第四讲-制造执行系统

第四讲制造执行系统

主讲人：长安大学工程机械学院蔡宗琰教授

联系电话：（029）82338269，（029）85251906，

E-mail:

1.制造执行系统的内涵

制造执行系统（Manufacturing Execution System）是由美国先进制造研究机构（Advanced Manufacturing Research Inc, AMR）于20世纪90年代初提出的，旨在加强制造资源计划（Manufacturing Resources Planning, MRPII）的执行功能，解决上层生产计划管理和底层生产过程之间脱节的矛盾，实现企业信息流的连续性。制造执行系统的应用实践表明，制造执行系统不仅能够提高计划的实时性和灵活性，而且能够改善车间的生产绩效。因此制造执行系统的理念获得制造业界和软件业界的广泛接受。正是在这种背景下，国际制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association, MESA International）于1992年应运而生，并迅速得到国际著名软件供应商和制造业界的积极响应。国际制造执行系统协会的成立，标志着制造执行系统软件产业正式形成。

对制造执行系统，目前还没有一个公认的定义。MESA International和AMR 分别给出制造执行系统的定义，但目前比较受工业界和学术界认同的是MESA的定义。即制造执行系统能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，制造执行系统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。这种对状态变化的迅速响应使制造执行系统能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。制造执行系统还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产品行为的关键任务信息。MESA International还总结出制造执行系统的功能，它包括工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集等11个功能模块。而且在制造执行系统的发展过程中，还出现了大量的只具备制造执行系统的部分功能的软件产品，如批量管理（Batch Management）、数据采集（Data Collection\Auto ID\Barcode）、电子批量管理（Electronic Batch Management）、电子文档管理（Electronic Document Management）、电子工作指令（Electronic Work Instructions）、有限能力调度（Finite Scheduling）、集成的制造执行系统（Integrated MES）、实验室信息系统（Laboratory Information Systems）、维护与资产管理（Maintenance or Asset Management）、生产过程仿真（Process Simulation）、质量控制管理（SPC\QC\Quality Management）、在制品跟踪（WIP Tracking）等。这些软件产品是制造执行系统软件产品譜的重要组成部分。

分析MESA International所提出的制造执行系统的定义、功能以及制造执行系统软件产品譜，可以看出制造执行系统的根本任务是车间的生产管理控制，而对车间底层控制的支持则是其特色。制造执行系统处于AMR的三层企业集成模型的中间层（执行层），一方面它对来自计划管理层的生产管理信息细化分解并做出决策，将操作指令传递给车间底层控制；另一方面它实时监控车间底层设备和仪表的运行状态，采集设备和仪表的状态数据，经过分析与决策后采取适当的

措施，并及时将生产状况反馈给计划管理层。这不仅方便可靠地将管理控制系统与信息系统联系在一起，而且实现了计划管理层与车间底层控制之间的无缝联接。从这种意义上讲，制造执行系统是介于计划管理层和车间底层控制之间的面向制造过程的集成化车间生产管理控制系统，它实际上是一种计算机辅助车间生产管理控制系统。

2. 制造执行系统的发展状况

制造执行系统的成功实践和信息技术的发展，促进制造执行系统的研究和应用不断发展。制造执行系统的研究和应用发展大致经历了传统的制造执行系统、可集成的制造执行系统和分布式的智能制造执行系统等三个阶段。各阶段的典型应用系统和研究单位如表1所示。

于制造执行系统本身固有的复杂性，制造执行系统这一研究领域仍然存在许多问题，突出表现在以下四个方面：

※制造执行系统本质上是一个计算机辅助车间生产管理控制系统，因此，车间调度是制造执行系统的核心功能。但由于离散型制造的车间调度问题是一个NP Complete 或NP hard 问题，在建立车间调度问题的数学模型时常常需要做出一些假设以便于问题的求解。这不仅使车间调度存在理论研究和实际应用之间的脱节；而且对同一个车间调度问题，由于所做的假设不同，所得到的数学模型就不同，导致同一个车间调度问题对不同的人是不同的研究对象。这种状况使车间调度的理论研究成果非常丰富，但这些研究成果很少获得实际应用并产生经济效益。车间调度问题的这种被动局面已经严重影响了制造执行系统的使用效果。而且，目前计划管理层软件功能的向下延伸和车间底层控制软件功能的向上扩展，使得这两类软件都可以具备制造执行系统的部分功能。所有这一切都是对制造执行系统的严峻挑战。

※传统的制造执行系统通用性差，缺乏可扩展和互操作能力，难于随业务过程变化而进行相应的功能配置。这使得传统的制造执行系统软件可重用水平低，软件开发周期长。

※可集成的制造执行系统本质上是模块化应用构件环境（Module Application Component Environment, MACE）下的信息控制，必须具备客户化、可扩展和互操作等分布计算能力。但由于目前CORBA和COM/DCOM等分布计算技术本身存在的缺陷，使得可集成的制造执行系统的实际应用很难达到预期效果。

※分布式的智能制造执行系统的理论基础是多智能体系统（Multi-agent System, MAS）理论。多智能体系统理论已被应用于制造规划、资源优化和制造控制等领域，并取得了一些研究成果[30]；而且被认为是未来制造系统中实现降低生产费用、生产分散化控制、自适应和处理复杂过程的关键技术。但分析这些已有的成果可以发现，其中有的研究成果离实际应用还有较大的差距，有的研究成果更是Agent包打天下，变成解决一切问题的灵丹妙药，这显然是不切实际的。因此，将用多智能体系统理论求解制造问题所取得的成果在制造业推广应用还需付出艰苦的探索。同理，分布式的智能制造执行系统的研究目前仍停留在理论探讨上。

由以上分析可知，制造业的应用需求导致制造执行系统的出现，并驱动制造执行系统研究和应用的发展。但制造执行系统的研究和应用成果滞后于制造业的需求。这对制造执行系统既是挑战也是机遇。作者认为，当前加大可集成制造执行系统、分布式智能制造执行系统和车间调度问题的研究力度，使其研究成果尽快应用于制造实践，是很有必要的。同时，在制造企业信息集成系统的框架下，研究支持企业全面信息集成的制造执行系统和提高软件开发柔性的可重构制造执行系统，对推动制造执行系统理论研究和实际应用具有重要意义。

3. 制造执行系统的功能模块

根据面向制造企业信息集成系统的制造执行系统的功能模型和制造执行系统的数据流程图，可设计制造执行系统由生产管理分系统、物料管理分系统、在制品管理分系统、DNC管理分系统、设备管理分系统、质量管理分系统、人力资源管理分系统、成本管理分系统、生产数据分析分系统、基础数据管理分系统和系统管理分系统等11个分系统组成，如图1。各分系统又分别由若干个功能模块组成，现阐述如下：