2019年MES技術(shù)及其應(yīng)用論文

1、MESi術(shù)及其應(yīng)用摘要：美國(guó)先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)AMR各MES定義為“位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層 工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)”。通過傳統(tǒng)的MES寸期和可集成的MES寸期兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。由于MES勺多樣性、復(fù)雜性、特殊性以及特定行業(yè) 的需要性，MES在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)較大的需求和商機(jī)。關(guān)鍵詞：MES人工智能；模型；應(yīng)用。從上個(gè)世紀(jì)80年代中期到現(xiàn)在的20年來，世界各個(gè)國(guó)家紛紛推出了國(guó)家級(jí) 的先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，包括中國(guó)的 863/CIMS主題計(jì)劃。在這些計(jì)劃中，計(jì) 算機(jī)集成制造（CIM理念正是其重要組成部分，而管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的集成 又是其中特別而又關(guān)鍵的部分。從 80年代末90年代

2、初，美國(guó)在總結(jié)MR巴實(shí) 施成功率較低的教訓(xùn)并吸收日本準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)系統(tǒng)（JIT ）經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出既 重視計(jì)劃又重視執(zhí)行的管理新思想，此時(shí)將計(jì)劃與制造過程統(tǒng)一起來、將管理系 統(tǒng)和控制系統(tǒng)統(tǒng)一起來的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡(jiǎn) 稱MES應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)于一個(gè)企業(yè)來說，完整的、能夠引導(dǎo)其保持長(zhǎng)期的業(yè)務(wù)利益和價(jià)值的企業(yè) 信息系統(tǒng)，必須是控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)MESffi企業(yè)規(guī)劃系統(tǒng)ERPt理信息系統(tǒng)三 者協(xié)同作用的整合。目前，由于管理信息系統(tǒng)往往僅僅注重于企業(yè)的銷售、采購(gòu)、 庫(kù)存、財(cái)務(wù)等部分，缺乏生產(chǎn)管理、調(diào)度功能，導(dǎo)致與自動(dòng)化控制系統(tǒng)成為各自 獨(dú)立的系統(tǒng)，成

3、為各自為政的“信息化孤島”。作為CIMS的中心環(huán)節(jié)，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES在整個(gè)CIMS中起到承上啟下的作用，是生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息的 橋梁，是CIMS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。1、MES勺定義美國(guó)先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu) AMR（Advaneed Manufacturing Research ）將 MES 定義為“位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)”，MES為操作人員、管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、 設(shè)備、物料、客戶需求等方面）的當(dāng)前狀態(tài)信息。AMR悵1990年提出MES既念后，1992年又緊接著提出MESE層模型，如圖1所示。II 一廠 I1-.rn控制層圖1

4、AMR的企業(yè)三層集成模型制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)（Manufacturing Execution System Association ，MESA也給MES做出定義：“MES能通過信息傳遞，對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成整個(gè)的生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠里面有實(shí)時(shí)事件發(fā)生時(shí)，MES能對(duì)此及時(shí)做出反應(yīng)、 報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理?！睆纳鲜龈拍钪?，可以看出在管理信息系統(tǒng)、 ME©及底層系統(tǒng)之間的信息流 通情況，如圖2所示。面 左互的館息京展監(jiān)也析対兒處源瑾 劃求権分計(jì)定單ftw鞫fll計(jì)莆勢(shì)頂木產(chǎn)育訂力存采労應(yīng)件財(cái)城生過#人庫(kù) 供圧產(chǎn)品住產(chǎn)需浪B0即圖嘅/工茗文鵡證業(yè)塵產(chǎn)St顏專存秋

5、態(tài)人力狀態(tài)加二it劃和配件需求章jjr事* 豐!常*B羸*梟中審 普盯單完成掰況咬昨期狀臺(tái)物料消魅悄配實(shí)際鞫料摘單(聞冊(cè)妙憾期生嚴(yán)計(jì)劃過槿宦理 維護(hù)腎理風(fēng)皆理丈檔恃理申產(chǎn)品眼蹤/產(chǎn)品常衆(zhòng)燈理工序詳細(xì)謂度生產(chǎn)單元井配性豔甘橋數(shù)弟采農(nóng)煩期生產(chǎn)計(jì)翻 生產(chǎn)捋令單 零件滴球 牛產(chǎn)井析擢占 (iite，ft t 備、叭、A 如枸料零) 勒料対巔倍息 生產(chǎn)tt化遠(yuǎn)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集工序般常設(shè)需監(jiān)悴人力監(jiān)控$樹料勝檢 工序特序骨理 瀆備警理工序指令管理人扒搖口管理妥全堰護(hù)庠進(jìn)屣倍息圖2 MRP/MES控制系統(tǒng)三者信息交互基于MES勺功能和在各個(gè)層次之間傳遞的信息來看，ME列以為企業(yè)及時(shí)提 供生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息、優(yōu)化生產(chǎn)

6、、提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源配置的作用。2、發(fā)展歷程MES概念雖然到上世紀(jì)90年初才出現(xiàn)，但在70年代末的時(shí)候，西方發(fā)達(dá)國(guó) 家部分企業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)具有 MES功能系統(tǒng)的端倪。在開發(fā)ME町面，要首數(shù)西門子 公司。Mannesmann岡管廠和鋼板廠是西門子最早的客戶之一，1975年Mannesmann委托西門子開發(fā)具有MES勺功能的管材管理系統(tǒng)，其他功能由西門子逐步完善。 在國(guó)內(nèi)，應(yīng)用最早的要數(shù)上海寶山鋼鐵公司。1992年，西門子取得的寶山冷軋帶鋼廠和1994年的寶山熱軋帶鋼廠 MES丁單，這是中國(guó)最早的 MESS統(tǒng)。MES的發(fā)展大概可以分為兩個(gè)時(shí)期和三個(gè)階段：(1) 上世紀(jì)70年代末上世紀(jì)90年代末，傳

7、統(tǒng)的 MES( Traditional MES ， T-MES時(shí)期。該時(shí)期的MES大體上可以分為兩大類，即前兩個(gè)階段：專用MESg統(tǒng)(Point MES和集成MESg統(tǒng)(Integrated MES )。前者是為了解決某個(gè)特定領(lǐng)域的問 題而設(shè)計(jì)和開發(fā)的自成一體的系統(tǒng)， 例如某個(gè)企業(yè)的車間維護(hù)、生產(chǎn)監(jiān)控等；而 后者起初是針對(duì)一個(gè)特定的、規(guī)范化的環(huán)境而設(shè)計(jì)的，目前已拓展到許多領(lǐng)域， 如航空、裝配、半導(dǎo)體、食品和衛(wèi)生等行業(yè)，在功能上它已實(shí)現(xiàn)了與上層事務(wù)處 理和下層實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的集成。前者能夠?yàn)槟骋惶囟ōh(huán)境提供最好的性能，卻常 常難以與其它應(yīng)用系統(tǒng)集成。集成的 MES比專用MESS進(jìn)了一大步，具有很多

8、 優(yōu)點(diǎn)：如單一的邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)內(nèi)部具有良好的集成性、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型等等。(2) 本世紀(jì)初，可集成的 MES(Integratable MES ，I-MES)時(shí)期。該時(shí)期的MES能將模塊化應(yīng)用組件技術(shù)應(yīng)用到 MES的系統(tǒng)開發(fā)中，是兩類 T-MES系統(tǒng)的結(jié)合。從表現(xiàn)形式上看，具有專用的 MES系統(tǒng)的特點(diǎn)，即I-MES中 的部分功能作為可重用組件單獨(dú)銷售； 同時(shí)，又具有集成的MES的特點(diǎn)，即能實(shí) 現(xiàn)上下兩層之間的集成。此外，I-MES還能實(shí)現(xiàn)客戶化、可重構(gòu)、可擴(kuò)展和互操 作等特性，能方便地實(shí)現(xiàn)不同廠商之間的集成和遺產(chǎn)系統(tǒng)的保護(hù)，以及即插即用等功能。3、MES模型MES定位模型MES乍為面向制造的系

9、統(tǒng)必然要與企業(yè)其他生產(chǎn)管理系統(tǒng)有密切關(guān)系，MES在其中起到了信息集線器(In formatio n Hub )的作用，它相當(dāng)于一個(gè)通訊工具 為其他應(yīng)用系統(tǒng)提供生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 其定位模型如圖3所示。從圖3中可 看出，MES與其他分系統(tǒng)之間有功能重疊的關(guān)系。例如，MES CRM ERP中都有人力資源管理，MESffi PDM兩者都具有文檔控制功能，MES和SCM中也同樣有調(diào) 度管理等等。各系統(tǒng)重疊范圍的大小與工廠的實(shí)際執(zhí)行情況有關(guān)，但每個(gè)系統(tǒng)的 價(jià)值又是唯一的。供應(yīng)鏈管理 3_ERP*企業(yè)資潮規(guī)劃4. T&TJ運(yùn)輸與后勤5. MES：制it掛疔黑統(tǒng) ILCMU協(xié)同制造裔務(wù) 7.PDM

10、：產(chǎn)品數(shù)1K管理 X-紅”.皿叮；*圖3 MES定位模型MES功能模型國(guó)際MES協(xié)會(huì)(MESA給出MES的 11個(gè)主要的功能模塊，其一般功能模型 如圖4所示。但實(shí)際應(yīng)用中的產(chǎn)品可能是只包含其中一個(gè)或幾個(gè)功能模塊。配和狀CIC/Pltf 協(xié)再制進(jìn)商務(wù) 產(chǎn)亂胡辦替珅 K ._/ZZ/ kutoeatiop圖4 MES般功能模型4、MES技術(shù)特點(diǎn)目前在流程工業(yè)MES中，使用有十幾種主要技術(shù)，大致如下：生產(chǎn)過程數(shù)據(jù) 挖掘與知識(shí)獲取技術(shù)、復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的智能建模技術(shù)、高級(jí)控制技術(shù)、生產(chǎn)過程 成本控制技術(shù)、生產(chǎn)過程計(jì)劃調(diào)度的流程模擬技術(shù)、物流仿真以及控制與管理技 術(shù)、基于知識(shí)的生產(chǎn)過程支持技術(shù)、 異常生產(chǎn)過

11、程運(yùn)行智能體技術(shù)、 基于工藝目 標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的在線智能優(yōu)化技術(shù)、重大設(shè)備在線故障診斷/預(yù)報(bào)/維護(hù)支持技術(shù)、統(tǒng)計(jì)過程/質(zhì)量控制技術(shù)、基于事例的推理技術(shù)、智能實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)、演化 計(jì)算技術(shù)。事實(shí)上上述技術(shù)不僅僅是MES所特有。在管理決策系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn) 行系統(tǒng)集成的時(shí)候，MES的引入，能夠?qū)⑸鲜黾夹g(shù)更加有機(jī)的系統(tǒng)的進(jìn)行綜合運(yùn) 用。由于MES在上層系統(tǒng)和底層系統(tǒng)之間起著承上啟下的橋梁作用，所以在技術(shù)上也更傾向于怎么樣來實(shí)現(xiàn)該作用。目前有兩種基本技術(shù)模型。當(dāng)前的MES技術(shù)模型一直以來，通過MES各各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)集成的方法基本上是通過 API來 實(shí)現(xiàn)，API 即應(yīng)用程序接口( Applicatio

12、n Programmi ng In terface)，是一些用C語(yǔ)言編寫的由操作系統(tǒng)自身調(diào)用的函數(shù)，用來控制Widows的各個(gè)部件的外觀和行為。ME卿通過API來實(shí)現(xiàn)信息在各個(gè)層次和各個(gè)系統(tǒng)之間的傳輸和交互。API :亞崗理存桂口OUP匚在線事物處饉供應(yīng)注普理系址現(xiàn)有系焼LesecySvsttoU自越J 購(gòu)七壬頤才）鵲、y-yL.（電予救據(jù)交據(jù)）n-wr電子敕據(jù)交換）jj 一斗屈敬器轉(zhuǎn)換接口（1P-.OOKC：）應(yīng)用杲統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)圖5當(dāng)前ME戰(zhàn)術(shù)模型展望中的MES技術(shù)模型人工智能概念引入MES中，極大的促進(jìn)了該類系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)。在展望中的MES勺技術(shù)模型中，弓I入人工智能中的 Age nt來代替當(dāng)

13、前模型的API，是對(duì)系統(tǒng)集成的一個(gè)極大的進(jìn)步。Age nt原意是代理人，人工智能中Age nt是一個(gè)能夠根據(jù)它對(duì)其環(huán)境的感知從而控制其自身的決策和行為的程序。在MES技術(shù)模型中使用Age nt代替API，意味著使用一種智能程序來代替過去和現(xiàn)在使用的簡(jiǎn)單函 數(shù)來集成系統(tǒng)。這意味著系統(tǒng)之間的集成更系統(tǒng)、更能有機(jī)的融合、系統(tǒng)對(duì)外部 的響應(yīng)更加智能化。分銷商刼甬系魏叢犧伍4第時(shí)"應(yīng)用系撓KES對(duì)隼模率C0R3A. WK0H)防火第|卻平劇產(chǎn)品節(jié)播管理阪尋應(yīng)塞遇雖_"SR -| $(ift |圖6展望中的MES技術(shù)模型uor §兩種MES技術(shù)模型的分析不管是目前使用的MES

14、術(shù)模型中API技術(shù)，還是展望中MES術(shù)模型中Agent 技術(shù)，將上層系統(tǒng)和下層系統(tǒng)集成的時(shí)候，前提都是上層系統(tǒng)和下層系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)甚至代碼對(duì)集成商來說透明的。 只有這樣， 才能很好的將異構(gòu)系統(tǒng)、 異構(gòu)數(shù) 據(jù)庫(kù)、異構(gòu)層次集成起來。 但是，目前企業(yè)普遍的問題是存在的各個(gè)系統(tǒng)是由不 同軟件商開發(fā)， 甚至一段時(shí)間后有的軟件公司甚至已經(jīng)不再存在， 更不用說找到 目前各個(gè)孤立的異構(gòu)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文檔、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)代碼了。 因此，集成的 時(shí)候首先遇到的問題就是系統(tǒng)異構(gòu)的問題。系統(tǒng)的異構(gòu)性可以分為以下幾種：（1）目標(biāo)與語(yǔ)義異構(gòu)：各個(gè)子系統(tǒng)被用于不同的任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)不同的職能或者同 一個(gè)符號(hào)賦予不同的語(yǔ)義；（2）體系

15、結(jié)構(gòu)異構(gòu)：如數(shù)據(jù)庫(kù)類型有：關(guān)系型、層次型如專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有：框 架、黑板等等；（3）系統(tǒng)類型異構(gòu)：經(jīng)典控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、專家系統(tǒng)；（4）編程語(yǔ)言異構(gòu)：采用不同的編程語(yǔ)言；（5）操作系統(tǒng)異構(gòu)：基于不同的操作系統(tǒng)。為解決系統(tǒng)的異構(gòu)性，通常采用的集成方法有以下兩種：（1）在一個(gè)通用的環(huán)境中重新開發(fā)現(xiàn)有的系統(tǒng)，使得他們能夠共享相同的表達(dá) 方式、推理機(jī)制以及知識(shí)的語(yǔ)義。 通常是利用現(xiàn)行的部門或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)， 如 CIMS系統(tǒng)集成中采用的STEP標(biāo)準(zhǔn)。（2）構(gòu)造一個(gè)框架，使得現(xiàn)有的系統(tǒng)能夠以盡可能少的修改來合成為一體、從 而實(shí)現(xiàn)彼此的通訊和合作。 通過增加一個(gè)同構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)， 將各個(gè)系統(tǒng)之間的交 互在這個(gè)

16、層次上進(jìn)行， 這樣一方面可以利用以前的信息資源、 另一方面又可以以 較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的交互。這兩種方法各有所長(zhǎng)、適用面各不相同，對(duì)于現(xiàn)在企業(yè)中采用MES各多層系 統(tǒng)集成時(shí)候， 現(xiàn)實(shí)中更傾向于采用第二種方法， 其優(yōu)勢(shì)在于能夠充分利用現(xiàn)有的 系統(tǒng)，以較低的代價(jià)解決系統(tǒng)集成問題。5、ME阪用現(xiàn)狀由于MES適用于流程類型、離散類型各種制造企業(yè)，在通訊、機(jī)械精密加工、 電子（計(jì)算機(jī)）、化工、電力、醫(yī)藥等制造領(lǐng)域有廣泛的運(yùn)用，尤其在半導(dǎo)體行 業(yè)、光電子（光電器件）、手機(jī)制造、汽車制造、PCB等行業(yè)，MES已成為不可缺 少的生產(chǎn)、品質(zhì)控制的保障手段，所以，MESS國(guó)內(nèi)國(guó)際日益得到廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)

17、應(yīng)用情況MESS應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)明顯落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。總的說來，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)MES 還沒有做好充分的準(zhǔn)備。 中國(guó)一大部分制造企業(yè)還過度依賴人力進(jìn)行生產(chǎn)， 因此 收集完整可靠的， 經(jīng)過過濾和分析的信息非常困難。 而且， 制造企業(yè)的信息系統(tǒng)ERP都是由許多獨(dú)立，多品牌的子系統(tǒng)組成，包括由基于事務(wù)處理的子系統(tǒng)(如 系統(tǒng))和許多基于實(shí)時(shí)操作的工廠子系統(tǒng)，集成的難度非常高。MES是制造過程管理與控制的系統(tǒng)，由于制造過程及過程控制對(duì)象的復(fù)雜性 和專有性，使得MES系統(tǒng)形態(tài)有比較大的差異，應(yīng)用模式也可能完全不同，這些 原因客觀上造成了 ME護(hù)品與服務(wù)市場(chǎng)的多樣性。但是，正是由于MES勺多樣性、 復(fù)雜性、特殊性

18、以及特定行業(yè)的需要性， MES在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)較大的需求和 商機(jī)。由于MES系統(tǒng)能給企業(yè)和社會(huì)帶來非常大的效益，從2002年開始，國(guó)家863-CIMS高新科技研發(fā)計(jì)劃中已將 MES系統(tǒng)作為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，并出臺(tái)了具體 扶持辦法， 從戰(zhàn)略的高度上給予了相當(dāng)?shù)闹匾暎?已促進(jìn)工業(yè)化帶動(dòng)信息化、 信息 化存進(jìn)工業(yè)化的發(fā)展戰(zhàn)略，將信息流、物流、資金流最佳集成。國(guó)際應(yīng)用情況由于歐美國(guó)家在MES方面起步比較早，已經(jīng)給相關(guān)企業(yè)帶來了巨額利潤(rùn)。 從 80年代后期至1994年，T-MES市場(chǎng)銷售以23%勺比例遞增，達(dá)到13億美元，集 成的MES：匕專用的MES年增幅大10個(gè)百分點(diǎn)；1995年的時(shí)候MES市場(chǎng)迅速放大， 比上一年增長(zhǎng)50%傳統(tǒng)型的MES的市場(chǎng)占有率達(dá)到10億美元，出現(xiàn)集成型的 MES增幅不如專用MES增幅的情形；到1999年的時(shí)候MES已經(jīng)達(dá)到35億美元 的市場(chǎng)份額。21世紀(jì)初將出現(xiàn)市場(chǎng)年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)達(dá)到 35%- 40%本世紀(jì)以來，AMR組織提出了 MES要重點(diǎn)面向車間生產(chǎn)問題，并相繼出現(xiàn)了 一些列的開發(fā)公司和產(chǎn)品。 如美國(guó) Consilium 公