概述

    許多公司已經(jīng)開發(fā)出針對各個行業(yè)的軟件產(chǎn)品和解決方案，解決制造過程的管理和組織。雖然他們一般表現(xiàn)為制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），但這些產(chǎn)品的范圍從“我的Excel工作表”到所有與生產(chǎn)相關(guān)過程的綜合管理、組織和自動化處理。

    本系列文章（共12篇）并不打算定義一種新的“制造執(zhí)行系統(tǒng)”。本系列文章的目的是對有興趣的讀者提供目前存在的可行的解決方案，簡要介紹滿足不同行業(yè)特殊要求的方案，了解和推廣適合的MES應(yīng)用，優(yōu)化生產(chǎn)流程。

    本系列文章將使用“企業(yè)與控制系統(tǒng)集成 -- IEC62264”這套標(biāo)準作為基礎(chǔ)，解決方案盡可能與產(chǎn)品和供應(yīng)商無關(guān)，只指出方案的功能表現(xiàn)。從第1到第3部分，簡要介紹這套標(biāo)準，該標(biāo)準也被稱為S95（美國標(biāo)準）。目前，相同的MES術(shù)語和任務(wù)在不同企業(yè)有著不同的解釋，甚至也在供應(yīng)商當(dāng)中使用。因此，在第4部分，基于S95的結(jié)構(gòu)和術(shù)語，這里按行業(yè)分類出最重要的術(shù)語，并對多種不同的術(shù)語和產(chǎn)品提供解釋。

    基于工業(yè)的典型需求，第5部分介紹MES的功能和收益。第6部分介紹在流程行業(yè)和制造行業(yè)MES應(yīng)用的相同與差異。第7和第8部分提供了需求定義的概述和MES功能的選擇，并基于特定案例展現(xiàn)他們的收益。第9部分總結(jié)本文的全部內(nèi)容，并給出MES未來解決方案的前景。

    就像在第5部分介紹的，在整個工業(yè)領(lǐng)域，針對他們的可擴展性、模塊化和集成能力等各自的需求，今天每個特定行業(yè)都有可供選擇的解決方案，這些解決方案可以顯著提高企業(yè)的運營績效。

    工業(yè)運營商面臨的挑戰(zhàn)是如何抓住這個機會，使本企業(yè)的績效達到最大化。

1.使用MES的市場需求和理由

    為了評價MES解決方案的最新技術(shù)和發(fā)展動態(tài)，必須要考慮MES在自動化歷史中的位置。今天的MES解決方案包括了已前的計算機集成制造（CIM）組件，如計算機輔助設(shè)計（CAP），計算機輔助制造（CAM），計算機輔助質(zhì)量保證（CAQ），生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集（PDA），機器數(shù)據(jù)采集（MDA）和員工時間記錄 / 時間與考勤（PTR/ T&A）。

    然而，這些計算機集成制造組件并沒有完全融入到企業(yè)流程之中。相反，他們大多數(shù)只用于部門級單一項目的應(yīng)用。現(xiàn)在，為了更好地支持大企業(yè)制造，企業(yè)項目需要集成越來越多的部門，需要協(xié)調(diào)內(nèi)部和外部的價值鏈，也需要更多的集成軟件解決方案。

    由于以上這些原因，企業(yè)越來越多地使用綜合MES解決方案，這種方法也被流程行業(yè)和制造行業(yè)所認可。正在出現(xiàn)的經(jīng)濟全球化也加速了這一趨勢，因為全球化需要競爭力的最大化。必須完成以下目標(biāo)：

    ●提高工作績效，同時增加靈活性；

    ●更高的生產(chǎn)流程效率；

    ●增強并確保流程和產(chǎn)品質(zhì)量；

    ●整體流程的成本優(yōu)化；

    ●產(chǎn)品生命周期的縮短。

    使用MES的驅(qū)動力是新型生產(chǎn)模式的發(fā)展、新型物流理念的推廣，以及產(chǎn)品市場的迅速變化和開發(fā)流程的不斷縮短。

    產(chǎn)品的生命周期連續(xù)縮短，同時產(chǎn)品的技術(shù)日益復(fù)雜。同時，縮短的開發(fā)時間，需要更多的原型，要求更多的產(chǎn)品變化。

    在一個全球性和競爭性的經(jīng)濟中，“上市時間”是每一家制造商成功的關(guān)鍵性和決定性因素。 MES可以為這種成功作出顯著的貢獻。

    上面列出要求內(nèi)容中，企業(yè)價值鏈的持續(xù)改進需要這樣一組工具，該工具不僅能支持各個部門，而且應(yīng)考慮把“該生產(chǎn)”作為企業(yè)內(nèi)的整體流程。

    MES實現(xiàn)這一流程就像一種實時應(yīng)用。由于整個生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)都由這一整體流程來控制，持續(xù)的改進和優(yōu)化就可以實現(xiàn)。

    MES的實時性能力橫跨多個部門的要求（如訂單規(guī)劃和控制、物料管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、機器數(shù)據(jù)收集、質(zhì)量管理、文檔管理），提供了與生產(chǎn)流程的直接連接。

    此外，需要擴展供應(yīng)鏈和全球采購、以及各區(qū)域公司銷售業(yè)務(wù)在開發(fā)市場中表現(xiàn)的集成。

    MES不僅是“生產(chǎn)”和“企業(yè)”之間的運營鏈接，它還鏈接了供應(yīng)鏈中的所有合作伙伴。這意味著：它連接了一個連續(xù)的、全面的和可管理的價值流。 

    在此基礎(chǔ)上，MES正成為一種靈活的和一體化生產(chǎn)的戰(zhàn)略要素。在今天的軟件系統(tǒng)中，MES結(jié)合了現(xiàn)代化生產(chǎn)管理的所有任務(wù)。

    同時，該系統(tǒng)是每個企業(yè)不斷向未來“數(shù)字工廠”發(fā)展的運營平臺。

2.MES和規(guī)范性標(biāo)準（IEC62264）

    正如概述中指出的，術(shù)語MES通常代表工業(yè)、公司或者供應(yīng)商為生產(chǎn)運營管理的特定解決方案。

    有些組織一般將 “制造執(zhí)行系統(tǒng)”歸類于離散制造領(lǐng)域，作為“面向流程的制造管理系統(tǒng)”，并作為“生產(chǎn)流程組織和執(zhí)行的全面驅(qū)動力”。以下為MES的主要任務(wù)：

    a）組織和支持生產(chǎn)流程的所有活動：

    ●流程需求（工單處理、資源規(guī)劃、質(zhì)量需求）；

    ●運行行為（確保資源、材料流動和質(zhì)量的可用性）；

    ●跟蹤和分析（庫存管理、關(guān)鍵績效指標(biāo)的計算、持續(xù)改進流程的依據(jù)，如：六西格瑪和營運開支（OpEx））。

    b）與生產(chǎn)流程（規(guī)劃、啟動、管理、控制、記錄、評估、審查等）執(zhí)行相關(guān)的所有行為閉環(huán)的實現(xiàn)。

    c）與其他級別的信息交換，如企業(yè)管理級（企業(yè)資源規(guī)劃，ERP）和制造/流程級（可編程控制器PLC、分布式控制系統(tǒng)DCS），以及運營支撐系統(tǒng)，例如產(chǎn)品和流程工程（P / PE），供應(yīng)鏈管理（SCM）。

    為了符合相關(guān)指南，MES的功能涵蓋了生產(chǎn)流程按時間順序排列的所有方面：

    產(chǎn)前方面 - >生產(chǎn)流程的規(guī)劃；

    實時方面 - >生產(chǎn)流程的管理；

    歷史方面 - >生產(chǎn)流程的分析與評估。

    本文使用的術(shù)語MES作為IEC62264 “制造運營和控制” 中第3級規(guī)定的所有解決方案和系統(tǒng)的代名詞。

    與此同時，一些其他術(shù)語諸如“制造運營管理（MOM）”或“協(xié)同生產(chǎn)管理（CPM）” 也在目前的市場中使用，試圖強調(diào)任務(wù)的全面性。

    本文基于IEC62264“企業(yè)與控制系統(tǒng)集成”這套標(biāo)準，該標(biāo)準的中文版本GB/T20720也即將發(fā)布，其中有：

    企業(yè) -- 控制系統(tǒng)集成 -- 第一部分：模型與術(shù)語；

    企業(yè) -- 控制系統(tǒng)集成 -- 第二部分：對象模型屬性；

    企業(yè) -- 控制系統(tǒng)集成 -- 第三部分：制造運營管理的行為模型；

    企業(yè) -- 控制系統(tǒng)集成 -- 第四部分：制造運營管理集成的對象與屬性；

    企業(yè) -- 控制系統(tǒng)集成 -- 第五部分：制造交易的業(yè)務(wù)。

    其中三個部分“模型和術(shù)語”、“對象模型屬性”和“制造運營管理的活動模型”是主要焦點。

    IEC62264定義了一個企業(yè)的多個功能級，他們按不同的時間尺度和不同的詳細程度進行分級。這些功能級由較高的或較低的功能信息是否可用，以及其他因素來決定。功能級在下面列出，參見圖1。

圖1 功能級，引用IEC62264-3中的圖2。

    ●第4級：業(yè)務(wù)規(guī)劃和物流；

    ●第3級：制造運營管理；

    ●第2級：監(jiān)視以及生產(chǎn)流程的監(jiān)督和自動化控制：

    -- 批控制；

    -- 連續(xù)控制；

    -- 離散控制。

    ●第1級：流程或機械的控制和數(shù)據(jù)采集；

    ●第0級：生產(chǎn)流程。

    該標(biāo)準的第1部分描述了企業(yè)所有部門第3和第4級的相關(guān)功能，以及他們之間通常交換的對象。圖2給出了部門與部門之間關(guān)系的一般描述。

圖2 制造運營管理模型，引用IEC62264-3中的圖1。MES的相關(guān)區(qū)域用灰色橢圓顯示

    在IEC62264中定義的術(shù)語、概念和模型，為企業(yè)管理級和生產(chǎn)管理級的集成提供了一個標(biāo)準。這改善了MES項目中利益相關(guān)者之間的溝通。該標(biāo)準還為企業(yè)管理和生產(chǎn)管理的集成提供了最佳集成實踐。同時，該標(biāo)準還與企業(yè)自動化的程度和特定技術(shù)的使用無關(guān)。

    在IEC62264第2部分中，定義了交換對象的特性和屬性。第3部分描述了有關(guān)的制造或流程工廠管理的活動和功能。

    本文主要涉及制造相關(guān)的運營活動，而不是功能區(qū)域之間的接口。因此，圖2表示了制造運營管理的區(qū)域，圖3所示的管理活動的通用模型將在以后的章節(jié)中敘述。 

圖3 制造運營管理的一般活動模型，引用IEC62264-3中的圖6。

    圖2中所示，與企業(yè)控制模型相關(guān)功能的活動，可以分配到制造運營管理級（第3級，黃色示出），并分成以下四個功能區(qū)域（灰色背景）：

    ●生產(chǎn)運營管理；

    ●質(zhì)量運營管理；

    ●維護運營管理；

    ●庫存運營管理。

    圖3模型中的活動主要解決下面的問題：

    ●如何管理...？ （規(guī)范管理）；

    ●管理什么，在哪里，誰可以管理...？ （資源管理）；

    ●何時，何地，誰來管理...？ （詳細調(diào)度和分派）；

    ●需要做什么，在哪里，由誰做...？ （執(zhí)行管理）；

    ●何時，何地，誰來做...？ （數(shù)據(jù)采集與跟蹤）；

    ●怎么樣......？ （數(shù)據(jù)采集與分析）。

    生產(chǎn)、質(zhì)量、庫存和維護：這些活動能夠均勻地分布在制造運營管理級的四個功能區(qū)域。因為這個模型特別適合使用MES模塊構(gòu)造和描述，作為各個活動的基礎(chǔ)，更詳細的解釋將在下一部分描述。

    對現(xiàn)有架構(gòu)或計劃架構(gòu)的分析可以看出，這些活動可以在不同的系統(tǒng)中實現(xiàn)，例如在MES模塊中的功能、在ERP系統(tǒng)中的功能或者在流程控制系統(tǒng)中的功能。圖4提供了關(guān)于制造運營管理活動的技術(shù)集成及其分配到不同技術(shù)實現(xiàn)層的例子。

    根據(jù)特定需求，允許一個級同時分配多個活動，該一般活動模型可以用于描述完整的解決方案，定義必要的接口。

圖4 不同的活動類別和他們的技術(shù)集成（示例），引用IEC62264-3中的圖31。

MES在各行業(yè)中的需求與解決方案（二）

MES在各行業(yè)中的需求與解決方案（三）

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