摘要
本文簡要介紹了制造執(zhí)行系統(tǒng)MES對于敏捷制造實(shí)施的必要性及意義；闡述了MES的應(yīng)用及發(fā)展趨勢；分析了敏捷制造下MES的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)，為敏捷制造企業(yè)制訂MES實(shí)施的整體解決方案提供參考。
引 言
進(jìn)入21世紀(jì)以來，國際化的市場競爭日益激烈。企業(yè)要想立于不敗之地，就必須具有把握機(jī)遇和不斷創(chuàng)新的能力，以更快的響應(yīng)速度和應(yīng)變能力生產(chǎn)出市場需要的產(chǎn)品。敏捷制造是借助于信息通訊網(wǎng)絡(luò)，建立能夠?qū)κ袌鲂枨笞龀隹焖夙憫?yīng)的開放性制造體系和先進(jìn)的生產(chǎn)模式。隨著企業(yè)生產(chǎn)模式逐漸向敏捷制造發(fā)展。企業(yè)業(yè)務(wù)流程重組(BPR)的實(shí)施、企業(yè)環(huán)境的異構(gòu)性、企業(yè)間動態(tài)聯(lián)盟的組建等，對MES又提出了更高的要求，傳統(tǒng)的MES解決方案難以適應(yīng)敏捷制造的要求。面向敏捷制造的MES，不僅要費(fèi)用合理，更要具有良好的適應(yīng)性(adptable)，可重構(gòu)性(recorIfigurable)、可集成性(integratable)，因此，國外許多組織或機(jī)構(gòu)均在研究面向敏捷制造的MES。
1 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的定義
1992年成立的制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會于1997年發(fā)表的白皮書給出MES如下定義：MES提供實(shí)現(xiàn)從訂單下達(dá)到完成產(chǎn)品的生產(chǎn)活動優(yōu)化所需的信息；運(yùn)用及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，指導(dǎo)、啟動、響應(yīng)并記錄車間生產(chǎn)活動，能夠?qū)ιa(chǎn)條件的變化做出迅速的響應(yīng)，從而減少非增值活動，提高效率。由此定義可看出：MES的關(guān)鍵是強(qiáng)調(diào)整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化，它需要收集生產(chǎn)過程中大量的實(shí)時數(shù)據(jù)，并對實(shí)時事件及時處理。同時又與計劃層和控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。因此，MES不同于以派工單形式為主的生產(chǎn)管理和輔助的物料流為特征的傳統(tǒng)車間控制器，也不同于偏重于作業(yè)與設(shè)備調(diào)度為主的單元控制器，而應(yīng)將MES作為一種生產(chǎn)模式，把制造系統(tǒng)的計劃和進(jìn)度安排、追蹤、監(jiān)視、控制、物料流動、質(zhì)量管理、設(shè)備控制、計算機(jī)集成制造接口(CIM)等一體化去考慮，以最終實(shí)施制造自動化戰(zhàn)略。圖1反應(yīng)了MES在企業(yè)生產(chǎn)管理中的數(shù)據(jù)流圖和所處地位。
圖1 MES在企業(yè)生產(chǎn)管理中的數(shù)據(jù)流圖和所處地位
2 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
MES作為國際上協(xié)同制造的必要組成部分，目前正向著協(xié)同的方向發(fā)展，以MES為核心，向制造業(yè)中各個系統(tǒng)之間的經(jīng)營過程延伸的制造企業(yè)整體解決方案正在形成。與此同時，MES也在向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，例如ISA發(fā)布的SP95系列標(biāo)準(zhǔn)，它實(shí)現(xiàn)的以敏捷制造和企業(yè)全局優(yōu)化為目標(biāo)的智能化MES將成為MES新的發(fā)展方向。
制造企業(yè)信息管理系統(tǒng)分為在線管理和離線管理，兩者相比在線管理更能提高管理效能，需求更為迫切，但由于實(shí)施難度較高，中國企業(yè)多為青睞離線管理。國外MES應(yīng)用最為成功的離散型制造行業(yè)在中國卻因?yàn)槠渥詣踊降汀⒅圃爝^程的生產(chǎn)管理復(fù)雜、實(shí)施難度高等，受到極大制約。隨著經(jīng)濟(jì)全球化。離散制造企業(yè)面臨越來越激烈的競爭。向生產(chǎn)要效益是必然的追求，MES將發(fā)揮越來越大的作用，為企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的好處。這其中，儀器儀表、電子制造、汽車裝配等行業(yè)，將是MES在離散制造行業(yè)的應(yīng)用突破口，而這也是一個逐漸推進(jìn)的過程。
MES系統(tǒng)已在國際上廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)，并取得了很大成就。國內(nèi)企業(yè)目前基本上僅僅實(shí)現(xiàn)了簡單的數(shù)據(jù)采集和物流管理等局部的MES功能。目前國內(nèi)MES領(lǐng)域的現(xiàn)狀是：多數(shù)制造業(yè)企業(yè)已經(jīng)知道了MES，但卻不知道如何著手準(zhǔn)備MES。據(jù)了解，目前國內(nèi)MES系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，石化、鋼鐵、煙草、半導(dǎo)體等行業(yè)，應(yīng)用較多；其他行業(yè)(如電子、制藥、食品、造紙等行業(yè))也有應(yīng)用。
3 面向敏捷制造的MES
3.1 敏捷制造下MES的特點(diǎn)
敏捷制造下MES的基本功能及地位并沒有改變，但其表現(xiàn)的特點(diǎn)與傳統(tǒng)MES是有顯著差別的。敏捷制造模式下，車間的功能在制造企業(yè)中逐步向分廠制過渡，當(dāng)車間的任務(wù)不能完成時，可直接通過網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)上尋求合作伙伴，構(gòu)成一個虛擬車間；車間級也可直接接受其他車間或企業(yè)的生產(chǎn)任務(wù)，作為其他企業(yè)的虛擬車間或企業(yè)的一部分。在這種虛擬性的企業(yè)中，管理模式將由分層遞階向扁平化發(fā)展，生產(chǎn)指令不再是由上而下的傳達(dá)過程，而是由訂單驅(qū)動來安排各自的生產(chǎn)任務(wù)。因此，每個制造單元的相互協(xié)調(diào)顯得越來越重要，業(yè)務(wù)過程的不斷變化要求MES具有良好的“柔性”。傳統(tǒng)的MES無法滿足敏捷制造單元的信息管理，企業(yè)迫切需要新一代的MES解決方案。可集成的MES(Integratable MES，I-MES)可以說是面向敏捷制造的新一代MES，它既是對兩類T-MES揚(yáng)棄，又具有鮮明的敏捷性特征。可集成MES通過運(yùn)用可重用組件進(jìn)行系統(tǒng)快速裝配，一方面可提供專用的MES系統(tǒng)的特定功能，即I-MES中的部分功能作為可重用組件單獨(dú)銷售，另一方面它又可按客戶需求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速組裝形成集成的MES。實(shí)現(xiàn)上下兩層之間的集成。
面向敏捷制造的MES具有下列特征：1)可集成性(Integratability)，實(shí)現(xiàn)與不同廠商之間系統(tǒng)的集成，以及對企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)(Legacy System)的保護(hù)。2)可配置性(Configurability)，能對工廠新引入的產(chǎn)品，以及不可預(yù)料的需求變化，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的快速配置，以滿足用戶不斷變化的需求。3)可適應(yīng)性(Adaptability)，通過系統(tǒng)良好的重構(gòu)能力，以自動適應(yīng)變化的工作負(fù)荷和條件或者業(yè)務(wù)過程的改變。4)可擴(kuò)展性(Extensibility)，不但可在一個單元內(nèi)擴(kuò)展其功能，且可擴(kuò)展到其它制造單元及產(chǎn)品制造生命周期的其它階段，從而滿足各種復(fù)雜的制造需求。5)可靠性(Reliability)，保證分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性、一致性、以及虛擬企業(yè)信息交互的安全性。
3.2 關(guān)鍵技術(shù)
集成的MES系統(tǒng)(Integrated MES)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的橫向集成(系統(tǒng)內(nèi)部功能的集成)與縱向集成(上下分別與企業(yè)信息系統(tǒng)(EIS)和控制層集成)。面向敏捷制造的MES，不僅要實(shí)現(xiàn)上述的集成要求，還要實(shí)現(xiàn)企業(yè)間MES的集成和互操作，以下介紹某些關(guān)鍵技術(shù)。
3.2.1 PS基礎(chǔ)框架
PS(Plant System)基礎(chǔ)框架定義了從企業(yè)計劃層到控制層間構(gòu)成制造信息技術(shù)環(huán)境的模塊及其通信協(xié)議。它既是指導(dǎo)企業(yè)系統(tǒng)集成的藍(lán)圖，又是實(shí)現(xiàn)軟構(gòu)件的物理基礎(chǔ)。PS基礎(chǔ)框架選擇的好環(huán)直接關(guān)系到MES的敏捷性。目前主要遵循CORBA、COM／DCOM、RMI等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
3.2.2 MES對象模型
軟件工程中，求解問胚域向方法域映射的兩大方法是：結(jié)構(gòu)化分析方法和面向?qū)ο蠓治龇椒āＤ壳霸贑IMS應(yīng)用中廣泛使用的IDEFD和IDEFIX等建模方法，都是基于結(jié)構(gòu)化方法的思想。結(jié)構(gòu)化方法在對需求變化的適應(yīng)性和支持軟件復(fù)用能力上明顯不足，難以適應(yīng)敏捷制造下信息系統(tǒng)的要求。面向?qū)ο蠓椒ㄓ捎诰哂欣^承性和封裝性。支持軟件的復(fù)用及易于擴(kuò)充等特點(diǎn)，能很好地適應(yīng)大系統(tǒng)不斷發(fā)展和變化的要求。建立MES的對象模型是最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的一部分。
3.2.3 工作流技術(shù)與Agent技術(shù)
面向敏捷制造的MES，不僅要對本單元的制造過程的進(jìn)行實(shí)時跟蹤，還要能跟蹤虛擬企業(yè)中其它生產(chǎn)單元的制造過程。因而MES必須由信息集成向過程集成和企業(yè)間MES集成發(fā)展。
1)工作流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)過程集成的有效途徑。工作流管理系統(tǒng)在MES中的應(yīng)用(與其它應(yīng)用一樣)分為模型建立，模型實(shí)例化，模型執(zhí)行三個階段。首先，利用工作流建模工具完成車間制造過程模型的建立，將車間實(shí)際制造過程轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可處理的工作流模型。其次，為每個過程設(shè)定運(yùn)行所需的參數(shù)，并分配每個活動所需要的資源(包括制造資源，應(yīng)用)。最后，通過人機(jī)交互和應(yīng)用的執(zhí)行來完成制造過程的執(zhí)行。分布式工作流技術(shù)的發(fā)展，提供了對企業(yè)之間過程集成的支持。
2)制造系統(tǒng)生產(chǎn)過程和控制結(jié)構(gòu)本身所固有的局部控制和分布式?jīng)Q策的特性，為Agent技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用空間。MAS(Multi-Agent system)技術(shù)被認(rèn)為是在未來生產(chǎn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)費(fèi)用、生產(chǎn)分散化控制、自適應(yīng)及處理復(fù)雜過程的關(guān)鍵技術(shù)，同時它又是一種新的方法論，貫穿在先進(jìn)制造的各個領(lǐng)域，從企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟、ERP、規(guī)劃與調(diào)度到現(xiàn)場控制都有MAS思想與技術(shù)的應(yīng)用。在MES中，Agent主要是指能完成某種特殊功能的分布式計算機(jī)程序，它需具備下列關(guān)鍵屬性：持續(xù)性、通信能力、自主性、可移動性、反應(yīng)性、適應(yīng)性或進(jìn)化性、推理和規(guī)劃能力。
3.2.4 ERP接口
要實(shí)現(xiàn)企業(yè)連續(xù)、實(shí)時的信息流，MES就必須實(shí)現(xiàn)與ERP的集成。目前的集成MES都是針對特定的ERP開發(fā)，不能適應(yīng)敏捷制造的要求。開發(fā)良好的ERP接口(ERPI-ERP Interface)是面向敏捷制造的MES必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。ERPI相當(dāng)于ERP和MES之間的中間件。當(dāng)企業(yè)上層計劃者向ERPI發(fā)出執(zhí)行訂單(包括制造訂單和采購訂單)處理的業(yè)務(wù)請求后，ERPI首先查詢ERP服務(wù)器以判斷哪些是已經(jīng)準(zhǔn)備處理的訂單，接著在MES服務(wù)器根據(jù)這些訂單生成制造訂單，并通過工作流系統(tǒng)將其分配給車間層的生產(chǎn)計劃者；在這個過程中，ERPI可通過查詢MES模型，以獲取有關(guān)生產(chǎn)資料、質(zhì)量或生產(chǎn)能力的統(tǒng)計信息，同時將執(zhí)行結(jié)果反饋給ERP以更新庫存信息和企業(yè)整個的生產(chǎn)能力信息。
3.2.5 設(shè)備控制接口
MES與控制層間信息的傳遞是MES有效運(yùn)行的基礎(chǔ)，但由于制造企業(yè)的多樣化，存在著多種制造方式和監(jiān)控手段。底層的過程控制顯得十分復(fù)雜。有的設(shè)備控制器需要很強(qiáng)的實(shí)時性和可靠性，有的則不太要求這一點(diǎn)。底層控制設(shè)備多種多樣，有數(shù)據(jù)采集裝置(例如條形碼閱讀器、磁卡閱讀器、字符鍵盤的智能終端等)、控制裝置(例如PLC)、甚至是物理設(shè)備(例如NC機(jī)床)。為使各種設(shè)備控制器能在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上與其它MES組件協(xié)同工作，一方面對設(shè)備控制器及其外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，支持其在電腦硬件上運(yùn)行；另一方面運(yùn)用面向?qū)ο蟮腏ava-CORBA技術(shù)將其開發(fā)成為CORBA客戶，實(shí)現(xiàn)其良好的跨平臺性和互操作性；但對實(shí)時性要求很高的系統(tǒng)來說。還有待于在實(shí)時ORB上作進(jìn)一步的驗(yàn)證。借助于封裝良好的設(shè)備控制接口，MES才能夠可靠、有效地實(shí)現(xiàn)對底層控制的支持。
3.2.6 虛擬企業(yè)中的安全機(jī)制
虛擬企業(yè)VE(Virtue Enterprise)是敏捷制造的主要企業(yè)組織形態(tài)：為了共同開發(fā)產(chǎn)品，每個成員不僅要掌握自己制造單元的生產(chǎn)狀況，還必須了解其它成員的生產(chǎn)信息。這樣才可能做到局部優(yōu)化和整體優(yōu)化的完美統(tǒng)一。因此，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的MES集成是面向敏捷制造MES發(fā)展的必然趨勢。由于虛擬企業(yè)中的每個成員，既要允許其它聯(lián)盟企業(yè)訪問其部分資源，又要對聯(lián)盟外的用戶進(jìn)行保密。以防止信息泄密或破壞，良好的信息安全機(jī)制成為虛擬企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的保證。目前的安全技術(shù)有：虛擬專用網(wǎng)VPN(Virtual Private Network)、加密技術(shù)、認(rèn)證技術(shù)、防火墻技術(shù)等，其中每項(xiàng)技術(shù)都側(cè)重信息安全的某個方面。VE的安全需求包括：1)保密性：禁止不正當(dāng)訪問。2)完整性：確認(rèn)數(shù)據(jù)不具有二義性。3)確實(shí)性：授權(quán)或數(shù)據(jù)源的正確性。
4 結(jié)束語
1)MES在整個企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下，是生產(chǎn)活動與管理活動信息溝通的橋梁。不實(shí)施MES，管控一體化只是一句空話。對于面向制造業(yè)和過程工業(yè)的ERP，脫離MES將無法根據(jù)市場需求去組織、管理和優(yōu)化生產(chǎn)。2)MES技術(shù)在過去十幾年來已顯著地成熟。但MES的發(fā)展和應(yīng)用是一個過程，而不是一個事件，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。MES軟件在改善維護(hù)、改善與其它丌管理軟件的接口等方面，也有待于進(jìn)一步發(fā)展提高。3)要使敏捷制造企業(yè)信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的投資迅速取得回報，從MES入手是一種明智的選擇。但是MES的實(shí)施需要恰當(dāng)規(guī)劃和細(xì)致分析，可從旨在解決一兩個當(dāng)務(wù)之急的工廠生產(chǎn)瓶頸問題著手，逐步擴(kuò)大。4)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES軟件，填補(bǔ)了企業(yè)計劃層和生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)之間的間隔，是制造過程信息集成的紐帶。MES通過強(qiáng)調(diào)制造過程的整體優(yōu)化。幫助企業(yè)實(shí)施完整的閉環(huán)生產(chǎn)，同時也為敏捷制造企業(yè)的實(shí)施提供了良好的基礎(chǔ)。深刻理解MES這一先進(jìn)的管理思想，把握它的發(fā)展趨勢，對于如何在我國正確地研究和推廣MES應(yīng)用，具有重要的理論和應(yīng)用價值。
