智能制造下企業(yè)MES系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)路徑

文 | 北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所 劉慧 孫嘉玉

智能制造下企業(yè)MES系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)路徑

文 | 北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所 劉慧 孫嘉玉

智能制造作為《中國制造2025》的主攻方向，涉及到大量的技術(shù)要素、眾多應(yīng)用領(lǐng)域、牽扯價值鏈方方面面，在項(xiàng)目實(shí)施中也需要大量投入。而作為智能制造建設(shè)中的重要一環(huán)，MES系統(tǒng)的實(shí)施對于企業(yè)智能車間、智能工廠的整體搭建起到關(guān)鍵的作用。本文主要探討在“中國制造2025”、“智能制造”建設(shè)背景下，制造企業(yè)從MES系統(tǒng)的需求整合、選型、落地實(shí)施、集成應(yīng)用等層面的新思路。

2015年初，國務(wù)院提出了《中國制造2025》綱要，這成為實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個十年行動綱領(lǐng)，也被外界解讀為中國版的工業(yè)4.0計劃。按照規(guī)劃，《中國制造2025》是中國制造業(yè)強(qiáng)國路線三步走的第一步，目標(biāo)是到2020年進(jìn)入工業(yè)3.0時代，到2025年進(jìn)入全球制造業(yè)第二方陣。而智能制造作為《中國制造2025》的主攻方向，涉及到大量的技術(shù)要素、眾多應(yīng)用領(lǐng)域、牽扯價值鏈方方面面，在項(xiàng)目實(shí)施中也需要大量投入。作為智能制造建設(shè)中的重要一環(huán)，MES系統(tǒng)的實(shí)施對于企業(yè)智能車間、智能工廠的整體搭建起到關(guān)鍵的作用。

傳統(tǒng)MES系統(tǒng)的定義與應(yīng)用

MES系統(tǒng)即制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，簡稱MES）是美國AMR公司(Advanced Manufacturing Research，Inc．)在90年代初提出的，旨在加強(qiáng)MRP計劃的執(zhí)行功能，把MRP計劃同車間作業(yè)現(xiàn)場控制，通過執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)系起來。這里的現(xiàn)場控制包括PLC程控器、數(shù)據(jù)采集器、條形碼、各種計量及檢測儀器、機(jī)械手等。MES系統(tǒng)設(shè)置了必要的接口，與提供生產(chǎn)現(xiàn)場控制設(shè)施的廠商建立合作關(guān)系。現(xiàn)代MES系統(tǒng)是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心/設(shè)備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實(shí)、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。

智能制造的概念及體系架構(gòu)

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一種由智能設(shè)備和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能設(shè)備的合作共事，去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新，擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化。

智能制造系統(tǒng)把硬件、軟件、云利用網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地整合到一起，形成了系統(tǒng)的系統(tǒng)，或者說是大型復(fù)雜系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建時實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的深度融合，軟件驅(qū)動運(yùn)作硬件制造執(zhí)行，硬件執(zhí)行結(jié)果反饋到軟件，形成閉環(huán)系統(tǒng)，并可不斷擴(kuò)展。硬件系統(tǒng)首先是以提升制造能力為目標(biāo)的硬件系統(tǒng)構(gòu)建，尤其強(qiáng)調(diào)制造的各種精度、加工尺寸、加工噸位、加工速度等加工性能制造的設(shè)備購置、改進(jìn)，然后是機(jī)器人、數(shù)控設(shè)備、生產(chǎn)線的智能化購置、改造，再是針對現(xiàn)有的硬件設(shè)備方面的各種感知、控制、網(wǎng)絡(luò)集成相關(guān)升級改造，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)問題的快速解決、預(yù)防性維護(hù)，減少計劃檢修，提升設(shè)備的利用率和設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)值。軟件系統(tǒng)則以MES為核心，上連ERP系統(tǒng)、CRM系統(tǒng)，下連DCS、FCS、PLC等系統(tǒng)，同時實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)訂單系統(tǒng)有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計劃制定、生產(chǎn)信息傳遞、生產(chǎn)過程控制、可視化展現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)級的分析、計算、優(yōu)化，指導(dǎo)優(yōu)化整體生產(chǎn)系統(tǒng)。另外構(gòu)建工業(yè)云大數(shù)據(jù)平臺，以企業(yè)集團(tuán)、地區(qū)、行業(yè)、生態(tài)等模式為主體，實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的匯集、清洗、整合、分析、挖掘，從而提供各種生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)的閥值、模型、案例等知識，支撐所有相關(guān)單位的生產(chǎn)工作，并提供樣板，促進(jìn)問題的高效解決，促進(jìn)產(chǎn)品與服務(wù)的創(chuàng)新。

具體而言，智能制造涵蓋了產(chǎn)品智能化、裝備智能化、車間智能化、工廠智能化和供應(yīng)鏈智能化五個發(fā)展方向。產(chǎn)品智能化包括實(shí)現(xiàn)自主決策、自適應(yīng)工況、人機(jī)交換和產(chǎn)品的個性化的定制與服務(wù)；裝備的智能化，是將專家的知識和經(jīng)驗(yàn)融入感知、決策和執(zhí)行的環(huán)節(jié)，賦予產(chǎn)品制造在線學(xué)習(xí)和知識進(jìn)化能力，比如在很多機(jī)械裝備中實(shí)現(xiàn)動態(tài)信息的制造；車間智能化，表現(xiàn)為一個車間該生產(chǎn)什么，質(zhì)量如何管控，設(shè)備狀態(tài)如何，物料能否及時配送，是否有生產(chǎn)防錯系統(tǒng)，作業(yè)指導(dǎo)，什么時候進(jìn)行生產(chǎn)統(tǒng)計，產(chǎn)品能否及時發(fā)運(yùn)等等都可以實(shí)現(xiàn)全局的生產(chǎn)管控；工廠的智能化，包括實(shí)現(xiàn)智能的加工中心和生產(chǎn)線、智能化生產(chǎn)的管控、智能化的倉儲和物流，以及智能化生產(chǎn)的管控；當(dāng)然還要實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)現(xiàn)場的智能控制，例如很多企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用了自動化的倉庫，AGV無人引導(dǎo)的小車等。實(shí)現(xiàn)工廠智能化的過程需要重視人機(jī)互動。

智能制造體系框架下MES系統(tǒng)的應(yīng)用

工業(yè)軟件存在于智能制造的每一個角落，包括ERP、PLM(PDM)、MES等，MES 作為制造業(yè)企業(yè)信息化的重要組成部分，是貫穿各個環(huán)節(jié)(生產(chǎn)、工程技術(shù)和生產(chǎn)制造)的交集，是智能制造的靈魂，在智能制造體系搭建過程中有著舉足輕重的地位和作用。

智能制造體系框架下MES的選型不再是單純地解決車間作業(yè)層面的需求與該是：

1） 建立了覆蓋底層設(shè)備、過程控制、車間執(zhí)行、管理控制等無縫一體化的信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從生產(chǎn)計劃的下達(dá)、排產(chǎn)、生產(chǎn)加工、完工反饋等過程的無人化或少人化。如： 應(yīng)用了適用于自動化生產(chǎn)的設(shè)備，包括數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動尋址裝置、存儲裝置、柔性自動裝夾具、檢具、交換裝置及更換裝置、接口等；

2）應(yīng)用了聯(lián)線技術(shù)，可以根據(jù)工藝設(shè)計，將各種設(shè)備聯(lián)線，形成一個自動化生產(chǎn)的有機(jī)整體，包括FCS、FMS、FML、FA等，實(shí)現(xiàn)了與設(shè)備、與MES系統(tǒng)的實(shí)時通訊與控制；

3）應(yīng)用了自動化控制和管理技術(shù)，包括分布式數(shù)字控制技術(shù)、生產(chǎn)規(guī)則和動態(tài)調(diào)度控制技術(shù)、生產(chǎn)系統(tǒng)仿真技術(shù)等；

所以未來MES系統(tǒng)的選型，除了要具備現(xiàn)在MES選型考量的要素：包括MES廠商的能力、MES軟件對行業(yè)企業(yè)的適應(yīng)性、人機(jī)界面的友好性、性價比等傳統(tǒng)因素外，更加應(yīng)該把MES系統(tǒng)的縱向集成能力與可擴(kuò)展性放在重中之重的決策位置。

從應(yīng)用實(shí)施的角度，相較之前更應(yīng)該注重從管理的角度來推進(jìn)MES軟件的落地，并且在實(shí)施過程中要做好需求控制，對流程可以先固化再優(yōu)化。

而決策目標(biāo)的確立以及后續(xù)應(yīng)用效果的考核追蹤尤其需要明確和細(xì)化：

1）促進(jìn)企業(yè)信息化管理改革。設(shè)備管理系統(tǒng)實(shí)施將為企業(yè)進(jìn)行信息化管理改革、提升企業(yè)競爭力提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障，同時直接帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和管理效率的提升；

2）計劃調(diào)度科學(xué)化。實(shí)現(xiàn)設(shè)備計劃的平衡、資源平衡、時間平衡，提高資源利用率，最大限度消除計劃管理瓶頸；

3）保障設(shè)備順利使用。實(shí)現(xiàn)設(shè)備集中計劃管理，引入設(shè)備維修保養(yǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施維修保養(yǎng)計劃管理。從而保證設(shè)備質(zhì)量，降低設(shè)備故障率和事故率，避免人為原因造成的損失；

4）節(jié)能降耗。通過管理軟件系統(tǒng)的實(shí)施，合理降低維修保養(yǎng)成本、能耗和其它各種損耗，從而降低整體運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益；

5）提供管理決策支持。管理者可隨時隨地掌握設(shè)備使用狀況，將一系列客觀的數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)匯總分析，有利于領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行企業(yè)經(jīng)營決策。

智能制造的未來

在工業(yè)4.0時代的推動下，智能制造業(yè)必將又一次煥發(fā)出新的生命力，主要體現(xiàn)在智能工廠設(shè)備將實(shí)現(xiàn)高度的自動化，生產(chǎn)系統(tǒng)具備靈活、能實(shí)時應(yīng)對各種事件的功能，保證生產(chǎn)過程的徹底優(yōu)化。同時，這種生產(chǎn)優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在特定的生產(chǎn)條件下，而且可在Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)橫向的最優(yōu)化。而制造業(yè)邁向智能化的過程中，就密切需要運(yùn)用MES把碎片化、零散化的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，通過數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，打通企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、客戶管理、供應(yīng)鏈管理、效率管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)底層控制層、中層執(zhí)行層、上層計劃層的整體優(yōu)化，最終使制造業(yè)企業(yè)資產(chǎn)使用效率更高、產(chǎn)品生產(chǎn)成本更低、市場風(fēng)險可控，提高制造業(yè)整體競爭能力。

總結(jié)

本文通過研究智能制造建設(shè)背景下，MES系統(tǒng)所應(yīng)該具備的功能和延展性、制造業(yè)企業(yè)MES選型所應(yīng)該考量的諸多要素，為企業(yè)的智能制造之路提供了可供參考和借鑒的思路。而隨著智能制造建設(shè)的深入推進(jìn)，現(xiàn)有的工業(yè)結(jié)構(gòu)將得到改進(jìn)和躍升，真正實(shí)現(xiàn)從制造大國向制造強(qiáng)國的蛻變。