制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的發(fā)展和挑戰(zhàn)

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制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的發(fā)展和挑戰(zhàn)

彭 瑜
當(dāng)前擺在人們面前的嚴(yán)峻問題是,，如何使對(duì)企業(yè)信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的投資能迅速取得回報(bào),？看來正確認(rèn)識(shí)MES的作用和正確地發(fā)揮MES的作用是非常關(guān)鍵的事情,。本文將重點(diǎn)放在至今在國(guó)內(nèi)尚未引起足夠注意的MES,，以期對(duì)這個(gè)溝通ERP和生產(chǎn)制造的控制系統(tǒng)之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)給予應(yīng)有的重視,。
引 言
20世紀(jì)90年代以來,，經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)日益增加,，信息技術(shù)的發(fā)展極為迅速,，市場(chǎng)環(huán)境發(fā)生了根本性的變化。顧客驅(qū)動(dòng)已成為市場(chǎng)的主要特征,，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要素涉及到工控時(shí)間,、質(zhì)量、價(jià)格,、服務(wù)和環(huán)境,。而信息技術(shù)的廣泛采用，使得以顧客訂貨和市場(chǎng)需求為軸心的生產(chǎn)活動(dòng)已可以不受時(shí)間和地域的限制,，競(jìng)爭(zhēng)的高科技含量因此大大提高了,。面對(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)界的重要對(duì)策就時(shí)采用將制造技術(shù)與信息技術(shù),、自動(dòng)化技術(shù),、現(xiàn)代管理技術(shù)和系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)有機(jī)融合的新一代先進(jìn)制造技術(shù)。以此為契機(jī),，企業(yè)資源計(jì)劃ERP和制造執(zhí)行系統(tǒng)MES從理念發(fā)展到軟件平臺(tái),，再形成完整的系統(tǒng),，并開始了較為廣泛的應(yīng)用。它們或以軟件平臺(tái)形式出現(xiàn),，或以系統(tǒng)形式出現(xiàn),，或以應(yīng)用服務(wù)的形式出觀，這預(yù)示著人類正在進(jìn)入電子商務(wù)和電子制造完美結(jié)合的新時(shí)代,。
ERP立足于經(jīng)濟(jì)全球化的環(huán)境,，面向正在迅速形成的供應(yīng)鏈，從企業(yè)全局的角度對(duì)經(jīng)營(yíng)和生產(chǎn)進(jìn)行全面計(jì)劃,，并實(shí)施企業(yè)資源的一體化管理,。它以財(cái)務(wù)管理為核心，將資金流,、物流與信息流加以有機(jī)結(jié)合,，使整體價(jià)值鏈管理的概念得以實(shí)現(xiàn)。它集成了供應(yīng)鏈管理功能,，強(qiáng)調(diào)供應(yīng)商,、制造商與分銷商之間的新型伙伴關(guān)系，支持企業(yè)后勤管理,，形成對(duì)市場(chǎng)快速響應(yīng)的能力,。它強(qiáng)調(diào)企業(yè)流和半制成品的管理，通過對(duì)半制成品的管理實(shí)現(xiàn)企業(yè)的人員,、財(cái)務(wù),、制造與銷售之聞的整合，支持企業(yè)業(yè)務(wù)過程重組,。按理,，在生產(chǎn)制造計(jì)劃中，ERP支持MES的管理模式,，通過MES支持不同行業(yè)(就大的分類而言,，主要是離散制造業(yè)，流程工業(yè)和批量流程工業(yè))的管理模式,。但仍然需要化大力氣去解決ERP與MES之間如何針對(duì)特定工業(yè)企業(yè)建立協(xié)同作用的解決方案和實(shí)際存在的問題,。
在典型的ERP軟件平臺(tái)中，財(cái)務(wù)管理(包括會(huì)計(jì)核算,，財(cái)務(wù)管理),、生產(chǎn)控制(包括生產(chǎn)計(jì)劃，制造),、物流管理(包括采購(gòu),，庫(kù)存管理，銷售)和人力資源管理等是基本功能模塊,。過去的若干年來,，ERP在國(guó)內(nèi)得到了較廣泛的重視,，一些企業(yè)花了大量資金上ERP。但就一般情況而言,，商業(yè)企業(yè)從ERP中獲得的利益比較明顯,，而工業(yè)企業(yè)卻沒有那么幸運(yùn)，甚至受到不同程度的損害,。這一現(xiàn)象并非我國(guó)獨(dú)有,，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也是如此。美國(guó)ARC公司調(diào)查結(jié)果顯示,，53％的客戶反映ERP對(duì)工廠生產(chǎn)存在負(fù)面影響。怪不得有人說：不上ERP是等死,，上了ERP找找死,。這里反映出在ERP實(shí)施過程中確實(shí)存在一些不可忽視的問題，其中最主要的是光有ERP并不能幫助和指導(dǎo)工廠分析其生產(chǎn)的瓶頸,，改進(jìn)和控制產(chǎn)品的質(zhì)量,，以及對(duì)具體的產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)行排產(chǎn)；ERP不但沒有調(diào)動(dòng)工廠管理人員的積極性,，反而把他們降格為一種信息的收集者,；ERP雖有生產(chǎn)控制模塊，但難以真正在工廠層中使用,。如果不加分析和改進(jìn)這些問題,，其結(jié)果則是將IT推離、而不是融人工廠的生產(chǎn)活動(dòng),。
但是對(duì)于一個(gè)企業(yè),，如果僅僅從生產(chǎn)工廠的視角來分析其在競(jìng)爭(zhēng)中所處的地位，顯然是短視的,。即使是最好的MES解決方案,，對(duì)于整個(gè)企業(yè)來講，也不過是提供一個(gè)相對(duì)狹窄的視角,，缺乏在管理層為進(jìn)行決策支持所需要的生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)的廣度和深度,。這就啟示我們，完整的,、能夠引導(dǎo)一個(gè)企業(yè)保持長(zhǎng)期的業(yè)務(wù)利益和價(jià)值的企業(yè)信息系統(tǒng),，必須是控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES和企業(yè)規(guī)劃系統(tǒng)ERP三者協(xié)同作用的整合,�,？上У氖牵�在人們認(rèn)識(shí)到ERP的重要作用的同時(shí),，并不曾給予MES足夠的重視,，更何況上ERP項(xiàng)目動(dòng)輒要投資上千萬,，甚至上億元。一般中小企業(yè)難以承擔(dān),，即使是大型企業(yè)花那么多錢也不是輕而易舉的,。當(dāng)前擺在人們面前的嚴(yán)峻問題是，如何使對(duì)企業(yè)信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的投資能迅速取得回報(bào),？看來正確認(rèn)識(shí)MES的作用和正確地發(fā)揮MES的作用是非常關(guān)鍵的事情,。本文將重點(diǎn)放在至今在國(guó)內(nèi)尚未引起足夠注意的MES，以期對(duì)這個(gè)溝通ERP和生產(chǎn)制造的控制系統(tǒng)之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)(見圖1)給予應(yīng)有的重視,。
一,、MES的定義
按照國(guó)際MES協(xié)會(huì)所給出的定義，MES提供從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過程的生產(chǎn)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的信息,。它采用當(dāng)前的和精確的數(shù)據(jù),，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行初始化，及時(shí)引導(dǎo),、響應(yīng)和報(bào)告工廠的活動(dòng),，對(duì)隨時(shí)可能發(fā)生變化的生產(chǎn)狀態(tài)和條件作出快速反應(yīng)，重點(diǎn)削減不會(huì)產(chǎn)生附加值的活動(dòng),，從而推動(dòng)有效的工廠運(yùn)行和過程,。MES改善運(yùn)行設(shè)備的回報(bào)，以及改善及時(shí)交貨,、庫(kù)存周轉(zhuǎn),、毛利和現(xiàn)金流通性能。MES通過雙向通信,，提供整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)以及供應(yīng)鏈中以任務(wù)作為關(guān)鍵因素的(mission critical)信息,。其關(guān)鍵詞是精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這是以業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的（transaction-based)ERP和MRP-Ⅱ系統(tǒng)未曾加以考慮的,。
美國(guó)AMR研究公司對(duì)MES也有自己的定義：MES是一個(gè)常駐工廠層的信息系統(tǒng),，介于企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層的計(jì)劃系統(tǒng)與主生產(chǎn)過程的直接工業(yè)控制系統(tǒng)之間。它以當(dāng)前視角向操作人員／管理人員提供生產(chǎn)過程的全部資源(人員,，設(shè)備,，材料,工具和客戶要求)的數(shù)據(jù)和信息。
其著重點(diǎn)是將信息技術(shù)運(yùn)用于改善制造過程,。在AMR的MES集成企業(yè)模型中分為3層：承擔(dān)企業(yè)全面管理,，包括會(huì)計(jì)／財(cái)務(wù)系統(tǒng)的管理決策層ERP；承擔(dān)工廠級(jí)協(xié)調(diào)／跟蹤跋現(xiàn)并監(jiān)控趨勢(shì)的執(zhí)行層MES,；承擔(dān)工廠生產(chǎn)控制的控制層,。美國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所(NIST)有關(guān)MES定義的表述是：為使從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過程的管理活動(dòng)得以優(yōu)化，采集硬件嗽件的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。
由上可知,，關(guān)于MES的定義存在一些不同的表述,。但是，以下幾點(diǎn)共識(shí)還是普遍被接受的：
*MES在整個(gè)企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下,，是生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息溝通的橋梁,。
*MES采集從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過程的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，目的在于優(yōu)化管理活動(dòng),。它強(qiáng)調(diào)是當(dāng)前視角,，即精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
*從對(duì)實(shí)時(shí)的要求而言,，如果說控制層要求的實(shí)時(shí)的時(shí)間系數(shù)為1,，那么,MES的時(shí)間系數(shù)為1O,ERP的時(shí)間系數(shù)為100。
二,、我們?yōu)槭裁葱枰狹ES?
在許多工廠中,，全廠管理的功能目前仍然由文件和人工系統(tǒng)進(jìn)行，通常有經(jīng)驗(yàn)的人員執(zhí)掌著工廠生產(chǎn)效益的鑰匙,。在大多數(shù)運(yùn)行中，人工系統(tǒng)和有經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行人員的判斷總是起著重要作用,。但是,，市場(chǎng)要求產(chǎn)品的品種和數(shù)量經(jīng)常變化，靠人工和經(jīng)驗(yàn)調(diào)整生產(chǎn)顯然效率低,、反應(yīng)慢,、缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。而且人工系統(tǒng)也不可能適應(yīng)產(chǎn)品,、工藝,、技術(shù)和用戶要求日趨加速的變化。由于生產(chǎn)運(yùn)行變化如此迅速,，MES的信息的及時(shí)性要求以分,，甚至秒的速度進(jìn)行反應(yīng)，此時(shí)光靠人恐怕不行,。因此,，采用MES帶來的效益不言而喻。
ERP／MRP的環(huán)境是以具體事務(wù)為基礎(chǔ)的,。其數(shù)據(jù)交換系對(duì)生產(chǎn)調(diào)度,、運(yùn)輸安排或?qū)ι�產(chǎn)計(jì)劃要求的響應(yīng)。與此不同的是,，控制的決策必須在秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)完成,，它對(duì)生產(chǎn)過程、操作人員，或?qū)Σ牧系牟僮餍枨笞鞒鲰憫?yīng),。顯然,，實(shí)時(shí)環(huán)境和實(shí)時(shí)響應(yīng)的差異影響著絕大多數(shù)的具體事務(wù)和在控制層的執(zhí)行。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和控制流在ERP與控制層之間存在著巨大的鴻溝,。傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)向主管財(cái)務(wù)的總經(jīng)理和財(cái)務(wù)管理負(fù)責(zé)人報(bào)告,，居于管理層；而傳統(tǒng)的工程生產(chǎn)信息則向負(fù)責(zé)生產(chǎn)的總經(jīng)理報(bào)告,；職責(zé)不同,，相互之間的溝通不一定能做到及時(shí)且細(xì)致深入。
與此相反,，MES能提供的材料數(shù)據(jù)是與生產(chǎn)消耗相關(guān)的,，同時(shí)能生成基于精確執(zhí)行時(shí)間的材料供應(yīng)提前量，這將改善倉(cāng)儲(chǔ)控制,。準(zhǔn)確的生產(chǎn)模型是與實(shí)際測(cè)量相對(duì)于計(jì)劃時(shí)間表的關(guān)系緊緊相連的,，因而可用來修正過程模型，而且有助于精確表達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)時(shí)行為,。
在當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的世界經(jīng)濟(jì)中,，要占有“最有價(jià)值”的地位，必須使企業(yè)具有最好的質(zhì)量,、最佳的客戶服務(wù),、最低的制造成本、快速響應(yīng)以及靈活性的特點(diǎn),。而要達(dá)到這樣的水平,，就必須在正確的時(shí)間提供正確的信息才可能進(jìn)行最佳的決策。這就要求不斷地對(duì)公用的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行改善,，同時(shí)讓每個(gè)部門都擁有把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用信息的工具,。怎么能做到這些呢?唯有MES才能真正向企業(yè)提供以上這些功能。
三,、MES在信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的地位
主要的制造信息系統(tǒng)有：ERP(企業(yè)資源計(jì)劃),、SCM(供應(yīng)鏈管理)、SSM(銷售和服務(wù)管理),、P／PE(產(chǎn)品和過程工程),，以及MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))和控制。這些系統(tǒng)每一個(gè)都有其一定的功能,，包括若干不同的模塊,。它們間存在一些重疊，如調(diào)度可能出現(xiàn)在MES和SCM,；勞務(wù)管理出現(xiàn)在MES,、SSM,、ERP中的人力資源(HR)功能模塊中；文件管理出現(xiàn)在MES和P／PE,；過程管理出現(xiàn)于MES和控制中,。
ERP包括財(cái)務(wù)、訂貨管理,、生產(chǎn)和材料計(jì)劃,，以及相關(guān)功能；
SCM包括預(yù)測(cè),、分配和后勤,、運(yùn)輸管理、電子商務(wù)以及高級(jí)計(jì)劃系統(tǒng),；
SSM包括銷售力自動(dòng)化,、產(chǎn)品配置、服務(wù)報(bào)價(jià),、產(chǎn)品返回等,；
P／PE包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)／制造(CAD／CAM)、過程建模以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(即PDM)：
控制包括DCS,、PLC,、SCADA、DNC(分布式數(shù)控),，以及其它計(jì)算機(jī)化控制裝置,。
四、MES與其它系統(tǒng)的關(guān)系
給出了MES和ERP,、SCM,、SSM,、P／PE,，以及控制系統(tǒng)之間實(shí)施數(shù)據(jù)交換的相互關(guān)系，主要是：MES作為生產(chǎn)制造系統(tǒng)的核心向其它系統(tǒng)提供有關(guān)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)：
MES向ERP提供實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù),，如成本,、周期時(shí)間、產(chǎn)出和其它生產(chǎn)數(shù)據(jù),。
MES向SCM提供實(shí)際訂貨狀態(tài),、生產(chǎn)能力和容量、班次間(shift-to-shift)的約束等,。
MES向SSM提供在一定時(shí)間內(nèi)根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備和能力成功進(jìn)行報(bào)價(jià)和交貨期的數(shù)據(jù),。
MES向P／PE提供有關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)出和質(zhì)量的實(shí)際數(shù)據(jù)，便于CAD／CAM作適當(dāng)調(diào)整,。
MES向控制提供在一定時(shí)間內(nèi)使整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備以優(yōu)化的方式進(jìn)行生產(chǎn)的工藝規(guī)程,、配方和指令等，將其下載。
五,、其它信息系統(tǒng)向MES提供的數(shù)據(jù)
MES也從其它系統(tǒng)取得數(shù)據(jù),，以保證工廠的智能化操作運(yùn)行。例如ERP的生產(chǎn)計(jì)劃模塊供給MES作工作調(diào)配,；供應(yīng)鏈向MES提供計(jì)劃和調(diào)度是為了確定工廠生產(chǎn)活動(dòng)的時(shí)間表,；銷售／服務(wù)的配置和報(bào)價(jià)模塊為MES提供生產(chǎn)信息的底線；P／PE向MES發(fā)出工作指令,、配方(recipe,泛指一組相互關(guān)連的工藝數(shù)據(jù),，也可能是一組材料的比例)、工藝規(guī)程和運(yùn)行參數(shù),；來自控制的數(shù)據(jù)用作測(cè)量實(shí)際性能和操作條件,。
六、MES的功能模型
按照MESA的定義,MES共有11個(gè)功能模塊(見圖6),，包括：資源(包括機(jī)械設(shè)備,、工具、熟練勞工,、材料,、其它設(shè)備及文檔等)配置和狀態(tài)模塊；生產(chǎn)單元(以任務(wù),、訂單,、批次、批量和工作命令等形式表達(dá))調(diào)度模塊,；數(shù)據(jù)采集／獲取模塊,；質(zhì)量管理模塊；維護(hù)管理模塊,；性能分析(提供不超過以分為計(jì)時(shí)單位的實(shí)際制造運(yùn)行結(jié)果的報(bào)告,，包括SPC／SQC)模
塊；運(yùn)行細(xì)節(jié)計(jì)劃編制與調(diào)度(提供按分鐘為時(shí)間單位編制的基于優(yōu)先級(jí),、屬性,、特性和／或與具體特性相關(guān)的配方、工藝等的安排順序)模塊,；文件／文檔控制模塊,；勞務(wù)管理模塊；過程管理(監(jiān)控生產(chǎn),，并自動(dòng)校正或向操作人員提供決策支持,，以校正和改善生產(chǎn)流程中的活動(dòng))模塊；產(chǎn)品跟蹤模塊,。
由于每個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)和流通流程不同,，還有其特定的行規(guī),，不同的行業(yè)對(duì)MES的要求和著重點(diǎn)是完全不同的。例如電子工業(yè)通常要求MES著重于建立精確的產(chǎn)品記錄,，即使在產(chǎn)品經(jīng)常變化以及工藝和設(shè)計(jì)經(jīng)常變化的情況下仍有精確記錄,。紡織行業(yè)、食品工業(yè)以及許多批量處理的行業(yè)使用MES是為了改善設(shè)備利用率,，保證不問斷的批量記錄,，進(jìn)行配方管理和加速生產(chǎn)過程。宇航和軍工企業(yè)需要MES能滿足在線的工作指令,，在加工過程中保持出錯(cuò)幾乎為零,，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完整的歷史記錄以保證法規(guī)和用戶的檢驗(yàn)，以及跟蹤大項(xiàng)目的進(jìn)程,。制藥行業(yè)通常要求MES能精確地進(jìn)行便于管理的批量記錄,，證明產(chǎn)品符合法規(guī)。
甚至同一個(gè)行業(yè)中不同企業(yè)也各具特色,，所以MES軟件包總是針對(duì)某一個(gè)行業(yè)的特定要求而開發(fā)的,。而且MES具體的應(yīng)用程序開發(fā)和應(yīng)用服務(wù)的工作量相當(dāng)大，也相當(dāng)專業(yè)化,。
這就往往造成MES的開發(fā)成本和應(yīng)用成本過高,，反過來又影響MES大面積的推廣應(yīng)用。
七,、MES帶來的效益
基于MES用戶的經(jīng)驗(yàn),，使用MES所帶來的效益很可觀。相比于其它任何制造軟件,MES應(yīng)該是最具吸引力的：平均減少制造周期時(shí)間45％,；一般減少數(shù)據(jù)輸入時(shí)間為75％以上,；平均減少半成品(WlP)24％：平均減少為交班而準(zhǔn)備的紙面工作61％；平均減少引導(dǎo)時(shí)間27％．,；平均減少紙面工作和設(shè)計(jì)藍(lán)圖所帶來的損失56％：平均減少產(chǎn)品缺陷18％,。
以上列舉的若干統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是由國(guó)際MESA協(xié)會(huì)通過調(diào)查研究確定的，具有充分的根據(jù),。
八,、ISASP95—正在形成中的MES標(biāo)準(zhǔn)
為了進(jìn)一步規(guī)范MES,，正在制定和發(fā)展企業(yè)信息整合(集成)標(biāo)準(zhǔn)和模型,，但是大多數(shù)是針對(duì)一種特定的工業(yè)門類或類似的幾種工業(yè)門類的。例如,，歐洲技術(shù)委員會(huì)CEN TC310WGl正在為制造業(yè)制訂高級(jí)信息集成解決方案,。AachenlnformationSystems在為化學(xué)工業(yè)開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)和元數(shù)據(jù)庫(kù)(meta-database)信息集成。ISO正在開發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP(STandard forExchange ofProductdata),。從1997年開始美國(guó)儀表學(xué)會(huì)啟動(dòng)了編制ISASP95企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)的工作,，還有ISA的批量控制標(biāo)準(zhǔn)ISASP8,。
已經(jīng)成為ISA正式標(biāo)準(zhǔn)的ISA SP95.00.01企業(yè)控制系統(tǒng)集成第1部份模型和專用術(shù)語(yǔ)目前已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織IEC／ISO所接受，正在發(fā)展成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),。它詳細(xì)規(guī)定了業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)和后勤支持系統(tǒng)與生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)之間的接口,。其功能模型主要依據(jù)國(guó)際MES協(xié)會(huì)提出的模型和美國(guó)普渡大學(xué)著名教授T．Williams指導(dǎo)下提出普渡企業(yè)參考體系結(jié)構(gòu)PERA。
ISASP95．00．01的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了4種主要資源類型,，即人員,、材料、設(shè)備和流程段(process　segment),。前3種資源定義表示人員,、材料和設(shè)備的信息，可進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換,；第4種資源從制造流程的角度向經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)提供關(guān)于材料,、勞力和設(shè)備的計(jì)劃和成本的信息。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了4個(gè)附加的交換信息集合：生產(chǎn)能力信息,、產(chǎn)品信息,、生產(chǎn)要求和生產(chǎn)響應(yīng)。這些信息的動(dòng)態(tài)交換通常是在系統(tǒng)之間進(jìn)行,，也是當(dāng)前大多數(shù)經(jīng)營(yíng)管理與制造信息集成的基礎(chǔ),。標(biāo)準(zhǔn)定義了這類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和表達(dá)這些信息之間的復(fù)雜相互關(guān)系的方法。生產(chǎn)能力界定經(jīng)營(yíng)管理調(diào)度所需要的信息,；產(chǎn)品界定包括生產(chǎn)一種單一產(chǎn)品(或某種產(chǎn)品的一個(gè)生產(chǎn)批次)所需要的材料,、設(shè)備和人員。生產(chǎn)要求或稱排產(chǎn)調(diào)度(preductionschedules)界定安排其進(jìn)行生產(chǎn)的工廠及相關(guān)材料,、設(shè)備和人員,。生產(chǎn)響應(yīng)或稱生產(chǎn)特性則界定實(shí)際生產(chǎn)的工廠和實(shí)際所用的材料、設(shè)備和人員,。
ISAS795．00．02企業(yè)控制系統(tǒng)集成第2部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和屬性在2001年上半年成為ISA的正式標(biāo)準(zhǔn),。該部分并未增加任何有關(guān)集成模型的新概念，但是對(duì)第1部分所定義的內(nèi)容作出詳細(xì)的規(guī)定,，并通過舉例和圖解進(jìn)行進(jìn)一步的解釋,。例如按可使用的人員、所用的材料和已加工的材料所用的設(shè)備,，以及所用的排產(chǎn)調(diào)度和成本控制的流程段來描述生產(chǎn)信息,。在該標(biāo)準(zhǔn)的第1和第2部分沒有對(duì)系統(tǒng)之間的信息交換規(guī)定一種正式的協(xié)議或詳盡的格式，僅僅提供了發(fā)生交換的基礎(chǔ),。正在編制中的第3部分將要定義為了最終達(dá)到企業(yè)信息集成,，而必須對(duì)發(fā)生在生產(chǎn)制造與經(jīng)營(yíng)管理和后勤支持系統(tǒng)之間的各種活動(dòng)進(jìn)行非對(duì)稱采集的模型。
ISA SP95的第三部分試圖通過定義和詳細(xì)規(guī)定發(fā)生在管理層與制造層之間的數(shù)據(jù)流和功能來重點(diǎn)解決互操作性的問題,。它定義最小或基本功能(組件),，以及包括支持管理層與制造層之間交換信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)流,。借助于用一種共同語(yǔ)言，使用戶和MES開發(fā),、供應(yīng)商都能以更有效和精確的方法交流,、描述自己的要求，表達(dá)可提供MES軟件包和服務(wù)的能力,。該標(biāo)準(zhǔn)還具備靈活性,，允許MES開發(fā)、供應(yīng)商增加其附加值的功能,。例如一個(gè)用戶要實(shí)現(xiàn)一種新的數(shù)據(jù)歷史記錄功能,，他發(fā)現(xiàn)由SP95定義的8個(gè)數(shù)據(jù)歷史記錄功能中5個(gè)可滿足其要求。如果某種功能超出了SP95的范圍,，那么用戶可以尋求一個(gè)供應(yīng)商,，其軟件產(chǎn)品既符合SP95，又能提供額外的功能,。
對(duì)ISA SP95標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是,，它必須滿足多種工業(yè)和行業(yè)對(duì)企業(yè)信息集成的需要。它必須搞成一個(gè)適用于食品工業(yè),、化學(xué)工業(yè),，以及電子工業(yè)這些不同類型的工業(yè)的跨行業(yè)的定義集合，從而保證SP95可以成為復(fù)蓋離散型制造業(yè),、連續(xù)流程制造業(yè)和批處理流程制造業(yè)的MES的標(biāo)準(zhǔn),。
九、為降低風(fēng)險(xiǎn),，提高投資回報(bào)率,，從MES入手
面向制造業(yè)和過程工業(yè)的ERP在經(jīng)歷了如年代后期的穩(wěn)健增長(zhǎng)后，在2001年和2002年有顯著的下降,。軟件包的許可證收入受到的打擊最厲害,，而服務(wù)的收入繼續(xù)強(qiáng)勁。同時(shí)在大規(guī)模的ERP項(xiàng)目已趨于飽和后,，大多數(shù)ERP供應(yīng)商正在全力開發(fā)中小規(guī)模項(xiàng)目的市場(chǎng),。這說明，如何使企業(yè)信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的投資迅速取得回報(bào),，引起企業(yè)管理層的極度重視,。目前廣大的制造業(yè)和流程工業(yè)正在把投資轉(zhuǎn)向工廠級(jí)的IT項(xiàng)目聚焦于MES，或在2001年ISA展覽會(huì)上稱的工廠軟件上,。因?yàn)閺倪@里切入,，顯然要比大把大把的錢花在無盡頭的企業(yè)IT改造上的風(fēng)險(xiǎn)低得多,。據(jù)稱,，一個(gè)典型的工廠信息項(xiàng)目其投資回收周期少于12個(gè)月,。這種投資回報(bào)易于定量，且完全可用真實(shí)的工廠數(shù)據(jù)加以檢驗(yàn),。
在經(jīng)歷過去十年多的努力實(shí)踐和改進(jìn)后,，MES技術(shù)顯著地變得成熟。它不但有著明確的定義,、統(tǒng)一的名詞術(shù)語(yǔ)和參考模型,，而且正在制定相關(guān)的包括MES基本功能、XML擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言綱要等在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn),，甚至出現(xiàn)了所謂最佳實(shí)踐的微軟的解決方案架構(gòu)和通用建模語(yǔ)言(Mcrosoft Solution Framework and Universal Modeling Language),。不過我們還應(yīng)有清醒的認(rèn)識(shí)：如果沒有恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃，MES的挑戰(zhàn)仍然是高風(fēng)險(xiǎn)的,。只有把目標(biāo)確定為既保證易于在MES本身內(nèi)部和ERP,、SCM等組合的靈活性，又能采用不斷改進(jìn)的新制造工藝的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),，求取制造過程的優(yōu)化,，才能漸進(jìn)地、逐步地通過MES的實(shí)踐取得高投資回報(bào),。
十,、MES正面臨著許多挑戰(zhàn)
文獻(xiàn)指出MES面臨著十個(gè)挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)相互有關(guān),，而且因各別環(huán)境而相互關(guān)連的權(quán)重也存在差異,。就其典型情況而言，在這些挑戰(zhàn)中,，80％屬于企業(yè)文化的范疇,，只有20％才屬技術(shù)范疇。這些挑戰(zhàn)主要是：
*上MES項(xiàng)目時(shí)如何使得工廠和企業(yè)形成雙贏局面,。如果工廠人員拒絕引入MES和拒絕對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)作相應(yīng)的改造,，或者如果企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層不理解或支持工廠的改造，再好的MES的應(yīng)用也會(huì)淪為失敗,。
*不同行業(yè)之間的MES應(yīng)用存在巨大差異,。對(duì)不同行業(yè)的MES的形態(tài)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該抓住每種制造環(huán)境的基本的和本質(zhì)的癥結(jié)所在,。
*對(duì)MES系統(tǒng)維護(hù)的矛盾,。MES是一種應(yīng)用于工廠的動(dòng)態(tài)的IT解決方案，經(jīng)常因產(chǎn)品,、流程,、以及新老產(chǎn)品的產(chǎn)出比例發(fā)生變化而不斷地有所改變，由于數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)由過程要求和具體事務(wù)的負(fù)荷導(dǎo)出的數(shù)據(jù)模型,，所以當(dāng)過程或產(chǎn)品發(fā)生改變,，數(shù)據(jù)模型也必須相應(yīng)“遷移”,。其中包含報(bào)表結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)關(guān)系的規(guī)格化，以及增加數(shù)據(jù)負(fù)荷,。如果用戶在老模型上附加表格,，過程的性能將會(huì)很快變壞，致使生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)速度減慢,，于是形成了MES應(yīng)用的瓶頸,。一般地說在5年的周期內(nèi)，MES的應(yīng)用軟件會(huì)有30—50％的變化,。而且MES系統(tǒng)有7／24的跨多個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備接口需要維護(hù),。因此公司必須聘請(qǐng)或培養(yǎng)具有過程控制、IT和管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)工作知識(shí)的制造業(yè)IT專家,。
*建立一種共同語(yǔ)言 MES的整合不是輕而易舉的,。問題出在工廠和企業(yè)的應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不盡相同。企業(yè)和MES的應(yīng)用程序要求共同的規(guī)格,，以便于在引入新產(chǎn)品和新流程時(shí),，能有效地處理業(yè)務(wù)管理的改變，從而確定標(biāo)準(zhǔn)的工廠側(cè)流程,。這是軟件維護(hù)的矛 盾,，改變管理是MES在生命周期、低成本和迅速的投資回報(bào)等方面獲得成功的關(guān)鍵,。工廠側(cè)的系統(tǒng)用基于生產(chǎn),、產(chǎn)品的語(yǔ)言予以處理，然后由MES加以分析變換為ERP的術(shù)語(yǔ)—工廠最大產(chǎn)量和能力,，也為供應(yīng)鏈規(guī)劃和制定生產(chǎn)的時(shí)間進(jìn)度提供相關(guān)數(shù)據(jù),。鑒于一個(gè)公司為優(yōu)化產(chǎn)品制造和形成流水線作業(yè)，通過它的綜合IT系統(tǒng)和管理流程,，對(duì)其下屬工廠的生產(chǎn)安排的變化有著相當(dāng)直接的影響,，因此為了簡(jiǎn)化接口，公司必須在許多技術(shù)細(xì)節(jié)方面與其下屬的所有工廠和原有的綜合系統(tǒng)取得一致,。這包括：共同的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,；共同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；共同的事件和通報(bào)模型,；共同的設(shè)備接口和應(yīng)用軟件接口,；共同的應(yīng)用程序整合方法；共同的業(yè)務(wù)間(B2B)信息格式,。如果每一個(gè)工廠都用相同的操作系統(tǒng)和中間件,，上述問題就變得容易了。但是，許多工廠卻用了好幾種操作系統(tǒng)和好多種組件結(jié)構(gòu),，這樣就有待于發(fā)展共同的語(yǔ)言了,。好在為垂直綜合和水平的工廠整合而發(fā)展的共同的語(yǔ)言已進(jìn)入了最后階段，這就是一系列的CIM的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，從參考模型到目標(biāo)模型,，再到XML綱要和數(shù)據(jù)模型,。這將極大地簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件和接口的設(shè)計(jì),、維護(hù)和管理方法的改變。
*建立一種共同的通信協(xié)議書 隨著新一代以XML為基礎(chǔ)的應(yīng)用軟件—可重用基本設(shè)計(jì)架構(gòu)(A2F,，Application-to-Framework)的企業(yè)應(yīng)用軟件接口(EAl)問世,，IT的亞結(jié)構(gòu)為建立企業(yè)和工廠接口可減少50％的成本。隨著技術(shù)的成熟,，實(shí)現(xiàn)MES的成本及MES的維護(hù)成本將持續(xù)走低,。許多當(dāng)前的整合實(shí)踐使用了應(yīng)用軟件間(A2A，Application-to-Ａpplication)的接口,，在整個(gè)企業(yè)的IT系統(tǒng)中用了許多不同的通信協(xié)議和語(yǔ)言,。這樣，產(chǎn)品和流程變化,，用戶就需要對(duì)MES進(jìn)行維護(hù),。雖然許多公司已安裝了A2A EAI軟件，建立了接口庫(kù)存系統(tǒng)和對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口進(jìn)行變換(mapping),，但使用A2A EAI,，如果工廠和企業(yè)內(nèi)外的多個(gè)應(yīng)用軟件在運(yùn)行時(shí)，會(huì)使任意應(yīng)用軟件之間的相關(guān)數(shù)據(jù)變得復(fù)雜化,。在A2FEAI軟件中,，信息獨(dú)立地在許多不同的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間傳送，而可重用基本設(shè)計(jì)架構(gòu)充當(dāng)解釋,、翻譯和指導(dǎo),。由此可見，采用A2F的技術(shù)路線,，使公司在實(shí)現(xiàn)新的功能性方面得以增進(jìn),。在此基礎(chǔ)上形成的整合架構(gòu)，為將現(xiàn)有系統(tǒng)升級(jí)為性能價(jià)格比遠(yuǎn)高于目前的IT系統(tǒng)創(chuàng)造了前提條件,。A2F帶來的另一重要優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)在,，它把工廠和企業(yè)的流程從基于應(yīng)用的限制加以抽象，并首先構(gòu)成數(shù)據(jù)模型,。于是公司可為獲取高年利潤(rùn)率和擴(kuò)大市場(chǎng)進(jìn)行最佳決策,，而不必顧及個(gè)別軟件模塊的限制。
*建立有效的管理改變機(jī)制 為了有效地處理MES的許多改變，需要把一種專門的改變管理機(jī)制(CMS,，change management system)和指導(dǎo)委員會(huì)納入企業(yè)的組織之中,。MES指導(dǎo)委員會(huì)應(yīng)進(jìn)行全面的決策和在規(guī)范的基礎(chǔ)上使改變活動(dòng)得到優(yōu)先處理。
*正確地評(píng)估癥結(jié)所在 在一個(gè)企業(yè)開始其漫長(zhǎng)的管控一體化進(jìn)程時(shí),，最艱巨的任務(wù)是在實(shí)現(xiàn)MES的第一階段識(shí)別出效率最差的流程,。一般來說，工廠人員僅以一種定性而又帶有一定的主觀臆斷的方式了解生產(chǎn)的瓶頸和浪費(fèi)所在,，缺少充分的數(shù)據(jù)予以驗(yàn)證,。為了證明MES項(xiàng)目的可行性和確定投資回報(bào)周期，必須對(duì)制造過程作定性分析和評(píng)估,，找出瓶頸和優(yōu)先解決的范圍,。如果環(huán)境允許，先從小范圍起步,。在第一和第二階段,，只在二至三個(gè)自動(dòng)化區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)，且只與企業(yè)管理系統(tǒng)作很少的整合,，甚至不作整合,。之所以作出這樣的折衷，是基于以下的考慮：項(xiàng)目不大,，但也能為完整的整合系統(tǒng)提供一個(gè)內(nèi)容廣泛的數(shù)據(jù)模型,。因此，可在選擇軟件要包括哪些必要的功能性方面,，為第三階段及以后的發(fā)展作出明智的抉擇,。如果經(jīng)濟(jì)上沒有問題，基本上應(yīng)使整個(gè)系統(tǒng)可視化,，這樣便于對(duì)制 造過程和是否滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估,。
*對(duì)事務(wù)負(fù)荷和數(shù)據(jù)模型的要求作出定量分析和配置 一旦完成制造過程評(píng)估，在選擇軟件之前首先要把各種要求加以確定并凍結(jié),。在分析數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)和數(shù)據(jù)負(fù)載中選擇軟件,，結(jié)果導(dǎo)致數(shù)據(jù)模型的確立。此分析勾畫了在最壞的情況時(shí)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,、發(fā)生最壞情況的次數(shù),，以及在一個(gè)生產(chǎn)進(jìn)行過程中同時(shí)出現(xiàn)的事務(wù)類型，在此時(shí)MES不致造成生產(chǎn)周期時(shí)間變慢,。一般地說,，帶寬和響應(yīng)問題主要來自一大批參數(shù)數(shù)據(jù)、測(cè)試算法,、工作命令,，以及在一個(gè)單一客戶過載問題,。一旦確定了數(shù)據(jù)模型和事務(wù)規(guī)范，便可以選擇軟件的體系結(jié)構(gòu),，以使這些規(guī)范達(dá)到最佳,。許多用戶跳過數(shù)據(jù)建模過程，僅基于外在的特性要求就去采購(gòu)軟件,。這或許會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)處于很不正常和存取緩慢的狀態(tài),。
十一、MES軟件開發(fā)及應(yīng)用市場(chǎng)的兩個(gè)動(dòng)向
MES軟件開發(fā)商和MES的系統(tǒng)集成商正在受到來自兩方面的擠壓,，即ERP軟件開發(fā)商和系統(tǒng)集成商自上向下的滲透,，將其功能擴(kuò)展到MES來，以及HMI和SCADA軟件開發(fā)商和系統(tǒng)集成商從下向上的沖擊,，增加MES的功能,。
實(shí)力雄厚的自動(dòng)化系統(tǒng)供應(yīng)商(如Siemens,，Rockwell Automation)都在采取并購(gòu)一些卓有成效的MES公司,，或開發(fā)MES軟件包來?yè)屨糓ES的市場(chǎng)。Siemens收購(gòu)了比利時(shí)的Compex IT Plant Solutions公司的MES產(chǎn)品proCX,主要用于制藥工業(yè)和生物工程,。Rockwell Automation推出了生產(chǎn)管理軟件解決方案RSBizware,，針對(duì)離散制造業(yè)和批量生產(chǎn)過程。
據(jù)了解,，Rockwell Automation還以O(shè)EM方式向北京和利時(shí)公司提供有關(guān)MES的軟件,。
目前的MES軟件產(chǎn)品并不是適合所有行業(yè)的，讀者若有興趣可以查閱參考文獻(xiàn)所給出的MES軟件性能表,。
十二,、小結(jié)
(1)MES在整個(gè)企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下，是生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息溝通的橋梁,。不實(shí)施MES,，管控一體化只是一句空話。對(duì)于面向制造加工業(yè)和過程工業(yè)的ERP,，脫離MES將無法根據(jù)市場(chǎng)需求去組織,、管理和優(yōu)化生產(chǎn)。
(2)MES技術(shù)在過去十年來已顯著地成熟,。但MES的發(fā)展和應(yīng)用是一個(gè)過程,，而不是一個(gè)事件，不可能想象成功的MES實(shí)施是可以一蹴而就的,。要取得長(zhǎng)期的成功,，要求改造制造環(huán)境，要求獲得有組織的支持,，要求管理機(jī)制作適應(yīng)性的改變,。與此同時(shí),，MES軟件在改善維護(hù)、改善與其它IT管理軟件的接口等方面也有待于進(jìn)一步發(fā)展,、提高,。
(3)要使企業(yè)信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的投資迅速取得回報(bào)，從MES人手是一種明智的選擇,。但是MES的實(shí)施需要恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃和細(xì)致的分析,，可從旨在解決一兩個(gè)當(dāng)務(wù)之急的工廠生產(chǎn)瓶頸問題著手，逐步地?cái)U(kuò)大,。