精益制造（MES）及其应用
主题内容
1 相关概念
2 企业为什么需要MES？
3 MES组成和结构
4 MES与制造平台优化
1相关概念
1 .1 供需链管理（1/3）--概念
按照APICS（美国库存管理协会）的定义，供应链（Supply Chain）是一种全球性的，伴随从原材料开始直到把产品和服务交付给客户全过程的，精心设计的信息流、物流和资金流的连接形式。它包括了企业连接客户、供应商、物流服务商、信息服务商、增值服务商的各种连接形式及其方法。
企业内、外部供需链。整个社会生产就是一个首尾相接，交叉错综的供需成长链，企业内部的物流、资金流和信息流等供需链与对应供方或需方的物流、资金流和信息流是息息相关或密不可分的。
需求导向的价值管理。“需求”是引发“供应”的动因。“供应”总是因为有“需求”才发生，没有“需求”就无须“供应”，同时，“供应”只有在为客户提供了价值才是增值的。因此，对供需链的有效管理就是对“需求导向”的价值管理。
目标统一的合作伙伴关系。供需链上的每个环节都同时具有“供”和“需”的双重含义。“供”、“需”双方既是利益对立的，又是目标统一的。供方应为需方提供“价值”，需方应视为供方合作“伙伴”。
供需l链管理目的。把握真实需求，快速组织供应、优化供需链、改革不适应观念。
1.1 供需链管理（2/3）--供需链示意图
1.1 供需链管理（3/3）--供需链的“五流”
需求信息从需方向供方流动，供应信息从供方向需方流动；物流从供方开始沿不同渠道向需方流动；资金流从需方开始流到供方，然后分流到企业内部的各个环节；物流在链上的流动是一个不断增值的过程，价值流随物流从供方流向需方；工作流整合了信息流、物流、资金流和价值流，在链上的每个环节上或过程中存在，工作流决定了其它四种流的流速（产率）和流量（产能）。 1 .2 企业资源规划（1/3）--概念
企业资源规划系统（ERP）：Enterprise Resource Planning，基于供需链管理思想，实现企业、客户、供应商集成，管理企业全部供需链的信息化管理系统。 目标:以工作流的整合为基础，实现企业资源（人、财、物、信息）的优化管理，也即，以工作流整合信息流，物流、资金流实现不断增值的价值流。 内涵:以充分、详实的历史数据为依据，结合当前或预测的数据，对工作流进行周密的计划，实现供需链上各个环节的“协同”或“同步”。
范围:管理企业内部的市场、计划、财务、销售、生产、采购、人事等各方面，也涉及企业外部的市场、客户、供应商和服务商等全部供需链。
理念:基于供需链管理，传播着先进管理思想，包括：精益生产（Lean
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Production)、敏捷制造（Agile Manufacturing)、约束理论（Theory of Constraint)、价值链（Value Chain)、准时制生产（Just in Time,JIT)、全面质量管理（Total Quality Management, TQM)等等。
1.2 企业资源规划(2/3) --管理范围
1.2 企业资源规划（3/3）--示例
1.3 制造执行系统（1/3）--概念
MES是美国制造研究和生产管理界于20世纪90年代提出的关于生产组织和管理的新概念。按MESA国际联合(MESA International)的定义，“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对进行相应的指导和处理”。
介于企业的“计划层”和制造“设备层”之间，对企业生产计划进行“再计划”，“指令”生产设备“协同”或“同步“动作，对产品生产过程进行及时的响应，使用当前确的数据对生产过程进行及时调整、更改或干预等处理。
采用双向直接的通讯，在整个企业的产品供需链中，即向生产过程人员传达企业的期望（计划），又向有关的部门提供产品制造过程状态的信息反馈。
既不同于类似于ERP的企业商业系统，与不同于企业的过程控制系统，使用MES的经验表明，它既能提高按时交货的能力，改善物料的流通性能，由能减少企业内部没有附加值的活动。
1.3 制造执行系统（2/3）--如何工作？
1.3 制造执行系统（3/3）信息集成环境
1.4 信息化管理（1/2）--概念和特征
信息共享。应用信息技术，在对供应链各个环节或过程信息进行收集和相应处理的基础上，实现信息共享或过程透明；
信息集成。在保证过程信息及时性、充分性和准确性的前提下，整合企业信息流、物流、资金流、工作流和价值流，实现全面企业信息集成的环境；
基于事实决策。在全面信息集成的环境中，以充分事实为依据优化管理决策，实现企业人、财、物资源的优化配置和管理；
过程增值。在流程和资源优化的基础上，实现企业过程的增值。
持续改进。在信息集成的环境中，不断积累数据，应用适宜分析方法，寻求改进的方向和改进方法。
1.4 信息化管理（2/2）--环境和方法
全面信息集成的环境。企业应在供应链的各个环节或过程中，广泛采用信息技术，建立及时、准确、充分和可靠的信息共享和集成的环境；
基于事实的决策方法。企业应在管理的各个环节上，采用先进管理思想，使用基于事实的决策方法，保证各项决策的正确性和科学性。
流程的优化和过程的增值。企业应采纳价值的观点，使用需求导向的方法，对供需链进行优化，剔除非增值的过程或作业，确保增值过程的有效的资源，保证满足客户的需求，向客户提供增值的价值。
持续改进的机制。企业应采用过程的方法，建立持续改进的机制，使用当前、历史和预测的数据，真实把握需求，积极寻求改进，确保客户需求的持续满足。
1.5 信息化系统（1/5）--概念和特征
基于电子信息技术应用，涉及信息收集、加工、处理和表现，提高信息的及时性、充分性、可靠性和准确性为内容；
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以企业供需链（商业流程、制造平台、过程控制）的流程优化，以提高信息共享和信息集成程度为宗旨；
以企业资源的合理配置和管理，企业战略目标实现，企业管理决策的科学性，提供充分的信息支持为目标；
以“把握真实需求，快速组织供应”，持续满足客户需求，为客户创造增值价值为长远战略。
1.5 信息化系统（2/5）--内容
整合以财务控制为核心，实现企业业务的协同和增值。内容：包括企业资源规划管理系统（ERP）、客户关系管理系统（CRM）、供应链管理系统（SCM)、高级计划系统（APS)、 在线联机分析系统（OLAP)、业务信息智能系统（BI)、电子商务（B2C/B2B)等等。
过程管理系统 用途：面向生产制造平台的管理和优化。以对过程业绩进行监视、统计、跟踪和分析等手段，实现过程的持续改进。内容：数据采集、效率评估、历史数据分析、物料跟踪、质量跟踪、设备管理、计划分解、设计管理、工艺分析、专家系统等业务子系统或功能组件
1.5 信息化系统（3/5）--范围
1.5 信息化系统（4/5）--组成
1.5 信息化系统（5/5）--层次
2 企业为什么要MES？
2.1 制造业难题
? 市场预测困难；
? 前置时间短，交货急迫；
? 交货期难于控制；
? 产品质量不稳定；
? 变化难于控制；
? 活动协调困难；
? 生产计划改变时应对不及时；
? 制造现场的生产进度不明；
? 制造现场的绩效衡量困难；
? 制造成本、管理成本不准确；
? 企业的业绩改进方向不明确；
? 管理决策缺乏充分的信息依据；
2.2 “库存管理”的例子
可用量=当前数量 + 在途数量 – 已分配数量 – 不可动数量
销售人员在承诺用户交货期或交付数量时，希望了解的是：“最快在什么时间、有多少数量、什么样的产品可以交付？；
生产管理人员在进行产品生产时，希望了解的是：“在什么时间、生产什么样的产品，所需种物料在什么时间、有多少数量可以交付？”；
财务管理人员在进行成本管理时，希望了解的是：“某个产品的实际成本在什么时间、与计划成本之间有无差异、差异有多少？”；
2.3 “生产管理”的例子
生产计划完成状况如何?,生产班组、生产车间日/月绩效如何?。包括：产量、质量、消耗、工艺操作水平如何？，发生了什么问题？问题的原因是什么?,等等；
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设备的运作效率如何?。包括：期间（班、日、月）效率如何？，工艺参数控制与目标值偏差如何？，目标值或额定值如何建立？，偏差的可能原因是那些？，关键或更多的原因是什么？，过程有什么样的趋势？，统计的结果是什么？，等等；
过程现状如何?，过程产能是否可以提高？，过程消耗能否降低？，过程质量是否可以提高？，改进方向或重点在那里？等等更深入的问题。
以上这些问题的解决，在现有的过程管理条件下，靠手工管理手段是难于奏效
的，真正是“心有余而力不足”，必须在对生产过程现场进行数据收集、加工、处理的基础上，在建立了过程管理系统或者MES的基础上才能实现。
2.4优化制造平台的需要
今天，虽然整个世界都在流行地推崇“.COM”的价值，但是， “制造业”仍然是这个世界物质财富的创造者。对制造业特别是流程性行业来说，产品的“生产制造平台”是企业的生命力之所在。这里是企业创造客户价值的地方。无论什么时候，生产制造平台都将是企业供需链的“核心”组成部分。这里有几个方面的观点。
从某种意义上说，企业有什么样的产品制造平台，直接决定了“能满足客户什么样的价值需求？”，“满足的程度如何？”。
产能的提高、成本的降低、品质的提高、消耗的降低等等问题，既与企业采用什么样生产的工艺和设备有关，同时，也采用了什么样过程的控制和管理方法密不可分。
过程效率的高低、流程的顺畅以否、既以企业采用什么样的生产组织和管理方法有关，也与企业是否采用了信息化的技术手段有关；
ERP能告诉企业“生产什么？，生产多少？什么时候生产？” 但是，ERP不能告诉企业“如何生产？，如何有效生产？”，不仅如此，只有在MES提供了详尽的生产状况反馈后，ERP才能有效地运作计划的职能。MES是企业生产制造平台的重要组成部分，它能帮助企业有效地组织、管理和优化产品的生产制造平台。
3 MES组成和结构
3.1 MES来历和定义(1/2)
20世纪90年代初期，美国先进制造研究机构--AMR（Advanced Manufacturing Research），通过对大量的企业进行调查和研究后发现，企业用于生产组织和管理的信息系统主要包括：
采用MRPII(manufacturing resource planning）)/ERP(enterprise resource planning)系统实现物料需求计划或资源计划的生产管理方式；
采用SCADA(Supervisor Control And Data Acquisition )、HMI（ Human Machine Interface ）实现过程监控生产管理方式；
采用MES(Manufacturing Execution System)联系过程自动化，并支持全面信息集成方式的生产管理方式；
3.1 MES来历和定义（1/2）
MES是美国制造研究和生产管理界于20世纪90年代提出的关于生产组织和管理的新概念。按MESA国际联合(MESA International)的定义，“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
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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对其进行相应的指导和处理”。
介于企业的“计划层”和制造设备之间，对企业生产计划进行“再计划”，“指令”生产设备“协同”或“同步“动作，对产品生产过程进行及时的响应，使用当前确的数据对生产过程进行及时调整、更改或干预等处理。
采用双向直接的通讯，在整个企业的产品供需链中，即向生产过程人员传达企业的期望（计划），又向有关的部门提供产品制造过程状态的信息反馈。
既不同于类似于ERP的企业商业系统，又不同于企业的过程控制系统，使用MES的经验表明，它既能提高按时交货的能力，改善物料的流通性能，由能减少企业内部没有附加值（无效）的活动。
3.2 ARM的三层模型（2/4）
从ARM所定义的三层模型图中可以看出，在企业集成环境中，MES和ERP系统是这样工作的，在制定计划时，ERP使用天、周、月和年的时标（这是一个100x时间系数），根据市场预测、客户订单及其相关的其它因素形成企业的主排程计划，其中，包括产品的生产计划和与之相关的原料采购计划等内容。ERP形成计划后，在适当的时候向执行层的MES系统发送具体的生产计划，即向MES发出“生产什么”的指示。
根据ERP制订的生产计划，MES根据已定义的产品配方或产品实现的细节形成生产指令，为控制层提供“如何生产”的指示。同时，将生产过程的结果信息反馈给ERP系统。此时，MES使用时标较短（一般为天、班、小时分钟或秒），并且，其时标与控制层的也不一致，时间系数为10x。
在此模式中，控制层是实时工作的，它的时标为1x，一般少于1秒，这意味着，控制层将对生产工艺进行实时的控制和调整，来实现物料、设备、人员和信息的“协同”，进而获得理想的产量和质量。
3.2 ARM的三层模型（3/4）
从以上定义可看出，MES强调企业在整个产品生产过程中的生产信息“共享”和生产行为的“协同”，并借此实现生产过程的优化。因此，
MES需要具备与计划层和控制层保持双向通信能力，从上层系统接受生产计划，经过分解处理后，向下层系统发出生产指令；
从下层系统接收生产过程现场的实时数据，对实时事件、实时数据进行及时的加工和处理，并向上层系统反馈生产计划的处理结果。
从本质上来讲，MES不同于以派工单形式为主的生产管理，不同于以辅助物料流为特征的传统的车间控制系统，也不同于偏重作业与设备调度为主的单元控制器。
MES更多地被认为是一种新型的生产运作和管理模式，是将制造系统中的生产计划、进度安排、物料流动、物料跟踪、过程控制、过程监视、质量管理、设备维护和信息管理等进行一体化集成，以最终实现制造自动化的制造平台优化策略。
3.2 ARM的三层模型（4/4）
3.3 MES组成和结构（1/4）
MES系统是多种生产过程控制和管理功能的软件集合，MESA（MES国际联合会）通过对其成员的大量实践进行了总结，归纳了十个主要的功能模块，其中包括，
a) 工序详细调度。以资源和能力有限为前提条件，通过相应的作业排序和
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作业调度来优化车间作业计划，提高生产过程的作业效率和作业性能。
b) 资源状态管理。提供作业者、机器、物料和工具如何协调运作的指导，跟踪资源当前的状态，并报告刚刚完工的作业情况。
c) 生产单元分配。通过生产指令的方式，将产品加工命令或原物料送达相应的加工单元，并指令开始一个工序或工步的操作。
d) 文档管理和标准控制。管理、分发与产品标准、工艺规程或工作指令有关的信息，同时，对活动的过程、结果和环境等进行符合规定要求的信息收集，并予以记录。
e) 产品跟踪和清单管理。经过监视工件在任意时刻的位置和状态来获取每个产品或组件所经历的加工工序、加工结果的数据记录，以此为据，向用户提供每个产品组件或最终产品的可追溯性记录。
f) 性能分析。将产品实际制造过程中测定的结果与过去的历史记录、企业的目标或客户的要求进行相关的比较，在线显示或者输出相应的报告，辅助管理者进行性能的改进和提高。
g) 作业人员管理。提供作业人员的状态和相关数据（工时，出勤等），基于人员资历，工作模式，业务需求等相关信息，辅助管理者对作业人员的安排进行指导。
h) 设备维护管理。通过对设备的状态监控，数据收集和维护指导等相关措施，保证机器设备和相关资产的正常运转，以实现企业的相关目标要求。
i) 质量和实验室管理。通过在线的质量检验和离线的实验室分析数据等质量信息记录，跟踪和分析产品在加工过程中各工序的质量状况，以保证产品质量在控制范围之内，并向相关人员提供质量改进的有关建议。
j) 过程数据采集。通过对过程进行相应的数据采集，收集来自人员，机器、设备、操作、工序，物料等方面的详实信息，形成过程当前的状况信息，以便其它相关系统和人员进一步使用。
3.3 MES组成和结构（3/4）
MES的组成及其与其它系统的关系如下图所示。
3.3 MES组成和结构（4/4）
MES功能模块管理或控制的范围如下图所示。
4 MES与制造平台优化
4.1 MES的功能作用（1/3）
MES是通过对企业生产组织和管理的实践进行总结后发展起来的应用系统，因此，从本质上讲，它并不是什么高深的理论，带有很强的可操作性。实践的经验证明，MES对企业生产制造平台的优化确有许多明显帮助和指导作用。主要表现在，
a) 由于MES对过程实时事件具有比ERP更高的响应能力，并具有对过程的实时状况向ERP报告的功能，使用其中的工序详细调度功能，通过相应的作业排序或作业调度程序来优化作业计划，MES能帮助ERP将企业的实际生产作业计划制定得更细致、定义得更精确，同时也更具有更高的可操作性，可以极大地提高生产过程的作业效率和作业性能。
b) 由于MES反映了作业人员、机器、设备、物料和工具等资源的使用状
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态的实时信息，并就刚刚完工的作业活动向ERP和有关人员报告。因此，使用其中的资源状态管理功能，MES除能及时提供更详实的资源可用量信息，以便于向ERP进行更可行的资源计划，同时，也使有关人员不仅可及时了解到作业效率，资源效率等实际状况，还可以对作业中隐藏的问题，运作效率改善等进行及时的处理和更正。
c) 通过生产单元分配功能的使用，MES能将生产产品的原物料连同作业指令一起送达相应的加工单元，以指令开始一个工序或工步的操作，极大地提高了生产流程的协同性，减少了“工作中心”的带料时间，提高了“工作中心”的利用效率。
d) 通过文档管理和标准控制功能的使用，MES能将产品的加工所需的产品数据、产品标准、工艺规程或相关信息连同作业指令一起送达相应的加工单元，并对活动的过程、结果和环境等进行符合规定要求的信息收集和记录。这不仅改善了流程的协同性，改善了产品标准、产品数据、工艺规程等控制的有效程度，也改善了产品生产过程中文档管理符合规定要求的程度。
e) 通过产品跟踪和清单管理功能的使用，MES能监视工件在任意时刻的位置和状态，收集和记录产品或组件加工工序、加工结果的数据，形成每个组件或产品可追溯性记录，以便在必要时，企业向客户证实产品的质量、追溯问题的根源或评估问题的严重程度等。
f)通过性能分析功能的使用， MES能将在产品制造过程中实际测定的结果与过去历史记录、企业的目标或客户的要求进行相关的比较，在线显示或者输出相应的报告，辅助管理者进行对产品性能、过程运作进行改进和提高。
g)通过作业人员管理功能的使用， MES能及时提供作业人员的状态和相关的信息（工时，出勤等），并基于人员资历，工作模式，业务需求等相关信息，辅助管理者对作业人员进行有效的安排。这不仅有助理与作业人员的有效安排，同时，这项功能的重大意义在于，在MES的平台上，实现了人员、物料、设备、信息和工具在生产作业计划中的“集成”，这充分保证和改善了生产作业流程的协同性。
h)通过设备维护管理功能的使用，通过对状态的监控和数据的收集，MES不仅能及时提出设备维护的指导性意见，同时，还能辅助有关人员对设备进行有效管理和维护的各项工作，保证企业机器设备和相关资产的正常运转或运作。
4.2 MES的综合效益
? MES的使用不仅可以在企业生产的某些局部对企业产生积极的影响，同
时，更重要的是，通过MES的使用可以改善企业以下方面的过程性能，并给企业带来效益。
? 业务的协同性。使传统的生产过程“黑箱”透明化，不仅提高了企业信
息集成的程度，也使 企业极大地改善了业务部门间的“协同性“；
? 计划的适应性。不仅使企业制定的生产计划具有了更明显的可操作性，
使计划得到更有效的执行，同时，在计划执行可以得到保证的条件下，企业可以进一步提高计划的精确性和适应性，以便有效地配置和利用有限资源；
? 产品成本的可降低性。在获取了大量跟为准确的分步成本数据的基础上，
不仅使企业可以更精确地核算和控制产品成本，也为降低产品成本指出了方向和方法；
? 过程绩效的可衡量性。在获取大量过程实时数据的基础上，不仅使企业
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对生产过程现状了如指掌，同时，也便于企业对过程作业绩效进行有依据的衡量；
? 过程性能的可改进性。在积累了大量过程历史数据的基础上，不仅使企
业可以尽快建立过程目标，同时，也便于企业通过对数据的分析实施过程的改进；
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