MES技术及其应用 2概论ppt课件.ppt

,MES技术及应用概论,饶运清,Manufacturing Execution System,华中科技大学机械学院,概论提纲,一、 MES 是什么？定义,二、 为什么需要 MES ？背景,三、 MES 能够做什么？功能,四、 MES 的发展与应用情况效益,一、 MES 是什么？,MES是“Manufacturing Execution System”的英文缩写，中文翻译为“制造执行系统”、“生产实施系统”、“工艺执行系统”等。简单地讲，MES是面向制造车间的生产管理技术与实时信息系统。MES主要解决车间生产任务的执行问题。它填补了企业上层生产计划与车间底层工业控制之间的信息“断层”。,制造企业生产计划及运作体系,经营目标,综合生产计划（生产大纲）,主生产计划（MPS）,物料需求计划（MRP）,自制件投入出产计划,外购件需求计划,能力需求计划,粗能力需求计划,企业战略层,战术管理层,操作执行层,预测,现有资源,车间生产作业计划,作业统计与控制,采购订单,供货单位信息反馈,库存状态文件,产品结构文件,企业生产计划与控制,分解战术层生产计划,平衡能力与负荷,协调资源与任务,生产任务静态排序,生产任务动态调度,资源实时动态分派,执行设备,系统状态实时数据采集,数据分析,与计划状态存在偏差,PAC决策支持,作业计划层,生产调度层,生产活动控制层,存在严重偏差,反馈至战术层,否,是,企业通过MRP/MRPII/ERP等计划管理系统确定各车间的零部件投入出产计划，将全厂性的生产计划变成各车间的生产任务。各车间要完成既定的生产任务，还必须进行车间生产作业计划与控制。作业计划与控制的内容：根据下达的车间任务，生成车间作业计划并输出派工文件作为生产依据；通过对生产记录分析，实现对各工作单元和设备任务进展情况的跟踪与监控，确保作业计划按时完成。为实施作业计划与控制，必须同时对车间设备、物料、人员、信息、数据等资源及过程进行有效管理。,企业生产运作三层论,一般地，将企业的生产运作管理流程抽象为三个层次，即计划层、执行层和控制层：计划层按照客户订单、库存和市场预测情况，安排生产和组织物料。执行层根据计划层下达的生产计划、物料和控制层的工作情况，制定车间作业计划，安排控制层的加工任务，对作业计划和任务执行情况进行汇总和上报；当生产计划变更、物料短缺、设备发生故障、出现加工质量等问题时，执行层对作业计划进行及时调整，保证生产过程正常进行。控制层，又称设备层，通过控制指令驱动设备完成产品的加工或装配。,MES概念的提出,为了填补计划层与控制层之间的信息断层，上世纪80年代中期，美国先进制造研究机构(AMR)首此提出MES的概念，明确指出： MES是位于上层计划管理系统与底层工业控制之间、面向车间层的管理信息系统。它为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态信息。,MES将企业上层的生产计划系统与车间底层的设备控制系统联系起来，填补了两者之间的鸿沟，打通了工厂的信息通道。,MES 的主要作用,填补了上层生产计划与底层工业控制之间的鸿沟,MES体系结构示意图,MES发展大事记,20世纪80年代末，美国先进制造研究机构(AMR)首先提出MES的概念1992年，美国成立以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会MES国际联合会（MESA International）1997年，MESA发布修订后的6个关于MES的白皮书，对MES的定义、功能与应用等问题进行了详尽的阐述1999年，美国国家标准与技术研究所（NIST）在MESA白皮书的基础上，发布有关MES模型的报告，将MES有关概念规范化2000年，美国国家标准协会（ANSI）致力于MES标准化工作（ANSI/ISA-95）2004年，MESA 提出了协同MES体系结构(c-MES)。MESA 改名为“制造企业解决方案协会” (Manufacturing Enterprise Solution Association),MES定义,MES汇集了车间中用以管理和优化从定单下达到生产完成全过程中的所有活动的硬件或软件组件，它控制和利用准确的制造信息，对车间生产活动中的实时事件做出快速响应，同时向企业决策支持过程提供相关生产活动的重要信息。,A Manufacturing Execution System is a collection of hardware/software components that enables the management and optimization of production activities from order launch to finish goods. While maintaining current and accurate data, an MES guides, initiates, responds to and reports on plant activities as they occur. An MES provides mission-critical information about production activities to decision support processes across the enterprise.,MES国际联合会,- MESA International,MES定义解读,MES定义中包含了以下四个基本观点：（1）软硬一体：MES是一个集成的计算机化的系统(包括硬件和软件)，它是用来完成车间生产任务的各种方法和手段的集合。 （Michael McClellan）,（2）全局性：MES对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理，而不是单一的解决某个生产瓶颈。,（3）及时性：MES实时收集生产过程中数据和信息，并做出相应的分析和快速响应。当车间发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。 MES对这种状态变化的迅速响应使得车间生产过程得以优化执行。,（4）信息中枢：MES通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关生产行为的KPI信息。 因此，MES需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业乃至整个供应链的信息集成。,二、 MES 产生的背景,车间层生产管理系统本身发展的需要填补计划层与控制层之间信息断层的需要其它先进制造及管理模式发展的需要相关技术的发展为MES提供了技术支撑,MES 产生的背景,在MES概念出现之前, 车间生产管理依赖若干独立的单一功能软件，如车间作业计划系统、工序调度、工时管理、设备管理、库存控制、质量管理、数据采集与监控等软件来完成。这些软件之间缺乏有效的集成与数据共享，难以达到车间生产过程的总体优化。为了提高车间生产过程管理的自动化与智能化水平，必须基于统一信息平台对车间生产过程进行集成化管理，实现信息集成与共享，从而达到车间生产过程整体全局优化的目标。,（1）车间生产管理系统本身发展的需要,MES 产生的背景,虽然ERP和现场自动化系统已经发展到了非常成熟的程度，但是由于ERP系统的服务对象是企业管理的上层，一般对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持。而现场自动化系统的功能主要在于现场设备和工艺参数的监控，它可以向管理人员提供现场检测和统计数据，但是本身并非真正意义上的管理系统。所以，ERP系统和现场自动化系统之间出现了管理信息方面的“断层”，对于用户车间层面的调度和管理要求，它们往往显得束手无策或功能薄弱。作为连接两者的桥梁，MES应运而生。,（2）填补计划层与控制层之间信息断层的需要,MES 产生的背景,计算机集成制造系统（CIMS）：对车间层制造过程及管理自动化以及与其它分系统集成的需求； JIT/精益生产：对生产现场实施“零库存”控制的需求；网络化制造：对车间生产过程及数据管理信息化、集成化、网络化的需求；敏捷制造：对车间生产过程集成化、智能化、柔性化的需求。,（3） 其它先进制造与管理模式发展的需要,MES 产生的背景,计算机网络、数据库及计算机软件技术的发展：Internet /Intranet/LAN/Field Bus/MAP，大型分布式数据库，分布式对象计算、软总线及组件技术等；自动控制与传感检测技术：PLC/DCS/SCADA， 智能仪表，数字传感器，网络数控技术等；计算机辅助生产管理技术的普及与发展：生产计划与控制，设备管理，工具管理，质量管理与控制，过程管理及工作流技术等。,（4） 相关技术的发展为MES提供了技术支撑,MES在我国受到青睐的背景,制造业是我国国民经济重要的支柱产业，在第二产业中占据中心地位“以信息化带动工业化，加快信息化进程，走新型工业化道路，实现全社会生产力的跨越式发展”是我国的既定国策。纵观我国制造业信息化系统应用的历史和现状，建设的重点普遍放在C3P、ERP管理系统和现场自动化系统(SFC)三个方面，在车间生产管理上大多处于粗放式管理模式。企业计划层与过程控制层之间出现信息断层问题，严重制约我国制造企业的信息化建设。,我国制造业信息化现状,相对设计与管理,围绕车间层信息化的研究比较匮乏,三、 MES 的功能与作用,Controls,车间设备控制,SCM,供应链管理,MRPII/ERP,企业资源规划,SSM,服务销售管理,MES,制造执行系统,P/PE,产品及工艺设计,MES定位及功能模型,MES功能概述,MES功能详解,资源分配与状态(Resource Allocation and Status)：管理各种资源（包括设备、工具、材料和其它辅助设备，以及派工单、领料单、工序卡等相关作业指令和文件等确保设备正常开工所必需的实体），跟踪资源状态并维护一个详细的历史记录，提供资源的实时状态信息。 它保证设备能够适时地安装调整以及其它资源（如文档）能够及时获取。资源管理包括对资源的保存与分派以支持操作/详细调度功能，满足操作调度目标。,（2）可以生产什么？,2. 操作/详细调度(Operations/Detail Scheduling)：基于优先级、属性、特性以及制造方法与工艺等进行作业排序，使得设备的调整或准备时间最少。根据不同的加工路径以及加工路径的重叠与并行情况，通过计算出它们加工时间或设备负荷获得较优的加工顺序或路径。生成工序计划（即详细计划）以满足用户定义的运行目标。,（3）什么时间可以生产什么？,3.分派生产单位(Dispatch Production Units)：根据生产计划和详细排程，管理作业、订单、批次、工作指令等形式的生产单位的流程。以适当的顺序分派信息，使其在正确的时间到达正确的地点。针对生产过程中出现的突发问题及时修改作业指令，调整加工顺序。它具有变更预定排程/生产计划的能力，通过重新安排生产和补救措施，改变已下达的计划，并具有通过缓冲管理来控制在制品数量的能力。,（1）如何生产？,4. 文档管理(Document Control)：控制、管理、交付与生产单位相关联的信息包，包括工作指令、制造方法、图纸、标准操作规程、零件加工程序、批次记录、工程更改通知以及交班信息等。它支持编辑预定信息和维护文档历史版本。还包括对环境、健康、安全等方面法规以及ISO标准信息的管理。,（1）如何生产？,5. 数据采集/获取(Data Collection / Acquisition)：获取和更新用于产品跟踪、维护生产历史记录以及其它生产管理功能的生产信息（如对象、批次、数量、时间、质量、过程参数、设备启停时间、能源消耗等）。它可使用扫描仪、输入终端、与制造控制者的软件界面以及其它软件等方式相结合，以手工或自动方式在车间采集最新的数据来实现上述功能。这些数据可能存在于生产单位相关的文档/记录中、来源于底层DCS或PLC装置中，或采用其它方式获得，它们是性能分析的数据源。,（4）何时已生产什么？,6. 劳工管理(Labor Management)：提供最新的人员状态信息，包括时间和出勤记录、资质跟踪以及追踪其间接活动的能力（如领料、备料、准备时间等），作为成本分析和绩效考核的依据 。它与资源分配进行交互以确定最优的人员分派。,（2）可以生产什么？,7. 质量管理(Quality Management)：从生产过程实时采集质量数据，对质量数据进行分析、跟踪、管理和发布。运用数理统计方法对质量数据进行相关分析，监控产品的质量，同时鉴别出潜在的质量问题。分析造成质量异常的操作、相关现象与原因，提出纠正或校正的措施，或提出质量改进意见和计划。也可以包括SPC/SQC跟踪、离线检测操作以及在实验室信息管理系统(LIMS)中分析。,（4）何时已生产什么？,（1）如何生产？,8. 过程管理(Process management)：监视生产过程，自动纠偏或为操作者提供决策支持以纠正和改善在制活动（这种活动既可以是工序内，也可以是工序间）。它可包括报警管理。可能通过数据采集/获取提供智能设备与MES的接口。NIST认为过程管理活动已在分派与质量管理中描述；MESA将其单列，是因为该活动可能由一个单独的系统来执行。,（1）如何生产？（3）何时可以生产什么？（4）何时已生产什么？,9. 维护管理(Maintenance Management )：跟踪和指导设备及工具的维护活动以保证这些资源在制造进程中的可获性，保证周期性或预防性维护调度，以及对应急问题的反应（报警），并维护事件或问题的历史信息以支持故障诊断。对生产过程中的设备(含刀具、夹具、量具、辅具)进行管理，记录设备的基本信息(加工范围、精度、对象、持续工作时间等)、设备当前状态(设备负荷、可用性)、设备维修计划、设备故障和维修情况等。,（2）可以生产什么？,10.产品跟踪和谱系(Product Tracking and Genealogy)：提供所有时期工作及其处置的可视性。其状态信息可包括：谁在进行该工作；供应者提供的零件、物料、批量、序列号；任何警告、返工或与产品相关的其它例外信息。其在线跟踪功能也创建一个历史记录，该记录给予零件和每个末端产品使用的可跟踪性。在制品(WIP)跟踪；产品/生产的历史数据存储和管理。,（4）何时已生产什么？,11.性能分析(Performance Analysis)：提供实际制造操作活动的最新报告，以及与历史记录和预期经营结果的比较。运行性能结果包括对诸如资源利用率、资源可获取性、产品单位周期、与排程表的一致性、与标准的一致性等指标的度量。,（4）何时已生产什么？,12.*物料管理(Material Management)：管理物料（原料、零件、工具）及消耗品的运动、缓冲与储存。这些运动可能直接支持过程操作或其它功能，如设备维护或安装调整。该功能为NIST所追加，它认为上述物料管理活动与资源分配和跟踪功能的关系并不明确。,MES功能分类,核心功能：与生产过程管理直接相关，提供生产管理最基本功能。相互关联，集成而不可分割。主要涉及制造资源和工作订单管理。辅助功能：生产过程管理的外围或支持活动。扩展MES涵义的广度。,核心功能（7）,计划系统接口 (Planning System Interface)工作订单管理 (Work Order Management)工作站管理 (Workstation Management)物资库存跟踪和管理 (Inventory Tracking and Management)物资流动管理 (Material Movement Management)数据收集 (Data Collection)例外管理 (Exception Management),“调度”是贯穿于整个MES核心功能的主线,辅助功能（8）,维护管理(Maintenance Management)员工考勤管理(Time and Attendance)统计过程控制(Statistical Process Control)质量管理(Quality Management)过程数据/性能分析(Process Data / Performance Analysis)文档/产品数据管理(Document / Product Data Management)谱系/产品可跟踪性(Genealogy / Product Traceability)供应商管理(Supplier Management),工作订单管理,工作订单：指明工作订单号、待加工物料的零件号、数量、要求的完工期、优先级制定方法等。功能：可管理订单变更，建立和维护进度表，维护具有优先级的排序计划等。它亦可对工作订单指派或取消物资库存。维护当前积压的工作订单的实时景观和每个订单的状态。管理举例：变更时间表(Schedule)、数量，修改路线图订单分解/合并重新排序或制定优先级等,工作站管理,负责实现工作订单计划和工作站逻辑配置。对每个运作的工作站进行规划、调度和加载。维护当前可用的工作站资源描述及其安排的作业情况。功能：分派工序到工作单元和工作站优化工作订单（排序）为每一道工序和每一个工作站建立当前的工厂负荷情况为车间设备提取和下载程序维护工作站和操作的当前可用性,物资库存跟踪和管理,物资库存：车间生产所需要的一切资源，包括刀具、夹具、原材料、在制品、图纸、特定员工技艺以及BOM上所列的其他物品。功能：管理、指导和控制所有的原材料和在制品库存（针对工作站上的订单排序表）针对生产计划定位和提取所需的支撑物资与信息，如技术图纸、工装夹具等维护和提供对每一项物品详细信息的访问（如ID号、位置、数量、收货日期、供应商、采购订单号等）,物资流动管理,迄今为止，MES已经建立了工作订单排序、完成相应作业的工作站，以及所需的物资库存。下一步则是把特定的物资移动到指定的工作站（物资流动管理）。功能：决定“何时”移动“何物”至“何处”，并发出相应的指令。例如：发布搬运指令到叉车司机给外部供货商发布送货信息请求AS/RS系统发送指定物料托盘建议输送器PLC发送物料到工作站建议AGV将某工作站上的托盘交付到另一台工作站,数据收集,数据收集功能是MES的“眼睛”和“耳朵”，使系统保持实时性。既可以是简单的数据采集（如条码扫描），也可以是复杂的数据仓库（具有数据处理与分析能力）。数据采集来源：条码扫描仪声音编码信息无线频率发送器可编程控制器考勤系统质量保证系统机器和过程监控其他计算机系统手动数据输入,例外管理,负责对影响生产计划的非预期事件进行响应和处理，如机器故障、物料没有及时到达、客户订单变更等。功能：对制造资源缺失能够进行生产再调度或采用可变更的工艺路线监控质量保证信息并对机器和工艺进行调整以符合规范最低限度，系统能够通知异常管理并允许响应的输入,关于调度(Scheduling),生产调度作为贯穿于整个MES核心功能的主线，它可能分布驻留于MES各功能模块，也可以作为MES网络上的一个独立的在线节点为MES各核心功能提供调度信息例如：工作订单调度单个工作站内部的作业调度对订单所需的物资进行调度和指派对物流进行调度作为例外管理的一部分进行在线调度修改,关于数据库,MES的数据库可以是集中式，也可以式分布式；可以驻留于MES层，也可以驻留于计划层；既可以位于本地，也可以位于远程；还可以集成在PDM系统中。典型数据包括：工艺路线时间标准过程数据工具数据质量控制测试信息安装调整时间产品配方物料清单,？,MES 的主要作用,填补了上层生产计划与底层工业控制之间的鸿沟,上层生产计划层,底层设备控制层,生产什么,控制指令,计划,控制,计划/执行/控制三层之间的信息流,MRPII/ERP时间因子：100X,MES时间因子：10X,控制层时间因子：1X,人员,设备,要生产什么？,生产方法指令,生产了什么,操作结果,操作状态,生产了什么？是如何生产的？,生产方法及人员指令,生产结果及人员反馈,设备操纵控制,输入/输出传感器值,MRPII/ERP与MES之间的信息流,MRPII/ERP预测成本生产计划产品定义工艺定义人力资源采购分销,MES资源分配/状态操作调度生产分派文档控制数据采集在制品状态/跟踪质量管理性能分析过程管理产品跟踪及谱系维护管理,产品需求BOM/图纸/零件程序生产方法/资源工艺规程人员特性库存状态生产指令,订单状态/完成情况资源状态/利用情况人员状况/利用情况物料状况/利用情况实际的BOM/图纸/方法实际的加工路线/工艺产品谱系，废品/次品,MES与控制层之间的信息流,CONTROL监视与传感过程，设备，环境人员，物料控制机器控制调整控制实时质量控制高级过程控制操作过程排序机器与过程指令人员指令人机接口安全，维护,MES资源分配/状态操作调度生产分派文档控制数据采集在制品状态/跟踪质量管理性能分析过程管理产品跟踪及谱系维护管理,过程指令：方法/工作指令/零件程序操作员指令：预定/预防性维护物料安全指令（文档）机器操作指令（文档）,过程状态（工序进展）批次结束报告特别查询（设备运行参数）物料分析（使用状况）事件: 时间/日期/批/警报数据采集,四、 MES 的发展与应用情况,财务系统,MRP,P/S,MES,MRPII,预测,DRP,I-MES,ERP,新一代解决方案 同步化 模块化 面向对象 行业集中 具有伸缩性 基于战略,SCM,MES 技术在国际上的发展历程,专用MES（Point MES）,集成化MES（Integrated MES）,可集成的I-MES（Integratable MES）,智能化第二代MES（MESII）,下一代MES,MES 在国际上的应用情况,MES在发达国家已实现产业化，其应用覆盖离散与流程制造行业和领域:半导体、电子、机械、航空、汽车、医疗、食品、酿酒、石油、化工、冶金等，并给企业带来了巨大的经济效益。据权威咨询公司AMR最新完成的一项市场调查显示：2004年, 全球MES市场营收为10.6亿美元, 与2001年相比，增长超过50%。MES的标准化进程(ISA-SP95)与ERP的成熟是MES市场增长的两大驱动力。 MES的出现和普及，对国外生产管理界也产生了深远的影响。在国外很多行业应用中MES已和ERP相提并论。MES是目前世界工业自动化领域的重点研究内容之一。,MES 在中国的发展与应用情况,十五期间，MES被纳入国家科技规划。在科技部863计划的大力支持下，流程工业领域MES成为技术研究的突破口。重点面向钢铁和石化两个典型流程制造行业，开发完成了若干自主产权的MES系统，如上海宝信MES、中国石化MES (S-MES V1.0)等。目前，MES已在钢铁、石化等行业得到成功应用，MES应用效益得到用户认可，并且推进了企业信息化的深度，MES成为企业信息化的主体。根据中国电子信息产业发展研究院的一份报告，到2003年底，共有110套MES应用于国内的钢铁企业。十五期间还对离散制造MES进行了探索性研究，并针对汽车、航空等典型离散行业进行了重点应用开发，已取得初步成效（如西飞MES等）。目前国内市场已出现一些针对离散制造业的MES产品（如天为MES），但为数不多。总体来说，与西方发达国家相比，我国无论是在MES技术深度与应用广度上都存在较大差距。,MES 给企业带来的利益,MESA分别在1993年和1996年以问卷方式对若干典型企业进行了两次有关MES应用情况的调查这些典型企业覆盖如下七大行业：医疗产品，塑料与化合物，金属制造，电气/电子，汽车，玻璃纤维，通讯这些企业中，75%为离散制造企业，16%为批量/流程制造企业，9%为混合型企业，它们平均应用MES的时间为2.3年以下数据是这两次调查的结果,可量化的直接经济利益,*资料来源：,难以量化的间接经济利益,满足客户要求的高质量响应；提高制造系统对变化的响应能力以及客户服务水平；均衡企业资源的利用率，优化产能，提高运作效率；大大缩短企业投资回报周期；通过员工授权，大大提高企业员工的工作能力与效率；提高企业敏捷性，增强企业核心竞争力。某金属制造企业的观点颇具代表性：“MES的实时数据不仅给工厂日复一日的运作带来了显著的优势，更重要的是改善了对客户的服务”。,MES对企业发展的长远影响,MES在易于量化地降低运作成本以外，进一步提供长期投资回报和市场收益。AMR研究报告，2003年7月30日,“MES提供的可视性带来的最大好处在于它能够推动持续的过程改进和供应链管理策略。对于ERP所关注的成本和时间， MES平台提供了生产绩效方面的准确和快速的信息。这能帮助制造商意识到并且抓住来自企业内部和外部市场的机会。通过在内部供应链上提供生产的可视性，在保持成本不变的情况下，制造商可以通过增加产量和提高产品混合度来获得更多的利润。网络效应可以在销售走低的情况下仍然保持利润率，这是在目前不确定的经济情况下制造商的普遍主题。”,谢 谢 大 家 ！,MES技术及其应用,