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經(jīng)濟(jì)全球化、市場(chǎng)全球化的必然趨勢(shì)下，我國(guó)部分行業(yè)如化工、鋼鐵等等面臨嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)和經(jīng)歷著深遠(yuǎn)變化的生存發(fā)展要求，轉(zhuǎn)變與趨勢(shì)相符的現(xiàn)代管理思路，建立現(xiàn)代管理理念，引進(jìn)現(xiàn)代管理決策機(jī)制，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)成為企業(yè)最迫切的要求和機(jī)遇所在。觀察世界生產(chǎn)管理模式的發(fā)展趨勢(shì)可以清晰的得出企業(yè)行為勢(shì)必從單項(xiàng)、局部的改善向著綜合、集成的優(yōu)化轉(zhuǎn)變，尤其是計(jì)劃、組織、控制三大職能的整體優(yōu)化更是企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)和獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System) 主要用來(lái)解決整體優(yōu)化中生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)過(guò)程的脫節(jié)問(wèn)題——這一問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)不僅直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，而且成為制約現(xiàn)代企業(yè)內(nèi)部信息集成和企業(yè)之間供應(yīng)鏈優(yōu)化的瓶頸。
一、MES的產(chǎn)生及發(fā)展
1. MES的產(chǎn)生背景
自上世紀(jì)八十年代以后，伴隨著消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的需求愈加多樣化，制造業(yè)的生產(chǎn)方式開(kāi)始由大批量的剛性生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多品種少批量的柔性生產(chǎn);以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和大型數(shù)據(jù)庫(kù)等IT技術(shù)和先進(jìn)的通訊技術(shù)的發(fā)展為依托，企業(yè)的信息系統(tǒng)也開(kāi)始從局部的、事后處理方式轉(zhuǎn)向全局指向的、實(shí)時(shí)處理方式。在制造管理領(lǐng)域出現(xiàn)了JIT、LP、TOC等新的理念和方法并依此將基于定單的生產(chǎn)扶正、進(jìn)行更科學(xué)的預(yù)測(cè)和制定更翔實(shí)可行的計(jì)劃;在企業(yè)級(jí)層面上，管理系統(tǒng)軟件領(lǐng)域MRPII以及OPT系統(tǒng)迅速普及，直到今天各類(lèi)企業(yè)ERP系統(tǒng)如火如荼的進(jìn)行;在過(guò)程控制領(lǐng)域PLC、DCS得到大量應(yīng)用也是取得高效的車(chē)間級(jí)流程管理的主要因素?？梢哉f(shuō)企業(yè)信息化的各個(gè)領(lǐng)域都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是在工廠以及企業(yè)范圍信息集成的實(shí)踐過(guò)程中，仍然難以解決這一瓶頸帶來(lái)的各種問(wèn)題:在計(jì)劃過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確及時(shí)地把握生產(chǎn)實(shí)際狀況，另一方面則在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法得到切實(shí)可行的作業(yè)計(jì)劃做指導(dǎo);工廠管理人員和操作人員難以在生產(chǎn)過(guò)程中跟蹤產(chǎn)品的狀態(tài)數(shù)據(jù)、不能有效地控制在制品庫(kù)存，而用戶(hù)在交貨之前無(wú)法了解定單的執(zhí)行狀況。產(chǎn)生這些問(wèn)題的主要原因仍然在于生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)與生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的相互分離，計(jì)劃系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)之間的界限模糊、缺乏緊密的聯(lián)系。針對(duì)這種狀況，1990年11月，美國(guó)的調(diào)查咨詢(xún)公司AMR首次提出MES的概念，為解決企業(yè)信息集成問(wèn)題提供了一個(gè)被廣為接受的思想，就是我們今天要談的制造執(zhí)行系統(tǒng)。
2. MES的發(fā)展歷程
20世紀(jì)80年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，流程工業(yè)控制中出現(xiàn)了多學(xué)科間的相互滲透與交叉;同時(shí)，信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)控制技術(shù)的結(jié)合使過(guò)程控制開(kāi)始突破自動(dòng)化孤島模式，出現(xiàn)了集控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和經(jīng)營(yíng)于一體的綜合自動(dòng)化新模式。
20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)的研究已成為自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題。1995年美國(guó)、日本、西歐等國(guó)已有100多家煉油、化工企業(yè)在實(shí)施CIMS計(jì)劃，推動(dòng)了流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向上下游、產(chǎn)供銷(xiāo)一體化或集成化方向發(fā)展，意大利AGIP石油公司提出了以數(shù)據(jù)模型為核心的工廠信息集成系統(tǒng)方案，信息采集從底層到上層，從供應(yīng)鏈的源頭到盡頭，而計(jì)算結(jié)果和指令則從上層一直傳遞到底層。它以面向數(shù)據(jù)(而非面向應(yīng)用)的模型為核心系統(tǒng)，連接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行過(guò)程監(jiān)視、控制和診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、單元整合、模擬和優(yōu)化。并在管理決策層進(jìn)行物料平衡、生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、排產(chǎn)、企業(yè)資源計(jì)劃、離線在線模擬與優(yōu)化等。
流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的理論和技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，特別是經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，已逐步形成合理的體系結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框架已由下圖所示的五層Purdue模型演變?yōu)镋RP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)。目前，這已成為西方先進(jìn)工業(yè)國(guó)家流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)理論和產(chǎn)品的主流框架。
圖1:Purdue模型
在Purdue模型中，流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)自下而上從功能上分為過(guò)程控制、過(guò)程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理和經(jīng)營(yíng)決策五個(gè)層次，將生產(chǎn)過(guò)程和管理過(guò)程明顯分開(kāi)。雖然這種體系框架在流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中起過(guò)很大的推動(dòng)作用，但隨著研究與開(kāi)發(fā)的深入，它在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐中遇到了較大問(wèn)題。在流程工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中，除了底層的過(guò)程控制與頂層的企業(yè)管理和經(jīng)營(yíng)決策外，在中間層次是很難將生產(chǎn)行為與管理行為截然分開(kāi)的。因此，在牽涉到大量既有生產(chǎn)性質(zhì)又有管理性質(zhì)的信息時(shí)，根據(jù)五層結(jié)構(gòu)模型就很難明確劃分應(yīng)該屬于綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的哪一層次，這就造成了流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)過(guò)程中概念的混亂和標(biāo)準(zhǔn)的難以統(tǒng)一。
ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)較好地解決了上述問(wèn)題。這一結(jié)構(gòu)將流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為:考慮生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題的過(guò)程控制系統(tǒng)PCS;考慮企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理問(wèn)題的企業(yè)資源計(jì)劃ERP;以及考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問(wèn)題的中間層生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES。這樣，就使流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中原來(lái)難以處理的具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問(wèn)題得到了解決。
3. MES的定義
國(guó)際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)(Manufacturing Execution System Association，MESA)對(duì)MES的定義是“MES提供為優(yōu)化從訂單投入到產(chǎn)品完成的生產(chǎn)活動(dòng)所需的信息。MES運(yùn)用及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，指導(dǎo)、啟動(dòng)、響應(yīng)并記錄工廠活動(dòng)，從而能夠?qū)l件的變化做出迅速的響應(yīng)、減少非增值活動(dòng)、提高工廠運(yùn)作過(guò)程的效率。MES不但可以改善設(shè)備投資回報(bào)率，而且有助于及時(shí)交貨、加快庫(kù)存周轉(zhuǎn)、提高收益和現(xiàn)金流的績(jī)效。MES在企業(yè)和供應(yīng)鏈間，以雙向交互的形式提供生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)信息。”
如此定義，道出了MES的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、實(shí)施都是圍繞企業(yè)生產(chǎn)----這一為企業(yè)直接帶來(lái)效益的價(jià)值增值過(guò)程進(jìn)行的，而針對(duì)目前企業(yè)信息化建設(shè)過(guò)程中通常對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重視不夠的情況，我們研究所開(kāi)發(fā)的目前國(guó)內(nèi)唯一針對(duì)大型流程企業(yè)的專(zhuān)業(yè)MES系統(tǒng)以其精心的設(shè)計(jì)、完善的實(shí)施以及良好的維護(hù)等為MES的興起迎來(lái)了良好的開(kāi)端。
美國(guó)的權(quán)威機(jī)構(gòu)先進(jìn)制造研究中心AMR(Advanced Manufacturing Research)提出的: MES是位于上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)之間的面向車(chē)間層的管理信息系統(tǒng)。它為操作人員/管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行和跟蹤以及所有資源(人員、設(shè)備、物料、客戶(hù)需求等)的當(dāng)前狀況。AMR于1992年提出了三層的企業(yè)集成模型，將企業(yè)分為三個(gè)層次:計(jì)劃層(MRPII/ERP)，執(zhí)行層(MES)，控制層(Control)。計(jì)劃層強(qiáng)調(diào)企業(yè)的計(jì)劃，它以客戶(hù)定單和市場(chǎng)需求為計(jì)劃源，充分利用企業(yè)內(nèi)部的各種資源，降低庫(kù)存，提高企業(yè)效益;執(zhí)行層強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的執(zhí)行，通過(guò)MES把MRPII/ERP與企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)控制有機(jī)地集成起來(lái);控制層強(qiáng)調(diào)設(shè)備的控制，如PLC、數(shù)據(jù)采集器、條形碼、各種計(jì)量及檢測(cè)儀器、機(jī)械手等的控制。
4.MES的作用
制造企業(yè)關(guān)心三個(gè)問(wèn)題:生產(chǎn)什么?生產(chǎn)多少?如何生產(chǎn)?企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃回答的是前兩個(gè)問(wèn)題，“如何生產(chǎn)”由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程控制系統(tǒng)“掌握”。ERP、CRM等系統(tǒng)只為生產(chǎn)計(jì)劃的編制提供了數(shù)據(jù)信息，對(duì)于“計(jì)劃”如何下達(dá)到“生產(chǎn)”環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過(guò)程中變化因素如何快速反映給“計(jì)劃”，在計(jì)劃與生產(chǎn)之間需要有一個(gè)“實(shí)時(shí)的信息通道”，MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))就是計(jì)劃與生產(chǎn)之間承上啟下的“信息樞紐”。
近年來(lái)，隨著JIT(Just In Time)、BTO(面向訂單生產(chǎn))等新型生產(chǎn)模式的提出，以及客戶(hù)、市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出更高要求，MES才被重新發(fā)現(xiàn)并得到重視。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)泡沫的破碎后，企業(yè)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到要從最基礎(chǔ)的生產(chǎn)管理上提升競(jìng)爭(zhēng)力，即只有將數(shù)據(jù)信息從產(chǎn)品級(jí)(基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí))取出，穿過(guò)操作控制級(jí)，送達(dá)管理級(jí)，通過(guò)連續(xù)信息流來(lái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成才能使企業(yè)在日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。目前，MES在國(guó)外被迅速而廣泛地應(yīng)用。
企業(yè)信息化系統(tǒng)是一個(gè)信息相互貫通的集合體，作為制造業(yè)內(nèi)部最重要最基本的活動(dòng)——生產(chǎn)，它的相關(guān)信息尤其需要得到實(shí)時(shí)的處理和分析。具體的說(shuō)，就是收集生產(chǎn)過(guò)程中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)時(shí)事件及時(shí)處理，同時(shí)又與計(jì)劃層和生產(chǎn)控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。
MES不同于以派工單形式為主的生產(chǎn)管理和輔助的物料流為特征的傳統(tǒng)車(chē)間控制器,也不同于偏重于作業(yè)與設(shè)備調(diào)度為主的單元控制器,而應(yīng)將MES作為一種生產(chǎn)模式, 把制造系統(tǒng)的計(jì)劃和進(jìn)度安排、追蹤、監(jiān)視和控制、物料流動(dòng)、質(zhì)量管理、設(shè)備的控制和計(jì)算機(jī)集成制造接口(CIM)等一體化去考慮，以最終實(shí)施制造自動(dòng)化戰(zhàn)略。
國(guó)際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)(MESA)定義了MES應(yīng)具備的11個(gè)功能模塊:主要包括1)資源分配和狀態(tài)管理;2)操作/詳細(xì)排產(chǎn);3)分配生產(chǎn)單元;4)文件控制;5)數(shù)據(jù)收集;6)勞動(dòng)力管理;7)質(zhì)量管理;8)過(guò)程管理;9)維護(hù)管理;10)產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理;11)性能分析和數(shù)據(jù)采集。實(shí)際的產(chǎn)品可能是包含其中一個(gè)或幾個(gè)功能模塊。
二、MES在中國(guó)應(yīng)用的現(xiàn)狀
1.傳統(tǒng)的MES(T-MES)
傳統(tǒng)的MES可大致分為兩大類(lèi):專(zhuān)用的MES系統(tǒng)(Point MES) 和整合的MES系統(tǒng)(Integrated MES)。專(zhuān)用的MES是指為解決某個(gè)特定領(lǐng)域問(wèn)題，如車(chē)間維護(hù)、生產(chǎn)調(diào)度或SCADA而開(kāi)發(fā)的單獨(dú)應(yīng)用系統(tǒng)。整合的MES則是針對(duì)一特定行業(yè)如航空、裝配、半導(dǎo)體、食品和衛(wèi)生等行業(yè)而設(shè)計(jì)，具有一定的通用性。并且逐步加強(qiáng)了與上層事務(wù)處理和下層實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的集成能力。
我國(guó)對(duì) MES的研究開(kāi)發(fā)起步較晚，目前主要停留在MES思想、內(nèi)涵及體系結(jié)構(gòu)方面的研究上，應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一般局限于 MES單一功能。一些大學(xué)和科研院所等單位在國(guó)家863計(jì)劃資助下在 MES理論與應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面做了一定的工作。但目前存在著很多問(wèn)題，例如:(1)可集成性差;(2)缺乏智能性和敏捷性;(3)缺乏非常規(guī)信息條件下的科學(xué)決策方法。
由于工廠可能會(huì)從不同的軟件供應(yīng)商購(gòu)買(mǎi)適合自己的MES模塊，使得MES系統(tǒng)包括了很多子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)都有各自的處理邏輯，數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)模型和通信機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的集成，往往采用API技術(shù)，OLAP技術(shù)和相應(yīng)的通信機(jī)制。其中，外部應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)用和插入使用API的方式，而應(yīng)用EDI技術(shù)和外部環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)前MES的技術(shù)模型如圖所示。
雖然專(zhuān)用的MES能夠?yàn)槟骋惶囟ōh(huán)境提供最好的性能，卻常常難以與其它應(yīng)用集成，整合的MES比專(zhuān)用的MES邁進(jìn)了一大步，具有一些優(yōu)點(diǎn)如:單一的邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)內(nèi)部具有良好的集成性，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型等等。但其整個(gè)系統(tǒng)重構(gòu)性能弱，很難隨業(yè)務(wù)過(guò)程的變化而進(jìn)行功能配置和動(dòng)態(tài)改變。為了解決傳統(tǒng)EMS的不足，可集成MES (Integratable MES，I-MES)逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。
2.可集成的MES(I-MES)
MES是近10年來(lái)在國(guó)際上迅速發(fā)展、面向車(chē)間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)，它是實(shí)施企業(yè)敏捷制造戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)敏捷化的基本技術(shù)手段。在我國(guó)實(shí)施的CIMS戰(zhàn)略中，車(chē)間自動(dòng)化一直是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，而實(shí)施MES則是提升車(chē)間自動(dòng)化水平的有效途徑，因此 MES技術(shù)的推廣應(yīng)用可有力促進(jìn) CIMS的發(fā)展。另一方面，隨著CAD/ CAM及 ERP在制造企業(yè)的逐步應(yīng)用，其進(jìn)一步的信息化需求將迫使企業(yè)更多地去考慮在車(chē)間層次構(gòu)建更高效的智能自動(dòng)化信息系統(tǒng)，發(fā)展敏捷化MES無(wú)疑是其必由之路，因此 MES在我國(guó)具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。
然而，由于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的 MES技術(shù)及系統(tǒng)沒(méi)有充分考慮車(chē)間制造信息中大量存在的不確定性等非常規(guī)特點(diǎn)，缺乏在這些非常規(guī)信息條件下的科學(xué)決策方法，而片面地去追求車(chē)間信息的數(shù)量或精確性，不僅造成車(chē)間信息集成困難和決策效率不高，導(dǎo)致 MES缺乏足夠的敏捷性與智能性以適應(yīng)日益不確定的車(chē)間制造環(huán)境，而且大大增加了MES的開(kāi)發(fā)和使用成本，嚴(yán)重影響了 MES這一先進(jìn)的車(chē)間生產(chǎn)管理與控制技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用與普及。因此必須從根本上解決 MES的敏捷化問(wèn)題，并大大降低 MES的開(kāi)發(fā)與使用成本，有力促進(jìn) MES在我國(guó)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和推廣應(yīng)用。本文提出的應(yīng)對(duì)策略為上述問(wèn)題的解決提供了一條有效途徑，它通過(guò)車(chē)間信息的有效集成和制造決策過(guò)程的智能化來(lái)保證車(chē)間生產(chǎn)的運(yùn)行敏捷性，通過(guò)可重構(gòu)和分布式對(duì)象技術(shù)解決 MES的結(jié)構(gòu)敏捷性，從而從根本上來(lái)解決 MES的敏捷化問(wèn)題，這對(duì)我國(guó)整個(gè)制造工業(yè)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、提高我國(guó)制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力具有非常重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
三、MES應(yīng)用舉例——流程企業(yè)(鋼鐵企業(yè))的制造執(zhí)行系統(tǒng)
1.現(xiàn)代流程企業(yè)的定義和分類(lèi)
現(xiàn)代流程工業(yè)通常是指以從原料到制成品兼具物理變化和化學(xué)變化的連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)增值的工業(yè)。如此定義也僅僅是將服務(wù)業(yè)和部分加工行業(yè)劃分出去，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的物流情況對(duì)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行分類(lèi)，即能區(qū)分不同類(lèi)型企業(yè)，又能在準(zhǔn)確反映生產(chǎn)增值狀況的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)企業(yè)從宏觀控制到微觀協(xié)調(diào)的科學(xué)管理方法。
如圖2，“V”型物流情況，易看出其特點(diǎn)原材料少、加工路線相似、最終產(chǎn)品種類(lèi)多，生產(chǎn)過(guò)程中“V”型物流占多數(shù)的企業(yè)如鋼鐵、煉油等。而與之相對(duì)應(yīng)的流程行業(yè)的一種是“A”型物流為主的企業(yè)，如造船廠，具有原材料多、加工路線繁雜、最終產(chǎn)品較少等特點(diǎn)。介于兩者之間就是“T”型物流為主的企業(yè)，比如汽車(chē)制造廠、裝配廠，特點(diǎn)是材料中通用件較多、加工路線、最終產(chǎn)品種類(lèi)都不算多。
如果根據(jù)上文的說(shuō)法，嚴(yán)格意義上的流程企業(yè)，多數(shù)都是“V”型物流為主的，基本上都屬于基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是典型的資本密集型工業(yè)，在一定的范圍內(nèi)增加企業(yè)規(guī)?？梢杂行Ы档统杀?，工藝技術(shù)和材料技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，技術(shù)的剛性大，目前我國(guó)流程企業(yè)普遍存在的一些弱點(diǎn)主要是規(guī)模經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)程度很低、技術(shù)裝備仍舊比較落后、產(chǎn)能相對(duì)需求過(guò)剩以及產(chǎn)品中高附加值部分所占比例小等等。實(shí)施MES有助于從管理方法和技術(shù)層面上改進(jìn)現(xiàn)狀。
圖2 以物流特點(diǎn)為依據(jù)的企業(yè)分類(lèi)
2.流程企業(yè)供應(yīng)鏈模式
任何生產(chǎn)系統(tǒng)都應(yīng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)意義,即最優(yōu)處理生產(chǎn)系統(tǒng)的物流、資金流和信息流,憑借最低的資源消耗生產(chǎn)符合市場(chǎng)要求的產(chǎn)品。因此在對(duì)現(xiàn)代流程工業(yè)生產(chǎn)的研究是從分析其物流、資金流和信息流特點(diǎn)開(kāi)始的。以鋼鐵企業(yè)為例。
1)物流特點(diǎn):多段生產(chǎn)、多段運(yùn)輸、多段存儲(chǔ)，物流種類(lèi)多、工序多且形式不一、并伴有多種原料。在制品和制成品包括:鐵礦石、粉礦、原煤、生鐵、廢鋼、鐵水、鋼水、最終產(chǎn)品(板、管、卷、線、型)。所使用的都是大型設(shè)備，成本高、操作復(fù)雜，工序連接緊密、作業(yè)的連續(xù)性強(qiáng)、對(duì)時(shí)間要求條件高，不僅存在時(shí)間平衡和溫度平衡問(wèn)題，還存在資源能力和物流平衡的問(wèn)題。
2)資金流特點(diǎn):企業(yè)投資巨大、資金流動(dòng)頻繁、復(fù)雜的物流特征，以及為龐大的生產(chǎn)規(guī)模做的財(cái)務(wù)分析都為資金流的控制增加了難度，必須遵守嚴(yán)格的財(cái)會(huì)制度并實(shí)施靈活的資金管理，才能準(zhǔn)確全面和及時(shí)地反映企業(yè)經(jīng)營(yíng)狀況，并有效地加以控制。資金等財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的滯后性與控制資金流向的實(shí)時(shí)性要求為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)等提供了用武之地。
3)信息流特點(diǎn):生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)需要大量的特征值來(lái)描述，涉及內(nèi)容從財(cái)務(wù)、人事等傳統(tǒng)信息管理領(lǐng)域延伸到生產(chǎn)管理領(lǐng)域。不僅要根據(jù)定單進(jìn)行生產(chǎn)、制定合理的生產(chǎn)計(jì)劃、實(shí)施全面質(zhì)量管理，還應(yīng)以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全面監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集來(lái)滿足生產(chǎn)管理的實(shí)時(shí)性要求，不斷更新的人員、物料、產(chǎn)品等信息、全面詳盡的統(tǒng)計(jì)信息輔助管理者發(fā)布最合理的控制信息，從而盡善盡美地實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)。
分析完這些特點(diǎn)之后,可得到鋼鐵企業(yè)的基本供應(yīng)鏈模式如圖3:
3. 鋼鐵企業(yè)集成模型
在得到企業(yè)外部的供應(yīng)鏈模式之后，還需對(duì)企業(yè)內(nèi)部根據(jù)分析需求而進(jìn)行功能模型設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)按照功能分“層”，而在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候則要按照計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而分“級(jí)”。鋼鐵企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理可劃分為三層，通過(guò)七級(jí)實(shí)現(xiàn)。
1.計(jì)劃層:包括經(jīng)營(yíng)決策級(jí)和企業(yè)計(jì)劃級(jí)。主要功能模塊:生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策;長(zhǎng)期、中長(zhǎng)期生產(chǎn)計(jì)劃編制;財(cái)務(wù)管理;人力資源管理;采購(gòu)分銷(xiāo);成本管理;庫(kù)存管理;定單處理;輔助決策等。
2.執(zhí)行層:包括車(chē)間生產(chǎn)級(jí)和生產(chǎn)調(diào)度級(jí)。主要功能模塊:生產(chǎn)調(diào)度和作業(yè);質(zhì)量管理;人員和設(shè)備管理;物料追蹤和產(chǎn)品追蹤;對(duì)運(yùn)作過(guò)程的分析。
3.控制層:包括過(guò)程控制級(jí)、設(shè)備控制級(jí)和檢測(cè)驅(qū)動(dòng)級(jí)。主要功能模塊:生產(chǎn)線范圍的監(jiān)控;自適應(yīng)控制;設(shè)備控制;現(xiàn)場(chǎng)各種信號(hào)檢測(cè)。集成模型的層級(jí)如圖4:
圖4流程企業(yè)典型集成模型的層級(jí)結(jié)構(gòu)
4.企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)(BOS)的功能模塊
在流程企業(yè)外部供應(yīng)鏈模式和集成模型的層級(jí)結(jié)構(gòu)都已確定之后，可定義詳細(xì)的企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)(BOS，Business Operation System)的功能模塊，如圖5(其中BPS為計(jì)劃層——經(jīng)營(yíng)計(jì)劃系統(tǒng)，Business Planning System;PCS為控制層——過(guò)程控制系統(tǒng)，Process Control System)。
圖5:企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)(BOS)的功能模塊
其中，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)主要包括八個(gè)模塊，分別為:
生產(chǎn)計(jì)劃:處理屬性關(guān)聯(lián)的定單生成按照成本目標(biāo)優(yōu)化后的車(chē)間級(jí)計(jì)劃，保留定單的原始數(shù)據(jù)以便于控制。
車(chē)間調(diào)度:根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史案例，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)人員、物料、設(shè)備以最大可能優(yōu)化生產(chǎn)。
作業(yè)計(jì)劃:實(shí)現(xiàn)以小時(shí)間單位為基準(zhǔn)的批量組合計(jì)劃、生產(chǎn)排序計(jì)劃，以維持車(chē)間的高效運(yùn)作。
人員管理:對(duì)行為的詳實(shí)記錄，不僅與人員薪酬相聯(lián)系，且能為生產(chǎn)分析提供依據(jù)，便于管理并能有效地提高生產(chǎn)率。
設(shè)備管理:預(yù)防性設(shè)備維修為主，分析、優(yōu)化設(shè)備能力以消除瓶頸環(huán)節(jié)對(duì)生產(chǎn)的制約，實(shí)現(xiàn)設(shè)備最大利用率。
質(zhì)量管理:整合后的功能支持各種與質(zhì)量計(jì)劃、檢查和控制相關(guān)的工作，動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)分析為車(chē)間調(diào)度提供依據(jù)。
物料跟蹤:由現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)對(duì)物料變化情況進(jìn)行跟蹤，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部條件和外部環(huán)境的變化作出快速反應(yīng)提供可能。
產(chǎn)品跟蹤:由現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)對(duì)在制品變化情況進(jìn)行跟蹤，變動(dòng)中的產(chǎn)品信息便于生產(chǎn)管理的同時(shí)還能為客戶(hù)提供服務(wù)。
5.MES目標(biāo)與設(shè)計(jì)原則
為流程企業(yè)定制制造執(zhí)行系統(tǒng)，其最主要的目標(biāo)就是建立和完善生產(chǎn)管理體系，包括根據(jù)客戶(hù)定單、市場(chǎng)預(yù)測(cè)和內(nèi)部資源狀況來(lái)制定生產(chǎn)計(jì)劃;從整體角度優(yōu)化、協(xié)調(diào)生產(chǎn)過(guò)程;生產(chǎn)計(jì)劃的動(dòng)態(tài)調(diào)整等等。與此同時(shí)，要建立保證質(zhì)量管理的信息體系，包括在線物料跟蹤和質(zhì)量控制的在線反饋與調(diào)整，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量零缺陷的追求。以上述兩個(gè)目標(biāo)為契機(jī)，構(gòu)建流程企業(yè)MES系統(tǒng)可以促進(jìn)生產(chǎn)方式和管理思路的轉(zhuǎn)變，這將是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。
MES的設(shè)計(jì)將以軟件工程為規(guī)范，主要考慮全局性、通用性，既要實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，又要提供標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的應(yīng)用程序框架;同時(shí)要以可擴(kuò)充性、開(kāi)放性和兼容性為原則，這樣在生產(chǎn)能力變動(dòng)時(shí)不至于影響系統(tǒng)功能，還要提供標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放的通訊接口以及減少由于開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具的變化帶來(lái)的影響;在可操作性、可視性和魯棒性上也要注意，友好而操作簡(jiǎn)單的界面、監(jiān)控跟蹤的仿真示意圖和較強(qiáng)的容錯(cuò)能力都有助于各級(jí)用戶(hù)的使用;最后是必須具備實(shí)時(shí)性，只有最短的反應(yīng)時(shí)間才能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制和調(diào)整。
6.MES信息庫(kù)設(shè)計(jì)
在現(xiàn)代流程企業(yè)中流動(dòng)的信息具有強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)特征且大量冗余信息與缺失信息、信息斷裂并存的現(xiàn)象，無(wú)論是從現(xiàn)場(chǎng)采集來(lái)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)還是從市場(chǎng)獲得的定單信息都可能因不能真實(shí)體現(xiàn)而對(duì)企業(yè)造成不可估量的后果，為保證有價(jià)值的信息能對(duì)企業(yè)決策和運(yùn)作有著正確的指導(dǎo)意義，在流程企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)中要構(gòu)建好多種信息庫(kù);并且不同的信息庫(kù)具有不同的特點(diǎn)。
物料信息庫(kù):企業(yè)庫(kù)存狀況和需外部采購(gòu)或內(nèi)部調(diào)整的物料情況，部分信息與供應(yīng)商共享;定單信息庫(kù):定單對(duì)產(chǎn)品的要求(鋼種、質(zhì)量、數(shù)量等)情況，部分信息與合同商共享;產(chǎn)品信息庫(kù):產(chǎn)品目錄和與特定合同商聯(lián)系的在制品狀態(tài)，部分信息與分銷(xiāo)商/用戶(hù)共享;基礎(chǔ)信息庫(kù):企業(yè)人員、設(shè)備狀況，財(cái)會(huì)數(shù)據(jù)等企業(yè)運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)信息，在系統(tǒng)內(nèi)部按照不同密級(jí)使用，還包括部分經(jīng)常更新的政策、市場(chǎng)等外部信息;生產(chǎn)信息庫(kù):生產(chǎn)過(guò)程中人員、設(shè)備的實(shí)時(shí)變化情況等動(dòng)態(tài)性要求較高的信息，以及基本不變的工藝路線等生產(chǎn)相關(guān)信息，外部不可見(jiàn)。
這些信息庫(kù)都是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，建立信息庫(kù)將降低車(chē)間級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)，同時(shí)減少了因數(shù)據(jù)保存和操作故障而引發(fā)的一系列后果。物料、定單、產(chǎn)品信息庫(kù)可供對(duì)應(yīng)的外部人員進(jìn)行查詢(xún)等操作，便于結(jié)成與供應(yīng)商密切的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系。而較穩(wěn)定的基礎(chǔ)信息庫(kù)為人事、財(cái)務(wù)、設(shè)備方面的日常管理提供極大的方便。生產(chǎn)信息庫(kù)則是動(dòng)態(tài)性能要求最高的，每時(shí)每刻都有大量的流動(dòng)數(shù)據(jù)注入其他信息庫(kù)，因此對(duì)它的設(shè)計(jì)要求也最高。這些信息庫(kù)常見(jiàn)功能有:報(bào)表、保存與備份、恢復(fù)與刪除，以及口令與權(quán)限。
動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)信息庫(kù)中，與數(shù)據(jù)采集模塊相連的部分成為重中之重，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、主生產(chǎn)流程的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，以確保采集的數(shù)據(jù)可靠而不冗余，充分而不斷裂。
7.MES數(shù)據(jù)流圖設(shè)計(jì)
長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況的改善總是圍繞著計(jì)劃層進(jìn)行，而對(duì)于真正的增值環(huán)節(jié)—生產(chǎn)、調(diào)度、過(guò)程控制等環(huán)節(jié)仍舊采用經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)維持，即使是引進(jìn)的世界先進(jìn)水平的生產(chǎn)線，在數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控方面與計(jì)劃層脫節(jié)情況也比較突出，而且根據(jù)國(guó)內(nèi)流程企業(yè)的實(shí)情，不少企業(yè)已經(jīng)構(gòu)建了ERP等計(jì)劃系統(tǒng)，所以本文主要討論國(guó)內(nèi)流程企業(yè)很少實(shí)施卻亟需構(gòu)建的MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖設(shè)計(jì)(由于實(shí)際情況的限制，將劃分在控制層中的功能模塊也一并考慮進(jìn)來(lái))。
流程企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)的外部實(shí)體為:供應(yīng)商、合同商、系統(tǒng)維護(hù)和分銷(xiāo)商/用戶(hù)。
供應(yīng)商:提供設(shè)備、物料、運(yùn)輸?shù)任锲坊蚍?wù)的部門(mén)，向系統(tǒng)提供相關(guān)物料(服務(wù))信息。
合同商:生產(chǎn)定單的另一方，向系統(tǒng)提供相關(guān)定單信息。
系統(tǒng)維護(hù):企業(yè)成員，負(fù)責(zé)更新、維護(hù)企業(yè)基礎(chǔ)信息庫(kù)。
分銷(xiāo)商/用戶(hù):產(chǎn)品使用方，需要企業(yè)提供相關(guān)產(chǎn)品信息和信息服務(wù)。
至此，可得到流程企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)BOS的數(shù)據(jù)流圖，包括系統(tǒng)頂級(jí)DFD圖、一級(jí)DFD總圖和MES二級(jí)DFD圖，圖6主要描述了MES二級(jí)DFD圖。
圖6:流程企業(yè)2級(jí)DFD圖(MES/PCS)
結(jié)語(yǔ)
MES對(duì)于制造企業(yè)的作用已經(jīng)非常明朗，但人們對(duì)MES的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如ERP、CRM、SCM等管理系統(tǒng)。由于認(rèn)識(shí)不清，自然就會(huì)導(dǎo)致需求不清楚，也就難以形成一定的市場(chǎng)規(guī)模。目前美國(guó)的MES發(fā)展是已25%速度發(fā)展，而國(guó)內(nèi)基本是局部MES功能的發(fā)展，具體是一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集，物流管理等，其實(shí)這些也屬于MES功能的范疇。但隨著人們對(duì)MES認(rèn)識(shí)的逐步加深，MES在企業(yè)中的應(yīng)用必將會(huì)逐步深入。
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