國際制造執行系統(MES)應用與發展

企業信息技術應用的焦點已經由ERP轉向MES，然而MES的標準化仍有大量工作要做。當今制造業的生存三要素是信息技術(IT)、供應鏈管理(SCM)和成批制造技術。使用信息技術就是由依賴人工的作業方式轉變為作業的快速化、高效化，大量減少人工介入，降低生產經營成本；供應鏈管理是從原材料供應到產品出廠的整個生產過程，使物流資源的流通和配置最優化。這和局部優化的區別就是全面最優化；成批制造技術是在合適的時間，生產適量產品的生產計劃排產優化技術，并隨著生產制造技術的深化，改善對設備的管理。這里，MES技術在企業信息化中扮演著最重要的角色。　　

一、MES的產生和發展

從20世紀70年代后半期開始，出現了解決個別問題的單一功能的MES系統，如設備狀態監控系統、質量管理系統、包括生產進度跟蹤、生產統計等功能的生產管理系統。也就是說，在未實施整體解決方案或信息系統以前，各企業引入的只是單功能的軟件產品和個別系統。當時，ERP層(稱為MRP)和DCS層的工作也是分別進行的，因此產生了兩個問題：一個是橫向系統之間的信息孤島(islandofinformation)，二是MRP、MRPⅡ和DCS兩層之間形成缺損環或鏈接(missingringorLink)。

80年代中期，為了解決這兩個課題，生產現場的信息系統開始發展，生產進度跟蹤信息系統、質量信息系統、績效信息系統、設備信息系統及其整合已形成共識。與此同時，原來的底層的過程控制系統和上層的生產計劃系統也得到發展。這時，產生了MES原型、即傳統的MES(TraditionalMES,T-MES)。主要是POP(生產現場管理，PointofProduction)和SFC(車間級控制系統，ShopFloorControl)。

MES(ManufacturingExecutionSystem)直譯成制造執行系統，俗稱生產管理系統。直到1990年，才由AMR組織提出并使用。20世紀90年代初，工業界開始認識到需要一個可以將業務系統和控制系統集成在一起的中間層。制造執行系統(MES)從一開始就是一個特定集合的總稱，用來表示一些特定功能的集合以及實現這些特定功能的產品。美國的咨詢調查公司(AdvancedManufacturingResearch,AMR)，倡導制造業用三層模型(3rdlayermodel)表示信息化。將位于計劃層的控制層的中間位置的執行層叫做MES，并說明了各層的功能和重要性。在中國，生產和制造兩詞有時混用或等同。MES處于企業信息系統ERP/SCM和過程控制系統DCS/PLC的中間位置。ERP作為業務管理系統，DCS/PLC作為控制系統，而MES則作為生產執行系統。MES與上層ERP等業務系統和底層DCS等生產設備控制系統一起構成企業的神經系統，一是把業務計劃的指令傳達到生產現場，二是將生產現場的信息及時收集、上傳和處理。MES不單是面向生產現場的系統，而是作為上、下兩個層次之間雙方信息的傳遞系統，是連結現場層和經營層，改善生產經營效益的前沿系統。MES也不是一個特定行業的概念，而且應用于各種制造業的重要信息系統。

由于ERP層和DCS層的IT應用起步較早，多已基本實現，因此，需要通過MES層的功能實現對兩者進行整合，并填充其間的空隙或狹縫。最初，MES并沒有一個非常明確的定義，它幾乎涵蓋了所有那些無法準確地分配給其他層的應用程序或產品。此后，在國際上，各相關組織都開始意識到要對MES進行更加明確的定義。制造執行系統國際聯盟組織（MESA），ISA都相繼開發了相關的模型對MES加以描述，并試圖通過模型使其標準化。

ERP是對企業資源進行有效地綜合地計劃與管理，是提高企業經營效率和效益的手段和概念。其核心是計劃，而不是財務。實現這個目的軟件則叫ERP軟件。ERP面向企業的主要業務，包括產品定貨、原材料采購，生產制造、配送、銷售、會計等一系列業務流，是覆蓋全公司的信息系統。ERP的數據庫要與實時數據庫相連，提取生產過程的有關數據，同時又需要和SCM集成。SCM包括從原材料供應采購到終端客戶的商品供應的主要業務功能(如計劃、采購、制造、作業流程管理、后勤保障、銷售管理等)。在實施ERP的過程中，人們發現，ERP的實施規模大、周期長，導致46逾期完成；支出多、投入大，導致41超過預算；由于多種原因，致使49沒有達到預期的社會效益、經濟效益和目標。其申一個重要因素是與生產現場的連接與集成被忽略了，而生產現場的數據，特別是整合過的高質量的數據，即完美的生產信息是ERP的基礎，是集成的關鍵。而這些正是催生MES的重要原因。

到90年代，MES發展為I-MES(集成MES)和MES-Ⅱ(ManufacturingExecutionSolutions)。這樣MES則作為整個工廠生產現場的集成系統出現，故又稱為IntegratedMES(E-MES)。主要功能為工廠管理(資源管理、調度管理、維護管理)、工廠工藝設計(文檔管理、標準管理、過程優化)、過程管理(回路監督控制、數據采集)和質量管理(SQC-統計質量管理、LIMS-實驗室信息管理系統)。在這個模型指導下，MES在90年代初期的重點是生產現場信息的整合。對于離散工業(discretemanufacturing)和流程工業(processmanufacturing)來說，MES有許多差異。就離散MES而言，由于其多品種、小批量、混合生產模式，如果只是依靠人工提高效率是有限的。而MES則擔當了整合、支持現場工人的技能和智慧，充分發揮制造資源效率的功能。

90年代中期，又提出了MES標準化和功能組件化、模塊化的思路。這時，許多MES軟件實現了組件化，也方便了集成和整合，這樣用戶根據需要就可以靈活快速地構建自己的MES。MES的11個功能主要包括：(1)生產資源分配與監控；(2)作業計劃和排產；(3)工藝規格標準管理；(4)數據采集(裝置在線連接采集實時數據和各種參數信息，控制系統接口，生成生產數據記錄、質量數據、績效信息、臺帳累計)；(5)作業員工管理；(6)產品質量管理；(7)過程管理(過程控制、APC、基于模型的分析與模擬、與外部解析系統接口)；(8)設備維護；(9)績效分析；(10)生產單元調度；(11)產品跟蹤。

這一時期，很多團體、政府機構、組織也參與了MES的標準化以及標準、模型的研究和建立活動。涉及分布對象技術、集成技術、平臺技術、互操作技術和即插即用等技術。其主要成果如下：

　　(1)MESA提出了MES對象模型。

(2)標準化組織OMG(ObjectManagementGroup)的制造分會(MfgDTF,ManufacturingDomainTaskForce)發布了RFI(RequestforInformation)文件。

　　(3)ISA(InternationalFederationoftheNationalStandardiz-ingAssociations)的SP95(EnterpriseControlsystemIntegration)標準委員會發布了ERP與MES之間的接口標準模型。

　　(4)發布NIIIP—SMART(NationalIndustrialInformationInfrastructureProtocols—SolutionforMESAdaptableReplicableTechnology)信息結構標準。

　　(5)由半導體制造技術協會(SEMATECH,Semiconduc-torManufacturingTechnology)發表了SEMATECH/SEMICIM平臺標準。

　　(6)NIST—SIMA(NationalInstituteofStandardandTech-nology—SystemIntegrationofManufacturingApplications)用IDEFO描述了通用業務活動模型(ActivityModels)。

　　(7)日本標準化與制造科技中心發布了openMES，涉及面向對象、平臺、功能模塊、計算機網絡、CORBA等。

其中，從1997年開始的國際儀表學會(ISA)啟動的編制ISASP95企業控制系統集成標準和ISASP98批量控制標準的工作尤為重要，2000年發布了SP95.01模型與術語標準，2001年發布了SP95.02對象模型屬性標準，2002年發布了SP95.03制造信息活動模型(ActivityModels)標準，2003年發布了SP95.04制造操作對象模型標準。其中SP95.01已經被IEC/ISO接受為國際標準。SP95.01規定了生產過程涉及的所有資源信息及其數據結構和表達信息關聯的方法。SP95.02對第1部分定義的內容作了詳細規定和解釋，SP95.03提出了管理層與制造層間信息交換的協議和格式。

所有組織和學者都倡導MES功能和接口的標準化，以及集成(Integration)、互操作性(Inter-operability)的重要性。系統之間、功能模塊之間提倡以ORB(ObjectRequestBroker)作為MES信息訪問接口協議，實現MES功能組合的即插即用。另外，分部式對象技術標準CORBA和有關標準平臺都是開發MES軟件的基礎，但是開發成木高、系統性能差以及三層模型界限不明確等因素，一直影響著MES功能的組件化。

1998年，AMR公司發表REPAC模型(Ready,Execute,Process,Analyze，Coordinate)，即包括準備、實行、處理、分析、調整五個階段組成的過程周期。該模型參考了供應鏈業務參考模型(SCOR,SupplyChainOperationReference)，把其中的Make作為關注焦點，將計劃、技術方案、調度、執行和控制等對應的五個信息系統集成連接。REPAC模型不只是針對MES三層模型的中間層，而是與相應系統一起連接在經營系統的閉環回路中。

在AMR的INTECHl994年5月號上，對MES的概念表述如下：MES是在公司的整個資源按其經營目標進行管理時，為公司提供實現執行目標的執行手段，通過實時數據庫連接基本信息系統的理論數據和工廠的實際數據，并提供業務計劃系統與制造控制系統之間的通信功能。

　　因此，MES不只是工廠的單一信息系統，而是橫向之間、縱向之間、系統之間集成的系統，即所謂經營系統，對于SCP、ERP、CRM、數據倉庫等近年被關注的各種企業信息系統來說，只要包含工廠這個對象，就離不了MES。歸結起來，MES可以概括為一個宗旨——制造怎樣執行，兩個核心數據庫——實時數據庫、關系數據庫，兩個通信接口——與控制層接口和與業務計劃層接口，四個重點功能——生產管理、工藝管理、過程管理和質量管理，以及11個基本功能(包括重點功能和輔助功能)。

　二、日本的MES

日本的MES起步較早、成果較多、應用較廣，而且與中國的管理理念相近。其特點如下：

(1)日本有比較系統地研究、介紹MES的專著——《MES入門》，介紹了MES的概要和發展，MES的功能、作用、軟件以及各個行業的特點，MES對生產經營管理、提高產品產量、質量和降低成本等方面的貢獻，并提供了參考文獻、MES網址和應用案例一覽，是一本參考價值很高的入門書籍。2004年2月，中村實和中村一世又編著了《圖解MES應用第一線——從應用案例看引入MES的注意事項》，這是日本的第二本MES專著。另外，日本很多雜志，如《計裝》、《化學裝置》、《略》、《略》、《化學經濟》、《工場管理》等雜志經常舉辦MES專刊或刊登MES文章，日本生產管理協會、工廠自動化推進協會、生產系統模型專門委員會、東京實踐經營研究會、實踐MES研究會、工業調查會等組織經常組織MES的調查、研究和召開各種主題專業會議。日本標準化與制造科技中心還制訂發布了OpenMES標準。

　　(2)對MES重新進行了定義，其文化內涵更接近于東方。首先，在MES的基礎上，提出了“制造管理系統”、“制造實行系統”、“生產實行系統”和“綜合生產管理系統”的新解。除了遵循AMR和MESA的定義和描述外，日本的學者更強調對生產現場各種信息的時實采集與集成，將過程信息(PIMS，工廠信息管理系統)作為MES的核心；通過CIM(計算機集成制造)將工廠系統和業務系統進行理想整合的具體化。

　　(3)總結了日本企業引入MES軟件的必要步驟和注意事項。即計劃編制、組織組建、培訓與準備、需求定義、建模與差異分析、概要設計與詳細設計、客戶化開發與測試、設備安裝定義、軟件接口規格定義與設計、接口開發與聯調共10個步驟和注意MES在經營系統的重要地位，考慮生產現場信息系統的五個要素——人、信息系統、業務規則、設備和產品，區分客戶信息的必要性、MES軟件包的適應性，注重項目管理，強調應用效果，快速實施和投用，生產現場系統是MES成功的基礎等事項。

　　三、國外流程工業的MES

MES屬于企業管理應用軟件的范圍，起源于離散工業，又擴展到流程工業。

在離散工業和流程工業，生產管理存在著極大差異。即便是流程工業，也差異不小。例如煉油工業和化工業，雖說像姊妹倆，但煉油卻有油品輸轉調和功能模塊，而化工則不需要。至于冶金、輕工甚至其他行業，差異就更大了。因此，目前形成了煉油工業、化學工業、醫藥工業、食品工業、化纖紡織工業、機器制造業、汽車制造業、航空業、造船業、半導體制造業、冶金業、煉鋁業等不同行業和領域的MES。在石油、天然氣、石油化工領域，裝置之間都由配管連接，過程控制非常必要。作為工廠運行信息系統的DCS從20世紀70年代開始普及，較早地實現了過程監控和自動化，但是至今DCS和MES之間的接口還是薄弱環節。在MES中，專門設計了PIMS(工廠信息管理系統，PlantInformationManagementSystem)接收DCS實時數據，實現生產績效管理和運行數據的集成。

對于流程工業，作為填補計劃系統和控制系統狹縫的MES的主要功能模塊，一般包括短期生產計劃、作業排產和調度(APS)，過程控制和管理，維護管理，技術信息管理，過程優化控制(APC)，提高質量管理功能的LIMS以及與ERP之間的連接。還有流程工業生產的特殊需求，如數據調理和校正、運行數據統計、公用工程平衡管理、設備壽命預測、設備性能計算(equipmentperformancecalculations)、罐區管理、罐區平衡、物料平衡等，都作為MES的單一功能模塊，并往往集成到MES系統中。

　　四、國內的MES進展

盡管在國外MES和ERP的概念同一年提出，但是ERP卻比MES的發展勢頭迅猛。因此，國內盡管關于MES的研究、開發和應用只是近年來的事情，但是與國外的差距還是不大。

20世紀90年代初期，中國就開始對MES以及ERP的跟蹤研究、宣傳或試點，而且曾經提出了“管控一體化”，“人、才、物、產、供、銷”等頗具中國特色的CIMS、MES、ERP、SCM等概念，只是總結、歸納、宣傳、堅持或者提煉、提升不夠，發展勢頭不快。

據稱，中國最早的MES是20世紀80年代寶鋼建設初期從SIEMENS公司引進的。中國工業信息化基本上是沿著西方工業國家的軌跡前進，只是慢半拍而已。70-80年代以工廠自動化為主，80-90年代以管理信息化為主。進入21世紀初，仍然以提升工廠自動化水平，普及DCS、SCADA、PLC、FCS和提升管理信息化水平，由開發MIS轉向推廣普及ERP為主。但是，盡管MES層仍然是斷層、殘缺環和狹縫，人們對MES的概念、MES在企業信息化的地位已不陌生，并開始形成共識。幾乎絕大多數大學和工業自動化研究單位，甚至于國家、省、市級政府主管部門都開始跟蹤、研究MES，具體表現為開設MES課程，培養MES研究生，成立工程技術研究、先進制造扶術、制造業信息化工程等相關研究中心和實驗室，開設MES網站、論壇和專欄，籌辦、主辦MES國際研討會，將MES納入國家、省、市科技發展規劃，成立MES公司和事業部，封閉開發MES產品，借助國內外產品實施MES工程等等。真可謂是從中央到地方，從學會到協會，從IT公司到制造生產廠，從綜合網站到專業網站，從綜合大學到專科院校，都卷入了MES熱潮之中。

但是，從總體上看，相對于應用來說，仍以研究居多，而且仍處于淺層研究；就產品來講，自主研發才剛剛開始，盡管有少數國內IT公司一方面模仿國外的模式，同時也總結提煉中國工業企業MES層面的經驗(know-how)，但是仍以實驗室產品居多，離商品化還有一段路程；就應用來說，像冶金、石化、煙草、食品等行業雖已有應用，但仍屬拓荒者或先行者。

盡管如此，仍然有一批出類拔萃者或佼佼者，下面列舉流程工業的兩個相對成型、成熟和有規模、有影響、有前途、有希望成大氣候的國產MES產品。

首先是和利時公司。其在搞硬件研究生產的同時，又搞軟件，先是過程控制軟件，后是管理軟件，又走過了由硬件到軟件、由企業單層信息系統到集成信息系統的歷程。為了滿足工業發展需要，它研發了流程行業生產管理系統HOLLIAS-MES(ManufacturingExecutionSystem)。

　　I/OServers支持OPC、DDE等多種通訊接口協議，可連接到由和利時、橫河、霍尼韋爾、西門子、羅克韋爾、ABB、費希爾羅斯蒙特、日立、三菱、歐姆龍等工業自動化廠家生產的DCS、PLC、RTU等設備。并提供ODBC接口，可與ERP等企業經營管理系統集成，實現企業生產的管理控制一體化。

另一個國內知名的產品是浙大中控的ESP-Suite——企業綜合自動化整體解決方案。浙大中控也是由從硬件單機到DCS系統，從硬件系統到軟件系統，由DCS層、ERP層到MES層的模式發展起來的。ESP-Suite是面向流程工業企業的綜合自動化整體解塊方案，包括企業資源規劃(ERP)、生產執行系統(MES)和過程控制系統(PCS)三個層次的軟件產品、工程與技術服務。ESP-Suite企業綜合自動化整體解決方案包括以綜合信息集成軟件平臺(基于關系數據庫)和實時監控軟件平臺(基于實時數據庫)為核心的一系列應用軟件。

當然，國內還有一些接近T-MES、I-MES和MES-Ⅱ的產品，不一一列舉。綜上所述，國內的一些產品不能說達到爐火純青的程度，但基本上符合AMR、MESA、ISA提出的主要定義、模型和標準。不管是國內，還是國外，要推進MES的推廣和普及，還任重而道遠。

　　五、MES的發展關鍵是建模技術

隨著因需而變的理念提出，西門子公司為MES指出了一個全新的發展方向，它將MES建立在一種結構之上，通過這種結構，用戶可以用層級模型(HierarchicalModel)將各種專用產品(組件，Component)協同起來，來描述業務和生產作業。這正是西門子在全面集成自動化(TotallyIntegratedAutomation)中所展示的概念。

近年來，一種新的國際標準正在成為企業的行為規范—控制系統集成規范。這就是國際標準化組織/國際電工委員會的IEC/ISO62264和美國國家標準組織/美國儀表系統與自動化學會的ANSI/ISA-95，它定義了企業級業務系統與工廠車間級控制系統相集成時所使用的術語和模型。該標準還定義了中間層MES系統應支持的生產作業活動。

很多供應商、用戶、顧問都參與了該標準的制定和定義。這就確保了該標準具有堅實的基礎以及高度的可用性。該標準目前由三部分組成，其中第3部分定義了MES的作業活動。它著重闡述了與生產(Production)、維護(Maintenance)及質量(Quality)等有關的作業活動。通常來說，這些活動都是同等重要的，不過，如果和生產或者生產作業無關的話，可能也就不需要維護作業或質量作業了。

過程控制、MES及ERP之間的完全集成對現代企業的商業運作來說是至關重要的。制造系統是由許多不同的功能相互協同而構成的。制造系統的整體集成可以幫助企業實現一流的運營效率，相反，零散的解決方案將成為車間績效改善的瓶頸。

　　六、結語

從國外的發展趨勢看，已經形成了一批MES軟件產品和解決方案，出現了一批以MES為核心產品的工業企業管理應用軟件公司，而且企業信息技術應用的焦點已經由ERP轉向MES，然而MES的標準化仍有大量工作要做。

　　從國內的發展趨勢看，CIMS、MES、ERP等概念都進入中國較早，但只以DCS為代表的底層自動化和以ERP為代表的管理系統普及速度較快，因此，中國工業企業的信息孤島和缺損環鏈現象比國外更為突出，也就是對MES層的認識相對落后，但是，確實有一些公司在加快開發中國式的MES產品或應用國外的MES產呂，而且勢頭較好，同時，在認識觀念上由關注ERP到關注MES的轉變也已開始。

從技術角度看，MES的功能正在向控制層和計劃層滲透，三層結構的分工可能更模糊。MES功能中的計劃排產與執行調度模塊(APS)越發突出的推廣普及。它應是MES的核心。單一功能的MES產品正在向集成的MES和整體解決方案發展。信息技術領域的分布對象技術(CORBA、DCOM等)標準日臻成熟是MES發展和集成的基礎。DCS和ERP的普及和提高進一步推動了MES的發展和推廣。