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智慧工厂的信息化核心——MES系统解决方案

智慧工厂为什么需要MES?

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一、 MES是什么?

MES是“Manufacturing Execution System”的英文缩写,中文翻译为“制造执行系统”、“生产实施系统”等。

简单地讲,MES是面向车间的生产过程管理与实时信息系统。它主要解决车间生产任务的执行问题。

MES发展大事记:

20世纪80年代末,美国先进制造研究机构(AMT)首先提出MES的概念;

1992年,美国成立以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会——MES国际联合会(MESA International);

1997年,MESA发布修订后的6个关于MES的白皮书,对MES的定义与功能、MES与相关系统间的数据流程、应用MES的效益、MES软件评估与选择以及MES发展趋势等问题进行了详尽的阐述;

1999年,美国国家标准与技术研究所(NIST)在MESA白皮书的基础上,发布有关MES模型的报告,将MES有关概念标准化。

MES 的定义:

美国先进制造研究机构(AMR):MES是位于上层计划管理系统与底层工业控制之间、面向车间层的管理信息系统。

它为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态信息。

MES 国际联合会(MESA International):

MES 是一些能够完成车间生产活动管理及优化的硬件和软件的集合,这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程。

它通过维护和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动,同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。

Michael  McClellan (曾任MESA主席):MES是一个集成的计算机化的系统,它是用来完成车间生产任务的各种方法和手段的集合。

二、 MES 产生的背景

1、车间层生产管理系统本身发展的需要:

(1)在MES出现之前,  车间生产管理依赖若干独立的单一功能软件,如车间作业计划系统、工序调度、工时管理、设备管理、库存控制、质量管理、数据采集等软件来完成。这些软件之间缺乏有效的集成与数据共享,难以达到车间生产过程的总体优化。(2)为了提高车间生产过程管理的自动化与智能化水平,必须对车间生产过程进行集成化管理,实现信息集成与共享,从而达到车间生产过程整体全局优化的目标。

2、MRPII/ERP进一步发展的需要:

(1)MRPII/ERP强调企业的计划性,好的计划应该建立在实时、准确、全面信息的基础之上。

(2)MRPII/ERP无法及时获取车间生产现场的实时信息,造成“生产计划”与“生产信息”不同步,使得计划的合理性大打折扣。

(3)因此,必须把“生产”与“计划”实时关联起来。但MRPII/ ERP本身无法直接与生产现场的控制层相联系,作为连接两者的桥梁,MES应运而生。

3、其它先进制造及管理模式发展的需要:

(1)计算机集成制造系统(CIMS):对车间层制造过程及管理自动化以及与其它分系统集成的需求; 

(2)JIT/精益生产:对生产现场实施“零库存”控制的需求;

(3)网络化制造:对车间生产过程及数据管理信息化、集成化、网络化的需求;

(4)敏捷制造:对车间生产过程集成化、智能化、柔性化的需求。

4、相关技术的发展为MES提供了技术支撑:

(1)计算机网络、数据库及计算机软件技术的发展:Internet /Intranet/LAN/Field Bus/MAP,大型分布式数据库,分布式对象计算、软总线及组件技术等;

(2)自动控制与传感检测技术:PLC/DCS/SCADA, 智能仪表,数字传感器,网络数控技术等;

(3)计算机辅助生产管理技术的普及与发展:生产计划与控制,设备管理,工具管理,质量管理与控制,过程管理及工作流技术等。

三、 MES的功能与作用

MES定位及功能模型:

MES定位及功能模型.png

MES功能概述:

MES功能概述.png

MES功能详解:

(1)资源分配与状态:该功能跟踪资源状态并维护一个详细的历史记录。它保证设备能够适时地安装调整以及其它资源(如文档)能够及时获取。对上述资源的管理包括对操作/详细调度功能的支持。

(2)操作/详细调度:提供基于优先级、属性、特性以及制造方法与工艺等的作业排序功能,负责生成工序计划(即详细计划)以满足用户定义的运行目标。

(3)分派生产单位:根据生产计划和详细排程,指导作业、订单、批次、工作指令等形式的生产单位的工作流程。以适当的顺序分派信息,使在正确的时间到达正确的地点。它具有变更预定排程/生产计划、以及通过缓冲管理来控制在制品数量的能力。

(4)文档管理:控制、管理与交付与生产单位关联的信息包,包括工作指令、制造方法、图纸、标准操作规程、零件加工程序、批次记录、工程更改通知以及交班信息等。它支持编辑预定信息和维护文档历史版本。

(5)数据采集/获取:获取和更新用于产品跟踪、维护生产历史记录以及其它生产管理功能的生产信息。它可使用扫描仪、输入终端、与制造控制者的软件界面以及其它软件等方式相结合来完成上述功能。它以手工或自动方式在车间采集最新的数据。

(6)人力管理:提供最新的人员状态信息,包括时间和出勤记录、资质跟踪以及追踪其间接活动的能力。它与资源分配进行交互以确定最优的人员分派。

(7)质量管理:及时提供产品和制造工序测量尺寸分析以保证产品质量控制,并辨别需要引起注意的问题。它可推荐一些矫正问题的措施。也可以包括SPC/SQC跟踪、离线检测操作以及在实验室信息管理系统(LIMS)中分析。

(8)过程管理:监视生产过程,自动纠偏或为操作者提供决策支持以纠正和改善在制活动。它可包括报警管理。可能通过数据采集/获取提供智能设备与MES的接口。

(NIST认为过程管理活动已在分派与质量管理中描述;MESA将其单列,是因为该活动可能由一个单独的系统来执行)

(9)维护管理:跟踪和指导设备及工具的维护活动以保证这些资源在制造进程中的可获性,保证周期性或预防性维护调度,以及对应急问题的反应(报警),并维护事件或问题的历史信息以支持故障诊断。

(10)产品跟踪和谱系:提供所有时期工作及其处置的可视性。其状态信息可包括:谁在进行该工作;供应者提供的零件、物料、批量、序列号;任何警告、返工或与产品相关的其它例外信息。

其在线跟踪功能也创建一个历史记录,该记录给予零件和每个末端产品使用的可跟踪性。

(11)性能分析:提供实际制造操作活动的最新报告,以及与历史记录和预期经营结果的比较。运行性能结果包括对诸如资源利用率、资源可获取性、产品单位周期、与排程表的一致性、与标准的一致性等指标的度量。

(12)物料管理:管理物料(原料、零件、工具)及可消耗品的运动、缓冲与储存。这些运动可能直接支持过程操作或其它功能,如设备维护或安装调整。

(该功能为NIST所追加,它认为上述物料管理活动与资源分配和跟踪功能的关系并不明确)

MES 的主要作用:

MES填补了计划与控制之间的鸿沟.png

填补了上层生产计划与底层工业控制之间的鸿沟

计划执行控制三层之间的信息流.png

计划/执行/控制三层之间的信息流

MRPIIERP与MES之间的信息流.png

MRPII/ERP与MES之间的信息流

MES与控制层之间的信息流.png

MES与控制层之间的信息流

四、 MES 的发展与应用情况

1、生产管理系统的演进

MES技术国际上的发展历程:

MES 技术在国际上的发展历程.png

生产管理系统的演进.png

2、MES在国际上的应用情况;

(1)MES技术在国际上的发展历程:

A:专用MES(Point MES):专用MES是一种自成一体的应用系统,它针对某个单一的生产问题(如制造周期缺乏竞争力、在制品库存过大、产品质量得不到保证、设备利用率低、缺乏过程控制等)

提供相应的软件系统(如作业计划与控制、物料管理、质量管理、设备维护、过程管理等)加以解决。

B:集成化MES(Integrated MES):该类系统起初是针对特定的行业(如航空、装配、半导体、食品和卫生等)的特定的规范化环境而设计,目前已拓展到整个工业领域。

在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。集成化MES具有丰富的应用功能、统一的逻辑数据库、单一的车间产品及过程模型等优点成为商品化MES产品的主流。

但该类系统依赖特定的车间环境,柔性差,缺少通用性和广泛的集成能力。

C:可集成的MES(I-MES):它将模块化应用组件技术应用到MES的系统开发中,  是前两类MES系统的结合:既具有专用MES系统的特点,

即I-MES中的部分功能作为可重用组件单独销售;又具有集成化MES的特点,即能实现上下两层之间的集成。

I-MES还具有能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性,能方便地实现不同厂商之间的集成和遗产系统的保护,以及即插即用等功能。

D:智能化第二代MES(MESII):其核心目标是通过更精确的过程状态跟踪和更完整的数据记录以获取更多的数据来更方便地进行生产管理,它通过分布在设备中的智能来保证车间生产的自动化。

E:下一代MES(Next Generation MES):其显著的特点是强调生产同步性(协同),支持网络化制造。它通过MES引擎在一个和几个地点来进行工厂的实时生产信息和过程管理以协同企业所有的生产活动,

建立过程化、敏捷化、有效的组织和级别化的管理使企业生产经营达到同步化。 

(2)MES 在国际上的应用情况:

A:MES在发达国家已实现产业化,其应用覆盖离散与流程制造行业和领域:半导体、电子、机械、航空、汽车、医疗、食品、酿酒、石油、化工、冶金等,并给企业带来了巨大的经济效益。

B:据AMR和MESA于1997年提供的数据:1993年MES的市场销售额为1。5亿美元,1994-1995年的销售额以大约30%的速度增长,这一增长速度将继续保持到2000年。

C:MES的出现和普及,对国外生产管理界也产生了深远的影响。在国外很多行业应用中MES已和ERP相提并论。MES是目前世界工业自动化领域的重点研究内容之一。

3、MES在中国的发展与应用情况:

(1)MES思想在20世纪90年代中期引入我国, 1999年国家863高技术发展计划首次将MES纳入CIMS主题进行探索性研究。

(2)国家“十五”863将MES作为重点项目进行资助,取得了一批研究与应用成果(如可集成的MES、基于构件的可重构MES、知识化MES、基于WEB的MES、敏捷化MES理论等),应用范围覆盖离散制造与流程工业。

(3)但我国在MES应用方面与西方发达国家相比,无论是在技术深度与应用广度上都存在较大差距,主要还停留在MES技术的早期阶段(专用MES和集成化MES)。

4、MES技术的发展趋势:

(1)进一步强化系统的可集成性;(2)可配置性与可重构性;(3)柔性与自适应性;(4)开放性与可扩展性,即插即用;

(5)进一步提高系统的可靠性; (6)强调过程管理,支持生产协同(同步性:Synchronous);(7)面向客户,支持电子商务;(8)支持网络化制造模式。

五、 MES给企业带来的利益

1、MESA分别在1993年和1996年以问卷方式对若干典型企业进行了两次有关MES应用情况的调查;

2、这些典型企业覆盖如下七大行业:医疗产品,塑料与化合物,金属制造,电气/电子,汽车,玻璃纤维,通讯;

3、这些企业中,75%为离散制造企业,16%为批量/流程制造企业,9%为混合型企业,它们平均应用MES的时间为2。3年;

可量化的直接经济利益:

可量化的直接经济利益.png

难以量化的间接经济利益:

(1)满足客户要求的高质量响应;(2)提高制造系统对变化的响应能力以及客户服务水平;

(3)均衡企业资源的利用率,优化产能,提高运作效率;(4)大大缩短企业投资回报周期;

(5)通过员工授权,大大提高企业员工的工作能力与效率;(6)提高企业敏捷性,增强企业核心竞争力。

MES对生产运作管理的最大影响:

(1)实时的订单状态、设备状态、库存可视性;(2)实时的作业优先级,提供对工厂管理的实时信息;

(3)调度,分派,发到车间的e-mail;(4)客户订单的跟踪与可跟踪性;(5)实时的车间数据采集。

另一个显著发现:知识化和员工授权改变了员工的精神状态,减少了监督,提高了工作效率。

MES给生产运作人员带来的好处:

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六、 对国内企业实施MES的建议

1、实施MES不仅仅是一项技术工作,更是车间的一次生产运作管理模式的变革;

2、MES是锦上添花(对现有工作流程信息化),不是雪中送炭(通过MES改变工作流程),实施MES不可本末倒置;

3、不能期望MES能够解决企业或车间的所有重大问题(如技术和工艺问题、基础管理问题等),对MES技术应当有合适的预期;

4、人的因素是决定MES成功实施的关键。应加强人员培训,熟练掌握技术,转变观念。

企业实施MES三步曲:

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1、充分的准备工作:

基本条件:面向市场的产品定位;开拓进取的领导班子;对MES内涵认识明确;良好的管理基础;持续的员工培训;管理人员与计算机人员的密切配合;合适的软件,有充分的指导与支持。

需求明确:总体预期目标和分阶段目标;管理层需求分析;流程需求分析;软件功能需求分析;硬件配置需求分析;挑选系统的准则,二次开发与系统集成。

管理基础:车间组织机构、规章制度、运行机制;MRPII/ERP系统;车间作业计划与控制系统;质量管理与控制系统;人力资源管理系统;数据采集与获取系统。

资金条件:实施MES需要在应用软件、系统软件、硬件平台、培训、实施费用上投资。所以企业必须有充分的预算,这是实施ERP系统的必要条件。

人员素质:良好的员工素质是企业实施MES的必备条件,可以从以下方面进行评估:领导素质、员工素质、企业员工凝聚力。

基础数据:包括产品结构、物料(包括编码规则、零件、毛坯、在制品、刀具、工装、工具、量检具等)、工艺路线、工时、物料库存、设备与人员、各种例外代码等信息。

网络建设:除了一般局域网外,还涉及车间现场数据采集与控制网络。车间现场网络可采用多种形式,如工业以太网、现场总线、RS-485网络或RS-232网络等。

2、合适的软件选型:

软件功能满足程度好;软件技术水平高(具通用性、适应性、开放性、可扩展性),具有二次开发功能;软件可集成性好,便于与计划层和控制层的集成;

软件界面友好、简单易用;服务质量好(供应商技术开发能力强、信誉好、产品升级有保障、价格体系明晰、合作态度积极);软件性价比高,投入产出效益大;与现有MRPII/ERP系统的配套性。

3、有效的系统实施:

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MES实施要点:

上层的决心与推动:车间信息化过程中,没有领导的关心和鼎力推进,MES系统是不可能实施成功的。

确切的需求分析:企业当前最迫切需要解决的问题是什么?MES系统是否能够解决?实施MES后到底能够解决哪些问题、达到哪些目标?出现问题后如何解决?

建立合理的工作流程:这是计算机系统在企业内有效运行的关键,最好同咨询公司和高校合作。

制定合理的目标:上MES不能贪大求全,要与ERP紧密结合,要根据企 业自身的实际条件设计建设目标。不仅要有完整性,还要具有可操作性。

创造良好的实施和应用环境:从企业的硬件设施,人员配置,员工的心态到工作氛围、企业文化等方面予以重视。

完善的教育培训:强化全员培训,包括对生产第一线的物流管理员、检验员工进行不间断的循环培训;召集中高层管理人员反复讨论、了解MES。

由浅而深,由线而面,建立阶段里程碑标志:MES涵盖很广,先找一能立竿见影的部份导入,使用成功是最好的教育推广方式。

贯彻执行力:要求各阶层各部门确实将此系统做为管理作业上 的重要工具,彼此互相督促,施予正面的压力。

实施项目变更管理:在任何一个阶段,如果对系统功能说明书中的任何功能进行合理的、必需的变更,则必须通过必要的变更步骤对其管理。

建立MES的实施维护团队:培养自己的人才队伍,建立MES实施团队,以确保MES的顺利实施,减少系统失败的风险。

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七、德尔智慧——智慧厂房管理平台(3EMS+)

随着MES系统的广泛应用、物联网技术的成熟发展,建立基于物联网的监控管理系统已成为现代制造企业的发展方向和必然趋势,它的作用将会逐步显示出来。

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经过实地考察,结合多年在智能化控制、节能减排、流程管理领域的经验,客户需要一套集设备管理、能源管理、环境管理、安全管理的具有智能诊断及系统优化的综合工厂资产健康管理平台。

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德尔智慧——智慧厂房管理平台包括设备管理、现场管理、环境管理、能源管理、安全管理、项目管理、报表管理、系统管理,实现节能、环保、安全、可靠、高效等目的,提升设备效率,提高企业管理水平。

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点击次数:  更新时间:2019-08-02 15:11:35  【打印此页】  【关闭