MES在IT架构和应用方面的一些新发展

MES标准的发展

上世纪70年代开始，随着小型计算机的出现，信息技术开始被应用到企业运营事务中，从经营层的采购、供应和财务到制造层的工单报工和设备绩效与维保等方面。如同80年代ERP名词的问世，在90年代，业界开始使用一个统一的术语来定义应用于制造管理的信息系统 – Manufacturing Execution System （MES制造执行系统）。

1994年，MESA定义MES为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”，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、客户需求等方面）的当前状态。
1995年，ISA定义了企业级业务系统与工厂车间级控制系统相集成时所使用的术语和模型。该标准还定义了中间层MES系统应支持的一系列不同的业务操作。
1997年，MESA扩充了MES的定义，强调了MES对制造管理优化的作用，即能通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂里有实时事件发生时，MES能对此及时做出反应、报告，并利用当前的准确数据对他们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少内部没有附加值的活动，有效的指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力、改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。
2007年，VDI定义MES应该深入到生产、质量、人员三个领域，明确指出应该包括“横向集成”和“实时性能”。
2014年， VDI和VDMA提出工业4.0时代MES的四层任务，突出当前MES在企业内部制造供应链大脑和协调自动化的作用，在未来能够优化外部增值链。
E-WORKS智能工厂四个阶段

使用软件来提高信息处理的性能本身对企业来说并不新鲜，多年来一直是一个持续的话题。然而新的是，软件应用的问题随着新的技术方面和新的使用可能性的出现而一再出现。
在面向智能工厂的过程中，各种技术被整合起来，旨在实现卓越制造，这使得企业现在感到困惑，"我怎样才能拥有智能工厂？" 然而，没有捷径。有必要通过4个阶段。在下一个阶段中可以实施的东西只能是当前阶段的结果。
由于从不同角度去理解工业4.0，只是盲人摸象，失之毫厘而谬之千里。这种不确定和片面性的理解工业4.0才导致一些开始的项目不知何时是终点，想要尝试的不知如何开始。
带着这种疑惑，笔者更想追本溯源，从工业4.0的原始定义去寻找答案：
工业4.0是对产品生命周期整条增值链全新的组织和控制；能够通过实时获得处于增值链上所有环节的各类重要信息，并根据这些信息能够及时引导最佳的增值流。
从这个原始定义中，我们首先要建立系统，把制造物理世界的生产力三要素，即生产者、生产工具和生产资料，建模到虚拟世界 – 数字化系统中。在实际制造过程中，这些要素一直发生的变化被同步映射在系统中，可以通过计划/实际的比较和分析来发现问题，然后才能进行优化，最终能够让生产要素以最优的组织方式协调工作，应对更为复杂市场的挑战。正如同有人感冒去医院，医生绝对不可能马上开药，而是让病人先去验血，通过报告确定是病毒性感冒还是风寒，才能对症下药，并且要求隔一段时间复诊，以决定后续治疗方法。事实上，医学上已经建立了系统用以诊断病因，病人去验血相当于对象在系统中流动，医生看报告就是在做数据评估。
纵观大部分企业，可以立即得出结论：目前正处于第一步的起始阶段。系统是存在的，一些流程已经得到了IT系统的支持，包括MES。然而，这些IT系统支持的流程离“精益和稳定”还很远，因为没有定义适当的指标，也没有对其进行监控，因此无法采取行动。简而言之，"我们不知道如何从系统中获益"，这是很多企业的说法。
背后的原因是，企业还没有定义哪些流程需要系统的支持。其次，不清楚哪些任务可以在MES中应用，以及这些MES任务可以按什么顺序部署。

E-WORKS面向智能工厂MES新规范

基本上，在对智能工厂四个阶段的定位中，MES任务可以划分为四个层次。

1、体系系统化

无论是何种生产模式和制造什么产品，企业的制造管理体系都围绕6个主要业务，包括生产控制（建立工艺路线、工序资源要求、工序时间成本核算、在制品或半成品报工等）；计划和排产（生产资源可用性和产能、工单顺序规则、产能选择策略等）；生产准备（物料、工具、程序等辅助资源计划，换线计划等）；质量控制、（控制计划、缺陷投诉、失效模式分析等）、设备维护、信息管理（异常事件、工作流、生产会议、检查清单等）和持续优化（基于制造绩效指标优化前述6大业务流程）。这些体系的详细描述请参阅笔者的系列文章 – MES的管理体系。
MES作为组织和实施生产过程的驱动力，直接或间接地支持公司的所有业务流程。这意味着，引进和使用MES系统可以挖掘这些流程执行的潜力。
任何管理体系的建立永远是围绕PDCA来开展的。第一步是建立计划，凡事预则立；然后按计划执行；通过之前设定的指标检查计划与执行之间的偏差，分析原因；制定下一步行动措施。由此形成一个循环，不断调整且不断优化。

针对设备有多种维保任务，按周期（日历时间、工作时间、产出数量）设定保养计划；当既定周期到达时，一个保养工单被触发并进入工单池；计划员在排生产工单时同时也考虑保养工单，保养工单被下达到相关设备和人员。工人执行保养工单，在系统中记录实际消耗的工时、耗材或备件。管理人员对历史保养成本（时间和数量）进行分析，优化保养计划（周期调整、工时调整等）。

2、工厂资源调度

只有当管理体系固化在系统中，物料流与信息流在系统中开始同步流动，在生产透明化的基础上，可以对有限的生产资源做合理的调度。现在的生产模式越来越趋向于多品种、小批量，而换产损失却又实实在在的存在，无法回避。仅仅依靠柔性线，无法实现高效生产。有限资源排产（车间级高级排产）已经成为卓越制造不可缺乏的要素。车间级高级排产是目前许多MES解决方案中缺失的。
由于实现了车间透明化，所有资源的当前状态、产能都已经在系统中呈现，此时可以根据客户订单的优先级、换线损失、加工精度、加工时间等不同的约束条件（甚至是能耗成本）进行高级调度，实现资源最佳配置。

3、MES成为自我管理工厂的大脑

构建这两层的MES，应该说还是传统的MES（制造执行系统），第3层MES的功能应该是实现信息化与自动化的深度集成，使得MES成为制造过程中的大脑，自动计划与协调所有自动化设备、工装、物流装置的协调作业。

上图所示案例中，充分展示了MES作为“生产大脑”指挥各个执行机构。所涉及的软件系统包括MES/ERP/WMS/FCS，参加执行的自动化设施包括加工设备/AGV/自动检测设备/配刀系统/自动化立库/自动称重系统。
当多个生产任务从ERP下达到MES后，MES首先做高级排产，排产优化的目标是减少换料和换刀。MES中排产完成后，MES把配料信息通知到WMS，WMS确认是否可以使用车间内物料。如果需要仓库内物料，WMS通知自动化立库，同时MES通知FCS，由FCS控制AGV去运输所需物料到加工设备。一旦物料被放置到加工设备，由传感器触发物料就位信号，此信号由FCS传递给WMS形成物料过账信息。排产后MES还需要检查是否要换刀，如果需要换刀，则通知配刀系统重新配刀。物料就位信号同时也触发MES中加工任务的自动登录，随即加工程序自动从MES中下载到加工设备，于此同时，MES中自动触发设备和刀具的维护周期/检验任务。当检验任务到期，自动检测设备执行检测作业，并向MES汇报和过账检测结果。加工任务完成后，自动称重系统向MES汇报产成品的重量。MES同时向WMS汇报产出数量和重量，并向FCS发出移动产成品指令。FCS调度AGV移动产成品到指定的下道工序缓存区或自动化立库。当加工任务目标数量达成时，MES把工单数据过账给ERP，并触发关闭工单指令。整个作业执行全程无人工参与，实现生产的自我组织。

4、内部增值链优化外部增值链

完成MES第3层建设之后，实现的是内部增值链的管理。如果回到前文关于工业4.0的定义，需要实现的整个价值增值链的最优。因此，在智能工厂建设的途径上，不可缺少的是整个供应链共享信息。从MES的角度而言，就是使用内部增值链的信息优化外部增值链。目前来说，这方面的应用还是停留在一个探索阶段，笔者不敢妄谈，只是把最近和一些客户交流的话题做个总结，姑且是抛砖引玉。
◉ 第一个应用是原材料供应商能够及时获得基于生产实际进度的原材料供应需求。目的是既要减少库存积压也要避免缺料停产。这里需要至少三个系统的集成信息，如MES提供物料的实际消耗和后续生产计划；ERP提供最佳的采购批次、采购周期和采购价格；WMS提供实际的库存信息。
◉ 第二个应用是把设备的实际加工时间和加工数量提供给设备制造商，设备制造商不仅可以及时提供维保服务，而且能够及时生产或准备合适数量的备品备件。
◉ 第三个应用是前端销售能够给告知最终客户，根据订购的数量告知精确的交货周期。此时，MES中已经有实际的加工成本、产能可用性和未结工单。基于这些数据，销售还可以和客户协商动态的销售价格。不同的交货期和交货数量，对内部的生产会有不同的影响，最终归结为不同的加工成本。
今天，我们将MES定义为卓越制造解决方案（MES = Manufacturing Excellence Solution），也意味着MES在IT架构和应用方面也跟随着时代脚步的前进有一些新的发展。

来源作者：MPDV中国曹海勇博士

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