MES在各行业中的需求和解决处理方案.docx

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MES在各行业中的需求和解决处理方案

MES在各行业中的需求与解决方案

概述

许多公司已经开发出针对各个行业的软件产品和解决方案，解决制造过程的管理和组织。

虽然他们一般表现为制造执行系统（MES），但这些产品的范围从“我的Excel工作表”到所有与生产相关过程的综合管理、组织和自动化处理。

　　本系列文章并不打算定义一种新的“制造执行系统”。

本系列文章的目的是对有兴趣的读者提供目前存在的可行的解决方案，简要介绍满足不同行业特殊要求的方案，了解和推广适合的MES应用，优化生产流程。

　　本系列文章将使用“企业与控制系统集成--IEC62264”这套标准作为基础，解决方案尽可能与产品和供应商无关，只指出方案的功能表现。

从第1到第3部分，简要介绍这套标准，该标准也被称为S95（美国标准）。

目前，相同的MES术语和任务在不同企业有着不同的解释，甚至也在供应商当中使用。

因此，在第4部分，基于S95的结构和术语，这里按行业分类出最重要的术语，并对多种不同的术语和产品提供解释。

　　基于工业的典型需求，第5部分介绍MES的功能和收益。

第6部分介绍在流程行业和制造行业MES应用的相同与差异。

第7和第8部分提供了需求定义的概述和MES功能的选择，并基于特定案例展现他们的收益。

第9部分总结本文的全部内容，并给出MES未来解决方案的前景。

　　就像在第5部分介绍的，在整个工业领域，针对他们的可扩展性、模块化和集成能力等各自的需求，今天每个特定行业都有可供选择的解决方案，这些解决方案可以显著提高企业的运营绩效。

　　工业运营商面临的挑战是如何抓住这个机会，使本企业的绩效达到最大化。

1．使用MES的市场需求和理由

为了评价MES解决方案的最新技术和发展动态，必须要考虑MES在自动化历史中的位置。

今天的MES解决方案包括了已前的计算机集成制造（CIM）组件，如计算机辅助设计（CAP），计算机辅助制造（CAM），计算机辅助质量保证（CAQ），生产数据采集（PDA），机器数据采集（MDA）和员工时间记录/时间与考勤（PTR/T&A）。

　　然而，这些计算机集成制造组件并没有完全融入到企业流程之中。

相反，他们大多数只用于部门级单一项目的应用。

现在，为了更好地支持大企业制造，企业项目需要集成越来越多的部门，需要协调内部和外部的价值链，也需要更多的集成软件解决方案。

　　由于以上这些原因，企业越来越多地使用综合MES解决方案，这种方法也被流程行业和制造行业所认可。

正在出现的经济全球化也加速了这一趋势，因为全球化需要竞争力的最大化。

必须完成以下目标：

　　·提高工作绩效，同时增加灵活性；

　　·更高的生产流程效率；

　　·增强并确保流程和产品质量；

　　·整体流程的成本优化；

　　·产品生命周期的缩短。

　　使用MES的驱动力是新型生产模式的发展、新型物流理念的推广，以及产品市场的迅速变化和开发流程的不断缩短。

　　产品的生命周期连续缩短，同时产品的技术日益复杂。

同时，缩短的开发时间，需要更多的原型，要求更多的产品变化。

　　在一个全球性和竞争性的经济中，“上市时间”是每一家制造商成功的关键性和决定性因素。

MES可以为这种成功作出显著的贡献。

　　上面列出要求内容中，企业价值链的持续改进需要这样一组工具，该工具不仅能支持各个部门，而且应考虑把“该生产”作为企业内的整体流程。

　　MES实现这一流程就像一种实时应用。

由于整个生产的每一个环节都由这一整体流程来控制，持续的改进和优化就可以实现。

　　MES的实时性能力横跨多个部门的要求（如订单规划和控制、物料管理、生产数据采集、机器数据收集、质量管理、文档管理），提供了与生产流程的直接连接。

　　此外，需要扩展供应链和全球采购、以及各区域公司销售业务在开发市场中表现的集成。

　　MES不仅是“生产”和“企业”之间的运营链接，它还链接了供应链中的所有合作伙伴。

这意味着：

它连接了一个连续的、全面的和可管理的价值流。

　　在此基础上，MES正成为一种灵活的和一体化生产的战略要素。

在今天的软件系统中，MES结合了现代化生产管理的所有任务。

　　同时，该系统是每个企业不断向未来“数字工厂”发展的运营平台。

2.MES和规范性标准（IEC62264）

　　正如概述中指出的，术语MES通常代表工业、公司或者供应商为生产运营管理的特定解决方案。

　　有些组织一般将“制造执行系统”归类于离散制造领域，作为“面向流程的制造管理系统”，并作为“生产流程组织和执行的全面驱动力”。

以下为MES的主要任务：

　　a）组织和支持生产流程的所有活动：

　　·流程需求（工单处理、资源规划、质量需求）；

　　·运行行为（确保资源、材料流动和质量的可用性）；

　　·跟踪和分析（库存管理、关键绩效指标的计算、持续改进流程的依据，如：

六西格玛和营运开支（OpEx））。

　　b）与生产流程（规划、启动、管理、控制、记录、评估、审查等）执行相关的所有行为闭环的实现。

　　c）与其他级别的信息交换，如企业管理级（企业资源规划，ERP）和制造/流程级（可编程控制器PLC、分布式控制系统DCS），以及运营支撑系统，例如产品和流程工程（P/PE），供应链管理（SCM）。

　　为了符合相关指南，MES的功能涵盖了生产流程按时间顺序排列的所有方面：

　　产前方面->生产流程的规划；

　　实时方面->生产流程的管理；

　　历史方面->生产流程的分析与评估。

　　本文使用的术语MES作为IEC62264“制造运营和控制”中第3级规定的所有解决方案和系统的代名词。

　　与此同时，一些其他术语诸如“制造运营管理（MOM）”或“协同生产管理（CPM）”也在目前的市场中使用，试图强调任务的全面性。

　　本文基于IEC62264“企业与控制系统集成”这套标准，该标准的中文版本GB/T20720也即将发布，其中有：

　　企业--控制系统集成--第一部分：

模型与术语；

　　企业--控制系统集成--第二部分：

对象模型属性；

　　企业--控制系统集成--第三部分：

制造运营管理的行为模型；

　　企业--控制系统集成--第四部分：

制造运营管理集成的对象与属性；

　　企业--控制系统集成--第五部分：

制造交易的业务。

　　其中三个部分“模型和术语”、“对象模型属性”和“制造运营管理的活动模型”是主要焦点。

　　IEC62264定义了一个企业的多个功能级，他们按不同的时间尺度和不同的详细程度进行分级。

这些功能级由较高的或较低的功能信息是否可用，以及其他因素来决定。

功能级在下面列出，参见图1。

　　图1：

功能级，引用IEC62264-3中的图2。

　　·第4级：

业务规划和物流；

　　·第3级：

制造运营管理；

　　·第2级：

监视以及生产流程的监督和自动化控制：

　　--批控制；

　　--连续控制；

　　--离散控制。

　　·第1级：

流程或机械的控制和数据采集；

　　·第0级：

生产流程。

　　该标准的第1部分描述了企业所有部门第3和第4级的相关功能，以及他们之间通常交换的对象。

图2给出了部门与部门之间关系的一般描述。

　　图2：

制造运营管理模型，引用IEC62264-3中的图1。

MES的相关区域用灰色椭圆显示

　　在IEC62264中定义的术语、概念和模型，为企业管理级和生产管理级的集成提供了一个标准。

这改善了MES项目中利益相关者之间的沟通。

该标准还为企业管理和生产管理的集成提供了最佳集成实践。

同时，该标准还与企业自动化的程度和特定技术的使用无关。

　　在IEC62264第2部分中，定义了交换对象的特性和属性。

第3部分描述了有关的制造或流程工厂管理的活动和功能。

　　本文主要涉及制造相关的运营活动，而不是功能区域之间的接口。

因此，图2表示了制造运营管理的区域，图3所示的管理活动的通用模型将在以后的章节中叙述。

　　图3：

制造运营管理的一般活动模型，引用IEC62264-3中的图6。

　　图2中所示，与企业控制模型相关功能的活动，可以分配到制造运营管理级（第3级，黄色示出），并分成以下四个功能区域（灰色背景）：

　　·生产运营管理；

　　·质量运营管理；

　　·维护运营管理；

　　·库存运营管理。

　　图3模型中的活动主要解决下面的问题：

　　·如何管理...？

（规范管理）；

　　·管理什么，在哪里，谁可以管理...？

（资源管理）；

　　·何时，何地，谁来管理...？

（详细调度和分派）；

　　·需要做什么，在哪里，由谁做...？

（执行管理）；

　　·何时，何地，谁来做...？

（数据采集与跟踪）；

　　·怎么样......？

（数据采集与分析）。

　　生产、质量、库存和维护：

这些活动能够均匀地分布在制造运营管理级的四个功能区域。

因为这个模型特别适合使用MES模块构造和描述，作为各个活动的基础，更详细的解释将在下一部分描述。

　　对现有架构或计划架构的分析可以看出，这些活动可以在不同的系统中实现，例如在MES模块中的功能、在ERP系统中的功能或者在流程控制系统中的功能。

图4提供了关于制造运营管理活动的技术集成及其分配到不同技术实现层的例子。

　　根据特定需求，允许一个级同时分配多个活动，该一般活动模型可以用于描述完整的解决方案，定义必要的接口。

　　图4：

不同的活动类别和他们的技术集成（示例），引用IEC62264-3中的图31。

3.按照IEC62264标准的流程模型分类

　　如图2所示，制造运营管理构成了MES功能的核心，其本身由生产运营管理、维护运营管理、质量运营管理和库存运营管理所组成。

它们搭建了企业资源计划（ERP）功能与在第1级和第2级实现功能（参见图1）之间的桥梁。

所有这些核心功都能由不同的单个元素构成，提供或处理信息。

　　图2：

制造运营管理模型，引用IEC62264-3中的图1。

MES的相关区域用灰色椭圆显示

　　这些运营信息可以分成以下几类：

　　·定义信息–执行运营和所需资源的规范；

　　·能力信息--资源属性；

　　·调度/请求信息--调度和执行；

　　·性能/响应信息--绩效和结果的反馈。

　　制造运营管理的不同领域遵循通用活动模型（参见图5），它描述了各个元素之间的相互作用。

活动本身包括特定的任务，这些任务可根据需要执行的功能而有所不同。

图5：

通用活动模型，基于图3并增加了过程接口

　　各种活动通过信息流链接在一起。

根据各自的功能，活动之间需要交换特定的信息。

该活动和信息交换通过MES软件产品实现，这些产品的功能都是行业或产品特定的。

3.1资源管理

　　资源管理可能包括相关分布式资源的信息管理，这是制造运营管理（MOM）各个功能所需要的。

该信息包括了资源的容量和分配，以及当前和未来的可用性。

　　因此，生产资源管理专注于生产所需的资源，诸如机械、工具、人员和技术、材料和能源，以及整个生产步骤。

　　质量测试资源管理规定了人员要求（包括专业知识，证书和授权）、材料和进行质量测试需要的设备。

　　为了维护工单和工作，维护资源管理包括了关于需求资源的信息：

标准和专用工具、内部和外部人员（有相应的专业知识和资格）、维护文件、以及执行维护工作所需的备件和消耗品。

资源的状态包括了设备的健康状况、功能、可用性、预计利用、位置和可访问性。

此外，必须考虑维护工作是否能在运营期间进行或者设备必须停机。

　　库存资源管理涉及到相关的资源：

材料库存和材料搬运、人员（包括专业知识、证书和授权）、耗材和能源。

库存水平和能力也在考虑之列。

　　3.2定义管理

　　定义管理包括对制造运营管理不同功能的特性、过程指令、法规和需求的定义及管理。

　　生产定义管理包括关于产品、他们的功能和他们的制造流程（制造规则、配方、标准运营规程（SOP）、标准运营条件（SOC），运输和装配顺序）信息（可能分布）的定义和管理。

　　质量检测定义管理涵盖了人员资格、质量测试规程、执行这些规程的作业指导书的定义和管理。

这也包括测试方法、测试频率（采样方案）和材料与资源的公差信息。

此外，测试规范版本和日期的管理也应包括在内。

　　需要执行维护工作的信息和说明应在维护定义管理中定义和管理。

　　库存定义管理的活动包括了：

指定和管理储存、材料运输说明（包括库存水平、运输说明和仓库相关的参数）。

　　3.3详细调度

　　详细调度包括了：

时间相关的需求、本地资源优化利用、制造运营管理各个功能的相关创建活动。

该活动通常基于现有的计划。

　　详细调度针对企业的生产设备，如为机械和设备建立详细和优化的调度。

该调度表包括诸如批量大小和设置时间，以及资源可用性和利用率?

?

。

资源可用性可能需要定义多张调度表。

　　详细质量测试调度专注于质量测试的规划，可在生产流程之内或之外进行。

除其他事项外，这应包括测试系统和人员的有效性，以及测试准备和测试评估的计划表。

　　详细维护调度包括维护要求的检查和优先级，并把与时间相关集成的维护活动融入到生产流程中。

　　生产调度方面，如果要产品变更和计划停机，必须考虑这是否可行。

　　详细库存调度管理要收集关于库存水平和材料搬运的信息。

这也包括运输过程资源规划和最优化。

　　3.4分派

　　分派包括了制造运营管理中的管理和协调活动。

分派的基础是，在组件之间把各个资源的调度作为详细调度的一部分。

　　生产分派通过分配设备和人员控制生产的流动。

例如，这包括在批处理控制系统中的批次调度和发布工单。

　　质量测试分派包括根据测试计划对质量控制设施发布测试工单。

这也可以包括样品的提交。

　　维护分派专注于对维护相关的资源发布维护工单，同时考虑内部和外部人员能力的可用性。

　　库存分派包括根据定义和调度发布工单检查库存水平。

　　3.5执行管理

　　执行管理的目的是基于调度、工单和遵从标准生产流程的管理与优化。

　　生产执行管理是指在实际生产处理和执行的活动，如根据产品定义和制造说明选择和启动生产步骤。

它也对一个生产步骤到下一个生产步骤的传输进行管理。

并在这个点，收集关于使用材料和处理时间的信息。

因此，工单的状态和目前的进展成为可用信息。

基于此信息，在局部可以优化生产步骤。

　　质量测试执行管理集中于执行质量测试，并监视使用的资源（设备、材料、人员），以及是否符合质量标准、产品特性与公差。

　　维护执行管理控制和监视维护工单的执行。

这包括检查是否符合服务和维修说明、法规和质量标准，以及状态和结果是否正确归档。

在分派中，应监视并使用为设备、备件、工具和人员相关证书。

不可预测的事件应转发到详细调度。

　　库存执行管理包括存货相关的任务。

包括检查正在使用的储存、运输和人力资源是否正确，检查储存、运输和状态报告是否符合质量标准和法规，存储监测和会计也是库存执行管理的一部分。

　　3.6数据收集

　　数据收集包括制造运营管理中特定流程的购买、（预）处理和管理数据。

在大多数情况下，该数据来源于功能层（图1）的第1级第和2级。

该数据也可以由用户进行的输入和行动来生成。

数据收集可以是周期的或由事件驱动的，数据的表示可以是直接测量值（用工程单位）或间接值（导出值或积分值）。

为了正确评估数据，通常需要收集数据的相关内容，例如时间戳。

　　生产数据收集涉及到相关生产运营或其各个步骤的数据。

这包括传感器的值和状态信息，以及通过执行生产相关的交易和来自模型评估获得的结果。

　　质量测试数据收集包含了实际测试数据、关于测试执行的数据、测试中用户输入的数据、中间数据和在测试报告中的数据。

　　维护数据收集的专注于在执行维护工单时创建的数据。

这包括服务或维修运行设备的当前状态，反馈的时间和由内部和外部资源产生的成本，以及估计工作量与实际工作量之间的比较。

收集的信息将集成到设备特定的维护历史记录中。

　　库存数据收集聚焦在库存有关活动和处理材料数据的采集和评估。

产品跟踪数据，如库存水平、存储状态、使用设备、还包括仓库和运输操作员。

库存数据采集也用于其他的功能区域，如质量跟踪（样品管理、参考材料管理）和维护跟踪（备件储备）。

合规管理部门可能需要这种类型的数据，他们必须集成到生产数据中。

　　3.7跟踪

　　跟踪包括了反馈的生成和响应，从制造运营管理到第4级相关功能的特定流程。

　　生产跟踪包括了用于生产相关利用资源信息的总结和评估，如人员和生产设备、消费和生产的材料、成本和性能分析结果。

生产跟踪也把信息传送给详细生产调度，使调度可以根据当前条件进行更新。

　　质量检测跟踪把质量信息反馈到第3级和第4级的相关功能。

把测试结果编译成测试报告并管理相关的测试设备利用信息。

该测试报告可以按需要或时间由事件驱动创建，例如在一个生产步骤或批次结束时。

这样的测试报告可在不同的时间和不同的单元来创建。

　　维护跟踪着重于维护期间的资源利用和维护结果的相对效用，包括关于服务运营设备和辅助设备在工单执行时的状态和可用性数据集的生成和更新。

这些信息可以用于遵从法规的证明。

　　库存跟踪包括仓库活动（例如，运输开始和完成）、库存利用率、储量大小和当前存储位置的报告。

这包括库存材料的运输和管理相关数据集的生成和更新。

该收集的信息也可以用于质量测试目的和遵从法规的证明。

　　3.8分析

　　分析包括了对商业系统数据（性能相关）相关的评估和报告活动。

　　生产性能分析集中于有关生产（设备，单元）周期时间、生产设备利用率、负载和设备性能、规程有效性，以及生产变化等信息。

基于这些分析，关键绩效指标（KPI），可以由时间驱动算出，例如在生产运行或批处理结束，也可以根据需要计算。

关键绩效指标（KPI）用于优化生产和资源消耗。

生产性能分析和优化的过程可以与生产并行。

改变优化标准和其他的内部或外部约束，如市场和环境条件，可能需要反复分析、策略修订和重新优化。

　　为了提高产品质量，质量性能分析评估质量测试结果和测试表现。

这通常是一个连续的过程，包括质量偏差分析、质量测试周期时间、测试有效性，以及资源利用率。

此外，它还可以为质量指标（关键）带来趋势的确定，对质量问题的根本原因分析，以及为他们的纠正提出建议。

　　维护分析检查人员、备件、辅助设备、直接和间接成本，以及在维修过程中的组织序列，可揭示问题的位置和为进一步改善进行优化。

重点是维修策略的最优化和资产回报（ROA）的最大化。

分析结果可以为生产调度用作反馈。

该结果可用于计算维护性能指标，这有助于评估维护的有效性。

此外，这些结果可以为提高业务流程效率提供决策支持。

　　库存分析包括了有关库存效率和资源利用?

?

的分析信息。

这包括材料递送，包括质量和准时到达，库存损失和材料搬运与存储位置、设备和转移的关系。

此外，要跟踪和分析材料的流动、库存资源的历史和趋势。

使用这些数据可以导出库存指标，可以在制造运营管理内部使用，实现优化目的。

此外，该指标可以转发到业务流程的第4级，在这层，他们与财务信息相结合提供了成本相关的指标。

　　4典型的MES功能模块和相关术语

　　4.1概述

　　本文根据特定MES功能和它们的特定应用使用不同的术语。

有时不同行业不同目的使用相同的术语。

　　下表给出了一般工业、跨行业和特定行业的术语。

该表提供了各个模块应用领域的概述，以及它们的使用。

对于每个模块，列出了具体主要支持的区域和活动。

该表仅提供一般概述而不是完整的术语。

区域

活动

缩略语

含义与任务

级别

生产

质量

维护

库存

资源管理

定义管理

详细

调度

分派

执行管理

数据收集

跟踪

分析

1.一般工业

CMMS

计算机维护管理系统

3/4

DCA

文件控制与归档

3

EWI

电子工作指令

3

EMI

企业制造智能

3

ERP

企业资源规划

4

KPI

关键绩效指标

3

MM

材料管理

3

OEE

整体设备效率

3

OM

工单管理

3

PAMS

工厂资产管理系统

3

PRM

人力资源管理

3

PLM

产品生命周期管理

4

PPS

生产计划与调度

3/4

QMS/QA

质量管理体系/质量保证

3/4

SCADA

监控与数据采集

2/3

SCM

供应链管理

3/4

SPC

统计过程控制

3

SQC

统计质量控制

3

T&T

跟踪和追溯

3

WMS

仓库管理系统

3/4

2.制造工业（大批量和单件生产）

CKM

车载管理

3

GEN

最终产品部件家谱

3

JIS/JIT

正好在列/准时

4

KBM

看板管理

3

MDA

机械数据采集

3

PDA

生产数据采集

3

PMC

生产监视与控制

3

RTLS

实时定位系统

3

RWM

返修管理

3

RTS

实时调度器

3

3.过程工业

AM

报警管理

2/3

APC

先进过程控制

2/3

LIMS

实验室信息管理系统

3

PIMS

过程信息管理系统

3

DCS

分布式控制系统

2