制造执行系统（MES）的应用与发展
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制造执行系统（MES）的应用与发展
关键词：制造执行系统 应用 发展趋势
作者：石贯宇
摘要：以制造执行系统(MES)的集成模型、外部环境模型、功能模型和REPAC模型为主线论述了其应用与发展历程,阐述了MES在中国的研究、应用与发展现状,认为MES是实现车间生产管理敏捷化的基本技术手段.在此基础上,从国外、国内和技术三个角度展望了MES的未来发展趋势,指出了敏捷化、智能化和集成化是MES技术及系统的重要发展趋势,为制造业制订MES实施的整体解决方案提供了参考.
&&&&&&&当今制造业的生存三要素是:信息技术(IT)、供应链管理(SCM)和成批制造技术.使用信息技术就是由依赖人工的作业方式转变为作业的快速化、高效化,大量减少人工介入,降低生产经营成本;供应链管理是从原材料供应到产品出厂的整个生产过程,使物流资源的流通和配置最优化,这和局部优化的区别就是全面最优化;成批制造技术是在合适的时间,适量产品的生产计划排产优化技术,并随着生产制造技术的深化,改善对设备的管理.这里,MES技术在企业信息化中扮演着最重要的角色.
&&& 为此,MES的推广和应用已成为制造业信息化工程的重要工作之一,研究MES的应用与发展将会为制造业制订MES实施的整体解决方案提供必要的参考.
&&& 1 MES的产生、发展及其模型
&&& 1)单一功能的MES系统
&&& 20世纪70 年代后半期出现了单一功能的MES系统,诸如设备状态监控系统、质量管理系统和包括生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统,用于解决个别问题.即在未实施整体解决方案或信息系统以前,各企业引入的只是单功能的软件产品和个别系统.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:一是横向系统之间的信息孤岛(island of information),二是MRP、MRPⅡ和DCS两层之间形成缺损环或链接(missing ring or link).
&&& 2)T-MES原型
&&& 20世纪80年代中期,为了解决上述两个问题,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,原来底层的过程控制系统和上层的生产计划系统也得到了发展,产生了MES 原型即传统的MES(traditional MES,TMES),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).
&&& 3)处于信息化中间层的MES
&&& 20世纪90年代初,工业界开始认识到需要一个可以将业务系统和控制系统集成在一起的中层.制造执行系统(MES)从一开始就是一个特定集合的总称,用来表示一些特定功能的集合以及实现
&&& 这些特定功能的产品.1992年,美国的咨询调查公司AMR(advanced manufacturing research)倡导制造业用三层模型(3rdlayermodel)[1]表示信息化(见图1),将位于计划层和控制层的中间位置的执行层叫做MES,并说明了各层的功能和重要性.在中国,生产和制造两词有时混用或等同,实际上生产的范畴要比制造广.MES处于企业信息系统ERP/SCM 和过程控制系统DCS/PLC的中间位置.ERP作为业务管理系统,DCS/PLC 作为控制系统,而MES则作为生产执行系统.MES与上层ERP等业务系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统,一是把业务计划的指令传达到生产现场,二是将生产现场的信息及时收集、上传和处理.MES不单是面向生产现场的系统,而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统,是连结现场层和经营层,改善生产经营效益的前沿系统.MES不是一个特定行业的概念,而是应用于各种制造业的重要信息系统.
&&& 由于ERP层和DCS层的IT应用起步较早,多已基本实现,因此需要通过MES层的功能实现对两者进行整合,并填充其间的空隙或狭缝.最初,MES并没有一个非常明确的定义,它几乎涵盖了所有那些无法准确地分配给其他层的应用程序或产品.大多数这样的产品都是由一些定制的应用程序逐渐演化而来的,而这些应用程序基本上都是由系统集成商针对某类特定用户进行开发的,并且通常都是针对某个特定领域(如排产、实验室、质量、产品跟踪等)的.
&&& 4)IMES和MES-Ⅱ
&&& 20世纪90年代,MES发展为IMES(integratedMES)和MES-Ⅱ(manufacturing execution solutions).1993年,AMR公司提出了MES的集成模型[1](见图2),这样MES作为整个工厂生产现场的集成系统出现,故又称为IntegratedMES(IMES).本模型包括4个主要功能,并由实时数据库支持.在这个模型指导下,MES在20世纪90年代初期的重点是生产现场信息的整合.1997年,制造执行系统国际联盟组织MESA(manufacturing execution system association international,)提出了如图3所示的MES外部环境模型[2].从图3可以看出,企业资源计划(ERP)系统、供应链管理(SCM)系统、销售和服务管理(SSM)系统、生产工艺(P&PE)系统、过程控制(controls)系统以及制造执行系统(MES)是面向制造企业的6种主流信息系统.MES与其他几种类型的信息系统都紧密相连,这使得它在企业的整体信息基础中处于重要的地位.从信息集成的角度来看,MES在企业范围的SCM、SSM、ERP等系统与面向工厂底层设备的控制系统之间承上启下,起着垂直信息集成的作用.同时MES连接SCM、SSM、ERP、P&PE等系统,起着横向信息集成的作用.
&&& 20世纪90年代中期,又提出了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,这样用户可根据需要灵活快速地构建自己的MES.1997年,MESA提出了MES的功能模型[3](见图4).该模型代表的11个功能模块如同龟背一样配置.MESA规定,只具备11个之中的某一个或几个,也属MES系列的单一功能产品.AMR组织则又把按着11个功能实现的整体解决方案称为MES-Ⅱ.这一时期,很多团体、政府机构、组织也参与了MES的标准化以及标准、模型的研究和建立活动.涉及分布对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用等技术.所有组织和学者都倡导MES功能和接口的标准化,以及集成(integration)、互操作性(inter-operability)的重要性.系统之间、功能模块之间提倡以ORB(object request broker)作为MES信息访问接口协议,实现MES功能组合的即插即用.另外,分部式对象技术标准CORBA 和有关标准平台都是开发MES软件的基础,但是由于开发成本高、系统性能差以及三层模型界限不明确等因素,一直影响着MES功能的组件化.
&&& 1998年,AMR 公司发表REPAC(ready,execute,process,analyze,coordinate)模型[4](见图5).
&&& 即包括准备、实行、处理、分析、调整5个阶段组成的过程周期.该模型将计划、技术方案、调度、执行和控制等对应的5个信息系统集成连接.REPAC模型不只是针对MES三层模型的中间层,而是与相应系统一起连接在经营系统的闭环回路中.
&&& 1994年5月AMR对MES的概念进行了如下表述:MES是在公司的整个资源按其经营目标进行管理时,为公司提供实现执行目标的执行手段,通过实时数据库连接基本信息系统的理论数据和工厂的实际数据,并提供业务计划系统与制造控制系统之间的通信功能.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,只要包含工厂这个对象,就离不开MES.总之,MES可以概括为一个宗旨制造怎样执行,两个核心数据库实时数据库、关系数据库,两个通信接口与控制层接口和与业务计划层接口,4个重点功能生产管理、工艺管理、过程管理和质量管理,以及11个基本功能(包括重点功能和辅助功能).
&&& 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,还需要得到制造执行系统(MES)的强有力的支持.其结果是MES不能仅仅做成业务(business)和过程(process)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(business)和生产(production)策略彼此协同.这在ISA-95委员会的文件中有非常明确的表述.不仅描述了MES过程,同时还通过各种
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&工业4.0是基本国策，智能制造是工业4.0的核心，工厂数字化是必要条件，工业大数据是智能工厂的血液，是智能工厂的脊柱。也就是说，mes是在国家政策，世界工业发展大势下应运而生的。&&MES把分布在工厂各个作业点上的微电脑、移动终端、RFID/条码设备、软件PLC、传感器、等都通过网络集成连接在系统中，让数字化血液贯穿工厂的每个细胞。&面向工业4.0工厂的五层数字化结构规划管理层：ERP（Enterprise Resource Planning）企业资源计划、OA（Office Automation办公自动化）、PLM（product lifecycle management产品生命周期管理）、HR（Human&Resource人力资源）命令由管理层发出。执行层：mes（Manufacturing Execution System&面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统，MES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）；（Warehouse Management System仓库管理系统）；（Quality Management System质量管理体系）；（Statistical Process Control统计过程控制）；（进阶生产规划及）。操作层。控制层。现场层。&&MES各板块的逻辑关系工厂良性运营的关键指标有：1.由上而下按计划生产使计划与生产密切配合，2.在最短的时间内掌握生产现场的变化，3.作出准确的判断和快速的应对措施，4.保证各种异常得到合理而快速的修正。&MES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；在产品从工单下发到生产为成品的整个过程中，扮演着促进生产活动最佳化的信息传递者；当生产事件发生时，MES借着所收集的即时信息，做出快速的反应，以减少无附加价值的生产活动，提升工厂的生产效率。&&数据采集的实现方式数据收集是MES项目的基础及核心，只有数据方便、及时、准确的收集汇总到数据库，才能有效的发挥后续几个功能模块的作用。在车间现场部署信息采集点，根据现场情况和管理要求，选择相应的数据采集方式(例如PC机＋条码阅读器、便携式采集终端、485数据终端设备＋条码阅读器)，通过扫描条码、手工录入、设备集成等方式收集关键物料、检测结果、软件版本、测试数据、维修、抽检、包装、重工等信息。&过程控制的实现方式根据现场作业所收集的数据，建立日常管理信息数据平台，监控现场连续的作业过程、分解SPC（统计过程控制）和SQC（统计质量控制）的数据信息，包含对作业过程中各项元素(人员、设备、产品、物料、实时数据信息)的跟踪、校验、管理,运用防呆机制避免作业过程中不必要的差错。对现场所收集的各项数据进行合法性验证，将验证结果及时反馈给操作人员，只有通过验证后才可以继续执行某项操作，确保产品实际生产流程和预定流程的一致性，例如人员岗位、条码规则、工艺生产流程、上料、物料装配、完整性、可用性、存在性、冲突性、质量状态、兼容性等。&
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MES系统即制造执行系统(manufacturing execution system，简称MES）是美国AMR公司(Advanced Manufacturing Research，Inc．)在90年代初提出的，旨在加强MRP计划的执行功能，把MRP计划同车间作业现场控制，通过执行系统联系起来。MES系统有标准的十二大模块，包括：1）生产监视；2）数据采集；3）工艺管理；4）品质管理；5）报表管理；6）生产排程；7）基础资料；8）OEE指标分析；9）薪资管理；10）数据共享；11) 任务派工；12）能力平衡分析。使用MES的好处，一般体现在三个方面：实时性、可控性和可追溯性。实时性，指使用MES系统，能够让工厂的生产状况实时的被采集以及被展示出来；可控性则是在实时的基础上，能够对工厂生产的过程进行监控，让整个生产过程可控；可追溯性则实现整个生产过程信息的汇总、整理，并可以追溯。如果把工厂的硬件设备看做人的身体部位的话，那么MES就是人的神经系统，掌控全身状态。企业在野蛮生长的时候，可能会更加注意身体的成长；但是到了一定的程度，就要考虑更好的发育大脑，通过对工厂的实时性、可追溯的精准控制，实现企业的成本降低，效率/效益的提升。以上供参考！
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& & 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，原来的底层的过程控制系统和上层的生产计划系统也得到发展，如图4所示。这时，产生了MES原型、即传统的MES(TraditionalMES,T-MES)。主要是POP(生产现场管理，PointofProduction)和SFC(车间级控制系统，ShopFloorControl)。
& & MES(ManufacturingExecutionSystem)直译成制造执行系统，俗称生产管理系统。直到1990年，才由AMR组织提出并使用。20世纪90年代初，工业界开始认识到需要一个可以将业务系统和控制系统集成在一起的中间层。如图4所示。制造执行系统(MES)从一开始就是一个特定集合的总称，用来表示一些特定功能的集合以及实现这些特定功能的产品。美国的咨询调查公司(AdvancedManufacturingResearch,AMR)，倡导制造业用三层模型(3rdlayermodel)表示信息化。将位于计划层的控制层的中间位置的执行层叫做MES，并说明了各层的功能和重要性。如图5所示。在中国，生产和制造两词有时混用或等同，仔细推敲，生产的范畴比制造要广。MES处于企业信息系统ERP/SCM和过程控制系统DCS/PLC的中间位置。ERP作为业务管理系统，DCS/PLC作为控制系统，而MES则作为生产执行系统。MES与上层ERP等业务系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统，一是把业务计划的指令传达到生产现场，二是将生产现场的信息及时收集、上传和处理。MES不单是面向生产现场的系统，而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统，是连结现场层和经营层，改善生产经营效益的前沿系统。MES也不是一个特定行业的概念，而且应用于各种制造业的重要信息系统。
& & 由于ERP层和DCS层的IT应用起步较早，多已基本实现，因此，需要通过MES层的功能实现对两者进行整合，并填充其间的空隙或狭缝。最初，MES并没有一个非常明确的定义，它几乎涵盖了所有那些无法准确地分配给其他层的应用程序或产品。大多数这样的产品都是由一些定制的应用程序逐渐演化而来的，而这些应用程序基本上都是由系统集成商针对某类特定用户进行开发的，并且通常都是针对某个特定领域(如排产、实验室、质量、产品跟踪等)的。此后，在国际上，各相关组织都开始意识到要对MES进行更加明确的定义。MESA(ManufacturingExecutionSystemAssociationInternational,制造执行系统国际联盟组织)，ISA都相继开发了相关的模型对MES加以描述，并试图通过模型使其标准化。位于美国的MESA成立于1992年，是继AMR组织之后促进MES普及和标准化的团体，经常发布关于MES白皮书，还有用户使用MES后的效果调查报告。& & & & ERP是对企业资源进行有效地综合地计划与管理，是提高企业经营效率和效益的手段和概念。其核心是计划，而不是财务。或者说，财务是手段，计划优化是目的。实现这个目的软件则叫ERP软件。德国SAP公司的R/3最有名。据AMR(AdvancedManufacturingResearch)组织2003年统计，SAP约占世界ERP市场的35%,ORACLE约占13%,PeopleSoft约占10%，J.D.E约占5%。ERP面向企业的主要业务，包括产品定货、原材料采购，生产制造、配送、销售、会计等一系列业务流，是覆盖全公司的信息系统，其关键业务包括计划、财务会计和管理会计，还有人力资源管理等。ERP的数据库要与实时数据库相连，提取生产过程的有关数据，ERP又和SCM集成。SCM包括从原材料供应采购到终端客户的商品供应的主要业务功能(如计划、采购、制造、作业流程管理、后勤保障、销售管理等)。在实施ERP的过程中，人们发现，ERP的实施规模大、周期长，导致46%逾期完成;支出多、投入大，导致41%超过预算；由于多种原因，致使49%没有达到预期的社会效益、经济效益和目标。其申一个重要因素是与生产现场的连接与集成被忽略了，而生产现场的数据，特别是整合过的高质量的数据，即完美的生产信息是ERP的基础，是集成的关键。而这些正是催生MES的重要原因。
& & 到90年代，MES发展为I-MES(集成MES)和MES-Ⅱ(ManufacturingExecutionSolutions)，如图2所示。& & & & 图6是AMR公司1993提出的MES集成模型，这样MES则作为整个工厂生产现场的集成系统出现，故又称为IntegratedMES(E-MES)。本模型包括以下4个主要功能，并由实时数据库支持。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)。在这个模型指导下，MES在90年代初期的重点是生产现场信息的整合。对于离散工业(discretemanufacturing)和流程工业(processmanufacturing)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，又提出了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。图7是MESAintertuational于1997年提出的MES功能组件和集成模型。该模型代表的11个功能模块如同龟背一样配置。MESA规定，只具备11个之中的某一个或几个，也属MES系列的单一功能产品。MES的11个功能主要如下:(1)生产资源分配与监控；(2)作业计划和排产;(3)工艺规格标准管理;(4)数据采集(装置在线连接采集实时数据和各种参数信息，控制系统接口，生成生产数据记录、质量数据、绩效信息、台帐累计)；(5)作业员工管理;(6)产品质量管理;(7)过程管理(过程控制、APC、基于模型的分析与模拟、与外部解析系统接口)；(8)设备维护；(9)绩效分析；(10)生产单元调度；(11)产品跟踪。AMR组织则又把按着11个功能实现的整体解决方案称为MESⅡ(ManufacturingExecutionSolution)。
& & 这一时期，很多团体、政府机构、组织也参与了MES的标准化以及标准、模型的研究和建立活动。涉及分布对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用等技术。其主要成果如下：& & & & (1)MESA提出了MES对象模型，如图8所示。
& & (2)标准化组织OMG(ObjectManagementGroup)的制造分会(MfgDTF,ManufacturingDomainTaskForce)发布了RFI(RequestforInformation)文件。& & & & (3)ISA(InternationalFederationoftheNationalStandardiz-ingAssociations)的SP95(EnterpriseControlsystemIntegration)标准委员会发布了ERP与MES之间的接口标准模型。& & & & (4)发布NIIIP&SMART(NationalIndustrialInformationInfrastructureProtocols&SolutionforMESAdaptableReplicableTechnology)信息结构标准。& & & & (5)由半导体制造技术协会(SEMATECH,Semiconduc-torManufacturingTechnology)发表了SEMATECH/SEMICIM平台标准。& & & & (6)NIST&SIMA(NationalInstituteofStandardandTech-nology&SystemIntegrationofManufacturingApplications)用IDEFO描述了通用业务活动模型(ActivityModels)。& & & & (7)日本标准化与制造科技中心发布了openMES，涉及面向对象、平台、功能模块、计算机网络、CORBA等。& & & & 其中，从1997年开始的国际仪表学会(ISA)启动的编制ISASP95企业控制系统集成标准和ISASP98批量控制标准的工作尤为重要，2000年发布了SP95.01模型与术语标准，2001年发布了SP95.02对象模型属性标准，2002年发布了SP95.03制造信息活动模型(ActivityModels)标准，2003年发布了SP95.04制造操作对象模型标准。其中SP95.01已经被IEC/ISO接受为国际标准。SP95.01规定了生产过程涉及的所有资源信息及其数据结构和表达信息关联的方法。SP95.02对第1部分定义的内容作了详细规定和解释，SP95.03提出了管理层与制造层间信息交换的协议和格式。& & & & 此外，许多专家学者也在MES标准化方面做出了不少成果，比如C.Gilman等人在1998年出版了《Enterpriseusingenter-priserules,intelIigentagents,STEP,andworkflow》一书，总结了虚拟企业集成设计与制造以及使用的企业规则、智能代理、STEP标准和工作流程;AshokK.Nangid和MelyssaEvanson等人1997年在《IntegratingProcesscontrolwithinformationsystemsusingmanufacturingexecutionsystems》一书中总结了MES信息系统与过程控制系统的集成;JeffLoebl997年在《Theapplica-tionofamanufacturingexecutionandJITprinciplestoplantinfor-mationprocesses》一书中总结了在工厂级信息处理中制造执行系统和JIT原理的应用等。& & & & 所有组织和学者都倡导MES功能和接口的标准化，以及集成(Integration)、互操作性(Inter-operability)的重要性。系统之间、功能模块之间提倡以ORB(ObjectRequestBroker)作为MES信息访问接口协议，实现MES功能组合的即插即用。另外，分部式对象技术标准CORBA和有关标准平台都是开发MES软件的基础，但是开发成木高、系统性能差以及三层模型界限不明确等因素，一直影响着MES功能的组件化。
& & 1998年，AMR公司发表REPAC模型(Ready,Execute,Process,Analyze，Coordinate)，即包括准备、实行、处理、分析、调整五个阶段组成的过程周期，如图9所示。该模型参考了供应链业务参考模型(SCOR,SupplyChainOperationReference)，把其中的"Make"作为关注焦点(如图10所示)，将计划、技术方案、调度、执行和控制等对应的五个信息系统集成连接，流程工业的REPAC模型和信息系统对应关系也如图9所示。REPAC模型不只是针对MES三层模型的中间层，而是与相应系统一起连接在经营系统的闭环回路中。& & & & 在AMR的INTECHl994年5月号上，对MES的概念表述如下:MES是在公司的整个资源按其经营目标进行管理时，为公司提供实现执行目标的执行手段，通过实时数据库连接基本信息系统的理论数据和工厂的实际数据，并提供业务计划系统与制造控制系统之间的通信功能。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。归结起来，MES可以概括为一个宗旨一制造怎样执行，两个核心数据库一实时数据库、关系数据库，两个通信接口一与控制层接口和与业务计划层接口，四个重点功能一生产管理、工艺管理、过程管理和质量管理，以及11个基本功能(包括重点功能和辅助功能)。& & & & 近十年来，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，还需要得到制造执行系统协(MES)的强有力的支持。其结果是MES不能仅仅做成业务(Business)和过程(Process)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(Business)和生产(production)策略彼此协同。这在ISA-95委员会的文件中，有非常明确的表述。不仅描述了MES过程，同时还通过各种功能，诸如资源管理和资源分配、调度、数据采集、质量保证管理、维护管理、绩效分析、排程、文件控制、工时管理及物料和生产跟踪等之间的交互作用来描述MES过程。
& 二、日本的MES& & & & 日本的MES起步较早、成果较多、应用较广，而且与中国的管理理念相近。日本的CIO杂志等3个机构对490家企业，其中制造业166家的信息部门、计划经营部门负责人进行了2003年度IT投资方向的调查，划分为16个应用领域，从市场规模指数和关注程度上看，20世纪90年代中期在日本兴起的ERP类应用已经让位给以MES为代表的生产管理系统的实施，如图11所示。
& & 日本的MES特点如下:& & & & (1)日本有比较系统地研究、介绍MES的专著一《MES入门》，由中村.实和正田.耕一编著，2000年4月出版，介绍了MES的概要和发展，MES的功能、作用、软件以及各个行业的特点，MES对生产经营管理、提高产品产量、质量和降低成本等方面的贡献，并提供了参考文献、MES网址和应用案例一览，是一本参考价值很高的入门书籍。2004年2月，中村实和中村一世又编著了《图解MES应用第一线一从应用案例看引入MES的注意事项》，这是日本的第二本MES专著。另外，日本很多杂志，如《计装》、《化学装置》、《略》、《略》、《化学经济》、《工场管理》等杂志经常举办MES专刊或刊登MES文章，日本生产管理协会、工厂自动化推进协会、生产系统模型专门委员会、东京实践经营研究会、实践MES研究会、工业调查会等组织经常组织MES的调查、研究和召开各种主题专业会议。日本标准化与制造科技中心还制订发布了OpenMES标准。& & & & (2)对MES重新进行了定义，其文化内涵更接近于东方。首先，在MES的基础上，提出了"制造管理系统"、"制造实行系统"、"生产实行系统"和"综合生产管理系统"的新解。除了遵循AMR和MESA的定义和描述外，日本的学者更强调对生产现场各种信息的时实采集与集成，将过程信息(PIMS，工厂信息管理系统)作为MES的核心;通过CIM(计算机集成制造)将工厂系统和业务系统进行理想整合的具体化，是支撑工厂生产功能的骨干系统，是连结ERP系统和DCS系统的神经系统和桥梁;是根据ERP提出"生产什么、生产多少"的宏观指令，进行何时何分、哪条生产线投入何种原料、用何种工艺、完成何种产品的具体指令和调度;在MESA的l1个功能中，强调生产现场信息数字化管理、工艺管理、物流管理、质量管理、生产指令、进度跟踪管理、设备运行监督与控制和运维管理等生产环节的管理。& & & & (3)总结了日本企业引入MES软件的必要步骤和注意事项。即计划编制、组织组建、培训与准备、需求定义、建模与差异分析、概要设计与详细设计、客户化开发与测试、设备安装定义、软件接口规格定义与设计、接口开发与联调共10个步骤和注意MES在经营系统的重要地位，考虑生产现场信息系统的五个要素一人、信息系统、业务规则、设备和产品，区分客户信息的必要性、MES软件包的适应性，注重项目管理，强调应用效果，快速实施和投用，生产现场系统是MES成功的基础等事项。& & & & 三、国外流程工业的MES& & & & MES属于企业管理应用软件的范围，起源于离散工业，又扩展到流程工业。据《ManufacturingSystemsMagazine》统计，在企业管理应用软件中，除ERP产品和厂商外，MES产品及其厂商Invensys、SIEMENS、EmersonProcessManagement、AS-PENTech、IndusInternational、HoneywellHi-specSolutions、RockwellSoftware、ABB、KronosInc.、GEFanucAutomation、AgileSoftwareCorp.、OSISoftware、SimSci、Wonderware、HITACHI、YOKOGAWA、TechnomatixTech、LillySoftware等公司都名列前茅。& & & & 在离散工业和流程工业，生产管理存在着极大差异。即便是流程工业，也差异不小。例如炼油工业和化工业，虽说像姊妹俩，但炼油却有油品输转调和功能模块，而化工则不需要。至于冶金、轻工甚至其他行业，差异就更大了。因此，目前形成了炼油工业、化学工业、医药工业、食品工业、化纤纺织工业、机器制造业、汽车制造业、航空业、造船业、半导体制造业、冶金业、炼铝业等不同行业和领域的MES。在石油、天然气、石油化工领域，装置之间都由配管连接，过程控制非常必要。作为工厂运行信息系统的DCS从20世纪70年代开始普及，较早地实现了过程监控和自动化，但是至今DCS和MES之间的接口还是薄弱环节。在MES中，专门设计了PIMS(工厂信息管理系统，PlantInformationManagementSystem)接收DCS实时数据，实现生产绩效管理和运行数据的集成。& & & & 对于流程工业，作为填补计划系统和控制系统狭缝的MES的主要功能模块，一般包括短期生产计划、作业排产和调度(APS)，过程控制和管理，维护管理，技术信息管理，过程优化控制(APC)，提高质量管理功能的LIMS以及与ERP之间的连接。还有流程工业生产的特殊需求，如数据调理和校正、运行数据统计、公用工程平衡管理、设备寿命预测、设备性能计算(equipmentperformancecalculations)、罐区管理、罐区平衡、物料平衡等，都作为MES的单一功能模块，并往往集成到MES系统中。& & & & 下面列举国外3个针对流程工业尤其适用于石油化工工业的较为突出和优秀的MES产品方案。& & & & (1)Honeywell的MES方案& & & & Honeywell公司是世界著名的自动化仪表、过程控制和工业软件公司，其MES产品从20世纪90年代末开始，先由单一的MES功能模块发展到整体解决方案。& & & & 其MES产品的核心是Business.FLEXPKS。该产品将经营目标转化为生产操作目标，同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈，从而形成计划管理层、生产执行层和过程控制层三个层次的周期循环。& & & & 该产品由价值链管理(ValueChainManagement)、先进计划与调度(AdvancedPlanningandScheduling)、运行管理(OperationsManagement)、油品调和及储运自动化(Blending&MovementAutomation)和生产管理(ProductionManagement)5个应用套件共30多个模块组成。价值链管理又包括销售预测、运输计划、生产排产、原材料计划、供应链事件管理、库存计划、价值链循环优化和生产计划管理等。先进计划调度包括原材料供应及产品分配与优化、原油组分分析、原油采购计划、原油调度优化、生产实况分析、油品调和调度等。运行管理包括操作指令下达、运行监控、事件监控、实验室信息管理与集成、油罐组分跟踪、产品规格管理、多单元生产运行计划等。油品储运及调和自动化包括调和调度计划、在线调和优化、调和比率控制和调和绩效统计、油品输转及库存跟踪、罐存计量管理、输转模型建立、油品输转控制、油品移动路径选择等。生产管理包括物料平衡和库存盘点、成本核算、组分计算与平衡、批量跟踪与控制、原材料消耗统计、物料移动跟踪、多单元生产运行计划、操作指令下达和实验室信息管理等。方案如图12所示。
& & 另外，Honeywell又将其MES解决方案与资产管理解决方案&&SSET.MAXTM、先进控制与区域优化解决方案&&Profit.PlusTM、生产信息集成平台&Uniformance等应用套件和信息集成平台整合为协同生产管理解决方案(UnifiedManufacturingSolutions)，也可看成是其广义的MES或者是MES功能模块的扩充。& & & & (2)ASPENTech的MES方案& & & & 美国ASPENTech公司是化学工业领域著名的流程模拟、先进控制和供应链管理优化软件公司，近几年经过并购和整合，也定位在MES解决方案供应商。它提出了企业运营管理的理念并开发集成了相应的软件产品。根据ASPEN的定义，企业运营管理(EnterpriseOperationsManagement,EOM)是一个企业级的集成解决方案，把ERP层、MES层和DCS层进行整合，高效地设计、管理和运营制造与供应链的相关业务。根据ASPEN的观点，ERP的功能是回答已发生了什么?而EOM的功能则是回答未来应该怎么做并执行这些决策。ASPEN公司用于过程工业运营管理的MES产品为ASPENPlantelligence，即智能工厂解决方案，如图13所示。
& & ASPENTech的MES解决方案自1998年推出，并不断发展和完善，得到了许多大型石油化工公司的采用。方案主要包括流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度与优化、先进控制与实时优化(RT-OPT)、实时数据库与信息管理、数据校正与物料平衡、绩效监控与绩效管理、油品调和、生产指令管理与操作日志、油品移动和罐区管理等11个功能模块以及ASPENEnterpisePlatform(AEP)集成平台，实现生产经营管理与生产过程控制的一体化。& & & & (3)EMERSON的MES方案& & & & EMERSON公司也是一个国际知名的过程控制和企业管理软件产品制造商，它针对传统的集成方案中用户界面繁杂，系统与系统之间、人与系统之间仍然不能很好的对话和协同等司题，提出了MES的集成指导原则，即注重提高投入产出效率和利润等业务目标，为实现协同工作而进行集成设计，构建标准化、开放性、扩展性、适应性、灵活性、简易性高的技术平台，追求系统的可用性、数据的一致性、安全性和可靠性，降低系统总拥有成本(TCO)，保护现有的应用与资源等。MES的功能定位则依据SP95标准，突出企业层和控制层之间生产管理的5个通用功能，即生产调度、能耗物耗管理、维护管理、质量保证和仓储控制。而软件技术标准则包括XML(ExtensibleMarkupLanguage,扩展标记语言)、SOAP(SimpleObjectAc-cessProtocol，简单对象访问协议)、WebServices(Web服务)、OPC(OLEforProcessControl，面向过程控制的对象链接与嵌入)和.NET(微软的一套开发工具和代码执行平台)等，如图14所示。
& & 四、国内的MES进展& & & & 尽管在国外MES和ERP的概念同一年提出，但是ERP却比MES的发展势头迅猛。因此，国内尽管关于MES的研究、开发和应用只是近年来的事情，但是与国外的差距还是不大。& & & & 20世纪90年代初期，中国就开始对MES以及ERP的跟踪研究、宣传或试点，而且曾经提出了&管控一体化&，&人、才、物、产、供、销&等颇具中国特色的CIMS、MES、ERP、SCM等概念，只是总结、归纳、宣传、坚持或者提炼、提升不够，发展势头不快。& & & & 据称，中国最早的MES是20世纪80年代宝钢建设初期从SIEMENS公司引进的。中国工业信息化基本上是沿着西方工业国家的轨迹前进，只是慢半拍而已。70-80年代以工厂自动化为主，80-90年代以管理信息化为主。进入21世纪初，仍然以提升工厂自动化水平，普及DCS、SCADA、PLC、FCS和提升管理信息化水平，由开发MIS转向推广普及ERP为主。但是，尽管MES层仍然是断层、残缺环和狭缝，人们对MES的概念、MES在企业信息化的地位已不陌生，并开始形成共识。几乎绝大多数大学和工业自动化研究单位，甚至于国家、省、市级政府主管部门都开始跟踪、研究MES，具体表现为开设MES课程，培养MES研究生，成立工程技术研究、先进制造扶术、制造业信息化工程等相关研究中心和实验室，开设MES网站、论坛和专栏，筹办、主办MES国际研讨会，将MES纳入国家、省、市科技发展规划，成立MES公司和事业部，封闭开发MES产品，借助国内外产品实施MES工程等等。真可谓是从中央到地方，从学会到协会，从IT公司到制造生产厂，从综合网站到专业网站，从综合大学到专科院校，都卷入了MES热潮之中。& & & & 但是，从总体上看，相对于应用来说，仍以研究居多，而且仍处于浅层研究;就产品来讲，自主研发才刚刚开始，尽管有少数国内IT公司一方面模仿国外的模式，同时也总结提炼中国工业企业MES层面的经验(know-how)，但是仍以实验室产品居多，离商品化还有一段路程;就应用来说，像冶金、石化、烟草、食品等行业虽已有应用，但仍属拓荒者或先行者。& & & & 尽管如此，仍然有一批出类拔萃者或佼佼者，下面列举流程工业的两个相对成型、成熟和有规模、有影响、有前途、有希望成大气候的国产MES产品。& & & & 首先是和利时公司，它很像Honeywell，开始做仪表，后来向DCS、PLC和FCS发展，走过了硬件从单机到系统的历程。在搞硬件研究生产的同时，又搞软件，先是过程控制软件，后是管理软件，又走过了由硬件到软件、由企业单层信息系统到集成信息系统的历程。为了满足工业发展需要，它研发了流程行业生产管理系统HOLLIAS-MES(ManufacturingExecutionSystem)。生产管理系统以企业级实时数据库和关系数据库为核心，提供实时信息系统、质量分析系统、设备维护管理系统、能源消耗管理系统、批量管理系统、生产成本核算系统、生产调度系统等功能。为企业生产管理人员进行过程监控与管理、保证生产正常运行，控制产品质量和生产成本提供了灵活有力的工具。HOLLIAS-MES与DCS、PLC等控制设备具有丰富的通信接口，通过OPCClient模块与不同的控制系统进行数据交换。I/OServers支持OPC、DDE等多种通讯接口协议，可连接到由和利时、横河、霍尼韦尔、西门子、罗克韦尔、ABB、费希尔罗斯蒙特、日立、三菱、欧姆龙等工业自动化厂家生产的DCS、PLC、RTU等设备。并提供ODBC接口，可与ERP等企业经营管理系统集成，实现企业生产的管理控制一体化。HOLLUAS-MES以生产过程信息为核心，为企业决策系统提供直接的支持，丰富的可灵活配置的功能模块可以满足不同行业的应用要求。尽管在商品化、产品化、标准化方面还有很多工作要做，但该软件可以堪称中国式的更贴近中国企业的实用MES。其体系结构如图15所示。
& & 另一个国内知名的产品是浙大中控的ESP-Suite&企业综合自动化整体解决方案。浙大中控也与和利时公司相似，也就是与Honeywell公司相似，也是由从硬件单机到DCS系统，从硬件系统到软件系统，由DCS层、ERP层到MES层的模式发展起来的。ESP-Suite是面向流程工业企业的综合自动化整体解块方案，包括企业资源规划(ERP)、生产执行系统(MES)和过程控制系统(PCS)三个层次的软件产品、工程与技术服务。ESP-Suite企业综合自动化整体解决方案包括以综合信息集成软件平台(基于关系数据库)和实时监控软件平台(基于实时数据库)为核心的一系列应用软件。其体系结构如图16所示。
& & 当然，国内还有一些接近T-MES、I-MES和MES-Ⅱ的产品，不一一列举。综上所述，国内的一些产品不能说达到炉火纯青的程度，但基本上符合AMR、MESA、ISA提出的主要定义、模型和标准。不管是国内，还是国外，要推进MES的推广和普及，还任重而道远。& & & & 五、MES的发展关键是建模技术& & & & 随着因需而变的理念提出，西门子公司为MES指出了一个全新的发展方向，它将MES建立在一种结构(生产建模，ProductionModeling)之上，通过这种结构，用户可以用层级模型(HierarchicalModel),将各种专用产品(组件，Component)协同起来，来描述业务(Business)和生产作业(ProductionOperation)。这正是西门子在全面集成自动化(TotallyIntegratedAutomation)中所展示的概念。& & & & 近年来，一种新的国际标准正在成为企业的行为规范&控制系统集成规范。这就是国际标准化组织/国际电工委员会的IEC/ISO62264和美国国家标准组织/美国仪表系统与自动化学会的ANSI/ISA-95，它定义了企业级业务系统与工厂车间级控制系统相集成时所使用的术语和模型。该标准还定义了中间层MES系统应支持的生产作业活动。& & & & 很多供应商、用户、顾问都参与了该标准的制定和定义。这就确保了该标准具有坚实的基础以及高度的可用性。该标准目前由三部分组成，其中第3部分定义了MES的作业活动。它着重阐述了与生产(Production)、维护(Maintenance)及质量(Quality)等有关的作业活动。通常来说，这些活动都是同等重要的，不过，如果和生产或者生产作业无关的话，可能也就不需要维护作业或质量作业了。& & & & 供应链的效率很大程度上受制于业务系统与生产系统的功能集成程度。MES正是以ISA-95为蓝本提供了这种集成。系统集成的低下会导致制造系统效率低、可见性差。& & & & 要想真正了解工厂正在执行的情况，需要一个系统，它可以产生可配置的符合需要的生产报告来显示各种KPI。这就必须将过程控制的特定数据与生产相关数据关联起来(例如:订货排程、批次、人员、物料等)，以简化绩效问题分析和识别。MES可以提供生产流程的可见性，以创建改善生产流程的条件，并提高制造系统的效率。& & & & 过程控制、MES及ERP之间的完全集成对现代企业的商业运作来说是至关重要的。制造系统是由许多不同的功能相互协同而构成的。制造系统的整体集成可以帮助企业实现一流的运营效率，相反，零散的解决方案将成为车间绩效改善的瓶颈。& & & & & & 软件平台的有效重用是实现节约成本的关键。标准的应用产品通常都是一个庞大的系统，它们包含了很多的功能。但是，当这样的系统面对千变万化的客户需求时，却又往往显得力不从心。因为，这些系统很难摆脱那些已经预先在产品中设置好的执行逻辑(隐式规则法，implicitrulesapproach)。通常情况下，这些预设的执行逻辑是无法根据特定需求去进行修改的。随着产品的升级换代和相应应用的不断扩展，这种矛盾就尤为突出。& & & & 对于今天的制造业企业来说，拥有高度灵活的因需而变的应用系统是企业在商战中决胜的关键。很显然，应用上述的固化的标准系统，是无法满足企业变化需求的。因此，西门子公司提出了一种全新而独特的范例，为制造执行系统的发展开辟了崭新的天地。& & & & SIMATICITProductionSuite是西门子SIMATICIT产品的核心。它由SIMATICITFramework和SIMATICITComponents组成。& & & & SIMATICITComponents提供可以满足业务基本需要的功能组件。每个组件都是针对具体的制造问题而设计的(例如订单管理、物料管理、人员管理、报表管理等)。& & & & SIMATICITFramework是一个建模环境，它通过图形方式将不同的SIMATICITComponents功能组合在一起来定义执行逻辑(显式规则法，explicitrulesapproach)。SIMATICITFramework是根据物理对象(实际的装置和设备)和逻辑对象(软件包及应用程序)来完成对工厂模型的创建。这些对生产执行逻辑的显式定义，以及对工厂模型中不同对象之间相互作用的定义，都是根据实际的生产作业来实现的。& & & & SIMATICITProductionSuite提供了对于第三方组件和已有应用程序进行集成的能力。这样一来，很多现场应用程序就可以集成进来，并按照SIMATICIYFramework中定义的逻辑进行协调和调用。& & & & 通过SIMATICITFramework，可以在基于图形化规则的环境中对企业业务流程进行建模，这就给生产流程的描述提供了一种通俗易懂的方式。这种图形化模型将制造系统的功能进行了细化。& & & & 按照ISA-95中定义的MES系统模型，SIMATICITPro-ductionSuite涵盖了其中大部分功能，这也在一定程度上体现了SIMATICIT研发的指导方针。西门子公司是ISA-95委员会中的正式会员，拥有表决权。& & & & SIMATICITProductionSuite的设计保证了它可以在不同的工厂中快速推广实施，这对于多地点、多工厂结构的集团企业来说，是极为有利的。因为，这样可以在最大程度上节约实施成本。& & & & SIMIATICITProductionSuite及其组件涵盖了MES在任何制造背景下所需的核心功能。西门子公司提供完整的解决方案，这是TIA(全面集成自动化)概念的一部分。SIMATICIT是MES的主角。SIMATICIT积极地拓展了全面集成自动化的理念，使得第三方软件及组件也可以加入进来。通过这种方式，用户不需要进行复杂的技术封装就可以完成相应的解决方案。很多西门子产品都预置了大量只要经过初始化就可以使用的对象。& & & & 六、结语& & & & 从国外的发展趋势看，已经形成了一批MES软件产品和解决方案，出现了一批以MES为核心产品的工业企业管理应用软件公司，而且企业信息技术应用的焦点已经由ERP转向MES，然而MES的标准化仍有大量工作要做。& & & & 从国内的发展趋势看，CIMS、MES、ERP等概念都进入中国较早，但只以DCS为代表的底层自动化和以ERP为代表的管理系统普及速度较快，因此，中国工业企业的信息孤岛和缺损环链现象比国外更为突出，也就是对MES层的认识相对落后，但是，确实有一些公司在加快开发中国式的MES产品或应用国外的MES产吕，而且势头较好，同时，在认识观念上由关注ERP到关注MES的转变也已开始。& & & & 从技术角度看，MES的功能正在向控制层和计划层渗透，三层结构的分工可能更模糊。MES功能中的计划排产与执行调度模块(APS)越发突出的推广普及。它应是MES的核心。单一功能的MES产品正在向集成的MES和整体解决方案发展。信息技术领域的分布对象技术(CORBA、DCOM等)标准日臻成熟是MES发展和集成的基础。DCS和ERP的普及和提高进一步推动了MES的发展和推广。
原文来自：http://www.meshot.com/ShiChangZhanWang/.htm
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