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1概述
20世紀(jì)90年代初，企業(yè)界開始認(rèn)識到需要有一個(gè)將管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)整合在一起的中間層，從而催生了MES，即制造執(zhí)行系統(tǒng)。特別是近十年來，制造不再是一個(gè)可通過單個(gè)實(shí)體就能完成的過程，而是延伸到不同地區(qū)，甚至跨越國界并且有大量的衍生數(shù)據(jù)。MES不僅能完成公司業(yè)務(wù)(Business)和生產(chǎn)過程(Process)的接口，還能建立眾多可完成公司關(guān)鍵業(yè)務(wù)以及信息化制造的功能。
這些功能彼此緊密聯(lián)系，但不只是通過數(shù)據(jù)交換層進(jìn)行簡單地連接，而是根據(jù)管理決策和生產(chǎn)活動(dòng)而彼此協(xié)同，亦就是協(xié)同化生產(chǎn)(Collaborative Production)。什么是有效地從工廠底層挖掘有最大價(jià)值實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法?如何轉(zhuǎn)換和凈化生產(chǎn)數(shù)據(jù)?答案是MES，正是MES這個(gè)中間層承前啟后地提供了高層次粒度的和企業(yè)商務(wù)系統(tǒng)一致性的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息交換和共享。使數(shù)據(jù)塑造為企業(yè)
商務(wù)系統(tǒng)容易理解和利用的格式。
為適應(yīng)MES迅速發(fā)展的形式，一個(gè)新的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC／IS062264和ANSI／ISA95正成為企業(yè)行為特性和控制系統(tǒng)的集成規(guī)范，這也是e．制造或信息化制造的規(guī)范，這個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)4層的層次結(jié)構(gòu)。最上面的2層是商務(wù)規(guī)劃和物流功能層(第4層)；制造運(yùn)作和控制層(第3層)以及層間所使用的功能描述術(shù)語、概念和信息數(shù)據(jù)交換平臺。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了中間層即MES所支持的生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)。在ISA．95委員會(huì)的文件中，對MES有非常明確的表達(dá)，該文件不僅以數(shù)據(jù)方式描述了MES過程，同時(shí)還通過各種功能例如資源管理和資源分配，生產(chǎn)調(diào)度，數(shù)據(jù)采集，質(zhì)量管理，維護(hù)管理，生產(chǎn)規(guī)劃，生產(chǎn)績效分析以及物料和生產(chǎn)跟蹤等功能和功能之間的交互作用來描述MES過程。
如今，市場要求企業(yè)供應(yīng)鏈的響應(yīng)速度不斷加快，要求生產(chǎn)系統(tǒng)日趨靈活和提高對客戶定制產(chǎn)品的適應(yīng)性，要求以最低的成本提供最高質(zhì)量的產(chǎn)品等，促使MES成為信息化制造的熱點(diǎn)。近年來，MES發(fā)展很快，根據(jù)ARM Research的調(diào)研報(bào)告，2005年的MES市場已突破12億美元，增長率高達(dá)14％，預(yù)計(jì)今后幾年，仍會(huì)保持2位數(shù)的年增長率。
ISA-95標(biāo)準(zhǔn)定義了MES的系統(tǒng)模型，其示意圖如下：
2 構(gòu)建制造執(zhí)行系統(tǒng)
實(shí)際構(gòu)建一個(gè)MES軟件系統(tǒng)，主要有三個(gè)階段，即：(1)建模；(2)系統(tǒng)建立；(3)運(yùn)行。以下分別作扼要介紹。
(1)建模在建模階段，其任務(wù)是了解應(yīng)用的范圍和要求，應(yīng)用的結(jié)構(gòu)和對象等。一種常用的方式是從工廠的物理對象和邏輯對象開始建模。根據(jù)／EC62264的定義，是從基本物理對象開始來建立一個(gè)物理工廠的模型。基本對象稱為單位(Unit)，若干個(gè)單位組成單元(Cell)，不同的單元集合為區(qū)域(Area)，多個(gè)區(qū)域則形成地點(diǎn)(Site)，物理工廠的建?？梢詮南露?，也可以從上而下，例如某個(gè)制造工廠有一個(gè)地點(diǎn)，該地點(diǎn)分成三個(gè)區(qū)域即物料驗(yàn)收區(qū)域，生產(chǎn)加工區(qū)域和包裝區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都被進(jìn)一步分成單元，例如物料驗(yàn)收區(qū)域分成入庫單元：包裝單元；質(zhì)檢單元；存放單元和出庫單元。每個(gè)單元又可進(jìn)一步地細(xì)分，例如入庫單元包括編碼器單位，識別單位等。
邏輯對象是一系列軟件包，它實(shí)現(xiàn)的必須是MES系統(tǒng)管理的現(xiàn)有功能或今后可拓展的功能，例如在物料驗(yàn)收區(qū)域，可以引進(jìn)一個(gè)邏輯單元，該單元包括用于管理、維護(hù)、生產(chǎn)訂單和生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等功能組件。物理對象可通過屬性(Attribute)，時(shí)間(Event)和方法(Method)進(jìn)一步描述。
屬性對應(yīng)于對象相關(guān)的各種參數(shù)，例如加熱爐中的當(dāng)前溫度，事件對應(yīng)于發(fā)生在對象中的某些事件，例如有一個(gè)單元中發(fā)現(xiàn)缺少某些原材料。事件具有描述輸入和輸出數(shù)據(jù)的參數(shù)，方法表示對象可以或者應(yīng)該可以完成的功能，例如給攪拌器添加物料或加熱器開始加熱等，每件方法都表示一種功能。
建模從定義基本的物理對象開始，相同的物理對象稱為類(Class)，通過類可導(dǎo)出子類(Sub-Class)，然后定義類的實(shí)例(Instance)。類只需定義一次就可以在整個(gè)系統(tǒng)中重復(fù)使用。
建模階段的最后一步是通過方法時(shí)間屬性等建立模塊，由模塊構(gòu)成生產(chǎn)作業(yè)，并組裝成比較高級的功能，生產(chǎn)作業(yè)的概念是建模的基礎(chǔ)。生產(chǎn)作業(yè)是以圖形方式定義的，因此當(dāng)需要對其行為特性進(jìn)行調(diào)整時(shí)，就可以很方便地通過圖形進(jìn)行修改。生產(chǎn)作業(yè)的集合就是一個(gè)物理工廠。
屬性、事件、方法及生產(chǎn)作業(yè)與類是關(guān)聯(lián)在一起的，對某一個(gè)類進(jìn)行實(shí)例說明時(shí)，就會(huì)自動(dòng)對所有同一個(gè)類及其相關(guān)的方法、事件、屬性和生產(chǎn)作業(yè)等也進(jìn)行實(shí)例說明，例如在物料驗(yàn)收區(qū)域有二個(gè)稱重單元，在建模階段，對稱重單元的類和其相關(guān)的屬性等和生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行定義，可對同一個(gè)類創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，每個(gè)實(shí)例的參數(shù)只是細(xì)微的不同。
(2)系統(tǒng)建立在建模階段，只是定義物理對象，邏輯對象直到生產(chǎn)作業(yè)所代表的行為特性和功能，不需要考慮它們在實(shí)施方面的情況，但在系統(tǒng)建立階段，就需要具備詳細(xì)的實(shí)施知識。通常有三①通過供應(yīng)商所提供的成套軟件；②通過采用第三方的軟件；③通過采用傳統(tǒng)的應(yīng)用軟件。
方案①，只需通過供應(yīng)商提供的軟件進(jìn)行配置，就可實(shí)施所需要MES功能，MES功能組件方由供應(yīng)商成套提供。方案②和方案③是基于第三方的軟件或傳統(tǒng)應(yīng)用軟件可以提供所需要的MES功能，在這種情況下所需要的是實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)軟件的連接。最常見的方法是通過 COM技術(shù)(Connection-oriented Mode，面向連接的方式)來完成連接?；蛘呤峭ㄟ^由Visual Basic語言開發(fā)的通信包裹器(Communication Wrapper)將第三方軟件或傳統(tǒng)的應(yīng)用軟件包裹起來，選擇系統(tǒng)軟件就可以進(jìn)行配置，以實(shí)現(xiàn)和前者的相互通信。
(3)運(yùn)行當(dāng)完成物理對象，邏輯對象等建模和系統(tǒng)建立后，便可以運(yùn)行MES的功能組件。經(jīng)由
HMI或系統(tǒng)軟件對MES功能組件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。運(yùn)行過程是以顏色區(qū)分的，例如綠色表示成功運(yùn)行，紅色表示發(fā)生了故障或出錯(cuò)，褐色意味該部分生產(chǎn)作業(yè)處于暫停狀態(tài)，而黃色則表示當(dāng)前正在運(yùn)行。
3 制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能足見
MES的主要功能組件如下:
訂單管理:包括新單導(dǎo)入，訂單分解，訂單鏈接，訂單分配，訂單執(zhí)行和監(jiān)控等。
物料管理:包括物料模型，物料屬性定義，物料清單定義，物料主數(shù)據(jù)導(dǎo)入，物料屬性跟蹤，物料位置跟蹤，物料歷史數(shù)據(jù)歸檔，前溯和后溯等。
資源管理:包括機(jī)器，工具，人員以及原材料和生產(chǎn)產(chǎn)品信息等資源的管理。
質(zhì)量管理:所有影響生產(chǎn)質(zhì)量的過程參數(shù)集中在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，并與實(shí)時(shí)檢測的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，協(xié)助管理人員及時(shí)識別出質(zhì)量問題及其影響趨勢。
生產(chǎn)調(diào)度，生產(chǎn)分配和生產(chǎn)執(zhí)行:包括生產(chǎn)和資源的計(jì)劃編制和調(diào)度管理；對生產(chǎn)設(shè)備和人力資源等生產(chǎn)要素的分配；對生產(chǎn)人員下達(dá)各種執(zhí)行指令(包括手動(dòng)和自動(dòng))等。
生產(chǎn)跟蹤和追溯:按照生產(chǎn)計(jì)劃，批號，制造日期，產(chǎn)品類型，供應(yīng)商和包裝，原材料等來跟蹤每一個(gè)產(chǎn)品以及運(yùn)行狀況，報(bào)普，返修和其它與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)的跟蹤。
數(shù)據(jù)采集:采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，包括歷史數(shù)據(jù)，事件數(shù)據(jù)，造作員的輸入數(shù)據(jù)信息和造作記錄以及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的任何信息數(shù)據(jù)，其它還有如生產(chǎn)績效分析，生產(chǎn)中斷分析和維護(hù)管理等MES功能組件。
4 效益和MES的發(fā)展趨勢
根據(jù)Industry Directions公司提供的資料，通過實(shí)際應(yīng)用MES，可以明顯地提升生產(chǎn)率，降低成本，從而獲得更大的收益。ARM調(diào)研公司的分析報(bào)告中肯定了該公司來自推行MES所獲得的經(jīng)濟(jì)效益，該報(bào)告中還指出:如果按照傳統(tǒng)的成本削減標(biāo)準(zhǔn)來衡量，則在實(shí)施MES后的6到24個(gè)月，就可以收回其本身所耗費(fèi)的投資。然而，長期運(yùn)行MES所增加的回報(bào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最初的預(yù)料，有一些制造企業(yè)已得到了每年6到10倍于投資的豐富匯報(bào)，這就是近年來，MES的應(yīng)用快速增長的原因。軟件可商已在響應(yīng)的HMI/SCADA基礎(chǔ)上，特別是微軟Microsoft. NET平臺計(jì)劃實(shí)施后，進(jìn)一步涉足MES市場，而MES開發(fā)商也在其產(chǎn)品中結(jié)合HMI/SCADA的特點(diǎn)。今后的趨勢是相互協(xié)作、共同提高，以便能更好地滿足制造業(yè)等日益高漲的各種需求。
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