1 精益供應鏈MES及其實施的意義
1.1 國內外MES的研究現狀
MES是美國管理學界90年代提出的新概念。美國先進制造研究機構AMR通過對大量企業的調查發現，現有的企業生產管理系統普遍由以ERP／MRPII為代表的企業管理軟件，以SCADA、HMI(Human Machine Inteface)為代表的生產過程監控軟件和以實現操作過程自動化，支持企業全面集成的MEs軟件群組成。由于MEs強調控制和協調，使現代制造業信息系統不僅有很好的計劃系統，而且能使計劃落實到執行系統。因此MES在國外的企業中迅速推廣開來，并給企業帶來了巨大的經濟效益。企業認識到只有將數據信息從產品級取出，穿過操作控制級，送達管理級，通過連續信息流來實現企業信息全集成才能使企業在日益激烈的競爭中立于不敗之地。
MES作為生產形態變革的產物，其大多源自工廠的內部需求。傳統的MES(-MES)就是從70年代的零星車間級應用發展起來的，在積累了相當的經驗后，逐漸形成了一些從事MES開發的專業公司。通常他們都是針對特定的生產類型，或特定的功能需求而開發出較為標準化的MES，并擁有了一定的市場份額。MES雖然它的提出是在MRPⅡ／ERP之后，處在控制層和計劃層中間的執行層，它在計劃層的控制下，從底層控制系統采集與生產有關的實時數據，并進行短期生產作業的計劃調度、監控、資源配置和生產過程的優化等工作。
MES系統主要有專用MES系統和集成MES系統兩類。若現有系統是專用系統，它就是針對某個特定領域的問題而開發的系統，如車間維護、生產監控、有限能力調度或是SCADA等。它的系統重構性能弱，很難隨業務過程的變化而進行功能配置和動態改變。若現有系統是集成MES系統，則具有良好的集成性，能實現客戶化、可重構、可擴展和互操作等特性，能方便地實現不同廠商之間的集成和原有系統的保護以及即插即用(P&P)等功能。企業則可以從一些成熟的、擴展性好的套裝軟件中選擇適合自己企業需要的軟件系統。
1.2 研究和實施MES的意義
21世紀的企業面臨著日益激烈的國際競爭，企業普遍認為要想贏得市場就必須通過實施MRPII／ERP來加強管理。然而上層生產計劃管理受市場影響越來越大，明顯感到計劃跟不上變化。面對客戶對交貨期的苛刻要求，面對更多產品的改型，訂單的不斷調整，企業決策者認識到，計劃的制訂要依賴于市場和實際的作業執行狀態，而不能完全以物料和庫存回報來控制生產。
同時MRPⅡ／ERP軟件主要是針對資源計劃，這些系統通常能處理昨天以前發生的事情(作歷史分析)，亦可預計并處理明天將要發生的事件，但對今天正在發生的事件卻往往留下了不規范的缺口。而傳統生產現場管理只是一個黑箱作業，這已無法滿足今天復雜多變的競爭需要。因此，如何將黑箱作業透明化，找出任何影響產品品質和成本的問題，提高計劃的實時性和靈活性，同時又能改善生產線的運行效率，已成為目前每個企業十分關心的問題。制造執行系統(MES)恰好能填補這一空白。
MES是處于計劃層和車間層操作控制系統SFC之間的執行層，主要負責生產管理和調度執行。它通過控制包括物料、設備、人員、流程指令和設施在內的所有工廠資源來提高制造競爭力，提供一種系統的在統一平臺上集成諸如質量控制、文檔管理、生產調度等功能的方式，從而實現企業實時化的ERP／MES／SFC系統。
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、企業環境的異構性以及企業間動態聯盟的組建等等對MES又提出了更高的要求，傳統的MES解決方案難以適應精益供應鏈對于制造環節的要求，面向精益供應鏈MES不僅要費用合理更要具有良好的適應性(adptable)、可重構性(reconfigurable)和可集成性(integratable)，因此，國外許多組織和研究機構開始研究面向精益供應鏈中制造執行系統MES的研究。
2 基于精益供應鏈的MES系統解決方案的構建
2.1 MES的系統架構設計
針對企業目前存在的種種生產現場管理中的弊端和企業生產現場管理的種種需求，結合制造執行理論、精益生產、6 Sigma、看板管理等先進管理思想，以及先進的IT技術，MES系統必須包含原材料上線到成品入庫的生產過程進行實時數據采集、控制和監控的全過程。精益供應鏈MES系統是從生產計劃的下達，到成品的出貨的整個過程進行實時數據采集、監控、管理的軟件系統。以MES軟件為核心，將數據采集技術、移動計算技術、自動化控制技術、數據庫技術；敏捷制造、精益生產、工業系統工程理論有機結合，填補從ERP為代表的計劃層到以HMI為代表的控制層之間的溝壑，實現生產現場透明化管理。根據這種設計思想，其系統架構設計如圖1所示。
圖1 基于精益供應鏈的Ⅷs統架構設計
MES系統可以讓企業透過全球供應鏈網絡掌握實時的訂單進度信息來實現電子商務，排除生產現場自動化“孤島”，建立起業務計劃層到控制層的橋梁。同時，MES系統還必須要實現以下目標：①JIT庫存管理與看板管理；②精益生產與敏捷制造管理；③多工廠制造信息管理與集成；④全面完整的前向與后向產品追溯；⑤批號與單品管理同時兼容；⑥海量工業數據采集；⑦實時數據處理(Real Time)；⑧現場無紙張運作(Paperless)；⑨現場資源(設備、產品、原材料、人員、過程)追蹤(Tracking)；⑩實時、全面、準確的性能與品質分析(QC 7大手法、SPC、KPI、停機分析)；⑩自動化設備控制(AM&Contr01)。
2.2 MES的功能設計
基于精益供應鏈的MES應該重視生產現場工藝防呆、資源追蹤、實時分析等管理功能，為企業降低成本，迅速獲利。從現場管理的角度來看，MES集成了企業生產現場各單位(如物管、生管、品管、倉管等)的各項數據，迅速得到運作所需的信息，以提升生產效率。MES集成相關數據采集和信息顯示的硬件配備，精益供應鏈MES采用模塊化功能的設計，針對企業的需求做彈性的模塊搭配，將建設和升級成本降至最低。
基于精益供應鏈的MES不是一個獨立的系統，而是整個企業信息化中的重要組成部分，其跟企業的ERP、CRM、SCM、Logistics、Automation、CMC／PDM都有密切的管理，共同組成整個企業的信息化系統。
MES系統應該包括如下模塊：基礎設置與系統管理(基礎數據設置、配置管理、用戶管理、權限管理)、物料與BOM管理、生產工單管理、WIP管理、追蹤與追溯管理、QM質量管理、數據采集等。因為本系統采用模塊化設計技術，因此模塊可以根據詳細需求進行調整。項目主要研究以下模塊的建立和優化方案。
(1)物料與BOM管理系統的研究。建立物料編碼、BOM等基礎數據，為生產工單以及關鍵物料的管控做數據準備，此模塊可以通過數據接口與現有ERP或其他信息系統共享物料編碼等數據。
(2)生產工單管理模塊的研究。建立生產工單(制令)數據，并按照工單產生相關的產品序列號及相關關鍵零配件的序列號，為生產過程中的數據采集做準備，可通過數據接口與ERP共享數據。
(3)QM質量管理模塊的研究。從生產過程檢驗(巡檢、抽檢、首件檢驗、PQC、FQC)以及QA檢驗等等所有的海量工廠檢驗數據均保存MES數據庫中。根據質量目標來實時記錄、跟蹤和分析產品和加工過程的質量，以保證產品的質量控制和確定生產中需要注意的問題。含維修、重工、報廢管理，記錄生產過程中不良產品的詳細信息、維修記錄、報廢產品詳細信息和重工產品的詳細記錄。
(4)WIP在制品管理。實時監控制令執行狀況、投入狀況、產出狀況、停留中間站點數量、不良數量和站別位置記錄、報廢記錄等，實時追蹤制令單執行詳細狀況。
(5)數據采集模塊的研究。監視、收集和組織來自人員、機器和底層控制操作數據以及工序、物料信息。這些數據可由車間手工錄入或由各種自動方式獲取。突破傳統的條碼采集數據的方式，MES還可以和PLC、傳感器、RFID、DCS、I／O、HMI等多種自動化的工業設備聯機，并從這些設備獲取數據。
(6)追蹤追溯模塊的研究。通過監視產品在任意時刻的位置和狀態來獲取每一個產品的歷史紀錄，該記錄向用戶提供產品組及每個最終產品使用情況的可追溯性。提供輸入查詢界面，如用戶輸入任意一個產品號、序列號、批號、生產日期等可以得到該產品在工廠生產時的詳細數據，設定不同的條件都可以查詢相應的結果，實現產品的前向與后向追溯。
(7)工廠實時信息門戶模塊的研究。工廠門戶可以量身定制，以滿足不同工業環境的需要。只要使用一個IE瀏覽器，它就可以讓客戶通過Internet／Intranet以可視化方式查看現有工業生產過程的實時信息(生產、品質、設備、物料、人員)與歷史信息。這是MES實現精益供應鏈管理的關鍵措施。
圖2 基于精益供應鏈的MES功能模型
2.3 MES的關鍵技術難題
(1)模塊化：精益供應鏈MES要采用模塊化設計技術，因此模塊可以根據詳細需求進行調整，適應能力強。
(2)聯機數據采集功能的研發：精益供應鏈MES需要突破傳統的條碼采集數據的方式，可以和PLC、傳感器、RFID、DCS、I／O、HMI等多種自動化的工業設備聯機，從這些設備獲取數據，大大提升了系統的自動化程序。
(3)實時追蹤及追溯功能的研發：通過監視產品在任意時刻的位置和狀態來獲取每一個產品的歷史記錄，該記錄向用戶提供產品組及每個最終產品使用情況的可追溯性。提供輸入查詢界面，如用戶輸入任意一個產品號、序列號、批號、生產日期等可以得到該產品在工廠生產時的詳細數據，設定不同的條件都可以查詢相應的結果，實現產品的前向與后向追溯。
3 案例：某機電制造企業MES項目的實施方案
3.1 企業基本情況及項目需求
該企業是一家生產電機、風機、電機金屬葉輪、特種泵類等機電一體化產品的港資企業。企業現有的ERP系統無法對原材料倉庫、生產車間、包裝車間等場所的物料和半成品進行實時管理和監控，并把這些數據向供應鏈上下游企業開放。因此，企業決定實施基于精益供應鏈的制造執行系統MES項目。經過調研與分析，項目需求如下：
(1)采用條碼技術，對原材料進行批次管控，建立原材料批次與供應商的關系數據；
(2)對產品生產、組裝過程進行條碼管控，采集零部件批次條碼、SN條碼，建立產品生產組裝過程數據檔案，實現產品追蹤追溯功能；
(3)對產品生產組裝過程的品質數據進行采集，建立產品生產過程品質數據檔案，實現產品質量追蹤追溯功能；
(4)實時采集生產過程數據，監控車間生產過程，實現車間透明化、數據化，實時掌控生產進度；
(5)通過對生產過程進行透明化管控，實現車間看板管理；
(6)通過過程數據采集，自動生成車間各種統計分析報表。
3.2 MES實施方案
3.2.1 MES系統架構設計
根據MES的相關理論以及該企業的實際情況的需求，其MES系統架構及功能設計如圖3所示。
圖3 某制造企業的MEs系統架構設計
3.2.2 MES實施技術與方法
(1)原材料倉庫。原材料實施批次管理。產生并打印原材料入庫批次條碼，采集原材料供應商、PO、送貨日期、數量、批次等基礎信息，粘貼條碼到實物，并隨實物入庫、領用出庫，為產品追蹤追溯提供源數據。
(2)生產車間。在生產車間，通過掃描流程卡條碼，采集金屬車間加工產出數據(工序、良品數、報廢數、不良原因)等。
(3)裝配車間。按生產工單產生并打印產品SN條碼，在組裝零部件工位，掃描零部件批次或SN條碼，采集產品組裝信息；通過掃描不良代碼，采集產品檢測信息；包裝完成后，產生卡板信息，建立產品SN與卡板對應關系，等待入庫。
(4)成品倉庫。在入庫環節，收集棧板信息并控制打印棧板條碼，然后由RFID系統將成品信息通過RF網絡傳送給倉庫，接收生產線信息。在出庫環節，接收生產線信息并產生出貨清單，根據出貨清單重新裝并板。
3.2.3 MES系統實施過程中的信息采集方案
在整個MES系統實施過程中，關鍵的技術難點是現場信息的采集方案，涉及到采集工位、采集內容和采集方式等方面的問題。根據該企業的實際，我們采用的信息采集方案如表1。
表1 MES系統信息采集方案
3.3 實施MES的效果分析
該企業實施MES一年后，由企業、項目組和第三方機構進行了項目驗收。從使用和驗收的情況看，實施MES后，企業除了在管理方面得到了很大的改善之外，工作效率和經濟效益也都得到了明顯的提高。其中，關于項目實施效果的測評如表2和表3所示。
表2 MES實施效果測評-管理改善
表3 MES實施效果測評-效率提升
該企業成功導入MES系統后，解決了以前ERP系統無法解決的關于執行層監控與管理的難題，真正實現了管理的實時化、精細化和可視化，為實施精益供應鏈管理打下了堅實的基礎。
4 結論
制造執行系統MES針對目前國內大中型制造企業ERP、SAP系統無法解決的執行層監控與管理的難題，提出了一系列的解決方案。MES解決方案包括系統架構設計、功能組件開發、信息采集等關鍵技術。在實際應用中，MES系統主要是針對制造企業各類倉庫、車間生產線的物料管理、生產進度監控，以條形碼技術、RFID等技術為核心的信息化解決方案。MES系統的推廣和實施，對于提高我國生產制造企業的信息化具有重要意義。
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本文標題：基于精益供應鏈的制造執行系統MES的研究
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