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摘要：隨著企業計算機應用的不斷推廣，企業信息化應用水平逐漸提高，企業越來越需要車間執行層的管理信息系統。因此如何深刻理解MES內涵，把握它的發展趨勢，在我國企業中開發和應用好MES，對于提高企業競爭力，縮小與發達國家企業差距是迫在眉睫的事情，也將是企業信息化水平深層次推進的需要。
關鍵詞：MES；模型；現狀；發展趨勢

Abstract: Along with the business  calculator application's expansion continuously, gradual exaltation of information-based application level of business , the business  needs the workshop management information system more and more.Therefore how to comprehend the content of MES, hold its development trend, develop and apply EMS in the enterprises of our country, is of utmost urgency to the competition ability's improvement of enterprises and reducing the disparity with foreign business. It is also the demand of developing the business information level.
Key words: MES; Model; Current situation; Development trend

1  引言

    21世紀的企業面臨著日益激烈的國際競爭，要想贏得市場、贏得用戶就必須通過實施MRPⅡ/ERP來加強管理。然而上層生產計劃管理受市場影響越來越大，明顯感到計劃跟不上變化。面對客戶對交貨期的苛刻要求，面對更多產品的改型，訂單的不斷調整，企業決策者認識到，計劃的制訂要依賴于市場和實際的作業執行狀態，而不能完全以物料和庫存回報來控制生產。同時MRPⅡ/ERP軟件主要是針對資源計劃，這些系統通常能處理昨天以前發生的事情（作歷史分析），亦可預計并處理明天將要發生的事件，但對今天正在發生的事件卻往往留下了不規范的缺口。而傳統生產現場管理只是一個黑箱作業，這已無法滿足今天復雜多變的競爭需要。因此如何將黑箱作業透明化，找出任何影響產品品質和成本的問題，提高計劃的實時性和靈活性，同時又能改善生產線的運行效率已成為目前每個企業十分關心的問題。
    制造執行系統（MES）恰好能填補這一空白。MES是處于計劃層和車間層操作控制系統SFC之間的執行層，主要負責生產管理和調度執行。它通過控制包括物料、設備、人員、流程指令和設施在內的所有工廠資源來提高制造競爭力，提供一種系統的在統一平臺上集成諸如質量控制、文檔管理、生產調度等功能的方式，從而實現企業實時化的ERP/MES/SFC系統。
    MES是美國管理界20世紀90年代提出的新概念。美國先進制造研究機構AMR（Advanced Manufacturing Research）通過對大量企業的調查發現現有的企業生產管理系統普遍由以ERP/MRPII為代表的企業管理軟件，以SCADA、HMI（Human Machine Interface）為代表的生產過程監控軟件和以實現操作過程自動化，支持企業全面集成的MES軟件群組成。由于MES強調控制和協調，使現代制造業信息系統不僅有很好的計劃系統，而且能使計劃落實到實處的執行系統。因此MES在國外的企業中迅速推廣開來，并給企業帶來了巨大的經濟效益。企業認識到只有將數據信息從產品級取出，穿過操作控制級，送達管理級，通過連續信息流來實現企業信息全集成才能使企業在日益激烈的競爭中立于不敗之地。
    隨著企業生產模式逐漸向敏捷制造發展，企業業務流程重組（BPR）的實施、企業環境的異構性以及企業間動態聯盟的組建等等對MES又提出了更高的要求，傳統的MES解決方案難以適應敏捷制造的要求，面向敏捷制造的MES不僅要費用合理更要具有良好的適應性（adptable），可重構性（reconfigurable）和可集成性（integratable），因此，國外許多組織和研究機構開始研究面向敏捷制造的MES。

2  MES典型模型

2.1  MES內涵
    MES的需求是這十多年來生產形態的變革所產生的，因而它的發展史比MIS、MRP、CAD/CAM等要短，但人們對它的研究和應用卻開展的非常迅速，MESA International（MES國際聯合會）是以宣傳MES思想和產品為宗旨的貿易聯合會，它為了幫助其成員組織在企業界推廣MES制定了一系列研究、分析和開發計劃。MES國際聯合會對MES的定義是：MES能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。當工廠發生實時事件時，MES能對作出及時反應、報告，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。這種對狀態變化的迅速響應使MES能夠減少企業內部沒有附加值的活動，有效地指導工廠的生產運作過程，從而使其既能提高工廠及時交貨能力，改善物料的流通性能，又能提高生產回報率。MES還通過雙向的直接通訊在企業內部和整個產品供應鏈中提供有關產品行為的關鍵任務信息。
    從以上定義可看出MES的關鍵是強調整個生產過程的優化，它需要收集生產過程中大量的實時數據，并對實時事件及時處理。同時又與計劃層和控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應數據并反饋處理結果和生產指令。因此,MES不同于以派工單形式為主的生產管理和輔助的物料流為特征的傳統車間控制器，也不同于偏重于作業與設備調度為主的單元控制器，而應將MES作為一種生產模式, 把制造系統的計劃和進度安排、追蹤、監視和控制、物料流動、質量管理、設備的控制和計算機集成制造接口（CIM）等一體化去考慮，以最終實施制造自動化戰略。如圖1所示，反應了MES在企業生產管理中的數據流圖和所處地位。

圖1  MES在企業生產管理中的數據流圖和所處地位

2.2  MES的框架模型
    20世紀80年代后期，隨著計算機技術和網絡技術的迅速發展，流程工業控制中出現了多學科間的相互滲透與交叉；同時，信號處理技術、計算機技術、通信技術及計算機網絡與自動控制技術的結合使過程控制開始突破自動化孤島模式，出現了集控制、優化、調度、管理和經營于一體的綜合自動化新模式。
    20世紀90年代，隨著計算機技術的日新月異，計算機集成生產系統的研究已成為自動化領域的一個前沿課題。國外大型流程工業企業，特別是石油化工企業，均十分重視信息集成技術的應用，紛紛以極大的熱情和精力，構架工廠級、公司級甚至超公司級的信息集成系統。它以面向數據（而非面向應用）的模型為核心系統，連接實時數據庫和關系數據庫，對生產過程進行過程監視、控制和診斷、環境監測、單元整合、模擬和優化，并在管理決策層進行物料平衡、生產計劃、調度、排產、企業資源計劃、離線在線模擬與優化等。
據國外資料統計，石油化工企業為提高經濟效益所采取的各項控制及優化技術主要有：裝置的先進控制技術、庫存管理、化驗室自動化管理、公用工程優化和生產調度的優化等，其中生產調度的優化產生的經濟效益是最明顯的。這樣，就使流程工業綜合自動化系統中原來難以處理的具有生產與管理雙重性質的信息問題得到了解決。目前，這已成為西方先進工業國家流程工業綜合自動化系統理論和產品的主流框架。
2.3  MES的定位模型
    MES作為面向制造的系統必然要與企業其它生產管理系統有密切關系，MES在其中起到了信息集線器（Information Hub）的作用，它相當于一個通訊工具為其它應用系統提供生產現場的實時數據。MES的定位模型如圖2所示，可看出MES與其它分系統之間有功能重疊的關系，例如MES，CRM，ERP中都有人力資源管理，MES和PDM兩者都具有文檔控制功能，MES和SCM中也同樣有調度管理等等。各系統重疊范圍的大小與工廠的實際執行情況有關，但每個系統的價值又是唯一的。

圖2  MES的定位模型

2.4  MES的功能模型
    MES本身也是各種生產管理的功能軟件集合，MESA通過其各成員的實踐歸納了11個主要的MES功能模塊，包括：工序詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文檔控制、產品跟蹤和產品清單管理、性能分析和數據采集。實際的產品可能是包含其中一個或幾個功能模塊。各模塊的功能簡述如下：
    (1)  工序詳細調度  通過基于有限資源能力的作業排序和調度來優化車間性能。
    (2)  資源分配和狀態管理  指導勞動者、機器、工具和物料如何協調的進行生產，并跟蹤其現在的工作狀態和剛剛完工情況。
    (3)  生產單元分配  通過生產指令將物料或加工命令送到某一加工單元開始工序或工步的操作。
    (4)  文檔控制  管理和分發與產品、工藝規程、設計或工作令有關的信息，同時也收集與工作和環境有關的標準信息。
    (5)  產品跟蹤和產品清單管理  通過監視工件在任意時刻的位置和狀態來獲取每一個產品的歷史紀錄，該記錄向用戶提供產品組及每個最終產品使用情況的可追溯性。
    (6)  性能分析  將實際制造過程測定的結果與過去的歷史記錄和企業制定的目標以及客戶的要求進行比較，其輸出的報告或在線顯示用以輔助性能的改進和提高。
    (7)  人力資源管理  提供按分鐘級更新的員工狀態信息數據（工時、出勤等），基于人員資歷、工作模式、業務需求的變化來指導人員的工作。
    (8)  維護管理  通過活動監控和指導保證機器和其它資產設備的正常運轉以實現工廠的執行目標。
    (9)  過程管理  基于計劃和實際產品制造活動來指導工廠的工作流程。這一模塊的功能實際上也可由生產單元分配和質量管理來實現。這里是作為一個單獨的系統來實現。
    (10)  質量管理  根據工程目標來實時記錄、跟蹤和分析產品和加工過程的質量，以保證產品的質量控制和確定生產中需要注意的問題。
    (11)  數據采集  監視、收集和組織來自人員、機器和底層控制操作數據以及工序、物料信息，這些數據可由車間手工錄入或由各種自動方式獲取。

3  MES的應用發展現狀及建議

3.1  MES發展現狀
    MES作為生產形態變革的產物，其起源大多源自工廠的內部需求，傳統的MES（T-MES）就是從20世紀70年代的零星車間級應用發展起來的，在積累了相當的經驗后，逐漸形成了一些從事MES開發的專業公司，并且其系統也開發出了相當成熟的標準。通常他們都是針對特定的生產類型，或特定的功能需求而開發出較為標準化的MES，并擁有了一定的市場份額。MES雖然它的提出是在MRPⅡ/ERP之后，處在控制層和計劃層中間的執行層，它在計劃層的控制下，從底層控制系統采集與生產有關的實時數據，并進行短期生產作業的計劃調度、監控、資源配置和生產過程的優化等工作。要在現有MES系統的基礎上建立更高級的計劃層系統，必須首先搞清MES系統建設的現狀。
    MES系統主要有專用MES系統和集成MES系統兩類，若現有系統是專用系統，它就是針對某個特定領域的問題而開發的系統，如車間維護、生產監控、有限能力調度或是SCADA等。它的系統重構性能弱，很難隨業務過程的變化而進行功能配置和動態改變。在進一步實施企業高級信息系統的時候，要考慮整個系統的整合性，最好是自行開發或是進行客戶化的訂制，充分考慮原有MES系統的結構和功能，并將新系統與原有系統進行無縫集成。若現有系統是集成MES系統，則具有良好的集成性、能實現客戶化、可重構、可擴展和互操作等特性，能方便地實現不同廠商之間的集成和原有系統的保護以及即插即用（P&P）等功能。企業則可以從一些成熟的、擴展性好的套裝軟件中選擇適合自己企業需要的軟件系統。
    在考察原有MES系統的同時，還要考慮新的計劃層系統是否需要改進原有的MES系統，原有系統是否能夠滿足新系統建設的需要。例如，ERP系統需要MES提供的周期盤點次數、生產能力、材料消耗、勞動力和生產線運行性能、在制品（WIP）存放位置和狀態、實際定單執行等涉及生產運行的數據；SCM系統需要從MES中取到生產訂單的實際狀態、企業當前的實際生產能力情況以及企業中生產換班的相互約束關系；CRM系統的成功報價和準時交貨需要MES系統提供每個時刻生產的實際情況等等?，F有的MES系統是否能提供這些數據，滿足這些需要，如果不能，則首先要改進MES系統本身。
3.2  MES的幾點建議
    當明確了企業需求，認清了現有MES系統現狀之后，不論是自行開發適應企業需要的軟件系統，還是采用成形的套裝軟件，都必須注意以下幾個問題：
    (1)  要注重流程生產行業的特點。目前市場上的大多數MRPII/ERP系統是從離散制造業發展過來的，對離散制造業比較適合。在自行開發或采用套裝軟件的時候，要注意流程企業的一些特點，例如在生產計劃方式方面主要是市場預測為主，在成本核算方面主要采用平行結轉法，在作業計劃調度方面僅以整個流水生產線為單元進行調度等。
    (2)  要重視MES系統項目的實施。目前大部分國有企業使用的所謂MES或SFCS系統，都是解決實際工廠制造執行系統部分映像功能的軟件而已，還不是標準意義的MES系統軟件。MES系統入門門檻應該是比較高的，說低只是因為不是準確意義上的MES系統。要把MES系統按項目來作，因為在國內企業對管理軟件的使用，或者說對管理的認知與態度不對（希望對軟件做的每一個動作都可以回復或取消，對于工作流程不能夠做到標準化，或者變動太隨意等）。
    (3)  要強調系統的整合性，避免信息化孤島。從AMR三層企業集成模型來看，計劃層系統需要與MES系統緊密銜接起來，才能發揮其巨大作用。脫離了MES的計劃層系統，就脫離了底層數據的支撐，其產生的結果也是不可靠的。要保證MES系統與計劃層系統采用的是統一、規范的數據格式和存取方式，不僅要讓MES為計劃層系統提供數據來源，還要讓計劃層的計劃來控制MES系統。例如，ERP的計劃數據是MES進行生產調度的依據；SCM通過外來物料的采購和供應時間控制著生產計劃的制定和某些零件在工廠中的生產活動時間；CRM的采購訂單中的具體客戶要求是指導工廠生產的重要依據；PDM則為MES提供實際生產的工藝文件和各種配方及操作參數。
    (4)  要注意相同模塊的不同側重點。在企業即將實施的管理系統中可能有一些功能模塊在MES系統中已經有了，例如MES、ERP中都有人力資源管理模塊；MES和PDM（Product Data Management，產品數據管理）都具有文檔控制功能；MES和SCM中都有調度管理等等。出現了這種功能重疊的關系該怎么辦？實際上，各個系統同一類模塊的側重點是不同的。如人力資源管理這一模塊，MES系統主要記錄的是工人工作的情況，而ERP中的人力資源模塊則側重每個員工各項信息的管理，包括個人信息、薪資待遇等。
    (5)  要做好MES和ERP的銜接工作。這主要是由于我國絕大多數制造業做管理信息化的IT企業和做MES的工控企業并不合作，很多ERP廠商都已經明白這樣一個道理，不留接口，就管不著生產線，也就意味著ERP在生產方面永遠是粗放管理。因此，ERP廠商需要留出一定的接口，為MES的數據上傳做準備，MES廠商則負責將數據上傳，并按照ERP留出的接口進行數據的整合和管理。
    (6)  要重視階段化的成果積累。企業信息化建設的投資，動輒就上百萬上千萬，甚至上億。要保證這么大一筆資金投下去一定能產生投資回報，就更應當注重階段化的成果。這就要求企業在進行信息化建設時找準切入點，整體規劃，分期實施整個項目，并對MES系統的階段化成果進行很好的總結，為以后的更好應用實施打下堅實的基礎。

4  MES的發展趨勢

4.1  MES軟件開發及應用市場的兩個動向
    MES軟件開發商和MES的系統集成商正在受到來自兩方面的擠壓，即ERP軟件開發商和系統集成商自上向下的滲透，將其功能擴展到MES來，以及HMI和SCADA軟件開發商和系統集成商從下向上的沖擊，增加MES的功能。
    實力雄厚的自動化系統供應商（如Siemens，Rockwell Automation）都在采取并購一些卓有成效的MES公司，或開發MES軟件包來搶占MES的市場。目前的MES軟件產品并不是適合所有行業的。
4.2  MES的效益及趨勢
    MES是面向車間層的生產管理技術與實時信息系統，它是實施企業敏捷制造戰略，實現車間生產敏捷化的基本技術手段。由于MES強調控制和協調，使現代制造業信息系統不僅有很好的計劃系統，而且能使計劃落實到實處的執行系統。因此短短幾年間MES在國外的企業中迅速推廣開來，并給企業帶來了巨大的經濟效益。
    我國企業實施以MRPII/ERP為主的企業管理軟件有將近20年的歷史，在業界，存在著為數龐大的ERP廠商和開發軍團，但這部分廠商只有較少部分會向MES的方向發展，其原因是：MES與工業控制緊密結合，其研發和實施需要很強的工業自動化基礎和工業現場工程經驗，這是一道比較高的技術門檻，將很多ERP類型的IT廠商拒之門外。但隨著行業和經濟規模的發展，會有相當部分的IT廠商與自動化廠商、制造型企業合并或緊密合作，在2～3年后，MES廠商可能會如雨后春筍般涌現，其技術和實施手段也必然將日趨成熟。

5  結論

    (1)  MES在整個企業信息集成系統中承上啟下，是生產活動與管理活動信息溝通的橋梁。不實施MES，管控一體化只是一句空話。對于面向制造加工業和過程工業的ERP，脫離MES將無法根據市場需求去組織、管理和優化生產。
    (2)  MES技術在過去十年來已顯著地成熟。但MES的發展和應用是一個過程，而不是一個事件，不可能想象成功的MES實施是可以一蹴而就的。要取得長期的成功，要求改造制造環境，要求獲得有組織的支持，要求管理機制作適應性的改變。與此同時，MES軟件在改善維護、改善與其它IT管理軟件的接口等方面也有待于進一步發展、提高。
    (3)  要使企業信息技術網絡的投資迅速取得回報，從MES人手是一種明智的選擇。但是MES的實施需要恰當的規劃和細致的分析，可從旨在解決一兩個當務之急的工廠生產瓶頸問題著手，逐步地擴大。
    (4)  以往MES通常是一個很大的整體軟件系統，其定制和維護的成本很高。隨著計算機支撐技術的發展，開發更加模塊化、更具柔性的MES系統成為可能，實施和維護MES的成本大大降低。因此，MES作為流程CIMS的核心，在石油、化工、制藥及制漿造紙等流程工業的綜合自動化進程中有好的應用前景。
    制造執行系統（MES）軟件彌合了企業計劃層和生產車間過程控制系統之間的間隔，是制造過程信息集成的紐帶。MES通過強調制造過程的整體優化來幫助企業實施完整的閉環生產，同時也為敏捷制造企業的實施提供了良好的基礎。深刻理解MES這一先進的管理思想，把握它的發展趨勢，對于如何在我國正確的研究和推廣MES應用具有重要的理論和應用價值。