MES的研究现状及应用问题Word文档格式.docx

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ManufacturingExecutionSystem；

Real-timeInformation；

IntelligentManufacture；

Computer-aidProduction

第一章绪论

1.1制造执行系统（MES）研究背景

1.1.1信息化是制造业的必然之路

党的十六大报告明确指出：

“实现工业化仍然是我国现代化进程中艰巨的历史性任务。

信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。

坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子”[1]。

企业信息化是用信息技术改造传统产业和实现信息化带动工业化的突破口[2]。

企业信息化就是将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创新、企业生产管理模式的创新、企业间协作关系的创新，从而实现产品设计的数字化、企业管理的数字化、制造装备的数字化、生产过程控制的智能化、咨询服务的网络化，最终全面提升企业的竞争力[3]。

信息化在企业中的重要作用主要体现在以下几个方面:

1）信息化是提高企业知识生产力的最有效工具

现代管理之父杜拉克指出：

“知识生产力将日益成为一个国家、一个产业、一家公司的竞争实力的决定性因素”，“无论什么传统产业，之所以能发展壮大，就是因为它们围绕知识和信息进行了重组”。

在当今知识经济时代，知识已经成为企业的重要资产，未来企业间的竞争是人才的竞争，而人才的竞争本质上是知识的竞争，拥有更多更新知识的企业更有可能赢得市场的竞争。

知识已经是企业获取利润的最主要的原材料和关键资源。

只有采用信息化的手段，才能用围绕着生产过程的信息和知识对生产过程进行重组，使优秀的生产与操作经验、专有技术和知识进行最大效率的应用，从而使企业生产力得到极大程度地提高。

2）企业信息化可以促进业务流程重组和组织结构优化

我国企业传统的组织结构存在多等级、多层次、机构臃肿、横向沟通困难、信息传递失真、缺乏活力、对外界变化反应迟缓等弊端。

采用信息技术可以将原有的塔型结构转变为具有精良、敏捷、创新精神特点的扁平化“动态网络”结构，从而削减机构规模，提高企业效率，同时促进职工相互间知识和经验的交流，形成学习型组织，使企业更好地适应竞争日益激烈的市场环境。

通过把信息技术与管理相结合，美国通用电器公司的管理层从26层减到5层。

60多个部门组合为12个业务部，管理人员减少了1/4，1996年利润居全美榜首；

日本兴亚电工公司（KOA）废除中层管理职务后，销售额和利润都大幅度提升;

美国IBM公司、英国石油公司和电讯电报公司均进行了大幅度的体制改革，并取得显著效果。

北美福特汽车公司通过实施扁平化管理，使公司的1竹改率明显提高，利润人幅度增加[4]。

3）信息技术可以促进和提升制造技术水平

信息技术与制造技术相融合，将进一步给设计与制造技术带来深刻的，甚至是革命性的变化，使企业可以更好、更快、更省、更可靠地制造出创新产品。

以飞机研制为例，波音公司通过采用信息技术，尤其是并行工程技术和虚拟制造技术，使波音777的开发周期大幅度缩短，成本大人降低，山于实现了100%整机数字化设计，为波音公司在飞机制造业方面取得世界垄断与霸主地位奠定了技术基础。

美国通用汽车公司通过采用数字化技术、虚拟制造技术和网络技术也达到了开发周期缩短，成本降低的目的[5]。

先进制造与信息技术为制造业的发展提供了核心的技术支撑，采用高新技术改造传统产业、用信息化带动工业化、实现制造业的跨越式发展是今后相当长的一段时间内我国制造企业的必由之路。

我国的制造企业面临着产品生命周期缩短、交货期缩短、复杂性增加、客户化定制需求增加等新的要求。

这些要求迫使企业不得不采用信息化手段，并结合对其业务过程、产品研制模式、生产组织方式等进行调整和改革，从而满足用户对产品的高要求。

1.1.2企业信息化的内容

企业信息化的主要任务是将信信息技术和管理技术、研发技术、制造技术相结合，以提升企业的经济效益和竞争力为目标，全面支持企业的产品研发活动、生产制造活动、企业管理活动和企业商务活动。

企业信息化的内容如图1-1所示，包括企业信息化基础建设、产品研发信息化、生产制造信息化、企业管理信息化、企业商务信息化和企业信息系统集成[6]。

图1-1企业信息化基本内容

1）企业信息化基础建设

企业信息化基础建设主要包括计算机网络、信息门户、信息中心、数据库系统、信息安全系统等五方面建设。

顾名思义，作为企业信息化的这些基础设施，都是企业各种信息系统的支撑环境和运行条件。

企业信息化基础建设与信息系统的开发应用是同步而行的。

2）产品研发信息化

产品研发信息化是产品研究与开发过程的信息化包括计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）、计算机辅助工程分析（（ComputerAidedEngineering,，CAE）、计算机辅助工艺规划（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）,计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）、产品数据管理（ProductDataManagement，PDM）等，随着应用的深入，上述系统之间的集成问题变得越来越重要。

3）生产制造信息化

生产制造信息化是利用先进的信息技术、管理技术和制造技术，控制和规范生产过程，使生产制造活动更加高效、敏捷、柔性。

生产制造信息化涉及从投料开始到最终完成产品的全过程，主要包括制造执行系统（MES）、数字控制系统（NumericalControl，NC），柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem,FMS）、工业机器人（robot）、计算机辅助质量管理（ComputerAidedQuality，CAQ）、计算机辅助检测（ComputerAidedTesting，CAT）等。

生产制造信息化可以实现对生产过程的优化、监控和管理、提高产品制造的质量、精度，以达到提高生产效率，准时完成生产任务的目的。

4）企业管理信息化

企业管理信息化是将信息技术和管理技术用于企业管理领域，提高企业管理水平和经营效益。

企业管理信息化主要包括管理信息系统（ManagementInformationSystem，MIS）、办公自动化（OfficeAutomation，OA）、企业资源计划（EnterpriseResourcePlanning，ERP）等内容。

这些系统在企业的应用都是伴随着信息技术的发展而产生的，它们共存于企业中，相互关联，各有侧重。

5）企业商务信息化

企业商务信息化是现代信息技术和管理技术在企业商务活动领域的综合应用，主要包括供应链管理（SupplyChainManagement，SCM）、客户关系管理（CustomerRelationshipManagement，CRM）、电子商务（ElectronicBusiness，EB）等内容供应链管理加强了制造企业与供应商之间的有效合作，客户关系管理为制造企业维系与客户的关系和扩大市场销售创造了条件，电子商务系统支持企业的对外业务协作，为企业供应商关系管理和客户关系管理的应用提供了集成平台。

6）企业信息系统集成

企业信息系统集成是企业信息化的重要内容，它应用系统集成的哲理、方法、技术，通过信息集成、过程集成、企业间集成和综合集成等方式，将企业在产品研发、生产制造、企业管理、企业商务等领域内建立的信息系统进行整合，消除“信言息孤岛”，实现企业各个经营环节的信息共享，使各种信息系统紧密配合企业的发展战略，发挥更大的作用。

1.1.3企业信息化的发展历程

如图1-2所示，企业信息化的发展主要可以分为五个阶段。

图1-2企业信息化的发展历程

20世纪70年代中期以前，企业的计算机应用水平还较低，所开发的计算机应用功能也比较简单，主要解决局部的计算功能，如财务记帐、生产计划制定、采购物料数量品种计算、库存统计、计算机辅助绘图等。

这个阶段是企业信息化的雏形。

20世纪70年代中期至80年代中期，计一算机辅助技术CAX在企业得到成功应用和发展，其典型代表有：

CAD、CAPP、SAM、CAQ、CAE等。

另外，在这一时期，企业开始应用具有一定集成度的综合应用软件，如制造资源计划MRPII系统实现了财务、库存、采购、计划的集成，CAD软件实现了产品造型与绘图的功能，这些集成的应用将企业的计算机应用水平推上了一个新高度，也使企业信息化的进程达到了一个新的阶段。

20世纪80年代中期开始的以计算机集成制造技术（CIM）、企业资源规划（ERP），产品数据管理（PDM）为代表的企业范围内的集成应用属于企业信息化发展的第三个阶段。

20世纪90年代中期以来，供应链管理（SCM）和客户关系管理（CRM）的出现，快速高效地实现了供应链中相关环节之间的信息交换，降低了信息交换的事务成本，使企业信息化的发展进入第四个阶段。

企业信息化的发展正在向着结盟企业之问的信息集成、异地设计制造集成（并行工程）、协同产品商务系统、电子商务系统方向发展。

这属于企业信息化的第五个发展阶段。

1.2制造执行系统的产生

制造执行系统作为企业信息化的重要组成部分，它的产生和发展是与企业信息化的发展历程紧密相关的。

生产方式的演变和IT技术的进步是促进制造企业信息化发展的两个基本动因。

在制造业信息化的早期阶段，受到当时的环境限制，工厂的业务管理的信息化与生产设备的自动化通常被作为两个独立的领域而分别进行。

由不同部门，基于不同看法而建成的一系列单一功能的信息系统，产生了以下两个长期存在的信息阻断问题。

1）信息孤岛。

在70年代末期，随着社会和科学技术的发展及物资的日益丰富，企业面临的压力越来越大，市场全球化导致竞争日趋激烈，企业为了求得在下一世纪的生存和发展，纷纷寻求适合自己的先进的生产管理方式和信息化技术。

这时，工厂内出现了生产调度、工艺管理、质量管理、设备维护、过程控制等相互独立的系统，这些系统之间相互独立、缺乏数据共享，从而导致功能重叠、数据矛盾等一系列问题。

信息孤岛造成了工厂中制造信息在水平方向的阻断，所带来的问题严重地制约着工厂内各种系统间的协调，阻碍了系统的发展，降低了制造领域信息化的整体作用。

2）信息断层。

进入80年代，全球市场竞争更加激烈，上层计划管理系统（MRPII/ERP等）受市场影响越来越大，计划的适应性问题愈来愈突出，明显感到计划跟不上变化，面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多产品的改型和订单的不断调整，企业的决策者逐渐认识到计划的制定和执行受市场和实际的作业执行状态的影响越来越严重，而由于企业级的业务管理系统无法得到及时准确的生产实绩信息，无法把握生产现场的真实情况，使上层计划的制定越来越困难，准确性和可行性难以得到保证。

同时，由于生产现场人员与设备得不到切实可行的生产计划与生产指标，使车间调度系统失去了它应有的作用，一方面造成在制品库存量过多，使车间管理出现混乱以及资金占用过多，延误交货期；

另一方面由于设备空闲，造成资源浪费信息断层造成了企业生产经营信息在垂直方向的阻断，严重阻碍了企业级的业务管理系统与工厂级的输出管理系统之间的集成，阻碍了企业信息化的发展。

80年代中期以后，伴随着消费者对产品的需求愈加多样化，制造业的生产方式开始由大批量的刚性生产转向多品种小批量的柔性生产，伴随计算机网络和大型数据库等IT技术的发展，企业的信息系统也开始从局部，事后处理系统为一式转向全局、实时处理系统方式。

在制造管理领域出现了准时生产（JustInTime,，IT）、约束理论（TheoryofConstraints，TOC）等新的理念和方法；

在管理系统软件领域MRPII系统迅速普及，ERP系统崭露头角；

在过程控制领域可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicControllers，PLC）、分布式控制系统（DistributedControlSystem,DCS）得到广泛应用。

尽管企业信息化的各个领域都有了长足的发展，但是在工厂以及企业范围信息集成的实践过程中，仍然难以解决信息孤岛和信息断层所带来的各种问题。

例如，在计划过程中无法准确及时地把握生产实际状况，在生产过程中得不到切实可行的作业汁划。

工厂管理人员和操作人员难以跟踪产品的生产过程，不能有效地控制在制品库存，用户无法了解订单的执行状况。

产生这些问题的主要原因仍然在于生产管理业务系统与生产过程控制系统的相互分离，计划系统和过程控制系统之间的界限模糊，缺乏紧密的联系。

在这种情况下，作为面向企业生产执行层的信息系统MES应运而生[7]。

1990年AMR的报告中首次提出MES这一概念，并将MES定位于重点解决生产执行层的生产管理问题，定义为“位于卜层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”，它是近10年来迅速发展的、面向生产执行层的生产管理技术与实时信息系统。

它集成了车间中生产调度、工艺管理、质量管理、设备维护、过程控制等相互独立的系统，使这些系统之间的数据实现完全共享，完全解决了信息孤岛状态下的数据重叠和数据矛盾的问题。

同时，MES系统可以收集生产过程中人量的实时数据，对实时事件实现及时处理的同时与计划层和生产控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令[8]。

MES系统是实施企业先进制造战略、实现车间生产管理自动化的基本技术手段。

1.3制造执行系统（MES）的发展历程

MES概念虽然是上世纪90年初才出现，但在70年代末的时候，西方发达国家部分企业已经出现具有MES功能系统的端倪。

在开发MES方面，要首数西门子公司[9]。

Mannesmann钢管厂和钢板厂是西门子最旱的客户之一，1975年Mannesmann委托西门子开发具有MES的功能的管材管理系统，其他功能由西门子逐步完善。

在国内，应用最早的要数上海宝山钢铁公司。

1992年，西门子取得的宝山热轧带钢厂和1994年的宝山热轧带钢厂MES订单，这是中国最旱的MES系统[10]。

MES的发展人概可以分为两个时期和两个阶段[11,12,13]。

（1）上纪70年代末—上世纪90年代末，传统的MES（TraditionalMES，T-MES）时期。

该时期的MES人体上可以分为两人类，即前两个阶段:

专用MES系统（PointMES）和集成MES系统（Integrated，MES）。

前者是为了解决某个特定领域的问题而设计和开发的自成一体的系统，例如某个企业的车间维护、生产{If控等;

而后者起初是针对一个特定的、规范化的环境而设计的，日前已拓展到许多领域，如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业，在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。

前者能够为某一特定环境提供最好的性能，却常难以与其它应用系统集成，集成的MES，比专用MES迈进了一人步，具有很多优点:

如单一的逻辑数据库、系统内部具有良好的集成性、统一的数据模型等等。

（2）本1世纪初—可集成的MES（IntegratableMES，I-MES）时期。

该时期的MES能将模块化应用组件技术应用到MES的系统开发中，是两类T-MES系统的结合。

从表现形式上看，具有专用的MES系统的特点，即I-MES中的部分功能作为可重用组件单独销售;

同时，又具有集成的MES的特点，即能实现上下两层之间的集成。

此外，I-MES还能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之间的集成和遗产系统的保护以及即插即用等功能。

第二章MES的定义及功能

2.1MES是什么？

MES是英文ManufacturingExecutionSystem的缩写，它所对应的中文名称一般有两种翻译方式，在制造行业，MES翻译成“制造执行系统”，俗称生产管理系统。

在流程工业，MES翻译成“生产执行系统”。

对于MES的定义，不同的机构有自己不同的定义。

目前被人广泛接受的是由国际MES联合会MESA（ManufacturingExecutionSystemAssociationInternational）对MES给出的定义:

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做出快速反应，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[14,15]。

此外，按照美国的咨询调查公司AMR（AdvancedManufacturingResearch）所给出的定义：

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[16]。

这里明确地将企业的运作划分为三个层次，分别是：

计划层、执行层和控制层。

其中：

计划层就包括MRPⅡ、ERP等；

控制层包括PLC、各种仪器设备等；

介于两者之间的是执行层，MES就属于执行层。

可以通过绘出数据流图来明确每个层次间的关系[17]。

如图2-1所示。

图2-1MES数据流图

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。

另外，美国的国家标准研究所NIST（NationalInstituteofStandardandTechnology）对MES给出的定义:

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/软件的各种数据和状态信息[16]。

虽然不同机构对MES的定义存在一些不同的描述，但是有几点共识是普遍认可:

1）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。

2）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。

3）从对实时的要求而言，如果说控制层要求的实时时间系数为1，那么，MES的时间系数为10,ERP的时间系数为1000。

这从MESA的定义也可以看出，精确的实时数据是一个优秀的MES必须达到的要求。

因此，一个MES系统，就是负责沟通企业计划层和控制层，凭借信息技术提供精确的实时数据，并最终达到优化管理活动和生产活动目的的系统。

2.2MES的功能结构

2.2.1MES在企业系统中的定位

制造执行系统是位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统，它是为了解决上层计划系统与下层控制系统之间的信息通信而出现的。

制造执行系统在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙，如图2-2所示[17]。

图2-2制造执行系统的桥梁作用

AMR于20世纪90年代提出的企业集成模型（如图2-3）清楚地描述了MES在企业系统中的位置[18]。

图2-3AMR的三层企业集成模型

计划层：

强调企业的计划性。

它以客户们定单和市场需求为计划源头，充分利用企业内的各种资源，降低库存，提高企业效益，ERP等从生产管理的角度来看，属于企业的计划层。

执行层（MES）：

强调计划的执行和控制。

通过MES把ERP与企业的生产现场控制有机地集成起来。

控制层（Control）：

强调设备的控制。

包括DCS（DistributedControlSystem,DCS），PLC（ProgrammableLogicControllers，PLC）、NC/DNC（DistributedNumericalControl，DNC）,，SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA）以及其它的控制产品制造过程的计算机控制方法。

以上三层在企业经营与生产过程中既相互独立，又紧密联系，并在部分功能上存在着信息重叠的现象，如图2-4所示[19]。

图2-4MES在企业信息系统中的定位

2.2.2MES的信息流

国际MES联合会在MES白皮书中也给出了在企业生产管理中ERP/MES/PCS层之间的操作、交互活动和信息流，如图2-5所示。

ERP系统根据客户订单制定产品需求和安排生产计划任务给MES系统，MES系统通过任务单和来自车间层的资源状态信息制订生产指令和控制参数给底层控制系统，底层控制系统将生产现场的设备信息、工装信息、人员信息以及任务状态、设备状态和加工参数传递给MES系统，使MES系统完成资源检查、在制品跟踪功能和控制加工过程功能，并根据底层提供的信息对车间生产计划的制定、实时调度、现场控制指令等做出实时调整。

同时，ERP系统可以查询订单状态，在制品状态和其他性能数据以便做出符合实际的预测和决策。

从时间因素分析，在MES之上的计划系统考虑的问题是中长期的生产计划（时间因子=100倍），执行层系统MES处理的问题是近期生产任务的协调安排问题（时间因子=10倍），控制层系统则必须实时地接收生产指令，使设备正常）加工运转（时间因子=1倍）。

它们相互关联、互为补充，实现企业的连续信息流[20,21]。

图2-5ERP/MES/PCS三层之间的信息流

2.2.3MES的信息交互

作为车间生产管理系统核心的MES可看作是一个通讯工具，它为企业各种其他应用系统提供现场的数据信息。

MES向上层ERP/SCNI提交周期盘点次数、生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品（WorkInProcess,WIP）的存放位置和状态、实际订单执行等涉及生产运行的数据;

向底层控制系统发布生产指令控制及有关的生产线运行的各种参数等;

生产工艺管理可以通过MES的产品产出和质量数据进行优化;

另一方面，MES也要从其他的系统中获取自身需要的数据，这些数据保证了MES在工厂中的正常运行。

例如:

MRP