三、MES应用举例——流程企业（钢铁企业）的制造执行系统

 

1．现代流程企业的定义和分类

   

现代流程工业通常是指以从原料到制成品兼具物理变化和化学变化的连续性生产过程实现增值的工业。如此定义也仅仅是将服务业和部分加工行业划分出去，根据企业生产过程中的物流情况对生产企业进行分类，即能区分不同类型企业，又能在准确反映生产增值状况的过程中实现企业从宏观控制到微观协调的科学管理方法。

 

如图2，“V”型物流情况，易看出其特点原材料少、加工路线相似、最终产品种类多，生产过程中“V”型物流占多数的企业如钢铁、炼油等。而与之相对应的流程行业的一种是“A”型物流为主的企业，如造船厂，具有原材料多、加工路线繁杂、最终产品较少等特点。介于两者之间就是“T”型物流为主的企业，比如汽车制造厂、装配厂，特点是材料中通用件较多、加工路线、最终产品种类都不算多。

 

如果根据上文的说法，严格意义上的流程企业，多数都是“V”型物流为主的，基本上都属于基础性产业，是典型的资本密集型工业，在一定的范围内增加企业规模可以有效降低成本，工艺技术和材料技术已经相当成熟，技术的刚性大，目前我国流程企业普遍存在的一些弱点主要是规模经济实现程度很低、技术装备仍旧比较落后、产能相对需求过剩以及产品中高附加值部分所占比例小等等。实施MES有助于从管理方法和技术层面上改进现状。

 

 

图2 以物流特点为依据的企业分类

2．流程企业供应链模式

 

任何生产系统都应实现经济意义,即最优处理生产系统的物流、资金流和信息流,凭借最低的资源消耗生产符合市场要求的产品。因此在对现代流程工业生产的研究是从分析其物流、资金流和信息流特点开始的。以钢铁企业为例。

 

1）物流特点：多段生产、多段运输、多段存储，物流种类多、工序多且形式不一、并伴有多种原料。在制品和制成品包括：铁矿石、粉矿、原煤、生铁、废钢、铁水、钢水、最终产品（板、管、卷、线、型）。所使用的都是大型设备，成本高、操作复杂，工序连接紧密、作业的连续性强、对时间要求条件高，不仅存在时间平衡和温度平衡问题，还存在资源能力和物流平衡的问题。

 

2）资金流特点：企业投资巨大、资金流动频繁、复杂的物流特征，以及为庞大的生产规模做的财务分析都为资金流的控制增加了难度，必须遵守严格的财会制度并实施灵活的资金管理，才能准确全面和及时地反映企业经营状况，并有效地加以控制。资金等财务数据的滞后性与控制资金流向的实时性要求为网络数据库等提供了用武之地。

 

3）信息流特点：生产经营活动需要大量的特征值来描述，涉及内容从财务、人事等传统信息管理领域延伸到生产管理领域。不仅要根据定单进行生产、制定合理的生产计划、实施全面质量管理，还应以对生产过程进行全面监控、数据采集来满足生产管理的实时性要求，不断更新的人员、物料、产品等信息、全面详尽的统计信息辅助管理者发布最合理的控制信息，从而尽善尽美地实现企业经营目标。

 

分析完这些特点之后,可得到钢铁企业的基本供应链模式如图3：

 

图3流程企业典型供应链模式

 

3. 钢铁企业集成模型

 

在得到企业外部的供应链模式之后，还需对企业内部根据分析需求而进行功能模型设计，对系统按照功能分“层”，而在实现的时候则要按照计算机、网络系统而分“级”。钢铁企业的经营管理可划分为三层，通过七级实现。

 

1．计划层：包括经营决策级和企业计划级。主要功能模块：生产经营决策；长期、中长期生产计划编制；财务管理；人力资源管理；采购分销；成本管理；库存管理；定单处理；辅助决策等。

2．执行层：包括车间生产级和生产调度级。主要功能模块：生产调度和作业；质量管理；人员和设备管理；物料追踪和产品追踪；对运作过程的分析。

3．控制层：包括过程控制级、设备控制级和检测驱动级。主要功能模块：生产线范围的监控；自适应控制；设备控制；现场各种信号检测。集成模型的层级如图4：

 

 

图4流程企业典型集成模型的层级结构

 

4．企业运作系统（BOS）的功能模块

 

在流程企业外部供应链模式和集成模型的层级结构都已确定之后，可定义详细的企业运作系统(BOS，Business Operation System)的功能模块，如图5（其中BPS为计划层——经营计划系统，Business Planning System；PCS为控制层——过程控制系统，Process Control System）。

 

 

图5：企业运作系统（BOS）的功能模块

 

其中，制造执行系统（MES）主要包括八个模块，分别为：

 

生产计划：处理属性关联的定单生成按照成本目标优化后的车间级计划，保留定单的原始数据以便于控制。

车间调度：根据生产的实时数据和历史案例，现场动态协调人员、物料、设备以最大可能优化生产。

作业计划：实现以小时间单位为基准的批量组合计划、生产排序计划，以维持车间的高效运作。

人员管理：对行为的详实记录，不仅与人员薪酬相联系，且能为生产分析提供依据，便于管理并能有效地提高生产率。

设备管理：预防性设备维修为主，分析、优化设备能力以消除瓶颈环节对生产的制约，实现设备最大利用率。

质量管理：整合后的功能支持各种与质量计划、检查和控制相关的工作，动态的数据分析为车间调度提供依据。

物料跟踪：由现场采集的数据对物料变化情况进行跟踪，为企业实现对内部条件和外部环境的变化作出快速反应提供可能。

产品跟踪：由现场采集的数据对在制品变化情况进行跟踪，变动中的产品信息便于生产管理的同时还能为客户提供服务。

 

5．MES目标与设计原则

 

为流程企业定制制造执行系统，其最主要的目标就是建立和完善生产管理体系，包括根据客户定单、市场预测和内部资源状况来制定生产计划；从整体角度优化、协调生产过程；生产计划的动态调整等等。与此同时，要建立保证质量管理的信息体系，包括在线物料跟踪和质量控制的在线反馈与调整，以及对产品质量零缺陷的追求。以上述两个目标为契机，构建流程企业MES系统可以促进生产方式和管理思路的转变，这将是一个渐进的过程。

 

MES的设计将以软件工程为规范，主要考虑全局性、通用性，既要实现整个生产过程的优化，又要提供标准化、模块化的应用程序框架；同时要以可扩充性、开放性和兼容性为原则，这样在生产能力变动时不至于影响系统功能，还要提供标准、开放的通讯接口以及减少由于开发环境和开发工具的变化带来的影响；在可操作性、可视性和鲁棒性上也要注意，友好而操作简单的界面、监控跟踪的仿真示意图和较强的容错能力都有助于各级用户的使用；最后是必须具备实时性，只有最短的反应时间才能对生产过程进行控制和调整。

 

6．MES信息库设计

 

在现代流程企业中流动的信息具有强烈的动态特征且大量冗余信息与缺失信息、信息断裂并存的现象，无论是从现场采集来的生产数据还是从市场获得的定单信息都可能因不能真实体现而对企业造成不可估量的后果，为保证有价值的信息能对企业决策和运作有着正确的指导意义，在流程企业运作系统中要构建好多种信息库；并且不同的信息库具有不同的特点。

 

物料信息库：企业库存状况和需外部采购或内部调整的物料情况，部分信息与供应商共享；定单信息库：定单对产品的要求（钢种、质量、数量等）情况，部分信息与合同商共享；产品信息库：产品目录和与特定合同商联系的在制品状态，部分信息与分销商/用户共享；基础信息库：企业人员、设备状况，财会数据等企业运营的基础信息，在系统内部按照不同密级使用，还包括部分经常更新的政策、市场等外部信息；生产信息库：生产过程中人员、设备的实时变化情况等动态性要求较高的信息，以及基本不变的工艺路线等生产相关信息，外部不可见。

 

这些信息库都是关系型数据库，建立信息库将降低车间级计算机的数据负担，同时减少了因数据保存和操作故障而引发的一系列后果。物料、定单、产品信息库可供对应的外部人员进行查询等操作，便于结成与供应商密切的战略伙伴关系。而较稳定的基础信息库为人事、财务、设备方面的日常管理提供极大的方便。生产信息库则是动态性能要求最高的，每时每刻都有大量的流动数据注入其他信息库，因此对它的设计要求也最高。这些信息库常见功能有：报表、保存与备份、恢复与删除，以及口令与权限。

 

动态的生产信息库中，与数据采集模块相连的部分成为重中之重，实时监控生产过程中的数据采集点、主生产流程的设备运转情况的状态数据采集点，以确保采集的数据可靠而不冗余，充分而不断裂。

 

7．MES数据流图设计

   

长期以来，对于企业生产运营状况的改善总是围绕着计划层进行，而对于真正的增值环节—生产、调度、过程控制等环节仍旧采用经验方法来维持，即使是引进的世界先进水平的生产线，在数据的采集、监控方面与计划层脱节情况也比较突出，而且根据国内流程企业的实情，不少企业已经构建了ERP等计划系统，所以本文主要讨论国内流程企业很少实施却亟需构建的MES系统的数据流图设计（由于实际情况的限制，将划分在控制层中的功能模块也一并考虑进来）。

 

流程企业运作系统的外部实体为：供应商、合同商、系统维护和分销商/用户。

 

供应商：提供设备、物料、运输等物品或服务的部门，向系统提供相关物料（服务）信息。

合同商：生产定单的另一方，向系统提供相关定单信息。

系统维护：企业成员，负责更新、维护企业基础信息库。

分销商/用户：产品使用方，需要企业提供相关产品信息和信息服务。

 

至此，可得到流程企业运作系统BOS的数据流图，包括系统顶级DFD图、一级DFD总图和MES二级DFD图，图6主要描述了MES二级DFD图。

 

图6：流程企业2级DFD图（MES/PCS）

 

结语：

MES对于制造企业的作用已经非常明朗，但人们对MES的认识远远不如ERP、CRM、SCM等管理系统。由于认识不清，自然就会导致需求不清楚，也就难以形成一定的市场规模。目前美国的MES发展是已25%速度发展，而国内基本是局部MES功能的发展，具体是一些简单的数据采集，物流管理等，其实这些也属于MES功能的范畴。但随着人们对MES认识的逐步加深，MES在企业中的应用必将会逐步深入。

 

参考文献

 

1.         王文鹏. 现代流程企业的制造执行系统．北京：中国计算机用户，2003.

2.         公共网站．MES发展历程，2002．

3.         余莹．MES，制造业信息化“断层”．北京：中国计算机用户，2003．

4.         曹江辉，王宁生．制造执行系统现状与发展趋势．上海：AMT，2002．

5.         饶运清，李培根，李淑霞等．制造执行系统的现状与发展趋势．北京：机械科学与技术，2002．

 

 

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