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精益生产执行系统(MES)的现状与发展

     21世纪的制造企业面临着日益激烈的国际竞争,要想赢得市场、赢得客户就必须全面提高企业的竞争力。许多企业通过实施MRPⅡ/ERP来加强管理。然而上层生产计划管理受市场影响越来越大,明显感到计划跟不上变化。面对客户对交货期的苛刻要求,面对更多产品的改型,订单的不断调整,企业决策者认识到计划的制订要依赖于市场和实际的作业执行状态,而不能完全以物料和库存来控制生产。同时MRPⅡ/ERP软件主要是针对资源计划,这些系统通常能处理昨天以前发生的事情(作历史分析),亦可预计并处理明天将要发生的事件,但对今天正在发生的事件却往往留下了不规范的缺口。而传统生产现场管理只是人工加表单的作业方式,这已无法满足今天复杂多变的竞争需要。因此如何找出任何影响产品品质和成本的问题,提高计划的实时性和灵活性,同时又能改善生产线的运行效率已成为每个制造企业所关心的问题。
精益生产执行系统(MES)恰好能填补这一空白。国际精益生产执行系统协会对MES的定义是“MES能通过信息的传递,对从订单下达开始到产品完成的整个产品生产过程进行优化的管理,对工厂发生的实时事件及时作出相应的反应和报告,并用当前准确的数据进行相应的指导和处理。”。美国先进制造研究中心AMR于1992年提出了三层的企业集成模型,将企业分为三个层次:计划层(MRPⅡ/ERP)、执行层(MES)和控制层(Control)。计划层强调企业的计划,它以客户定单和市场需求为计划源,充分利用企业内部的各种资源,降低库存,提高企业效益;执行层强调计划的执行,通过MES把MRPⅡ/ERP与企业的现场控制有机地集成起来;控制层强调设备的控制如PLC、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手等的控制。MES是处于计划层和控制层间的执行层,主要负责生产管理和调度执行。它通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造竞争力,提供了一种系统的在统一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的方式。由于MES强调控制和协调,使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统,而且有能使计划落实到实处的执行系统。因此短短几年间MES在国外的企业中迅速推广开来,并给企业带来了巨大的经济效益。企业认识到只有将数据信息从产品级(基础自动化级)取出,穿过操作控制级送达管理级,通过连续信息流来实现企业信息全集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。
1 MES的产生及发展
1.1 MES的产生背景
      自20世纪80年代以后,伴随着消费者对产品的需求愈加多样化,制造业的生产方式开始由大批量的刚性生产转向多品种少批量的柔性生产;以计算机网络和大型数据库等IT技术和先进的通讯技术的发展为依托,企业的信息系统也开始从局部的、事后处理方式转向全局指向的、实时处理方式。在制造管理领域出现了JIT、LP、TOC等新的理念和方法并依此将基于定单的生产扶正、进行更科学的预测和制定更翔实可行的计划;在企业级层面上,管理系统软件领域MRPⅡ以及OPT系统迅速普及,直到今天各类企业ERP系统如火如荼的进行;在过程控制领域PLC、DCS得到大量应用也是取得高效的车间级流程管理的主要因素。可以说企业信息化的各个领域都有了长足的发展,但在工厂及企业范围信息集成的实践过程中,仍产生了下列问题:一方面在计划过程中无法准确及时地把握生产实际状况,另一方面在生产过程中无法得到切实可行的作业计划做指导;工厂管理人员和操作人员难以在生产过程中跟踪产品的状态数据、不能有效地控制产品库存,而用户在交货之前无法了解定单的执行状况。产生这些问题的主要原因仍然在于生产管理业务系统与生产过程控制系统的相互分离,计划系统和过程控制系统之间的界限模糊、缺乏紧密的联系。针对这种状况,1990年11月美国先进制造研究中心AMR首次提出MES的概念,为解决企业信息集成问题提供了一个被广为接受的思想。
1.2 MES的发展
      从20世纪70年代后半期开始,出现了解决个别问题的单一功能的MES系统,如设备状态监控系统、质量管理系统、包括生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统。当时,ERP层(称为MRP)和DCS层的工作也是分别进行的,因此产生了两个问题:一个是横向系统之间的信息孤岛,二是MRP、MRPⅡ和DCS两层之间形成缺损环或链接。
20世纪80年代中期,为了解决这两个课题,生产现场的信息系统开始发展,生产进度跟踪信息系统、质量信息系统、绩效信息系统、设备信息系统及其整合已形成共识。与此同时,原来的底层过程控制系统和上层的生产计划系统也得到发展。这时,产生了MES原型、即传统的MES(Traditional MES,T-MES)。主要是POP(生产现场管理,Point of Production)和SFC(车间级控制系统,Shop Floor Control)。
到90年代,MES发展为I-MES(集成MES)和MES-Ⅱ。这时MES则作为整个工厂生产现场的集成系统出现,故又称为Integrated MES(E-MES)。主要功能为工厂管理(资源管理、调度管理、维护管理)、工厂工艺设计(文档管理、标准管理、过程优化)、过程管理(回路监督控制、数据采集)和质量管理(SQC-统计质量管理、LIMS-实验室信息管理系统)。MES在90年代初期的重点是生产现场信息的整合。对离散工业和流程工业来说,MES有许多差异。就离散MES而言,由于其多品种、小批量、混合生产模式,如果只是依靠人工提高效率是有限的。而MES则担当了整合、支持现场工人的技能和智慧,充分发挥制造资源效率的功能。90年代中期,提出了MES标准化和功能组件化、模块化的思路。这时,许多MES软件实现了组件化,也方便了集成和整合,这样用户根据需要就可以灵活快速地构建自己的MES。因此,MES不只是工厂的单一信息系统,而是横向之间、纵向之间、系统之间集成的系统,即所谓经营系统,对于SCP、ERP、CRM、数据仓库等近年被关注的各种企业信息系统来说,只要包含工厂这个对象就离不了MES。
近10年来,新兴的业务类型不断涌现,对技术革新产生了巨大的推动力。正是基于这一点,使人们对B2B以及供应链给予了极大的关注。尽管B2B和供应链属于业务层的解决方案,但如果想要充分地实现它们,还需要得到MES的强有力的支持。其结果是MES不能仅仅做成业务和过程之间的接口层,还需要建立大量可以完成公司关键业务的功能。这些功能无法彼此独立,也不能通过数据交换层简单地连接,而是必须依据业务和生产策略彼此协同。
1.3 MES的作用
      制造企业关心三个问题:生产什么?生产多少?如何生产?企业的生产计划回答的是前两个问题,“如何生产”由生产现场的过程控制系统“掌握”。ERP、CRM等系统只为生产计划的编制提供了数据信息,对于“计划”如何下达到“生产”环节,生产过程中变化因素如何快速反映给“计划”,在计划与生产之间需要有一个“实时的信息通道”,MES(精益生产执行系统)就是计划与生产之间承上启下的“信息枢纽”。
企业信息化系统是一个信息相互贯通的集合体,作为制造业内部最重要最基本的活动一生产,它的相关信息尤其需要得到实时的处理和分析。具体的说,就是收集生产过程中大量的实时数据,并对实时事件及时处理,同时又与计划层和生产控制层保持双向通信能力,从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。
MES不同于以派工单形式为主的生产管理和辅助的物料流为特征的传统车间控制器,也不同于偏重于作业与设备调度为主的单元控制器,而应将MES作为一种生产模式,把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理、设备的控制和计算机集成制造接口等一体化去考虑,以最终实施制造自动化战略。
国际精益生产执行系统协会定义了MES应具备的11个功能模块:资源分配和状态管理、操作/详细排产、分配生产单元、文件控制、数据收集、劳动力管理、质量管理、过程管理、维护管理、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集。
2 MES发展现状
 
2.1 传统的MES(T-MES)
     传统的MES可大致分为专用的MES系统(Point MES)和整合的MES系统(Integrated MES)两大类。专用的MES是指为解决某个特定领域问题,如车间维护、生产调度或SCADA而开发的单独应用系统。整合的MES则是针对一特定行业如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业而设计,具有一定的通用性。并且逐步加强了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成能力。由于工厂可能会从不同的软件供应商购买适合自己的MES模块,使得MES系统包括了很多子系统,这些子系统都有各自的处理逻辑,数据库,数据模型和通信机制。为了实现与外部系统的集成,往往采用API技术,OLAP技术和相应的通信机制。其中,外部应用系统的调用和插入使用API的方式,而应用EDI技术和外部环境进行数据交换。虽然专用的MES能够为某一特定环境提供最好的性能,却常常难以与其它应用集成,整合的MES比专用的MES迈进了一大步,具有一些优点,如单一的逻辑数据库,系统内部具有良好的集成性,统一的数据模型等。但其整个系统重构性能弱,很难随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。为解决传统EMS的不足,可集成MES(I-MES)逐渐成为人们研究的热点。
2.2 可集成的MES(I-MES)
      可集成MES通过将面向对象技术、消息机制和组件技术应用到系统开发中,充分结合两类T-MES的优点而发展起来的。通过采用高效的基础框架既大大增强了系统的集成性和适应性,又能满足关键事物的处理。NIIIP/SMART协会为整个MES应用领域提出的一个分布式对象和信息交换模型代表了发展中MES的技术模型(见图1)。
 

 

图1 MES的技术模型

      从模型中可看出,在面向对象的应用中,每个对象都使用自身具有的功能和方法来操作数据,分别完成系统的各种功能。而其它功能如:工作流管理,产品数据管理,知识管理等都从功能逻辑中分离出来。通过对象请求代理(ORB)(如CORBA,COM/DCOM)可使不同软件商的对象相互交换信息和进行互操。NIIIP/SMART所描述的MES技术模型非常适合未来MES的商业应用特征,一个分布式对象框架可以让各种数据和功能逻辑在使用时变得更加紧密。而且,通过使用小巧简练的对象,可使系统模型在不破坏相互关系的情况下方便地进行客户化定义。这些特征使实施的MES费用较低同时又具有良好的适应性和柔性。随着计算机技术的发展,越来越多的MES、ERP、控制系统、产品数据管理、供应链管理和客户关系管理都是以对象的方式来编写代码的。只要它们遵守统一的ORB,不管它们哪个开发商提供,都可以进行无缝地集成。现有的应用系统只要按正确的方法进行封装也同样能实现系统的即插即用。通过引入智能代理可以有效地实现分布式MES的协同工作,满足虚拟企业中MES应用的要求。从而实现敏捷制造模式对信息系统的要求,即系统的可重构,可重用和可扩展特性。
信息技术的发展和制造企业的竞争需求将带动MES应用技术的不断进步。从以上分析可将MES总的发展趋势归纳为以下几点:可集成性、可配置性、可适应性、可扩展性和可靠性。
3 结 论
      ①MES在整个企业信息集成系统中承上启下,是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。不实施MES管控一体化只是一句空话。对于面向制造加工业和过程工业的ERP,脱离MES将无法根据市场需求去组织、管理和优化生产;
      ②MES技术在过去十年来已显著地成熟。但MES的发展和应用是一个过程,而不是一个事件,MES的实施决不是可以一蹴而就的。要取得长期的成功,要求改造制造环境,获得有组织的支持,管理机制作适应性的改变。与此同时,MES软件在改善维护、改善与其它IT管理软件的接口等方面也有待于进一步发展和提高;
      ③要使企业信息技术网络的投资迅速取得回报,从MES入手是一种明智的选择。但MES的实施需要恰当的规划和细致的分析,可从旨在解决一两个当务之急的工厂生产瓶颈问题着手,逐步地扩大;
      ④以往MES通常是一个很大的整体软件系统,定制和维护的成本很高。随着计算机支撑技术的发展,开发更加模块化,更具柔性的MES系统成为可能,实施和维护MES的成本大大降低。

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