制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能與實踐最新ppt課件(完整版)

1、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的功能與實踐隨著經濟和技術的不斷發(fā)展，當今世界正面臨經濟轉型，第四次工業(yè)革命成為熱點，智能制造也隨之迎來快速的發(fā)展階段。制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）作為生產制造過程的大腦與神經網絡，在今后一段時間里，將是整個制造業(yè)關注的焦點之一。本書以培養(yǎng)高等院校智能制造及相關專業(yè)學生的實際應用能力為最終目標，詳細介紹了MES的主要功能及MES項目實施的方法。書中列舉了制造業(yè)內的實際案例和成功經驗，并用淺顯易懂的語言來描述，讓學生掌握的知識更簡潔、更牢固并更接近制造企業(yè)的實際應用。本書以“基礎理論系統(tǒng)功能實施方法應用案例”為主線，首

2、先介紹MES的基本知識，然后從實施主體和實施商（甲方和乙方）的角度介紹如何在企業(yè)中完整實施MES項目，最后利用實際應用案例將學生帶入MES應用實踐。本書配有大量生產現(xiàn)場的照片，這些照片展示的都是正在企業(yè)中使用或者即將被一些企業(yè)使用的方案。另外，本書在編寫過程中，最大限度地引用了當前比較先進的智能制造技術和MES應用案例。本書的參考學時為48學時，建議采用理論實踐一體化的教學模式，各章的參考學時見下面的學時分配表。前言introduction緒論introduction01MES功能模塊MES function module 02MES項目實施MES project implementation

3、 03目錄catalogue項目實戰(zhàn)：一家小型機械加工企業(yè)的系統(tǒng)設計System design of a small machining enterprise 04項目實戰(zhàn)：一家大型汽車生產企業(yè)的制造運行模式及應用Manufacturing operation mode and application of a large automobile production enterprise0501緒論隨著工業(yè)4.0時代的來臨，智能工廠、智能生產和智能物流廣泛興起，企業(yè)信息集成問題的解決方案制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES），已經成為生產環(huán)節(jié)智能化

4、的主要工具，在智能制造中起著越來越重要的作用。本章著重闡MES的基礎知識，包括MES的產生背景、MES的定義及標準、流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES、MES的發(fā)展歷程及MES的標準體系架構。通過對本章內容的學習，讀者能夠對MES有一個常規(guī)的、概念性的認識，為后續(xù)的MES功能和實踐過程的學習打下堅實基礎。1.4流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES1.5MES的標準體系架構1.2MES的定義及標準1.3MES的發(fā)展歷程01緒論introduction1.1MES的產生背景隨著全球化買方市場的形成，企業(yè)所面臨的競爭日趨激烈，經濟活動的步伐越來越快，客戶在時間方面的要求越來越高。這一變化的直接反映

5、就是主要競爭因素的變化。20世紀初期，企業(yè)之間的競爭就是成本競爭，通過大批量生產來降低企業(yè)成本是應對成本競爭的主要方法。到了20世紀中期，企業(yè)之間的主要競爭因素變?yōu)橘|量，通過精益生產方式來消除浪費、提高質量成為企業(yè)管理的潮流。進入21世紀，企業(yè)之間的主要競爭因素變?yōu)闀r間，在客戶需要的時候按時、保質、保量地提供正確的產品成為企業(yè)核心競爭力的關鍵。伴隨著客戶對產品需求的多樣化，制造企業(yè)的生產模式開始由大批量的剛性生產向多品種、小批量的柔性生產轉變，生產線也從以前的手工方式快速向高自動化的機器人生產線轉變。同時，計算機網絡和大型數據庫等信息技術持續(xù)飛速發(fā)展，信息系統(tǒng)從局部、事后的處理方式向全局、實時

6、的處理方式轉變，這就為MES的產生提供了基礎條件。在制造業(yè)信息化的早期階段，企業(yè)經營管理的信息化與生產設備的自動化作為兩個獨立的分支各自發(fā)展著。由不同部門、基于不同應用目標建立起來的一系列單一功能的信息系統(tǒng)，逐漸成了信息化進程中的阻礙。（1）信息孤島。企業(yè)內的生產調度、工藝管理、質量保證、設備維護、物料管理、過程控制等系統(tǒng)之間相互獨立、缺乏數據共享，導致相互之間功能重疊、數據冗余與矛盾頻發(fā)等一系列問題。信息孤島使企業(yè)內部的信息在水平方向上產生斷裂，嚴重制約了企業(yè)內部各種系統(tǒng)之間的協(xié)調運作，削弱了信息化的整體作用。1.1MES的產生背景01緒論introduction（2）信息斷層。企業(yè)的經營管

7、理系統(tǒng)無法及時準確地得到實際的生產信息，無法有效掌握生產現(xiàn)場的真實情況。而生產現(xiàn)場的工作人員和設備也得不到切實可行的生產計劃與生產指令。信息斷層造成了企業(yè)生產經營信息在垂直方向上的斷裂，成為阻礙企業(yè)的經營管理系統(tǒng)與車間的生產管理系統(tǒng)集成的根本原因。面對快速發(fā)展的市場環(huán)境及企業(yè)不斷增加信息集成的強烈需求，信息孤島和信息斷層所帶來的各種問題已經變得十分尖銳。例如，在計劃過程中無法準確及時地掌握實際的生產狀態(tài)；在生產過程中得不到切實可行的生產計劃；車間的管理人員和操作人員難以跟蹤產品的生產過程，不能有效地控制在制品庫存；客戶也無法了解訂單的執(zhí)行狀況等。產生這些問題的主要原因在于生產管理系統(tǒng)與生產過程

8、控制系統(tǒng)相互分離，計劃系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)之間界限模糊、缺乏緊密的聯(lián)系。針對這種狀況，1990年11月，美國先進制造研究機構（Advanced Manufacturing Research，AMR）首次提出MES的概念，以其作為企業(yè)信息集成問題的解決方案。美國國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會成立于1992年，是繼AMR之后又一促進MES普及和標準化的團體。MESA經常發(fā)布關于MES的白皮書，以及客戶使用MES后的效果調查報告。近年來，MES已經在生產排產、訂單執(zhí)行、自動叫料、質量追溯、防止裝配錯誤、產品狀態(tài)跟蹤等領域實現(xiàn)了廣泛的應用，使得制造企業(yè)能夠在客戶訂單驅動下進行快速、高質量、低成本的生產。同時隨著全

9、球工業(yè)4.0時代的來臨，智能工廠、智能生產和智能物流將為制造業(yè)的發(fā)展注入新的動力，而MES作為生產環(huán)節(jié)智能化的主要工具，也必將在未來實現(xiàn)快速發(fā)展。1.1MES的產生背景01緒論introduction1.2.1MES的定義MES概念被提出以來，全球眾多機構都嘗試定義它，從基礎定義到功能范圍，對其都有詳細的描述。下面列舉了幾個典型的定義。AMR將MES定義為“位于上層計劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制系統(tǒng)之間的、面向車間的管理信息系統(tǒng)”，可以為操作人員、管理人員提供計劃、執(zhí)行、跟蹤及所有資源（人、設備、物料、客戶需求等方面）的當前狀態(tài)信息。MESA將MES定義為：“能通過信息傳遞，對從訂單下達到產品完成

10、的整個生產過程進行優(yōu)化管理。當工廠里面有實時事件發(fā)生時，MES能對此及時做出反應，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。這種對狀態(tài)變化的迅速響應使得MES能夠減少企業(yè)內部沒有附加值的活動，有效地指導工廠的生產運作過程，從而既能提高工廠及時交貨的能力、改善物料的流通性能，又能提高生產回報率。MES還通過雙向的直接通信在企業(yè)內部和整個產品供應鏈中提供有關產品行為的關鍵任務信息?！背硕x以外，MESA還提出了MES應具有的標準功能組件。（1）詳細生產計劃（詳細產品計劃及排產）：生產順序和工時平衡需要考慮單個生產線或整個生產線的產能及資源利用率。（2）資源管理（資源的位置和狀態(tài)）：管理和監(jiān)控各種資

11、源的狀態(tài)，如設備、工具等。1.2MES的定義及標準01緒論introduction（3）文檔管理（包含文檔控制）：管理和正確傳遞產品、流程、設計和訂單的信息，甚至可能包含現(xiàn)場質量控制的作業(yè)指導書等。（4）物料管理（物料管理及配送）：管理現(xiàn)場生產所需的物料及半成品的現(xiàn)場配送，保證生產順利進行。（5）績效管理：對比和評價標準數據和現(xiàn)場實際產生的裝配、測量數據之間的差異，以保證產品質量。（6）秩序管理（工作管理）：定義并控制現(xiàn)場操作并將最新的信息發(fā)送給工作中心或現(xiàn)場工人。（7）維護管理：計劃和實施設備的維保任務，減少由設備故障和宕機引起的生產損失。（8）生產過程管理：控制和管理生產流程，按照既定流程

12、組織生產。（9）質量管理：記錄、跟蹤和分析產品生產過程中的各種問題，確保出廠產品質量達標。（10）數據采集：實時采集現(xiàn)場人工操作、設備運行、物料配送等信息，并進行數據的可視化分析。（11）產品跟蹤和追溯：跟蹤和記錄與產品有關的信息，對零件、過程及事件進行記錄并保存。1.2MES的定義及標準01緒論introduction1.2MES的定義及標準當然，并不是所有的MES都必須具有以上全部功能組件，企業(yè)可以根據實際的生產需要進行靈活使用和配置。2004年，在美國芝加哥舉行的會議上，MESA提出了協(xié)同MES（Cooperation MES，C-MES）的概念。C-MES不應只是應用管理系統(tǒng)和現(xiàn)場自動

13、化設備之間的橋梁，還應是現(xiàn)場生產數據和信息的平臺，各種業(yè)務、技術和物流的功能都將集成在這個平臺上，以發(fā)揮現(xiàn)場生產執(zhí)行和控制的作用，如圖1.1所示。01緒論introduction1.2.2MES的標準1997年，美國儀器、系統(tǒng)和自動化協(xié)會（The Instramentation，Systems，and Automation Society，ISA）現(xiàn)為國際自動化學會（International Society of Automation，ISA）和美國國家標準協(xié)會（American National Standards Institute，ANSI）共同發(fā)起了編制ISA-SP95企業(yè)控制系統(tǒng)集

14、成標準的工作，該標準目前被公認為MES標準的基本框架。為了研發(fā)出高效的MES，恰當地定義軟件功能、物理模型、業(yè)務流程和生產流程是必要的。從這個角度考慮，ISA-SP95標準是把簡單的生產活動通過模型應用到了主要的制造區(qū)域中。最終的模型比MESA定義的模型更加寬泛。該標準的目標是降低風險和成本，減少在應用企業(yè)系統(tǒng)和MES時出現(xiàn)的錯誤，并簡化操作，使信息易于集成。ISA-SP95延伸出了生產運營系統(tǒng)（Manufacturing Operation System，MOS）的概念，該概念引入了流程制造的制造類型，將MES的概念擴展到整個制造業(yè)范圍。該標準基于下面的3層架構模型，包括協(xié)同管理、MOS/M

15、ES及自動化設備層。自動化設備層又分為3個類型：第一類是流程制造；第二類是批次生產，指流程制造中的批次生產；第三類是離散制造，如圖1.2所示。在該標準中，ISA-SP95增加了在第一層和第二層之間的接口描述，并且第二層（MOS/MES）主要包括生產管理、數據采集、與自動化設備層的接口、缺陷管理、生產狀態(tài)跟蹤等，并重點關注了MES的數據結構和數據模型。該標準適用于更大型的和有意向進行MES開發(fā)的企業(yè)，是從更基礎的層面定義的MES標準。1.2MES的定義及標準01緒論introduction最早從20世紀70年代后半期開始，就已經出現(xiàn)了一些解決單一問題的MES，如設備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、質量管理系統(tǒng)，以

16、及涵蓋生產進度跟蹤、生產統(tǒng)計等功能的生產管理系統(tǒng)。各個企業(yè)引入的只是單一功能的軟件產品或系統(tǒng)，而不是整體的解決方案。MES真正得到迅猛的發(fā)展還是從1990年AMR明確提出MES的概念之后開始的。MES一開始是一個特定集合的總稱，用來表示一些特定功能的集合及實現(xiàn)這些特定功能的產品。AMR提出3層結構的信息化體系結構，將位于計劃層和控制層之間的執(zhí)行層叫作MES，并明確了各層的功能和重要性。MES處于企業(yè)經營管理系統(tǒng)（ERP）和過程控制系統(tǒng)（DCS/PLC）的中間位置。ERP作為經營管理系統(tǒng)，DCS/PLC作為過程控制系統(tǒng)，而MES則作為制造執(zhí)行系統(tǒng)。由于以ERP為代表的經營管理層和以DCS為代表的

17、控制層的信息技術應用起步較早，已經形成了大量的成熟技術和成熟系統(tǒng)，MES與上層ERP等經營管理系統(tǒng)和底層DCS等過程控制系統(tǒng)一起構成了企業(yè)的信息系統(tǒng)架構。MES一方面將業(yè)務計劃的指令傳達到生產現(xiàn)場，另一方面將生產現(xiàn)場的信息及時收集、上傳和處理。MES不僅是面向生產現(xiàn)場的系統(tǒng)，還是上、下兩層之間的信息傳遞紐帶，將車間生產現(xiàn)場和企業(yè)經營決策關聯(lián)起來，以提升企業(yè)的生產經營效益。20世紀90年代，由于MES已經成為企業(yè)實現(xiàn)生產現(xiàn)場管理的集成系統(tǒng)，故又稱為集成MES（Integrated MES，I-MES），包括工廠管理（資源管理、調度管理、維護管理）、工廠工藝設計（文檔管理、標準管理、過程優(yōu)化）、過

18、程管理（回路監(jiān)督控制、數據采集）和質量管理統(tǒng)計質量（Statistical Quality Control，SQC）、實驗室信息1.3MES的發(fā)展歷程01緒論introduction管理系統(tǒng)（Laboratory Information Management System，LIMS）4個主要功能，并由實時數據庫支持。在該框架內，MES在20世紀90年代初期的重點是生產現(xiàn)場的信息整合。到了20世紀90年代中期，MES標準化和功能組件化、模塊化的思路得到重視，許多MES實現(xiàn)了功能組件化，企業(yè)根據需要可以靈活快速地構建具有自身所需功能的MES，大大方便了MES的應用與集成。其中最有名的是MESA于1

19、997年提出的MES功能組件和集成模型，該模型包括11個功能組件。隨后MESA規(guī)定，僅包括11個功能模塊中的某一個或幾個的產品，也屬MES系列的單一功能產品。AMR把按照11個功能模塊實現(xiàn)的整體解決方案稱為MES II。這一時期，大量的研究機構、政府組織參與了MES的標準化工作，進行了相關標準、模型的研究和開發(fā)，其中涉及部分對象技術、集成技術、平臺技術、互操作技術和即插即用技術等。主要成果如下。（1）標準化組織（Object Management Group，OMG）的制造分會發(fā)布了RFI文件。（2）ISA-SP95 企業(yè)控制系統(tǒng)集成（Enterprise Control System Int

20、egration，ECSI）標準委員會發(fā)布了ERP與MES的接口標準模型。（3）NIIIP-SMART （National Industrial Information Infrastructure Protocols - Solution for MES Adaptable Replicable Technology） 信息結構標準的發(fā)布。（4）NIST-SIMA （National InstitMES of Standard and Technology - System Integration for Manufacturing Application） 用IDEF0描述了通用的功能活動

21、模型 （Activity Models）。1.3MES的發(fā)展歷程01緒論introduction其中，從1997年開始，國際電工委員會 （International Electrotechnical Commission，IEC）啟動編制了一系列相關標準，主要包括SP95.01模型與術語標準、SP95.02對象模型與屬性標準、SP95.03制造運作管理的活動模型標準、SP95.04制造運作管理的對象模型與屬性標準。SP95.01規(guī)定了生產過程涉及的所有資源信息及其數據結構和表達信息關聯(lián)的方法。SP95.02對SP95.01定義的內容做了詳細的規(guī)定和解釋，SP95.03提出了管理層與制造層間信息

22、交換的協(xié)議和格式。其中SP95.01已經被國際標準化組織（International Organization for Standization，ISD）和IEC批準為國際標準ISO 62264的第一個標準，我國也引進了該文件作為國家標準。ISA-SP95標準在工業(yè)界迅速得到認可，其用戶包括很多世界知名企業(yè)，例如能源領域的Exxon Mobil、British Gas，日用品領域的寶潔公司，食品飲料領域的雀巢公司等。SAP、西門子、霍尼韋爾、ABB、Rockwell Software、Enterprise Consultants International等一些軟件提供商或咨詢公司也在他們的產

23、品或工程中應用了這個標準。不少企業(yè)正在運用SP95.03中給出的模型作為需求分析、體系結構、設計和實施的模板。許多企業(yè)依照此標準進行MES和ERP集成的實施，據統(tǒng)計，實施時間縮短了75%以上。預計由于這個標準的應用，最終進行MES和ERP集成所花費的時間將會由現(xiàn)在的69個月減少到69個星期。1.3MES的發(fā)展歷程01緒論introduction此外，幾乎所有組織和學者都倡導MES功能和接口的標準化，并強調集成（Integration）和互操作性（Inter-operability）的重要性。提倡系統(tǒng)之間、功能模塊之間以對象請求代理（Object Request Broker，ORB ） 作為M

24、ES信息訪問接口協(xié)議，以實現(xiàn)MES功能的即插即用。從整個發(fā)展過程來看，MES還處在一個發(fā)展期，并不像ERP等已經形成行業(yè)標準并且已經應用得非常廣泛。MES起初誕生于流程制造行業(yè)，但隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，MES在汽車行業(yè)的發(fā)展已領先于制造業(yè)的其他行業(yè)。根據2009年e-works的統(tǒng)計數據，我國13.98%的MES廠商集中在汽車行業(yè)。隨著整個制造業(yè)的快速發(fā)展，其他行業(yè)對MES的應用也逐漸有了較為迫切的需求，MES在各個行業(yè)迅速發(fā)展，各個行業(yè)MES的應用分布情況如圖1.3所示。根據e-works的統(tǒng)計，各個行業(yè)MES的應用情況差距并不大，但是大多還處于初級階段，使用的功能模塊集中在基本的數據采集

25、和國家規(guī)范所要求的追溯管理中，對其他功能模塊的使用相對較少。另外，MES數據采集方式仍然比較單一，MES應用成功率不高，企業(yè)對MES認識不足、需求點把握不準、MES技術人才不夠等成為MES項目實施過程中的突出難點。1.3MES的發(fā)展歷程01緒論introduction制造業(yè)主要分為流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)兩大類，MES的提出首先是從流程制造行業(yè)開始的，成功的應用案例也多集中在流程制造行業(yè)。這主要是因為流程行業(yè)對設備的依賴性高，設備的自動化水平高，大量的傳感器可以實時準確地采集生產現(xiàn)場的狀態(tài)信息，這就為MES的實施提供了基礎條件。不過從ISO 62264的標準文檔來看，工業(yè)界普遍認為MES具有

26、流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)的普適性，希望開發(fā)出具有普適性的MES。不過需要強調的是，MES的應用應該充分考慮到企業(yè)的具體情況，以謀求最合適的信息化解決方案。無論是從功能模型上還是信息模型上，無論是從技術上還是管理上，MES都覆蓋了流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)。但是，由于流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)在工藝流程和生產組織方式上存在較大差別，不同的MES解決方案存在明顯的行業(yè)特征。1.4流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES01緒論introduction1.4.1流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)的差異流程制造行業(yè)主要通過對原材料進行混合、分離、粉碎、加熱等物理或化學方式的處理，使原材料增值，通常以批量或連續(xù)的

27、方式進行生產。而離散制造行業(yè)主要通過對原材料物理形狀的改變、組裝，使其成為產品，從而增值。流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)在整個制造過程中的制造特點有很大的差異，下面主要從產品結構、生產計劃管理、工藝流程、設備及其自動化水平、批次管理和跟蹤5個方面進行對比。1產品結構離散制造行業(yè)的產品結構為樹狀結構，最終產品或者部件由一定的零件組成，而這種樹狀結構一般用物料清單（Bill Of Material，BOM）的形式來表示，離散制造行業(yè)的產品信息傳遞一般都構建在BOM架構下。流程制造行業(yè)的產品結構往往不是很固定上級物料和下級物料之間的結構關系，可能隨溫度、壓力、濕度、季節(jié)、人員技術水平、工藝條件等的不同而

28、不同。此外，在每個工藝過程中，產出的不只是產品或中間產品，還可能細分為主產品、副產品、協(xié)產品、回流物、廢物。因此，在流程制造行業(yè)的MES中，一般采用配方的概念來描述這種動態(tài)的產品結構關系，而且在描述這種產品結構配方的時候，還應滿足批量、有效期等方面的要求，這在化工、制藥等行業(yè)尤其突出。2生產計劃管理離散制造行業(yè)主要從事單件、小批量生產，由于難以預測訂單的到達時間和批量，同時由于產品的工藝路線經常變更，因此企業(yè)需要良好的計劃能力。只要應用得當，離散制造行業(yè)在生產計劃系統(tǒng)方面投資所產生的效益可以很高。流程制造行業(yè)主要從事大批量生產。只有滿負荷生產，流程制造企業(yè)才能將成本降下來，在市場上具有競爭力。

29、因此，在流程制造企業(yè)的生產計劃中，年度計劃更具重要性，它決定了企業(yè)的物料需求。1.4流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES01緒論introduction3工藝流程離散制造行業(yè)的特點是多品種和小批量。因此，生產設備有可能不是按產品而是按照工藝進行布置的。例如，離散制造行業(yè)往往要按照車、銑、刨、磨、鉗等工藝過程，或者按照典型工藝過程來安排機床的位置。每個產品具體的工藝過程可能不一樣，而且有多臺可以進行同一種加工工藝的機床，因此離散制造行業(yè)需要對所加工的物料進行調度，并且往往需要搬運中間品。離散制造行業(yè)的原材料主要是固體，產品也主要為固體，因此存儲方式多為室內倉庫存儲或室外露天倉庫存儲。流程制造行業(yè)

30、的特點是品種固定，批量大，生產設備投資高，而且按照產品進行布置。通常流程制造行業(yè)的設備是專用的，很難改作其他用途。流程制造行業(yè)的原材料和產品通常是液體、氣體、粉狀等，因此通常采用罐、箱、柜、桶等方式進行存儲，并且多數的存儲量可以用能轉變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅鬟M行計量。MES可以通過這些傳感器獲得必要的信息。4設備及其自動化水平流程制造行業(yè)的產品比較固定，而且一旦生產就有可能長期不變；離散制造行業(yè)的產品生命周期則要短得多。離散制造行業(yè)的自動化主要體現(xiàn)在單元級上，如數控機床、柔性制造系統(tǒng)。由于是離散加工，產品的質量和生產率很大程度依賴于工人的技術水平。因此，離散制造企業(yè)一般是人員密集型企業(yè)，自動化水平相

31、對較低，單臺設備停下來檢修也不會影響整個生產系統(tǒng)的生產。流程制造企業(yè)大多采用大規(guī)模生產方式，生產工藝技術成熟，生產設備組成一條固定的生產線，設備投資比較大、工藝流程固定。流程制造企業(yè)的生產廣泛采用DCS，控制生產工藝條件的自動化設備比較成熟。流程制造企業(yè)的生產能力有一定的限制，生產線上的設備維護特別重要，設備不能發(fā)生故障。1.4流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES01緒論introduction5批次管理和跟蹤離散制造行業(yè)一般對批次管理和跟蹤的要求并不十分嚴格，但隨著國家要求的逐漸提高，航空、航天、汽車等離散制造行業(yè)也在逐漸完善產品追溯管理的能力。流程制造行業(yè)的生產工藝過程中會產生各種協(xié)產品、

32、副產品、廢品、回流物等，對物資需要有嚴格的批次管理。例如，制藥行業(yè)中的藥品生產過程要求有十分嚴格的批號記錄和跟蹤，從原材料、供應商、中間品到銷售給用戶的產品，都需要記錄。一旦出現(xiàn)問題，企業(yè)可以通過批號反查出是誰的原料、哪個部門何時生產的，以便查出問題所在。1.4流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES01緒論introduction1.4.2流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)對MES要求的區(qū)別由于流程制造行業(yè)與離散制造行業(yè)之間存在差異，導致MES在離散制造行業(yè)和流程制造行業(yè)中的應用有所差別，主要體現(xiàn)在對ERP的要求、作業(yè)計劃調度、數據采集、作業(yè)指令下達、設備管理、庫房物料管理、質量管理等方面，下面進行詳細

33、介紹。1對ERP的要求MES處于企業(yè)的計劃執(zhí)行層，從ERP層接受計劃指令，并向ERP反饋信息。因此，無論是流程制造行業(yè)還是離散制造行業(yè)，MES都要與ERP建立緊密的信息集成。流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)對ERP的不同需求，主要表現(xiàn)在以下方面。（1）生產模式方面。兩者對于生產模式的要求不同流程制造行業(yè)中體現(xiàn)了以配方為核心的生產模式，而離散制造行業(yè)中體現(xiàn)了以產品BOM為核心的生產模式。（2）生產計劃方面。雖然流程制造企業(yè)根據市場的需求進行生產的觀念已經逐步加深，但一般情況下，特別是對市場需求量大的產品，還是“以產定銷”通過大批量生產，降低成本，提高競爭力。因此，流程制造企業(yè)生產計劃的依據主要是市場預

34、測。離散制造企業(yè)一方面可以根據訂單進行生產，另一方面也可以將市場預測作為制定生產計劃的依據。離散制造企業(yè)的ERP向MES下達作業(yè)計劃指令主要以“工作令”（Job Order或Work Order）的方式進行，而流程制造企業(yè)的作業(yè)計劃下達主要以指令計劃的方式進行。（3）成本核算方式方面。離散制造企業(yè)計算產品成本是按照產品BOM 所描述的加工裝配過程，從低層向高層逐層累計得出的。這種按照成本發(fā)生的實際過程計算成本的方法稱為逐層累積法，或稱為成本滾加計算法（Cost Roll-up），它反映了產品增值的實際過程。流程制造企業(yè)的成本核算方式一般采用平行結轉法，在其成本組成中，生產成本中占比最大的是原材

35、料成本。通常，原材料成本占產品成本的70%80%，而人工成本所占比例較小，占2%5%，其他成本為分攤成本。1.4流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES01緒論introduction2作業(yè)計劃調度離散制造行業(yè)需要根據優(yōu)先級、工作中心能力、設備能力、均衡生產等方面對工序級、設備級的作業(yè)計劃進行調度。這種調度是基于有限能力的調度，并通過考慮生產中的交錯、重疊和并行操作來準確地計算工序的開工時間、完工時間、準備時間、排隊時間及移動時間。良好的作業(yè)順序可以明顯提高生產效率。流程制造行業(yè)的產品是以流水生產線的方式組織連續(xù)的生產，只存在連續(xù)的工藝流程，不存在與離散制造行業(yè)的產品對應的嚴格的工藝路線。因此，在

36、作業(yè)計劃調度方面，流程制造行業(yè)不需要也無法精確到工序級別，而是以整個流水生產線為單元進行調度。從作業(yè)計劃的作用和實現(xiàn)上來看，流程制造行業(yè)的作業(yè)計劃調度比離散制造行業(yè)的簡單。3數據采集MES的數據采集功能，可以實現(xiàn)對生產現(xiàn)場各種數據的收集、整理，是進行物料跟蹤、生產計劃、產品歷史記錄維護及其他生產管理的基礎。離散制造行業(yè)的數據采集以手工上報為主，并可以結合條形碼、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等半自動信息采集技術進行工時、設備、物料、質量等信息的采集。這種數據采集方式，時間間隔較長，容易受到人為因素的影響，要特別注意保證數據的準確性和實時性。流

37、程制造行業(yè)的自動化程度較高，設備控制大量采用DCS、PLC，在檢測設備方面，各種智能儀表、數字傳感器已普遍應用。過程控制廣泛采用自動控制系統(tǒng)，計算機技術的應用已深入各個領域。這些自動化設備能自動準確記錄各種生產現(xiàn)場信息。對于MES而言，重點在于系統(tǒng)構建的時候與這些自動化設備做好數據接口。1.4流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES01緒論introduction4作業(yè)指令在離散制造行業(yè)的MES中，作業(yè)指令一般采用派工單、施工單等書面方式下達，或采用電子看板的方式讓操作人員及時掌握相關工序的生產任務。作業(yè)指令的內容主要包括該工序的開工時間、完工時間、生產數據等。在流程制造行業(yè)的MES中，不僅要下達

38、作業(yè)指令及面板接口數據，還要將作業(yè)指令轉化為各個機組及設備的操作指令和各種基礎自動化設備的控制參數，并下達給相應的DCS。5設備管理離散制造行業(yè)的生產設備不是按照產品而是按照工藝進行布置的。一般有多臺可以進行同一種加工工藝的機床。一般單臺設備的故障不會對整個產品的工藝過程產生嚴重的影響，重點是要管理好關鍵設備、瓶頸設備。在流程制造行業(yè)中，生產線上的設備維護特別重要，每臺設備都是關鍵設備，不能發(fā)生故障，一臺設備的故障會導致整個工藝流程的停滯。6庫房物料管理在離散制造行業(yè)中，對于半成品，一般也設有相應的庫房，各工序根據生產作業(yè)計劃及配套清單分別領料。流程制造行業(yè)實行連續(xù)生產，一般不設中間品、半成品

39、庫房，配方原料的庫位一般設置在工序旁邊。配方領料不是根據工序分別領料，而是根據生產計劃一次領料并放在工序庫位中。1.4流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES01緒論introduction7質量管理無論是離散制造行業(yè)還是流程制造行業(yè)，質量檢驗和管理都相當重要，但在MES中，二者在質量檢驗和管理方式上有所區(qū)別。在離散制造行業(yè)中，對單件小批生產產品，一般需要檢驗每個零件、每道工序的加工質量；對批量生產產品，一般采用首檢、抽檢的方式，與統(tǒng)計過程中的控制分析相結合。在流程制造行業(yè)中，一般會對生產批號產品進行各工序上的抽樣檢驗。當然，在每個行業(yè)的不同生產方式和生產類型（例如離散制造行業(yè)的單件小批或大批大量

40、生產，在醫(yī)藥、化工、鋼鐵等不同流程制造行業(yè)生產）中，MES的應用還存在一些差別，仍然需要根據各自的特點進行綜合分析。1.4流程制造行業(yè)和離散制造行業(yè)中的MES01緒論introductionMES的標準體系架構可從外部和內部兩個視角進行描述，外部描述是MES與其他業(yè)務模塊之間的關系，內部描述是從MES本身看生產業(yè)務如何運行。下面以ISA-SP95企業(yè)運作模型和ISA-SP95 MES流程模型兩個模型為例來具體說明MES的標準體系架構。1.5MES的標準體系架構01緒論introduction1.5.1ISA-SP95企業(yè)運作模型MES在企業(yè)的所有系統(tǒng)中，不是孤立存在的。在產、供、銷三大制造業(yè)業(yè)

41、務模塊中，生產作為產品增值的一環(huán)，也作為制造業(yè)的核心業(yè)務，和其他業(yè)務模塊有著緊密的聯(lián)系。根據ISA-SP95企業(yè)運作模型可以看出，MES和物流、質量、研發(fā)、財務等模塊都有數據交互接口，如圖1.4所示。1.5MES的標準體系架構01緒論introduction1MES與生產計劃生產計劃和生產排產是兩個比較重要的概念。生產計劃是確定一段時間內，每天生產產品的數量；而生產排產則是確定具體產品的生產順序，生產排產可以是基于批次的。MES主要完成生產排產的任務，生產計劃主要由上游業(yè)務模塊（一般在ERP中）完成。在生產排產時，企業(yè)應綜合考慮產線的產能及工時平衡的要求，甚至當生產線貫穿多個車間時，應考慮多個

42、車間的需求。2MES與物流物流在該模型中包含兩個部分，一個是物料和能源控制，另一個是庫存管理。MES的主要關注點在生產線部分，主要關注物料能否及時按照一定的順序或者一定的量，在一定的時間配送到生產線，以滿足生產。對于物流和能源控制來說，MES要實時監(jiān)控線邊物料的使用情況，當物料達到安全庫存時，應及時通知物料配送人員生產叫料信息，并在適當的時候進行二次提醒。在很多案例中，零件庫存都擁有多級庫存。在生產過程中，MES應根據實際物料消耗通知相應庫存區(qū)的相應配送人員進行物料配送，同時還需要兼顧物料揀貨的防錯。此外，MES應發(fā)送相應的產品信息給成品庫，以及時進行成品入庫操作。1.5MES的標準體系架構0

43、1緒論introduction3MES與工廠維護MES重點關注現(xiàn)場設備?，F(xiàn)場設備能否穩(wěn)定運行，關系到生產線的整體生產效率。MES應根據生產線或者設備的實際狀況，知曉具體的維護需求，同時也需要獲悉設備維護的標準和方法，在維護后應將設備維護的情況和記錄反饋回系統(tǒng)。在這個過程中，詳細完備的維護記錄十分重要。設備維護需要經驗的積累，設備巡檢及設備檢修在一定程度上是循環(huán)往復、不斷迭代更新的過程，實際發(fā)生的問題和新的解決問題的思路，對于以后的任務執(zhí)行而言，可以實現(xiàn)正向反饋，正向反饋將形成強大的知識庫，最終成為企業(yè)的無形財產。4MES與產品研發(fā)MES中產品的基礎數據來源于研發(fā)。對于離散制造行業(yè)來說，表現(xiàn)為產

44、品BOM；而對于流程制造行業(yè)來說，表現(xiàn)為產品配方。數據接口是需要持續(xù)不斷更新的，具體表現(xiàn)為更新產品的基礎數據。例如，產品BOM或者生產工藝出現(xiàn)變化的時候，這一變化應該及時、準確地傳遞到下游，及時更新生產相關要求。5MES與產品質量質量管理是MES的終極目標，及時提供質量合格的產品是對生產環(huán)節(jié)的最終要求，質量管理應貫穿生產環(huán)節(jié)的始終。MES收集生產過程中的質量數據，包括從自動化設備中自動收集，同時也包括生產線工人手動輸入。該質量數據會一直跟隨產品，直到產品下線。1.5MES的標準體系架構01緒論introduction1.5.2ISA-SP95 MES流程模型ISA-SP95MES流程模型如圖1

45、.5所示。該模型描述了MES作為上層企業(yè)管理系統(tǒng)和下游自動化設備和生產線之間的橋梁，發(fā)揮著承上啟下的作用，下面具體闡述各個功能模塊的作用。1資源管理資源管理是MES的基礎功能模塊，資源包括生產資源、質量資源等，管理是指構建資源的相關信息，包括資源的基本信息、配置信息、容量信息等。（1）生產資源管理。生產資源主要包括生產過程中涉及的資源，例如設備、工具、工人（包括工人所具備的技能等）、物料和能源等。（2）質量資源管理。質量資源主要包括質檢過程中涉及的設備、工具、工人（包括工人技能、證書、認證等）、材料等。（3）維護資源管理。維護資源主要指維護工作中涉及的資源，例如作業(yè)標準和專用工具、內部和外部的

46、人員（包含人員技能及認證等）、維護作業(yè)指導、設備備件、人工工時等。設備的狀態(tài)可以包括設備的健康狀況、設備的生產能力、設備的可用性、設備的目標使用率、設備的位置、設備的殘值等；同時還需要考慮設備使用過程中產生的風險，例如某設備在某個條件下宕機的可能性。1.5MES的標準體系架構01緒論introduction（4）庫存資源管理。庫存資源主要指庫存相關的物料及與物料轉移相關的資源，包括物料、容器、工人（技能、證書、認證等）、物料消耗、能源、庫存水平、庫存能力及安全庫存等。1.5MES的標準體系架構01緒論introduction2定義管理該功能模塊包含定義和管理生產過程中產生的對象特性、過程指示、

47、規(guī)則及其他功能模塊的特殊定義。（1）生產定義管理。管理內容包括定義和管理產品信息、產品特性、制造過程特性、運輸及裝配順序。其中制造過程特性包括制造規(guī)則、配方、標準作業(yè)規(guī)程（Standard Operating Procedures，SOP）、標準作業(yè)條件（Standard Operating Conditions，SOC）。（2）質量定義管理。管理內容包括定義和管理個人認證標準、質量檢測流程、檢測作業(yè)指導手冊，同時也包括檢驗方法論、檢驗頻率（樣件計劃）、零件工差標準及以上各個信息的歷史版本。（3）維護定義管理。管理內容主要包括定義和管理維護的作業(yè)標準及作業(yè)指導書等。（4）庫存定義管理。管理內容

48、包括定義和管理庫存，以及在庫存操作過程中產生的物料轉移操作說明、庫存水平規(guī)則、物料發(fā)運的作業(yè)指導和庫房相關參數等。3精細排程精細排程功能模塊是指在現(xiàn)有的條件和時間約束下，利用資源進行優(yōu)化排產。（1）生產精細排程。它包括生產線和生產設備（如數控機加設備等）的組織方式、排產參數（如最優(yōu)批次數量及資源約束）等。（2）質量精細排程。它主要指生產過程中或者之后的質量檢測計劃，包括測試系統(tǒng)有效性、人員有效性和檢驗準備計劃、評估計劃等。（3）維護精細排程。它包括維護流程的檢查和優(yōu)化、維護活動和生產計劃的協(xié)調，同時也包括生產排產過程需要考慮的設備宕機、產品變更等特殊情況。（4）庫存精細排程。它主要管理庫存水平

49、和庫存操作過程中產生的信息，同時也管理庫存資源計劃和庫存操作優(yōu)化策略等。1.5MES的標準體系架構01緒論introduction4調度管理調度管理的主要功能為協(xié)調和指導現(xiàn)場生產活動，確保各個生產活動符合排程的要求，例如協(xié)調產品各個部件之間生產的一致性等。（1）生產調度。它主要通過安排和協(xié)調現(xiàn)場生產設備和人員來控制生產過程。例如在生產過程中下發(fā)生產批次的順序給生產設備，或向生產設備或者生產單元下達生產訂單。（2）質量檢測調度。它是指基于已確定的測試計劃給質量檢測設備下達檢測指令或者檢測訂單，同時也有可能包括樣件的提交。（3）維護調度。它是指按照維護計劃給相關資源下達維護訂單，同時也應考慮到人員

50、或者資源的約束。（4）庫存調度。它是指按照計劃給相關資源下達庫存操作訂單和庫存盤點指另。5執(zhí)行管理執(zhí)行管理的目的是基于排產、訂單及作業(yè)標準，管理和優(yōu)化生產流程。（1）生產執(zhí)行管理。它是指基于產品的定義和制造作業(yè)的指導，推進實際的生產流程和任務執(zhí)行，同時也包含按照工藝的要求正確地執(zhí)行下一步生產。在生產過程中，企業(yè)需要收集物料的消耗和生產時間等信息，從而在系統(tǒng)層面知曉現(xiàn)場的生產狀況。（2）質量檢測執(zhí)行管理。它是指基于質量標準、產品特性和精度要求，進行質量檢測和資源（包括設備、材料和工人等）狀態(tài)的監(jiān)控。（3）維護執(zhí)行管理。它是指控制和監(jiān)督維護訂單的執(zhí)行。監(jiān)控的內容包括服務或維修的指令、規(guī)則或者質量標

51、準是否被正確執(zhí)行，所生成的文檔是否符合標準等。（4）庫存執(zhí)行管理。它包括庫存盤點、庫存轉移、人員管理、狀態(tài)報告、庫存監(jiān)控和成本管理等，確保所有的行為都遵循庫存、運輸的質量標準和規(guī)范。1.5MES的標準體系架構01緒論introduction6數據采集數據采集包括數據獲取、計算和管理等一系列動作。通常來說，數據來自下層的生產線或者設備，同時也可能由工人手動輸入或利用手持式設備讀取。數據采集的方式有定時采集、事件驅動式采集等。數據采集的同時還需要進行數據校驗，例如校驗數據的合法性或者利用時間戳來判斷是否重復采集等。（1）生產數據采集。生產數據包括所有生產過程中產生的數據，例如傳感器實時信號、設備的

52、實時狀態(tài)、與下層設備的交互數據等，這些數據也會按照產品型號進行組織，分別進行統(tǒng)計分析。（2）質量檢測數據采集。質量檢測數據包括實時測量數據、產品測試數據、測試過程中人為輸入的數據、測試中間數據及包含在測試報表中的數據等。（3）維護數據采集。維護數據主要指在維護工作執(zhí)行時產生的數據。這些數據包括正在檢修和巡檢的設備狀態(tài)、設備實時反饋的數據、維修過程中產生的成本及計劃和實際消耗之間的差距等，這些數據最終會進入系統(tǒng)并顯示在維修報表中。（4）庫存數據采集。采集的數據主要包括實時庫存數量、庫存狀態(tài)、貨架的利用情況、倉庫的使用狀態(tài)、運輸狀態(tài)、人員狀態(tài)等。7跟蹤控制跟蹤控制功能模塊主要是指從生產過程中比較重

53、要的站點獲取產品或物料的關鍵狀態(tài)，這個信息將成為系統(tǒng)報表的重要組成部分。（1）生產跟蹤。它是指匯總和評估生產相關資源的利用情況，這些資源包括產品本身、生產設備、物料消耗、工作績效和成本等。同時生產跟蹤還把產品的關鍵狀態(tài)信息反饋給精細排產，從而更新產品或訂單的狀態(tài)。（2）質量檢驗跟蹤。其主要功能是對檢測數據和檢驗設備的使用信息進行處理，生成檢測報表。這個報表可以實時生成，也可以按需要生成，例如在一個批次生產完之后，系統(tǒng)中生成關于這個批次所有產品的檢測報告。1.5MES的標準體系架構01緒論introduction（3）維護跟蹤。跟蹤對象包括當前設備的運行狀態(tài)及當前設備和其附屬設備的使用情況等。（

54、4）庫存跟蹤。跟蹤對象包括倉庫相關活動（如運輸的開始和轉移等）、庫存使用情況、批次數量、對應批次的存儲位置，同時也包括庫存變動引起的物料和庫位的變動等。8績效分析績效分析的主要功能為分析所有數據，并生成和展示統(tǒng)計報表。（1）生產績效分析。分析任務集中在與生產相關（產品、工廠、產線）的工作時間、生產設備利用率、設備載荷和績效、工藝的有效性及生產多樣性上。以上這些數據都可以按照時間軸進行組織，例如可以按生產班次或按天、按月等方式查詢生產產品的數量或者批次。同時也可以分析生產線或者設備的使用效率，可以通過更改查詢條件、公式或者內部及外部的約束條件，如市場區(qū)域等，重新生成用戶需要的報表。（2）質量績效

55、分析。分析質量檢測的結果以改善產品質量。這是一個持續(xù)不斷的過程，通過分析測量誤差、測量時間、測量效率和資源利用的情況，不斷改進質量檢測的效率和精確度。利用大數據分析，可以快速找到質量缺陷產生的根源及改進的方向。（3）維護績效分析。通過對相關資源或者活動（設備、人員、備件、附屬設備、其他直接或非直接活動等）的成本的分析，找出目前維護管理中存在的問題和改進的空間，特別是針對如何制定維護策略及如何獲得最大的資產投資回報率（Return On Investment，ROI）等方面。分析結果也可以用于評估維護人員的工作績效，也可以幫助改進維護的業(yè)務流程。（4）庫存績效分析。分析內容主要是庫存的效率和庫存

56、的資源利用率。數據來源主要包括物料質量缺陷、配送的準時性、庫存損失、物料移庫次數、倉儲設備及工作班次等。分析結果可以為物流或者倉儲的業(yè)務流程的改進及庫存策略的制定等提供決策支持。1.5MES的標準體系架構01緒論introduction02MES功能模塊MES的最終形態(tài)是一個可以供企業(yè)使用的軟件系統(tǒng)，本章以離散制造行業(yè)應用為例，對MES具體的業(yè)務模式和軟件功能進行分析，詳細介紹MES各功能模塊，包括制BOM、生產計劃與生產排產、生產執(zhí)行、質量管理系統(tǒng)、物料配送系統(tǒng)、安燈系統(tǒng)產線管理與工廠維護以及與其他系統(tǒng)的接口等方面，并對MES的功能及功能背后的業(yè)務邏輯和業(yè)務流程進行具體的闡述。2.1制造BO

57、M2.5物料配送系統(tǒng)2.6安燈系統(tǒng)2.3生產執(zhí)行2.7產線管理與工廠維護系統(tǒng)02MES功能模塊MES function module 2.2生產計劃與生產排產2.4質量管理系統(tǒng)2.8MES與其他系統(tǒng)的接口在企業(yè)信息化系統(tǒng)軟件中，BOM發(fā)揮著關鍵的紐帶作用。BOM就是產品結構的信息表，反映產品結構中組件與子件的信息及與組件、子件相關的其他信息。BOM是信息的載體，不僅反映了信息的組成，而且還包含著信息的表現(xiàn)形式。BOM的使用貫穿了企業(yè)的多個部門，如計劃、設計、制造、財會等部門。在各個業(yè)務環(huán)節(jié)中，BOM的表現(xiàn)形式也不同，主要的表現(xiàn)形式包括設計BOM和制造BOM。設計BOM在設計部門產生，并由產品數

58、據管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)進行管理；而制造BOM是由后續(xù)業(yè)務部門產生并使用的，例如計劃、制造、物流、財務等部門，制造BOM應該由ERP進行管理。在信息化比較完備的企業(yè)中，這兩個BOM的集成度是比較高的，設計BOM是制造BOM的上游，任何變化都需要及時地傳遞到下游，而MES以制造BOM為基礎數據，及時獲得上游相關變更就顯得尤為重要2.1制造BOM02MES功能模塊MES function module2.1.1設計BOM與制造BOM的集成要弄清楚設計BOM和制造BOM是如何轉化的，就需要先了解二者的定義。1設計BOM設計部門的設計BOM是產品的總體信息表

59、，其常見的文本表現(xiàn)形式包括產品明細表、圖樣目錄、材料定額明細表。設計BOM的信息來源一般是設計部門提供的成套設計圖紙中的標題欄和明細欄信息，有時候也涉及工藝部門編制的工藝卡片上的部分信息。設計BOM一般在設計結束時匯總產生，如果設計中存在大量借用關系，可以在設計階段就將設計BOM匯總出來，然后根據新產生的零件安排設計任務。設計BOM對應的電子視圖往往是產品結構樹的形式，樹上每個節(jié)點都關聯(lián)著各類屬性或圖形信息。設計BOM主要在PDM中作為產品管理和圖檔管理的基礎數據出現(xiàn)。2.1制造BOM02MES功能模塊MES function module2制造BOM生產部門的制造BOM是根據制造裝配要求完善

60、的，包括加工零件和按工藝要求制作的毛坯、模具、卡具等工藝清單（Process Bill Of Material，PBOM）。制造BOM常見的文本表現(xiàn)形式包括工藝路線表、關鍵工序匯總表、重要件或關鍵件明細表、自制件明細表、通用件明細表、通用專用工裝明細表、設備明細表。制造BOM的信息來源一般是工藝部門編制的工藝卡片上的內容，但是要以設計BOM作為基礎數據內容。制造BOM的產品部件電子視圖通常是裝配工藝BOM的形式，制造BOM的零件電子視圖通常是具體加工工藝BOM的形式，比較多的是機加工工藝BOM，或生產加工流轉路線工藝BOM等，樹上每個節(jié)點都關聯(lián)著工裝、設備、工時、加工簡圖等工藝信息。對企業(yè)利用