1 前言

   隨著社會和科學(xué)技術(shù)進步，人們的物質(zhì)生活得到極大豐富，而作為物化中心的制造企業(yè)則面臨著越來越大的競爭壓力。要想贏得市場、贏得用戶，在3C因素，即競爭（Competition）、變化（Change）和客戶（Customer）因素的影響下，如何以新的生產(chǎn)方式提高生產(chǎn)水平，在激烈的競爭中立于不敗之地，在工業(yè)發(fā)達國家企業(yè)界和學(xué)術(shù)界引起高度關(guān)注。

    在這種背景下，各種先進制造技術(shù)及生產(chǎn)管理與控制方式應(yīng)運而生，如物料需求計劃（MRP），制造資源規(guī)劃（MRPII），準(zhǔn)時生產(chǎn)JIT（Just In Time），最優(yōu)生產(chǎn)技術(shù)OPT（Optimized Production Technology），精益生產(chǎn)LP（Lean Production），計算機集成制造CIM（Computer Integrated Manufacturing）,敏捷制造AM（Agile Manufacturing）等相繼出現(xiàn)。綜觀這些先進制造技術(shù)，從生產(chǎn)管理角度要求，都強調(diào)生產(chǎn)計劃的有效執(zhí)行。然而計劃的有效執(zhí)行需要把底層制造過程、控制系統(tǒng)和制造者納入計劃執(zhí)行體系中。因此，將計劃與底層制造連接起來的制造執(zhí)行系統(tǒng)就應(yīng)運而生了。

2 MES系統(tǒng)簡介

    制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是近10年來逐步形成和發(fā)展起來的面向制造車間的生產(chǎn)管理技術(shù)與實時信息系統(tǒng)，它位于企業(yè)上層生產(chǎn)計劃（MRPII／ERP）和底層工業(yè)控制層之間。MES強調(diào)了制造計劃的執(zhí)行，它為管理計劃層和底層控制層間架起了橋梁，提高了車間管理的敏捷性，是面向車間的先進管理技術(shù)。

    2.1 MES的概念

    制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是美國管理界90年代提出的新概念。1992年成立了MES國際聯(lián)合會（MESA International），它是以宣傳MES思想和產(chǎn)品為宗旨的貿(mào)易聯(lián)合會，為了幫助其成員組織在企業(yè)界推廣MES，MES國際聯(lián)合會制定了一系列研究、分析和開發(fā)計劃。MES國際聯(lián)合會對MES的定義如下：MES能通過信息傳遞對從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠發(fā)生實時事件時，MES能對此及時作出反應(yīng)、報告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對它們進行指導(dǎo)和處理。 這種對狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使MES能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動，有效地指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運作過程，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。MES還通過雙向的直接通訊在企業(yè)內(nèi)部和整個產(chǎn)品供應(yīng)鏈中提供有關(guān)產(chǎn)品行為的關(guān)鍵任務(wù)信息。

    在MES的定義中可以看出，MES強調(diào)的是整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化，它需要收集生產(chǎn)過程中的大量實時數(shù)據(jù)，并對實時事件進行及時處理。MES同時與計劃層、控制層保持雙向的信息暢通，能從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。因此,MES不同于以派工單形式為主的生產(chǎn)管理和輔助的物料流為特征的傳統(tǒng)車間控制器,也不同于偏重于作業(yè)與設(shè)備調(diào)度為主的單元控制器,而應(yīng)將MES作為一種生產(chǎn)模式, 把制造系統(tǒng)的計劃和進度安排、追蹤、監(jiān)視和控制、物料流動、質(zhì)量管理、設(shè)備控制和計算機集成制造（CIM）等一體化去考慮，以最終實現(xiàn)制造自動化戰(zhàn)略。

    2.2 MES框架模型

    美國先進制造研究機構(gòu)AMR（Advanced Manufacturing Research）將MES定義為“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的管理信息系統(tǒng)”，它為操作人員、管理人員提供計劃執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設(shè)備、物料、客戶需求等）的當(dāng)前狀態(tài)。

 計劃層（MRPII/ERP）：強調(diào)企業(yè)的計劃性。它以客戶訂單和市場需求為計劃源頭，充分利用企業(yè)的各種資源，降低庫存，提高企業(yè)效益。

    執(zhí)行層（MES）：強調(diào)計劃的執(zhí)行。通過MES把ERP/MRPII與企業(yè)的現(xiàn)場控制有機集成起來。

    控制層（Control）：強調(diào)設(shè)備的控制。包括PLC、數(shù)據(jù)采集器、條形碼、各種計量及檢測儀器、機械手等的控制。

    從以上模型可以清楚地看到MES所處的位置，它在計劃層與控制層間架起了橋梁，填補了兩者之間的空白。

    MES作為面向制造的系統(tǒng)必然要與企業(yè)其它生產(chǎn)管理系統(tǒng)有密切關(guān)系，MES在其中起到了信息集線器（Information Hub）的作用，它相當(dāng)于一個通訊工具為其它應(yīng)用系統(tǒng)提供生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)。

    從圖中可看出MES與其它分系統(tǒng)之間有功能重疊的關(guān)系，例如，MES，SSM，ERP中都有人力資源管理，MES和P/PE兩者都具有文檔控制功能，MES和SCM中也同樣有調(diào)度管理等等。各系統(tǒng)重疊范圍的大小與工廠的實際執(zhí)行情況有關(guān)，但每個系統(tǒng)的價值又是唯一的。

    2.3 MES的功能模塊

    MES本身也是各種生產(chǎn)管理的功能軟件集合，MESA通過其各成員的實踐歸納了十一個主要的MES功能模塊，包括：工序詳細調(diào)度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質(zhì)量管理、文檔控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和數(shù)據(jù)采集。MES 實際的產(chǎn)品可能是包含其中一個或幾個功能模塊。

    2.4 MES的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

    MES的發(fā)展源自制造工廠的內(nèi)部需求，傳統(tǒng)的MES就是從70年代零星的車間發(fā)展起來的，并逐步形成了一些專門從事MES開發(fā)的公司。傳統(tǒng)的MES分為專用的MES和集成的MES。專用的MES是針對特定領(lǐng)域問題，如車間維護、生產(chǎn)調(diào)度等開發(fā)的單獨應(yīng)用系統(tǒng)。集成的MES則是針對特定行業(yè)如航空、裝配、半導(dǎo)體等行業(yè)設(shè)計解決多個生產(chǎn)問題的軟件。但由于集成的MES依賴特定的環(huán)境，系統(tǒng)模塊化、開放性和可重構(gòu)性差，缺乏柔性，難以適應(yīng)敏捷制造環(huán)境的需求。故必須綜合以上兩種方案的優(yōu)點尋求更好的解決辦法。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)的探索，有人提出了可集成的MES概念，即每個程序既是一個專用解決方案，又可以集成為一套大的MES產(chǎn)品?？杉傻腗ES一般采用基于CORBA規(guī)范分布式對象技術(shù)的NIIIP-SMART體系結(jié)構(gòu)和基于COM／DCOM的面向制造業(yè)的Windows DNA，基于以上框架的MES具有開放性、模塊化、分布式、可配置等特點。還有人提出了智能第二代MES（MESII）解決方案，其核心是通過更精確的過程狀態(tài)跟蹤和更完整的數(shù)據(jù)記錄以獲取更多的數(shù)據(jù)和更便利的手段來進行生產(chǎn)管理。我國對MES的研究起步較晚，目前主要停留在對MES內(nèi)涵及有關(guān)單一技術(shù)（如工序調(diào)度）研究方面。

    MES是近10年來在國際上迅速發(fā)展起來面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實時信息系統(tǒng)，它是實施企業(yè)敏捷制造戰(zhàn)略、實現(xiàn)車間生產(chǎn)敏捷化的基本技術(shù)手段。美、日、歐等工業(yè)發(fā)達國家非常重視對MES技術(shù)的研究與系統(tǒng)開發(fā)，并形成了MES軟件產(chǎn)業(yè)。從80年代后期至1994年，國際上MES市場銷售以23％的比例遞增，達到13億美元，1995年MES市場迅速擴大，比上一年增長50％。另對整個北美MES市場的調(diào)查分析認(rèn)為：MES市場在21世紀(jì)初將出現(xiàn)年增長率達到35％～40％的幅度。在我國實施的CIM戰(zhàn)略中，車間自動化一直是一個薄弱環(huán)節(jié)，而實施MES則是提升車間自動化水平的有效途徑，因此，MES在我國具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

3 航天制造車間管理現(xiàn)狀與需求分析

    航天制造業(yè)已打破原有的壟斷格局，正面臨著越來越激烈的競爭，要想在競爭中贏得用戶、贏得市場、贏得未來，企業(yè)必須全面提高技術(shù)含量、質(zhì)量保證和服務(wù)水平。為實現(xiàn)中國航天“鑄造世界一流宇航公司”的發(fā)展目標(biāo)，航天制造企業(yè)在鞏固主業(yè)優(yōu)勢、著眼高端產(chǎn)品的同時，也在尋求新的突破，一面構(gòu)筑航天產(chǎn)品主線、培育核心競爭能力，另一面響應(yīng)“以信息化帶動工業(yè)化”的戰(zhàn)略決策，全面提高企業(yè)管理和信息化水平，增強市場的應(yīng)變能力，迎接經(jīng)濟全球化、信息化的挑戰(zhàn)。

    作為航天制造企業(yè)的基礎(chǔ)生產(chǎn)單元，航天制造車間多具有以下特點：以離散式生產(chǎn)為主、流程生產(chǎn)為輔、裝配生產(chǎn)為重點，屬于典型的機械制造型生產(chǎn)車間。為保證企業(yè)在未來的競爭中立于不敗之地，許多企業(yè)開始大力推進企業(yè)ERP建設(shè)來加強管理。然而生產(chǎn)計劃管理受市場的影響越來越大，企業(yè)的生產(chǎn)和任務(wù)分配仍按傳統(tǒng)的方式運作，明顯感覺計劃跟不上變化，生產(chǎn)適應(yīng)不了需要，經(jīng)常導(dǎo)致車間生產(chǎn)任務(wù)失衡，不得不靠加班來改善生產(chǎn)能力。航天制造企業(yè)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)管理模式已不適應(yīng)現(xiàn)代軍工制造的要求，更不符合企業(yè)經(jīng)營效益的原則，使企業(yè)管理向粗放型退化。因此，逐步改善和提高企業(yè)管理水平成了企業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

    提高企業(yè)車間管理水平是增強企業(yè)發(fā)展后勁的基礎(chǔ)。然而，航天制造車間的現(xiàn)狀卻不能適應(yīng)未來企業(yè)的發(fā)展要求。車間生產(chǎn)管理仍是傳統(tǒng)的以派工單形式為主的生產(chǎn)管理和輔助的物料流管理模式，車間雖然有完善的管理制度，但實際應(yīng)用過程中卻存在很多不規(guī)范的地方。車間的管理仍是黑箱操作，無法滿足反應(yīng)敏捷的市場需求。車間的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，整體性差，應(yīng)用水平低。主要存在以下問題：

    a．車間管理人員無法準(zhǔn)確掌握在制品的數(shù)量及存貯位置。

    b．車間管理處于黑箱操作，生產(chǎn)和管理狀態(tài)不明晰，上級機關(guān)難于監(jiān)管。

    c．生產(chǎn)管理自動化水平較低，作業(yè)量的整體平衡性差，對設(shè)計更改和工藝更改反應(yīng)遲緩，產(chǎn)品質(zhì)量缺乏有效監(jiān)控，品質(zhì)不良率高。

    d．車間的信息傳遞與反饋仍以人工為主，傳遞慢，反饋不及時，信息量損失大，而且易出差錯。

    e．車間領(lǐng)導(dǎo)習(xí)慣于傳統(tǒng)的人工管理模式，對現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不熟悉，不鉆研，滿足于現(xiàn)狀。

    生產(chǎn)車間技術(shù)性強、精確度標(biāo)準(zhǔn)高、質(zhì)量監(jiān)控嚴(yán)、管理難度大，對提高整體產(chǎn)品的質(zhì)量、效率和降低成本、縮短制造周期起舉足輕重的作用。因此，對生產(chǎn)車間進行MES系統(tǒng)的應(yīng)用研究，對提高車間管理水平，將黑箱作業(yè)透明化，找出影響產(chǎn)品品質(zhì)、成本和效率的根本原因；對提高車間管理的實時性、準(zhǔn)確性、敏捷性和生產(chǎn)效率；對航天制造企業(yè)信息化建設(shè)的深層次推進和先進管理技術(shù)的推廣具有重要意義。

4 MES系統(tǒng)應(yīng)用的可行性

    4.1MES系統(tǒng)應(yīng)用的管理基礎(chǔ)

    要想充分發(fā)揮MES系統(tǒng)的功能，企業(yè)就需要完善自身的管理體系。沒有嚴(yán)格的管理約束機制，MES系統(tǒng)信息的及時維護就難以保證；沒有先進的管理模式，MES整理出來的信息就不能得到有效利用，從而也不能產(chǎn)生效益。因此，信息技術(shù)可以成為提高企業(yè)管理水平的有效手段，但不會自動地解決企業(yè)的管理問題。要想成功實施MES，企業(yè)必須先在管理上下功夫。

    航天制造企業(yè)通過推行6S管理，逐步改善了車間生產(chǎn)條件，為實施MES系統(tǒng)提供了良好的車間環(huán)境。近年來，隨著整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)、安全“6S”活動在航天制造企業(yè)的推廣，通過對生產(chǎn)和工作環(huán)境的分析，把生產(chǎn)和工作需要的物品按照工藝的需要科學(xué)地確定位置。為生產(chǎn)者在較短時間內(nèi)用較低的成本制造出高質(zhì)量產(chǎn)品提供了良好的作業(yè)條件。

    航天制造企業(yè)具有多年的實踐經(jīng)驗，逐步形成了一套行之有效的組織機構(gòu)和管理制度，為MES的實施提供了良好的基礎(chǔ)和組織保證。企業(yè)實施MES系統(tǒng)，必須做到目標(biāo)明確、分工合理、職責(zé)清楚、制度規(guī)范。如果用戶自己都不明白要解決什么問題，也不清楚業(yè)務(wù)流程，就無法實施和應(yīng)用MES。計算機并不能解決一切管理問題，企業(yè)的管理問題只有靠科學(xué)的組織、嚴(yán)格的規(guī)章及有效的控制來解決。計算機只是為MES實施提供了便利工具，它通過信息的獲取與加工，一定的流程控制來支持企業(yè)管理思想的貫徹。MES歸根結(jié)底是在信息技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)支撐下的管理系統(tǒng)。通過流程重組、合理分工、明確職責(zé)，航天制造企業(yè)在實施MES時，既能簡化流程控制，又能夠保證信息處理的及時性，為MES的實施提供了良好的基礎(chǔ)和組織保證。

    航天制造企業(yè)良好的創(chuàng)新理念和教育培訓(xùn)體制，為MES系統(tǒng)的實施提供了人力資源保證。航天制造企業(yè)良好的創(chuàng)新理念和教育培訓(xùn)體制不僅鼓勵員工創(chuàng)新研討，還不斷對員工進行各類培訓(xùn)，提高員工的素質(zhì)為MES系統(tǒng)的實施提供了良好的人員基礎(chǔ)。MES系統(tǒng)實施，通常涉及到計算機人員、企業(yè)管理人員、車間現(xiàn)場操作人員和具體業(yè)務(wù)人員等方面。雖然各類人員的文化水平、業(yè)務(wù)能力、計算機應(yīng)用水平參差不齊，但通過有計劃的培訓(xùn)，各類人員會很快適應(yīng)新的環(huán)境，提高整體技術(shù)水平，確保MES系統(tǒng)的最終實施和應(yīng)用。

    4.2 MES系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)條件

    4.2.1 軟件條件

   在運行MES系統(tǒng)之前，需要對車間進行信息系統(tǒng)規(guī)劃，并準(zhǔn)備一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在運用系統(tǒng)之前往往沒有或未明確規(guī)定的，故需要做大量分析研究工作?；A(chǔ)數(shù)據(jù)通常包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、物料（包括物料編碼規(guī)則、零件、毛坯、在制品、刀具、工裝、工具、量檢具等）、工藝路線、加工工時、物料庫存、設(shè)備與人員資源、各種例外代碼與原因代碼等信息。

    目前，航天制造企業(yè)已經(jīng)開始進行企業(yè)的信息資源規(guī)劃，只需在對車間進行需求分析和系統(tǒng)建模時按照MES思想理論指導(dǎo)，對車間功能模塊進行劃分和分析，就可以為MES系統(tǒng)建立良好的基礎(chǔ)框架。根據(jù)MES系統(tǒng)的十一個功能模塊，結(jié)合航天制造企業(yè)車間生產(chǎn)現(xiàn)狀，車間可細分為作業(yè)計劃與調(diào)度、設(shè)備管理、工具管理、質(zhì)量管理、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、工藝管理、任務(wù)分配與生產(chǎn)監(jiān)控、物料管理、人力資源管理9個系統(tǒng)功能。根據(jù)車間已有的系統(tǒng)功能基礎(chǔ)，就可以方便地構(gòu)建車間系統(tǒng)模型。

    4.2.2 硬件條件

    MES系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行基礎(chǔ)上的管理信息系統(tǒng)，故建設(shè)車間網(wǎng)絡(luò)是必備條件。MES所需的網(wǎng)絡(luò)，除了一般的局域網(wǎng)外，還涉及車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制網(wǎng)絡(luò)。車間現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)可采用多種形式，如工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、RS-485網(wǎng)絡(luò)或RS-232網(wǎng)絡(luò)等。具體的網(wǎng)絡(luò)形式，是根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求來確定的。

    現(xiàn)在的航天制造車間，多數(shù)已經(jīng)組成了車間內(nèi)部網(wǎng)，常應(yīng)用于車間文件資料的傳輸和打印機的共享等。更有一些數(shù)控車間，已經(jīng)實現(xiàn)了DNS的控制系統(tǒng)。根據(jù)MES系統(tǒng)應(yīng)用要求，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上只需局部建設(shè)和稍加改造，就基本具備實施MES系統(tǒng)的硬件條件。

5 結(jié)論

    綜上所述，航天制造車間目前急需解決管理透明化和生產(chǎn)敏捷化問題。而MES系統(tǒng)是針對這些問題提出的一種先進管理理念，通過對生產(chǎn)現(xiàn)場的實時化管理，提高車間的應(yīng)變能力和管理水平，解決目前航天制造車間生產(chǎn)管理中的諸多問題。通過MES系統(tǒng)在制造類企業(yè)中的應(yīng)用可以看到，它能夠帶來很好的經(jīng)濟效益。MES的實施可以在企業(yè)信息資源規(guī)劃的框架下，按照車間MES系統(tǒng)的模塊設(shè)置，根據(jù)企業(yè)財力狀況分階段實現(xiàn)各功能模塊，也可以進行補充開發(fā)和二次開發(fā)。航天制造企業(yè)的基礎(chǔ)管理工作扎實，實施MES系統(tǒng)已經(jīng)具備了較好的條件。