MES系統是連接過程控制和企業管理的核心

制造不再是一個可通過單個實體就能完成的過程,而是延伸到不同地區,甚至跨越國界并且有大量的衍生數據。MES不僅能完成公司業務(Business)和生產過程(Process)的接口,還能建立眾多可

1概述
20世紀90年代初,企業界開始認識到需要有一個將管理系統和控制系統整合在一起的中間層,從而催生了MES,即制造執行系統。特別是近十年來,制造不再是一個可通過單個實體就能完成的過程,而是延伸到不同地區,甚至跨越國界并且有大量的衍生數據。MES不僅能完成公司業務(Business)和生產過程(Process)的接口,還能建立眾多可完成公司關鍵業務以及信息化制造的功能。
 
這些功能彼此緊密聯系,但不只是通過數據交換層進行簡單地連接,而是根據管理決策和生產活動而彼此協同,亦就是協同化生產(Collaborative Production)。什么是有效地從工廠底層挖掘有最大價值實時數據的方法?如何轉換和凈化生產數據?答案是MES,正是MES這個中間層承前啟后地提供了高層次粒度的和企業商務系統一致性的生產數據信息交換和共享。使數據塑造為企業
商務系統容易理解和利用的格式。

為適應MES迅速發展的形式,一個新的國際標準IEC/IS062264和ANSI/ISA95正成為企業行為特性和控制系統的集成規范,這也是e.制造或信息化制造的規范,這個國際標準是一個4層的層次結構。最上面的2層是商務規劃和物流功能層(第4層);制造運作和控制層(第3層)以及層間所使用的功能描述術語、概念和信息數據交換平臺。該標準還定義了中間層即MES所支持的生產作業活動。在ISA.95委員會的文件中,對MES有非常明確的表達,該文件不僅以數據方式描述了MES過程,同時還通過各種功能例如資源管理和資源分配,生產調度,數據采集,質量管理,維護管理,生產規劃,生產績效分析以及物料和生產跟蹤等功能和功能之間的交互作用來描述MES過程。

如今,市場要求企業供應鏈的響應速度不斷加快,要求生產系統日趨靈活和提高對客戶定制產品的適應性,要求以最低的成本提供最高質量的產品等,促使MES成為信息化制造的熱點。近年來,MES發展很快,根據ARM Research的調研報告,2005年的MES市場已突破12億美元,增長率高達14%,預計今后幾年,仍會保持2位數的年增長率。

ISA-95標準定義了MES的系統模型,其示意圖如下:
 
 
2 構建制造執行系統
實際構建一個MES軟件系統,主要有三個階段,即:(1)建模;(2)系統建立;(3)運行。以下分別作扼要介紹。

(1)建模在建模階段,其任務是了解應用的范圍和要求,應用的結構和對象等。一種常用的方式是從工廠的物理對象和邏輯對象開始建模。根據/EC62264的定義,是從基本物理對象開始來建立一個物理工廠的模型。基本對象稱為單位(Unit),若干個單位組成單元(Cell),不同的單元集合為區域(Area),多個區域則形成地點(Site),物理工廠的建模可以從下而上,也可以從上而下,例如某個制造工廠有一個地點,該地點分成三個區域即物料驗收區域,生產加工區域和包裝區域,每個區域都被進一步分成單元,例如物料驗收區域分成入庫單元:包裝單元;質檢單元;存放單元和出庫單元。每個單元又可進一步地細分,例如入庫單元包括編碼器單位,識別單位等。

邏輯對象是一系列軟件包,它實現的必須是MES系統管理的現有功能或今后可拓展的功能,例如在物料驗收區域,可以引進一個邏輯單元,該單元包括用于管理、維護、生產訂單和生產數據分析等功能組件。物理對象可通過屬性(Attribute),時間(Event)和方法(Method)進一步描述。

屬性對應于對象相關的各種參數,例如加熱爐中的當前溫度,事件對應于發生在對象中的某些事件,例如有一個單元中發現缺少某些原材料。事件具有描述輸入和輸出數據的參數,方法表示對象可以或者應該可以完成的功能,例如給攪拌器添加物料或加熱器開始加熱等,每件方法都表示一種功能。

建模從定義基本的物理對象開始,相同的物理對象稱為類(Class),通過類可導出子類(Sub-Class),然后定義類的實例(Instance)。類只需定義一次就可以在整個系統中重復使用。

建模階段的最后一步是通過方法時間屬性等建立模塊,由模塊構成生產作業,并組裝成比較高級的功能,生產作業的概念是建模的基礎。生產作業是以圖形方式定義的,因此當需要對其行為特性進行調整時,就可以很方便地通過圖形進行修改。生產作業的集合就是一個物理工廠。

屬性、事件、方法及生產作業與類是關聯在一起的,對某一個類進行實例說明時,就會自動對所有同一個類及其相關的方法、事件、屬性和生產作業等也進行實例說明,例如在物料驗收區域有二個稱重單元,在建模階段,對稱重單元的類和其相關的屬性等和生產作業進行定義,可對同一個類創建多個實例,每個實例的參數只是細微的不同。

(2)系統建立在建模階段,只是定義物理對象,邏輯對象直到生產作業所代表的行為特性和功能,不需要考慮它們在實施方面的情況,但在系統建立階段,就需要具備詳細的實施知識。通常有三①通過供應商所提供的成套軟件;②通過采用第三方的軟件;③通過采用傳統的應用軟件。

方案①,只需通過供應商提供的軟件進行配置,就可實施所需要MES功能,MES功能組件方由供應商成套提供。方案②和方案③是基于第三方的軟件或傳統應用軟件可以提供所需要的MES功能,在這種情況下所需要的是實現和系統軟件的連接。最常見的方法是通過 COM技術(Connection-oriented Mode,面向連接的方式)來完成連接。或者是通過由Visual Basic語言開發的通信包裹器(Communication Wrapper)將第三方軟件或傳統的應用軟件包裹起來,選擇系統軟件就可以進行配置,以實現和前者的相互通信。

(3)運行當完成物理對象,邏輯對象等建模和系統建立后,便可以運行MES的功能組件。經由
HMI或系統軟件對MES功能組件進行實時監控。運行過程是以顏色區分的,例如綠色表示成功運行,紅色表示發生了故障或出錯,褐色意味該部分生產作業處于暫停狀態,而黃色則表示當前正在運行。


3 制造執行系統的功能足見
    MES的主要功能組件如下:
    ·訂單管理:包括新單導入,訂單分解,訂單鏈接,訂單分配,訂單執行和監控等。

    ·物料管理:包括物料模型,物料屬性定義,物料清單定義,物料主數據導入,物料屬性跟蹤,物料位置跟蹤,物料歷史數據歸檔,前溯和后溯等。

    ·資源管理:包括機器,工具,人員以及原材料和生產產品信息等資源的管理。

    ·質量管理:所有影響生產質量的過程參數集中在一個數據庫中,并與實時檢測的生產數據進行比較和分析,協助管理人員及時識別出質量問題及其影響趨勢。

    ·生產調度,生產分配和生產執行:包括生產和資源的計劃編制和調度管理;對生產設備和人力資源等生產要素的分配;對生產人員下達各種執行指令(包括手動和自動)等。

    ·生產跟蹤和追溯:按照生產計劃,批號,制造日期,產品類型,供應商和包裝,原材料等來跟蹤每一個產品以及運行狀況,報普,返修和其它與生產相關的數據的跟蹤。

    ·數據采集:采集生產數據信息,包括歷史數據,事件數據,造作員的輸入數據信息和造作記錄以及產品生產過程中的任何信息數據,其它還有如生產績效分析,生產中斷分析和維護管理等MES功能組件。
 
4 效益和MES的發展趨勢
    根據Industry Directions公司提供的資料,通過實際應用MES,可以明顯地提升生產率,降低成本,從而獲得更大的收益。ARM調研公司的分析報告中肯定了該公司來自推行MES所獲得的經濟效益,該報告中還指出:如果按照傳統的成本削減標準來衡量,則在實施MES后的6到24個月,就可以收回其本身所耗費的投資。然而,長期運行MES所增加的回報遠遠超出最初的預料,有一些制造企業已得到了每年6到10倍于投資的豐富匯報,這就是近年來,MES的應用快速增長的原因。軟件可商已在響應的HMI/SCADA基礎上,特別是微軟Microsoft. NET平臺計劃實施后,進一步涉足MES市場,而MES開發商也在其產品中結合HMI/SCADA的特點。今后的趨勢是相互協作、共同提高,以便能更好地滿足制造業等日益高漲的各種需求。
 

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