MES標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

上世紀(jì)70年代開始，隨著小型計算機(jī)的出現(xiàn)，信息技術(shù)開始被應(yīng)用到企業(yè)運(yùn)營事務(wù)中，從經(jīng)營層的采購、供應(yīng)和財務(wù)到制造層的工單報工和設(shè)備績效與維保等方面。如同80年代ERP名詞的問世，在90年代，業(yè)界開始使用一個統(tǒng)一的術(shù)語來定義應(yīng)用于制造管理的信息系統(tǒng) – Manufacturing Execution System （MES制造執(zhí)行系統(tǒng)）。

1994年，MESA定義MES為“位于上層計劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)”，為操作人員、管理人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設(shè)備、物料、客戶需求等方面）的當(dāng)前狀態(tài)。

1995年，ISA定義了企業(yè)級業(yè)務(wù)系統(tǒng)與工廠車間級控制系統(tǒng)相集成時所使用的術(shù)語和模型。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了中間層MES系統(tǒng)應(yīng)支持的一系列不同的業(yè)務(wù)操作。

1997年，MESA擴(kuò)充了MES的定義，強(qiáng)調(diào)了MES對制造管理優(yōu)化的作用，即能通過信息傳遞，對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠里有實時事件發(fā)生時，MES能對此及時做出反應(yīng)、報告，并利用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對他們進(jìn)行指導(dǎo)和處理。這種對狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使得MES能夠減少內(nèi)部沒有附加值的活動，有效的指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運(yùn)作過程，從而使其既能提高工廠及時交貨能力、改善物料的流通性能，又能提高生產(chǎn)回報率。

2007年，VDI定義MES應(yīng)該深入到生產(chǎn)、質(zhì)量、人員三個領(lǐng)域，明確指出應(yīng)該包括“橫向集成”和“實時性能”。

2014年， VDI和VDMA提出工業(yè)4.0時代MES的四層任務(wù)，突出當(dāng)前MES在企業(yè)內(nèi)部制造供應(yīng)鏈大腦和協(xié)調(diào)自動化的作用，在未來能夠優(yōu)化外部增值鏈。

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智能工廠四個階段

使用軟件來提高信息處理的性能本身對企業(yè)來說并不新鮮，多年來一直是一個持續(xù)的話題。然而新的是，軟件應(yīng)用的問題隨著新的技術(shù)方面和新的使用可能性的出現(xiàn)而一再出現(xiàn)。

在面向智能工廠的過程中，各種技術(shù)被整合起來，旨在實現(xiàn)卓越制造，這使得企業(yè)現(xiàn)在感到困惑，"我怎樣才能擁有智能工廠？" 然而，沒有捷徑。有必要通過4個階段。在下一個階段中可以實施的東西只能是當(dāng)前階段的結(jié)果。

由于從不同角度去理解工業(yè)4.0，只是盲人摸象，失之毫厘而謬之千里。這種不確定和片面性的理解工業(yè)4.0才導(dǎo)致一些開始的項目不知何時是終點，想要嘗試的不知如何開始。

帶著這種疑惑，筆者更想追本溯源，從工業(yè)4.0的原始定義去尋找答案：

工業(yè)4.0是對產(chǎn)品生命周期整條增值鏈全新的組織和控制；能夠通過實時獲得處于增值鏈上所有環(huán)節(jié)的各類重要信息，并根據(jù)這些信息能夠及時引導(dǎo)最佳的增值流。

從這個原始定義中，我們首先要建立系統(tǒng)，把制造物理世界的生產(chǎn)力三要素，即生產(chǎn)者、生產(chǎn)工具和生產(chǎn)資料，建模到虛擬世界 – 數(shù)字化系統(tǒng)中。在實際制造過程中，這些要素一直發(fā)生的變化被同步映射在系統(tǒng)中，可以通過計劃/實際的比較和分析來發(fā)現(xiàn)問題，然后才能進(jìn)行優(yōu)化，最終能夠讓生產(chǎn)要素以最優(yōu)的組織方式協(xié)調(diào)工作，應(yīng)對更為復(fù)雜市場的挑戰(zhàn)。正如同有人感冒去醫(yī)院，醫(yī)生絕對不可能馬上開藥，而是讓病人先去驗血，通過報告確定是病毒性感冒還是風(fēng)寒，才能對癥下藥，并且要求隔一段時間復(fù)診，以決定后續(xù)治療方法。事實上，醫(yī)學(xué)上已經(jīng)建立了系統(tǒng)用以診斷病因，病人去驗血相當(dāng)于對象在系統(tǒng)中流動，醫(yī)生看報告就是在做數(shù)據(jù)評估。

縱觀大部分企業(yè)，可以立即得出結(jié)論：目前正處于第一步的起始階段。系統(tǒng)是存在的，一些流程已經(jīng)得到了IT系統(tǒng)的支持，包括MES。然而，這些IT系統(tǒng)支持的流程離“精益和穩(wěn)定”還很遠(yuǎn)，因為沒有定義適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)，也沒有對其進(jìn)行監(jiān)控，因此無法采取行動。簡而言之，"我們不知道如何從系統(tǒng)中獲益"，這是很多企業(yè)的說法。

背后的原因是，企業(yè)還沒有定義哪些流程需要系統(tǒng)的支持。其次，不清楚哪些任務(wù)可以在MES中應(yīng)用，以及這些MES任務(wù)可以按什么順序部署。

圖1：智能工廠四個階段

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面向智能工廠MES新規(guī)范

基本上，在對智能工廠四個階段的定位中，MES任務(wù)可以劃分為四個層次。

圖2：MES新規(guī)范4個層次模型

1、體系系統(tǒng)化

無論是何種生產(chǎn)模式和制造什么產(chǎn)品，企業(yè)的制造管理體系都圍繞6個主要業(yè)務(wù)，包括生產(chǎn)控制（建立工藝路線、工序資源要求、工序時間成本核算、在制品或半成品報工等）；計劃和排產(chǎn)（生產(chǎn)資源可用性和產(chǎn)能、工單順序規(guī)則、產(chǎn)能選擇策略等）；生產(chǎn)準(zhǔn)備（物料、工具、程序等輔助資源計劃，換線計劃等）；質(zhì)量控制、（控制計劃、缺陷投訴、失效模式分析等）、設(shè)備維護(hù)、信息管理（異常事件、工作流、生產(chǎn)會議、檢查清單等）和持續(xù)優(yōu)化（基于制造績效指標(biāo)優(yōu)化前述6大業(yè)務(wù)流程）。這些體系的詳細(xì)描述請參閱筆者的系列文章 – MES的管理體系。

MES作為組織和實施生產(chǎn)過程的驅(qū)動力，直接或間接地支持公司的所有業(yè)務(wù)流程。這意味著，引進(jìn)和使用MES系統(tǒng)可以挖掘這些流程執(zhí)行的潛力。

任何管理體系的建立永遠(yuǎn)是圍繞PDCA來開展的。第一步是建立計劃，凡事預(yù)則立；然后按計劃執(zhí)行；通過之前設(shè)定的指標(biāo)檢查計劃與執(zhí)行之間的偏差，分析原因；制定下一步行動措施。由此形成一個循環(huán)，不斷調(diào)整且不斷優(yōu)化。以工廠維護(hù)體系的建立為例：

圖3：設(shè)備維護(hù)體系

針對設(shè)備有多種維保任務(wù)，按周期（日歷時間、工作時間、產(chǎn)出數(shù)量）設(shè)定保養(yǎng)計劃；當(dāng)既定周期到達(dá)時，一個保養(yǎng)工單被觸發(fā)并進(jìn)入工單池；計劃員在排生產(chǎn)工單時同時也考慮保養(yǎng)工單，保養(yǎng)工單被下達(dá)到相關(guān)設(shè)備和人員。工人執(zhí)行保養(yǎng)工單，在系統(tǒng)中記錄實際消耗的工時、耗材或備件。管理人員對歷史保養(yǎng)成本（時間和數(shù)量）進(jìn)行分析，優(yōu)化保養(yǎng)計劃（周期調(diào)整、工時調(diào)整等）。

2、工廠資源調(diào)度

只有當(dāng)管理體系固化在系統(tǒng)中，物料流與信息流在系統(tǒng)中開始同步流動，在生產(chǎn)透明化的基礎(chǔ)上，可以對有限的生產(chǎn)資源做合理的調(diào)度?，F(xiàn)在的生產(chǎn)模式越來越趨向于多品種、小批量，而換產(chǎn)損失卻又實實在在的存在，無法回避。僅僅依靠柔性線，無法實現(xiàn)高效生產(chǎn)。有限資源排產(chǎn)（車間級高級排產(chǎn)）已經(jīng)成為卓越制造不可缺乏的要素。車間級高級排產(chǎn)是目前許多MES解決方案中缺失的。

由于實現(xiàn)了車間透明化，所有資源的當(dāng)前狀態(tài)、產(chǎn)能都已經(jīng)在系統(tǒng)中呈現(xiàn)，此時可以根據(jù)客戶訂單的優(yōu)先級、換線損失、加工精度、加工時間等不同的約束條件（甚至是能耗成本）進(jìn)行高級調(diào)度，實現(xiàn)資源最佳配置。

圖4：工廠資源調(diào)度模型

3、MES成為自我管理工廠的大腦

構(gòu)建這兩層的MES，應(yīng)該說還是傳統(tǒng)的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)），第3層MES的功能應(yīng)該是實現(xiàn)信息化與自動化的深度集成，使得MES成為制造過程中的大腦，自動計劃與協(xié)調(diào)所有自動化設(shè)備、工裝、物流裝置的協(xié)調(diào)作業(yè)。

圖5：MES成為工廠大腦

上圖所示案例中，充分展示了MES作為“生產(chǎn)大腦”指揮各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所涉及的軟件系統(tǒng)包括MES/ERP/WMS/FCS，參加執(zhí)行的自動化設(shè)施包括加工設(shè)備/AGV/自動檢測設(shè)備/配刀系統(tǒng)/自動化立庫/自動稱重系統(tǒng)。

當(dāng)多個生產(chǎn)任務(wù)從ERP下達(dá)到MES后，MES首先做高級排產(chǎn)，排產(chǎn)優(yōu)化的目標(biāo)是減少換料和換刀。MES中排產(chǎn)完成后，MES把配料信息通知到WMS，WMS確認(rèn)是否可以使用車間內(nèi)物料。如果需要倉庫內(nèi)物料，WMS通知自動化立庫，同時MES通知FCS，由FCS控制AGV去運(yùn)輸所需物料到加工設(shè)備。一旦物料被放置到加工設(shè)備，由傳感器觸發(fā)物料就位信號，此信號由FCS傳遞給WMS形成物料過賬信息。排產(chǎn)后MES還需要檢查是否要換刀，如果需要換刀，則通知配刀系統(tǒng)重新配刀。物料就位信號同時也觸發(fā)MES中加工任務(wù)的自動登錄，隨即加工程序自動從MES中下載到加工設(shè)備，于此同時，MES中自動觸發(fā)設(shè)備和刀具的維護(hù)周期/檢驗任務(wù)。當(dāng)檢驗任務(wù)到期，自動檢測設(shè)備執(zhí)行檢測作業(yè)，并向MES匯報和過賬檢測結(jié)果。加工任務(wù)完成后，自動稱重系統(tǒng)向MES匯報產(chǎn)成品的重量。MES同時向WMS匯報產(chǎn)出數(shù)量和重量，并向FCS發(fā)出移動產(chǎn)成品指令。FCS調(diào)度AGV移動產(chǎn)成品到指定的下道工序緩存區(qū)或自動化立庫。當(dāng)加工任務(wù)目標(biāo)數(shù)量達(dá)成時，MES把工單數(shù)據(jù)過賬給ERP，并觸發(fā)關(guān)閉工單指令。整個作業(yè)執(zhí)行全程無人工參與，實現(xiàn)生產(chǎn)的自我組織。

4、內(nèi)部增值鏈優(yōu)化外部增值鏈

完成MES第3層建設(shè)之后，實現(xiàn)的是內(nèi)部增值鏈的管理。如果回到前文關(guān)于工業(yè)4.0的定義，需要實現(xiàn)的整個價值增值鏈的最優(yōu)。因此，在智能工廠建設(shè)的途徑上，不可缺少的是整個供應(yīng)鏈共享信息。從MES的角度而言，就是使用內(nèi)部增值鏈的信息優(yōu)化外部增值鏈。目前來說，這方面的應(yīng)用還是停留在一個探索階段，筆者不敢妄談，只是把最近和一些客戶交流的話題做個總結(jié)，姑且是拋磚引玉。

? 第一個應(yīng)用是原材料供應(yīng)商能夠及時獲得基于生產(chǎn)實際進(jìn)度的原材料供應(yīng)需求。目的是既要減少庫存積壓也要避免缺料停產(chǎn)。這里需要至少三個系統(tǒng)的集成信息，如MES提供物料的實際消耗和后續(xù)生產(chǎn)計劃；ERP提供最佳的采購批次、采購周期和采購價格；WMS提供實際的庫存信息。

? 第二個應(yīng)用是把設(shè)備的實際加工時間和加工數(shù)量提供給設(shè)備制造商，設(shè)備制造商不僅可以及時提供維保服務(wù)，而且能夠及時生產(chǎn)或準(zhǔn)備合適數(shù)量的備品備件。

? 第三個應(yīng)用是前端銷售能夠給告知最終客戶，根據(jù)訂購的數(shù)量告知精確的交貨周期。此時，MES中已經(jīng)有實際的加工成本、產(chǎn)能可用性和未結(jié)工單?；谶@些數(shù)據(jù)，銷售還可以和客戶協(xié)商動態(tài)的銷售價格。不同的交貨期和交貨數(shù)量，對內(nèi)部的生產(chǎn)會有不同的影響，最終歸結(jié)為不同的加工成本。

今天，我們將MES定義為卓越制造解決方案（MES = Manufacturing Excellence Solution），也意味著MES在IT架構(gòu)和應(yīng)用方面也跟隨著時代腳步的前進(jìn)有一些新的發(fā)展。關(guān)于這方面的介紹，筆者將在后續(xù)系列中分篇討論。