必須在正確的時(shí)間提供正確的信息才可能進(jìn)行最佳的決策。這就要求不斷地對(duì)公用的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行改善，同時(shí)讓每個(gè)部門都擁有把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息的工具。怎么能做到這些呢?唯有MES才能真正向企業(yè)提供以上這些功能。 3 MES在信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的地位【5】 主要的制造信息系統(tǒng)有：ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)、SCM(供應(yīng)鏈管理)、SSM(銷售和服務(wù)管理)、P／PE(產(chǎn)品和過(guò)程工程)，以及MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))和控制。這些系統(tǒng)每一個(gè)都有其一定的功能，包括若干不同的模塊。它們間存在一些重疊，如調(diào)度可能出現(xiàn)在MES和SCM；勞務(wù)管理出現(xiàn)在MES、SSM、ERP中的人力資源(HR)功能模塊中；文件管理出現(xiàn)在MES 和P／PE；過(guò)程管理出現(xiàn)于MES和控制中。 ERP包括財(cái)務(wù)、訂貨管理、生產(chǎn)和材料計(jì)劃，以及相關(guān)功能； SCM包括預(yù)測(cè)、分配和后勤、運(yùn)輸管理、電子商務(wù)以及高級(jí)計(jì)劃系統(tǒng)； SSM包括銷售力自動(dòng)化、產(chǎn)品配置、服務(wù)報(bào)價(jià)、產(chǎn)品返回等； P／PE包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)／制造(CAD／CAM)、過(guò)程建模以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(即PDM)： 控制包括DCS、PLC、SCADA、DNC(分布式數(shù)控)，以及其它計(jì)算機(jī)化控制裝置。 4MES與其它系統(tǒng)的關(guān)系 圖5給出了MES和ERP、SCM、SSM、P／PE，以及控制系統(tǒng)之間實(shí)施數(shù)據(jù)交換的相互關(guān)系，主要是：MES作為生產(chǎn)制造系統(tǒng)的核心向其它系統(tǒng)提供有關(guān)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)： MES向ERP提供實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如成本、周期時(shí)間、產(chǎn)出和其它生產(chǎn)數(shù)據(jù)。 MES向SCM提供實(shí)際訂貨狀態(tài)、生產(chǎn)能力和容量、班次間(shift-to-s