摘要

        本文簡要介紹了制造執行系統MES對于敏捷制造實施的必要性及意義；闡述了MES的應用及發展趨勢；分析了敏捷制造下MES的特點及關鍵技術，為敏捷制造企業制訂MES實施的整體解決方案提供參考。

引 言

        進入21世紀以來，國際化的市場競爭日益激烈。企業要想立于不敗之地，就必須具有把握機遇和不斷創新的能力，以更快的響應速度和應變能力生產出市場需要的產品。敏捷制造是借助于信息通訊網絡，建立能夠對市場需求做出快速響應的開放性制造體系和先進的生產模式。隨著企業生產模式逐漸向敏捷制造發展。企業業務流程重組(BPR)的實施、企業環境的異構性、企業間動態聯盟的組建等，對MES又提出了更高的要求，傳統的MES解決方案難以適應敏捷制造的要求。面向敏捷制造的MES，不僅要費用合理，更要具有良好的適應性(adptable)，可重構性(recorIfigurable)、可集成性(integratable)，因此，國外許多組織或機構均在研究面向敏捷制造的MES。

1 制造執行系統(MES)的定義

        1992年成立的制造執行系統協會于1997年發表的白皮書給出MES如下定義：MES提供實現從訂單下達到完成產品的生產活動優化所需的信息；運用及時準確的數據，指導、啟動、響應并記錄車間生產活動，能夠對生產條件的變化做出迅速的響應，從而減少非增值活動，提高效率。由此定義可看出：MES的關鍵是強調整個生產過程的優化，它需要收集生產過程中大量的實時數據，并對實時事件及時處理。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數據并反饋處理結果和生產指令。因此，MES不同于以派工單形式為主的生產管理和輔助的物料流為特征的傳統車間控制器，也不同于偏重于作業與設備調度為主的單元控制器，而應將MES作為一種生產模式，把制造系統的計劃和進度安排、追蹤、監視、控制、物料流動、質量管理、設備控制、計算機集成制造接口(CIM)等一體化去考慮，以最終實施制造自動化戰略。圖1反應了MES在企業生產管理中的數據流圖和所處地位。

圖1 MES在企業生產管理中的數據流圖和所處地位

2 制造執行系統(MES)的應用及發展趨勢

        MES作為國際上協同制造的必要組成部分，目前正向著協同的方向發展，以MES為核心，向制造業中各個系統之間的經營過程延伸的制造企業整體解決方案正在形成。與此同時，MES也在向標準化發展，例如ISA發布的SP95系列標準，它實現的以敏捷制造和企業全局優化為目標的智能化MES將成為MES新的發展方向。

        制造企業信息管理系統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，但由于實施難度較高，中國企業多為青睞離線管理。國外MES應用最為成功的離散型制造行業在中國卻因為其自動化水平低、制造過程的生產管理復雜、實施難度高等，受到極大制約。隨著經濟全球化。離散制造企業面臨越來越激烈的競爭。向生產要效益是必然的追求，MES將發揮越來越大的作用，為企業帶來實實在在的好處。這其中，儀器儀表、電子制造、汽車裝配等行業，將是MES在離散制造行業的應用突破口，而這也是一個逐漸推進的過程。

        MES系統已在國際上廣泛地應用于各個行業，并取得了很大成就。國內企業目前基本上僅僅實現了簡單的數據采集和物流管理等局部的MES功能。目前國內MES領域的現狀是：多數制造業企業已經知道了MES，但卻不知道如何著手準備MES。據了解，目前國內MES系統的應用領域，石化、鋼鐵、煙草、半導體等行業，應用較多；其他行業(如電子、制藥、食品、造紙等行業)也有應用。

3 面向敏捷制造的MES

    3.1 敏捷制造下MES的特點

        敏捷制造下MES的基本功能及地位并沒有改變，但其表現的特點與傳統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中逐步向分廠制過渡，當車間的任務不能完成時，可直接通過網絡在網上尋求合作伙伴，構成一個虛擬車間；車間級也可直接接受其他車間或企業的生產任務，作為其他企業的虛擬車間或企業的一部分。在這種虛擬性的企業中，管理模式將由分層遞階向扁平化發展，生產指令不再是由上而下的傳達過程，而是由訂單驅動來安排各自的生產任務。因此，每個制造單元的相互協調顯得越來越重要，業務過程的不斷變化要求MES具有良好的“柔性”。傳統的MES無法滿足敏捷制造單元的信息管理，企業迫切需要新一代的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揚棄，又具有鮮明的敏捷性特征。可集成MES通過運用可重用組件進行系統快速裝配，一方面可提供專用的MES系統的特定功能，即I-MES中的部分功能作為可重用組件單獨銷售，另一方面它又可按客戶需求實現系統的快速組裝形成集成的MES。實現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)，實現與不同廠商之間系統的集成，以及對企業現有系統(Legacy System)的保護。2)可配置性(Configurability)，能對工廠新引入的產品，以及不可預料的需求變化，進行系統結構的快速配置，以滿足用戶不斷變化的需求。3)可適應性(Adaptability)，通過系統良好的重構能力，以自動適應變化的工作負荷和條件或者業務過程的改變。4)可擴展性(Extensibility)，不但可在一個單元內擴展其功能，且可擴展到其它制造單元及產品制造生命周期的其它階段，從而滿足各種復雜的制造需求。5)可靠性(Reliability)，保證分布式系統的數據完整性、一致性、以及虛擬企業信息交互的安全性。

    3.2 關鍵技術

        集成的MES系統(Integrated MES)實現了系統的橫向集成(系統內部功能的集成)與縱向集成(上下分別與企業信息系統(EIS)和控制層集成)。面向敏捷制造的MES，不僅要實現上述的集成要求，還要實現企業間MES的集成和互操作，以下介紹某些關鍵技術。

    3.2.1 PS基礎框架

        PS(Plant System)基礎框架定義了從企業計劃層到控制層間構成制造信息技術環境的模塊及其通信協議。它既是指導企業系統集成的藍圖，又是實現軟構件的物理基礎。PS基礎框架選擇的好環直接關系到MES的敏捷性。目前主要遵循CORBA、COM／DCOM、RMI等標準規范。

    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：結構化分析方法和面向對象分析方法。目前在CIMS應用中廣泛使用的IDEFD和IDEFIX等建模方法，都是基于結構化方法的思想。結構化方法在對需求變化的適應性和支持軟件復用能力上明顯不足，難以適應敏捷制造下信息系統的要求。面向對象方法由于具有繼承性和封裝性。支持軟件的復用及易于擴充等特點，能很好地適應大系統不斷發展和變化的要求。建立MES的對象模型是最基礎和最關鍵的一部分。

    3.2.3 工作流技術與Agent技術

        面向敏捷制造的MES，不僅要對本單元的制造過程的進行實時跟蹤，還要能跟蹤虛擬企業中其它生產單元的制造過程。因而MES必須由信息集成向過程集成和企業間MES集成發展。

        1)工作流技術是實現過程集成的有效途徑。工作流管理系統在MES中的應用(與其它應用一樣)分為模型建立，模型實例化，模型執行三個階段。首先，利用工作流建模工具完成車間制造過程模型的建立，將車間實際制造過程轉化為計算機可處理的工作流模型。其次，為每個過程設定運行所需的參數，并分配每個活動所需要的資源(包括制造資源，應用)。最后，通過人機交互和應用的執行來完成制造過程的執行。分布式工作流技術的發展，提供了對企業之間過程集成的支持。

        2)制造系統生產過程和控制結構本身所固有的局部控制和分布式決策的特性，為Agent技術提供了廣闊的應用空間。MAS(Multi-Agent system)技術被認為是在未來生產系統中實現降低生產費用、生產分散化控制、自適應及處理復雜過程的關鍵技術，同時它又是一種新的方法論，貫穿在先進制造的各個領域，從企業動態聯盟、ERP、規劃與調度到現場控制都有MAS思想與技術的應用。在MES中，Agent主要是指能完成某種特殊功能的分布式計算機程序，它需具備下列關鍵屬性：持續性、通信能力、自主性、可移動性、反應性、適應性或進化性、推理和規劃能力。

    3.2.4 ERP接口

        要實現企業連續、實時的信息流，MES就必須實現與ERP的集成。目前的集成MES都是針對特定的ERP開發，不能適應敏捷制造的要求。開發良好的ERP接口(ERPI-ERP Interface)是面向敏捷制造的MES必須解決的關鍵技術。ERPI相當于ERP和MES之間的中間件。當企業上層計劃者向ERPI發出執行訂單(包括制造訂單和采購訂單)處理的業務請求后，ERPI首先查詢ERP服務器以判斷哪些是已經準備處理的訂單，接著在MES服務器根據這些訂單生成制造訂單，并通過工作流系統將其分配給車間層的生產計劃者；在這個過程中，ERPI可通過查詢MES模型，以獲取有關生產資料、質量或生產能力的統計信息，同時將執行結果反饋給ERP以更新庫存信息和企業整個的生產能力信息。

    3.2.5 設備控制接口

         MES與控制層間信息的傳遞是MES有效運行的基礎，但由于制造企業的多樣化，存在著多種制造方式和監控手段。底層的過程控制顯得十分復雜。有的設備控制器需要很強的實時性和可靠性，有的則不太要求這一點。底層控制設備多種多樣，有數據采集裝置(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)、甚至是物理設備(例如NC機床)。為使各種設備控制器能在企業網絡上與其它MES組件協同工作，一方面對設備控制器及其外部結構進行標準化，支持其在電腦硬件上運行；另一方面運用面向對象的Java-CORBA技術將其開發成為CORBA客戶，實現其良好的跨平臺性和互操作性；但對實時性要求很高的系統來說。還有待于在實時ORB上作進一步的驗證。借助于封裝良好的設備控制接口，MES才能夠可靠、有效地實現對底層控制的支持。

    3.2.6 虛擬企業中的安全機制

        虛擬企業VE(Virtue Enterprise)是敏捷制造的主要企業組織形態：為了共同開發產品，每個成員不僅要掌握自己制造單元的生產狀況，還必須了解其它成員的生產信息。這樣才可能做到局部優化和整體優化的完美統一。因此，實現企業間的MES集成是面向敏捷制造MES發展的必然趨勢。由于虛擬企業中的每個成員，既要允許其它聯盟企業訪問其部分資源，又要對聯盟外的用戶進行保密。以防止信息泄密或破壞，良好的信息安全機制成為虛擬企業正常運轉的保證。目前的安全技術有：虛擬專用網VPN(Virtual Private Network)、加密技術、認證技術、防火墻技術等，其中每項技術都側重信息安全的某個方面。VE的安全需求包括：1)保密性：禁止不正當訪問。2)完整性：確認數據不具有二義性。3)確實性：授權或數據源的正確性。

4 結束語

        1)MES在整個企業信息集成系統中承上啟下，是生產活動與管理活動信息溝通的橋梁。不實施MES，管控一體化只是一句空話。對于面向制造業和過程工業的ERP，脫離MES將無法根據市場需求去組織、管理和優化生產。2)MES技術在過去十幾年來已顯著地成熟。但MES的發展和應用是一個過程，而不是一個事件，不可能想象成功的MES實施是可以一蹴而就的。要取得長期的成功，要求改造制造環境，要求獲得有組織的支持。要求管理機制作適應性的改變。與此同時。MES軟件在改善維護、改善與其它丌管理軟件的接口等方面，也有待于進一步發展提高。3)要使敏捷制造企業信息技術網絡的投資迅速取得回報，從MES入手是一種明智的選擇。但是MES的實施需要恰當規劃和細致分析，可從旨在解決一兩個當務之急的工廠生產瓶頸問題著手，逐步擴大。4)制造執行系統MES軟件，填補了企業計劃層和生產車間控制系統之間的間隔，是制造過程信息集成的紐帶。MES通過強調制造過程的整體優化。幫助企業實施完整的閉環生產，同時也為敏捷制造企業的實施提供了良好的基礎。深刻理解MES這一先進的管理思想，把握它的發展趨勢，對于如何在我國正確地研究和推廣MES應用，具有重要的理論和應用價值。