基于敏捷制造的制造执行系统

0 引 言

进入21世纪以来，国际化的市场竞争日益激烈。企业要想立于不败之地，就必须具有把握机遇和不断创新的能力，以更快的响应速度和应变能力生产出市场需要的产品。敏捷制造是借助于信息通讯网络，建立能够对市场需求做出快速响应的开放性制造体系和先进的生产模式。随着企业生产模式逐渐向敏捷制造发展。企业业务流程重组(BPR)的实施、企业环境的异构性、企业间动态联盟的组建等，对MES又提出了更高的要求，传统的MES解决方案难以适应敏捷制造的要求。面向敏捷制造的MES，不仅要费用合理，更要具有良好的适应性(adptable)，可重构性(recorIfigurable)、可集成性(integratable)，因此，国外许多组织或机构均在研究面向敏捷制造的MES。

1 制造执行系统(MES)的定义

1992年成立的制造执行系统协会于1997年发表的白皮书给出MES如下定义：MES提供实现从订单下达到完成产品的生产活动优化所需的信息;运用及时准确的数据，指导、启动、响应并记录车间生产活动，能够对生产条件的变化做出迅速的响应，从而减少非增值活动，提高效率。由此定义可看出：MES的关键是强调整个生产过程的优化，它需要收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理。同时又与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。因此，MES不同于以派工单形式为主的生产管理和辅助的物料流为特征的传统车间控制器，也不同于偏重于作业与设备调度为主的单元控制器，而应将MES作为一种生产模式，把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视、控制、物料流动、质量管理、设备控制、计算机集成制造接口(CIM)等一体化去考虑，以最终实施制造自动化战略。

2 制造执行系统(MES)的应用及发展趋势

MES作为国际上协同制造的必要组成部分，目前正向着协同的方向发展，以MES为核心，向制造业中各个系统之间的经营过程延伸的制造企业整体解决方案正在形成。与此同时，MES也在向标准化发展，例如ISA发布的SP95系列标准，它实现的以敏捷制造和企业全局优化为目标的智能化MES将成为MES新的发展方向。

制造企业信息管理系统分为在线管理和离线管理，两者相比在线管理更能提高管理效能，需求更为迫切，但由于实施难度较高，中国企业多为青睐离线管理。国外MES应用最为成功的离散型制造行业在中国却因为其自动化水平低、制造过程的生产管理复杂、实施难度高等，受到极大制约。随着经济全球化。离散制造企业面临越来越激烈的竞争。向生产要效益是必然的追求，MES将发挥越来越大的作用，为企业带来实实在在的好处。这其中，仪器仪表、电子制造、汽车装配等行业，将是MES在离散制造行业的应用突破口，而这也是一个逐渐推进的过程。

MES系统已在国际上广泛地应用于各个行业，并取得了很大成就。国内企业目前基本上仅仅实现了简单的数据采集和物流管理等局部的MES功能。目前国内MES领域的现状是：多数制造业企业已经知道了MES，但却不知道如何着手准备MES。据了解，目前国内MES系统的应用领域，石化、钢铁、烟草、半导体等行业，应用较多;其他行业(如电子、制药、食品、造纸等行业)也有应用。

3 面向敏捷制造的MES

3.1 敏捷制造下MES的特点

敏捷制造下MES的基本功能及地位并没有改变，但其表现的特点与传统MES是有显著差别的。敏捷制造模式下，车间的功能在制造企业中逐步向分厂制过渡，当车间的任务不能完成时，可直接通过网络在网上寻求合作伙伴，构成一个虚拟车间;车间级也可直接接受其他车间或企业的生产任务，作为其他企业的虚拟车间或企业的一部分。在这种虚拟性的企业中，管理模式将由分层递阶向扁平化发展，生产指令不再是由上而下的传达过程，而是由订单驱动来安排各自的生产任务。因此，每个制造单元的相互协调显得越来越重要，业务过程的不断变化要求MES具有良好的“柔性”。传统的MES无法满足敏捷制造单元的信息管理，企业迫切需要新一代的MES解决方案。可集成的MES(Integratable MES，I-MES)可以说是面向敏捷制造的新一代MES，它既是对两类T-MES扬弃，又具有鲜明的敏捷性特征。可集成MES通过运用可重用组件进行系统快速装配，一方面可提供专用的MES系统的特定功能，即I-MES中的部分功能作为可重用组件单独销售，另一方面它又可按客户需求实现系统的快速组装形成集成的MES。实现上下两层之间的集成。

面向敏捷制造的MES具有下列特征：1)可集成性(Integratability)，实现与不同厂商之间系统的集成，以及对企业现有系统(Legacy System)的保护。2)可配置性(Configurability)，能对工厂新引入的产品，以及不可预料的需求变化，进行系统结构的快速配置，以满足用户不断变化的需求。3)可适应性(Adaptability)，通过系统良好的重构能力，以自动适应变化的工作负荷和条件或者业务过程的改变。4)可扩展性(Extensibility)，不但可在一个单元内扩展其功能，且可扩展到其它制造单元及产品制造生命周期的其它阶段，从而满足各种复杂的制造需求。5)可靠性(Reliability)，保证分布式系统的数据完整性、一致性、以及虚拟企业信息交互的安全性。

3.2 关键技术

集成的MES系统(Integrated MES)实现了系统的横向集成(系统内部功能的集成)与纵向集成(上下分别与企业信息系统(EIS)和控制层集成)。面向敏捷制造的MES，不仅要实现上述的集成要求，还要实现企业间MES的集成和互操作，以下介绍某些关键技术。

3.2.1 PS基础框架

PS(Plant System)基础框架定义了从企业计划层到控制层间构成制造信息技术环境的模块及其通信协议。它既是指导企业系统集成的蓝图，又是实现软构件的物理基础。PS基础框架选择的好环直接关系到MES的敏捷性。目前主要遵循CORBA、COM/DCOM、RMI等标准规范。

3.2.2 MES对象模型

软件工程中，求解问胚域向方法域映射的两大方法是：结构化分析方法和面向对象分析方法。目前在CIMS应用中广泛使用的IDEFD和IDEFIX等建模方法，都是基于结构化方法的思想。结构化方法在对需求变化的适应性和支持软件复用能力上明显不足，难以适应敏捷制造下信息系统的要求。面向对象方法由于具有继承性和封装性。支持软件的复用及易于扩充等特点，能很好地适应大系统不断发展和变化的要求。建立MES的对象模型是最基础和最关键的一部分。

3.2.3 工作流技术与Agent技术

面向敏捷制造的MES，不仅要对本单元的制造过程的进行实时跟踪，还要能跟踪虚拟企业中其它生产单元的制造过程。因而MES必须由信息集成向过程集成和企业间MES集成发展。

1)工作流技术是实现过程集成的有效途径。工作流管理系统在MES中的应用(与其它应用一样)分为模型建立，模型实例化，模型执行三个阶段。首先，利用工作流建模工具完成车间制造过程模型的建立，将车间实际制造过程转化为计算机可处理的工作流模型。其次，为每个过程设定运行所需的参数，并分配每个活动所需要的资源(包括制造资源，应用)。最后，通过人机交互和应用的执行来完成制造过程的执行。分布式工作流技术的发展，提供了对企业之间过程集成的支持。

2)制造系统生产过程和控制结构本身所固有的局部控制和分布式决策的特性，为Agent技术提供了广阔的应用空间。MAS(Multi-Agent system)技术被认为是在未来生产系统中实现降低生产费用、生产分散化控制、自适应及处理复杂过程的关键技术，同时它又是一种新的方法论，贯穿在先进制造的各个领域，从企业动态联盟、ERP、规划与调度到现场控制都有MAS思想与技术的应用。在MES中，Agent主要是指能完成某种特殊功能的分布式计算机程序，它需具备下列关键属性：持续性、通信能力、自主性、可移动性、反应性、适应性或进化性、推理和规划能力。

3.2.4 ERP接口

要实现企业连续、实时的信息流，MES就必须实现与ERP的集成。目前的集成MES都是针对特定的ERP开发，不能适应敏捷制造的要求。开发良好的ERP接口(ERPI-ERP Interface)是面向敏捷制造的MES必须解决的关键技术。ERPI相当于ERP和MES之间的中间件。当企业上层计划者向ERPI发出执行订单(包括制造订单和采购订单)处理的业务请求后，ERPI首先查询ERP服务器以判断哪些是已经准备处理的订单，接着在MES服务器根据这些订单生成制造订单，并通过工作流系统将其分配给车间层的生产计划者;在这个过程中，ERPI可通过查询MES模型，以获取有关生产资料、质量或生产能力的统计信息，同时将执行结果反馈给ERP以更新库存信息和企业整个的生产能力信息。

3.2.5 设备控制接口

MES与控制层间信息的传递是MES有效运行的基础，但由于制造企业的多样化，存在着多种制造方式和监控手段。底层的过程控制显得十分复杂。有的设备控制器需要很强的实时性和可靠性，有的则不太要求这一点。底层控制设备多种多样，有数据采集装置(例如条形码阅读器、磁卡阅读器、字符键盘的智能终端等)、控制装置(例如PLC)、甚至是物理设备(例如NC机床)。为使各种设备控制器能在企业网络上与其它MES组件协同工作，一方面对设备控制器及其外部结构进行标准化，支持其在电脑硬件上运行;另一方面运用面向对象的Java-CORBA技术将其开发成为CORBA客户，实现其良好的跨平台性和互操作性;但对实时性要求很高的系统来说。还有待于在实时ORB上作进一步的验证。借助于封装良好的设备控制接口，MES才能够可靠、有效地实现对底层控制的支持。

3.2.6 虚拟企业中的安全机制

虚拟企业VE(Virtue Enterprise)是敏捷制造的主要企业组织形态：为了共同开发产品，每个成员不仅要掌握自己制造单元的生产状况，还必须了解其它成员的生产信息。这样才可能做到局部优化和整体优化的完美统一。因此，实现企业间的MES集成是面向敏捷制造MES发展的必然趋势。由于虚拟企业中的每个成员，既要允许其它联盟企业访问其部分资源，又要对联盟外的用户进行保密。以防止信息泄密或破坏，良好的信息安全机制成为虚拟企业正常运转的保证。目前的安全技术有：虚拟专用网VPN(Virtual Private Network)、加密技术、认证技术、防火墙技术等，其中每项技术都侧重信息安全的某个方面。VE的安全需求包括：1)保密性：禁止不正当访问。2)完整性：确认数据不具有二义性。3)确实性：授权或数据源的正确性。

4 结束语

1)MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。不实施MES，管控一体化只是一句空话。对于面向制造业和过程工业的ERP，脱离MES将无法根据市场需求去组织、管理和优化生产。2)MES技术在过去十几年来已显著地成熟。但MES的发展和应用是一个过程，而不是一个事件，不可能想象成功的MES实施是可以一蹴而就的。要取得长期的成功，要求改造制造环境，要求获得有组织的支持。要求管理机制作适应性的改变。与此同时。MES软件在改善维护、改善与其它丌管理软件的接口等方面，也有待于进一步发展提高。3)要使敏捷制造企业信息技术网络的投资迅速取得回报，从MES入手是一种明智的选择。但是MES的实施需要恰当规划和细致分析，可从旨在解决一两个当务之急的工厂生产瓶颈问题着手，逐步扩大。4)制造执行系统MES软件，填补了企业计划层和生产车间控制系统之间的间隔，是制造过程信息集成的纽带。MES通过强调制造过程的整体优化。帮助企业实施完整的闭环生产，同时也为敏捷制造企业的实施提供了良好的基础。深刻理解MES这一先进的管理思想，把握它的发展趋势，对于如何在我国正确地研究和推广MES应用，具有重要的理论和应用价值。