制造执行系统(MES)的发展和挑战

0引言 20世纪90年代以来，经济全球化的趋势日益增加，信息技术的发展极为迅速，市场环境发生了根本性的变化。顾客驱动已成为市场的主要特征，市场竞争的要素涉及到工控时间、质量、价格、服务和环境。而信息技术的广泛采用，使得以顾客订货和市场需求为轴心的生产活动已可以不受时间和地域的限制，竞争的高科技含量因此大大提高了。面对激烈竞争，企业界的重要对策就时采用将制造技术与信息技术、自动化技术、现代管理技术和系统科学技术有机融合的新一代先进制造技术。以此为契机，企业资源计划ERP和制造执行系统MES从理念发展到软件平台，再形成完整的系统，并开始了较为广泛的应用【1】。它们或以软件平台形式出现，或以系统形式出现，或以应用服务的形式出观，这预示着人类正在进入电子商务和电子制造完美结合的新时代。 ERP立足于经济全球化的环境，面向正在迅速形成的供应链，从企业全局的角度对经营和生产进行全面计划，并实施企业资源的一体化管理。它以财务管理为核心，将资金流、物流与信息流加以有机结合，使整体价值链管理的概念得以实现。它集成了供应链管理功能，强调供应商、制造商与分销商之间的新型伙伴关系，支持企业后勤管理，形成对市场快速响 应的能力。它强调企业流和半制成品的管理，通过对半制成品的管理实现企业的人员、财务、制造与销售之闻的整合，支持企业业务过程重组。按理，在生产制造计划中，ERP支持MES的管理模式，通过MES支持不同行业(就大的分类而言，主要是离散制造业，流程工业和批量流程工业)的管理模式。但仍然需要化大力气去解决ERP与MES之间如何针对特定工业企业建立协同作用的解决方案和实际存在的问题。 在典型的ERP软件平台中，财务管理(包括会计核算，财务管理)、生产控制(包括生产计划，制造)、物流管理(包括采购，库存管理，销售)和人力资源管理等是基本功能模块。过去的若干年来，ERP在国内得到了较广泛的重视，一些企业花了大量资金上ERP。但就一般情况而言，商业企业从ERP中获得的利益比较明显，而工业企业却没有那么幸运，甚至受到 不同程度的损害。这一现象并非我国独有，在工业发达国家也是如此。美国ARC公司调查结果显示，53％的客户反映ERP对工厂生产存在负面影响。怪不得有人说：不上ERP是等死，上了ERP找找死。这里反映出在ERP实施过程中确实存在一些不可忽视的问题，其中最主要的是光有ERP并不能帮助和指导工厂分析其生产的瓶颈，改进和控制产品的质量，以及对具体的产品生产进行排产；ERP不但没有调动工厂管理人员的积极性，反而把他们降格为一种信息的收集者；ERP虽有生产控制模块，但难以真正在工厂层中使用。如果不加分析和改进这些问题，其结果则是将IT推离、而不是融人工厂的生产活动。 但是对于一个企业，如果仅仅从生产工厂的视角来分析其在竞争中所处的地位，显然是短视的。即使是最好的MES解决方案，对于整个企业来讲，也不过是提供一个相对狭窄的视角，缺乏在管理层为进行决策支持所需要的生产执行数据的广度和深度。这就启示我们，完整的、能够引导一个企业保持长期的业务利益和价值的企业信息系统，必须是控制、制造执行系统MES和企业规划系统ERP三者协同作用的整合。可惜的是，在人们认 识到ERP的重要作用的同时，并不曾给予MES足够的重视，更何况上ERP项目动辄要投资上千万，甚至上亿元。一般中小企业难以承担，即使是大型企业花那么多钱也不是轻而易举的。当前摆在人们面前的严峻问题是，如何使对企业信息技术网络的投资能迅速取得回报?看来正确认识MES的作用和正确地发挥MES的作用是非常关键的事情。本文将重点放在至今在国内尚未引起足够注意的MES，以期对这个沟通ERP和生产制造的控制系统之间的关键环节(见图1)给予应有的重视。

图1　MES是上承ERP、下接控制系统的桥梁

1 MES的定义 按照国际MES协会所给出的定义【2】，MES提供从接受订货到制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信息。它采用当前的和精确的数据，对生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变化的生产状态和条件作出快速反应，重点削减不会产生附加值的活动，从而推动有效的工厂运行和过程。MES改善运行设备的回报，以及改善及时交货、库存周转、毛利和现金流通性能。MES通过双向通信，提供整个企业的生产活动以及供应链中以任务作为关键因素的(mission critical)信息。其关键词是精确的实时数据，这是以业务为基础的（transaction-based)ERP和MRP-Ⅱ系统未曾加以考虑的。 美国AMR研究公司对MES也有自己的定义【3】:MES是一个常驻工厂层的信息系统，介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间。它以当前视角向操作人员／管理人员提供生产过程的全部资源(人员，设备，材料,工具和客户要求)的数据和信息。 其着重点是将信息技术运用于改善制造过程。在AMR的MES集成企业模型中分为3层： 承担企业全面管理，包括会计／财务系统的管理决策层ERP；承担工厂级协调／跟踪跋现并监控趋势的执行层MES；承担工厂生产控制的控制层。 美国的国家标准研究所(NIST)有关MES定义的表述是：为使从接受订货到制成最终产品全过程的管理活动得以优化，采集硬件嗽件的各种数据和状态信息。 由上可知，关于MES的定义存在一些不同的表述。但是，以下几点共识还是普遍被接受的： *MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。 *MES采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管理活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。 *从对实时的要求而言，如果说控制层要求的实时的时间系数为1，那么,MES的时间系数为1O,ERP的时间系数为100(见图2)【4】。

图2　　MES中数据流和响应时间要求

2  我们为什么需要MES? 在许多工厂中，全厂管理的功能目前仍然由文件和人工系统进行，通常有经验的人员执掌着工厂生产效益的钥匙。在大多数运行中，人工系统和有经验运行人员的判断总是起着重要作用(见图3)。但是，市场要求产品的品种和数量经常变化，靠人工和经验调整生产显然效率低、反应慢、缺乏竞争力。而且人工系统也不可能适应产品、工艺、技术和用户要求日趋加速的变化。由于生产运行变化如此迅速，MES的信息的及时性要求以分，甚至秒的速度进行反应，此时光靠人恐怕不行。因此，采用MES带来的效益不言而喻(图4)【5】。

图3　　工厂　信息系统在许多时候还由人来决策

图4　　采用MES取代人工决策的工厂信息系统

ERP／MRP的环境是以具体事务为基础的。其数据交换系对生产调度、运输安排或对生产计划要求的响应。与此不同的是，控制的决策必须在秒甚至更短的时间内完成，它对生产过程、操作人员，或对材料的操作需求作出响应。显然，实时环境和实时响应的差异影响着绝大多数的具体事务和在控制层的执行。传统的数据流和控制流在ERP与控制层之间存在着巨大的鸿沟。传统的信息管理系统向主管财务的总经理和财务管理负责人报告，居于管理层；而传统的工程生产信息则向负责生产的总经理报告；职责不同，相互之间的沟通不一定能做到及时且细致深入。   与此相反，MES能提供的材料数据是与生产消耗相关的，同时能生成基于精确执行时间的材料供应提前量，这将改善仓储控制。准确的生产模型是与实际测量相对于计划时间表的关系紧紧相连的，因而可用来修正过程模型，而且有助于精确表达生产计划的实时行为。 在当今激烈竞争的世界经济中，要占有“最有价值”的地位，必须使企业具有最好的质量、最佳的客户服务、最低的制造成本、快速响应以及灵活性的特点。而要达到这样的水平，就必须在正确的时间提供正确的信息才可能进行最佳的决策。这就要求不断地对公用的数据库进行改善，同时让每个部门都拥有把数据转化为有用信息的工具。怎么能做到这些呢?唯有MES才能真正向企业提供以上这些功能。 3 MES在信息系统体系结构中的地位【5】 主要的制造信息系统有：ERP(企业资源计划)、SCM(供应链管理)、SSM(销售和服务管理)、P／PE(产品和过程工程)，以及MES(制造执行系统)和控制。这些系统每一个都有其一定的功能，包括若干不同的模块。它们间存在一些重叠，如调度可能出现在MES和SCM；劳务管理出现在MES、SSM、ERP中的人力资源(HR)功能模块中；文件管理出现在MES 和P／PE；过程管理出现于MES和控制中。 ERP包括财务、订货管理、生产和材料计划，以及相关功能； SCM包括预测、分配和后勤、运输管理、电子商务以及高级计划系统； SSM包括销售力自动化、产品配置、服务报价、产品返回等； P／PE包括计算机辅助设计／制造(CAD／CAM)、过程建模以及产品数据管理(即PDM)： 控制包括DCS、PLC、SCADA、DNC(分布式数控)，以及其它计算机化控制装置。 4MES与其它系统的关系 图5给出了MES和ERP、SCM、SSM、P／PE，以及控制系统之间实施数据交换的相互关系，主要是：MES作为生产制造系统的核心向其它系统提供有关生产的数据： MES向ERP提供实际生产数据，如成本、周期时间、产出和其它生产数据。 MES向SCM提供实际订货状态、生产能力和容量、班次间(shift-to-s