国际制造执行系统MES应用与发展

国际制造执行系统(MES)应用与发展企业涪息技术应用的焦点己经山ERP转向MES,然而MES的标准化仍有大星工作耍做某些专家认为，当今制造业的生存三耍素是信息技术(IT)、供应链管理(SCM)和成批制造技 术使用信息技术就是山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 的流通和配證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， 生产适杲产品的生产计划排产优化技术，并随看生产制造技术的深化，改善対设备的管理这 里，MES技术在企业信息化中扮演着最重要的角色一、MES的产生和发展从20世纪70年代后半期开始，出现了解决个别问题的单一功能的MES系统，如设备状态 监控系统、质量管理系统、包括生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统也就是说， 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，如 图1、图2、图3所示当时，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：一个是横向系统之间的信息孤岛(islandofinformation),二是MRP、MRPIT和 DCS两层之间形成缺损环或链接(missingringorLink)o图1现在信息系统与过去功能模块对照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、质彊信息系统、绩效信息系统、设备信息系统及英整合C形成共识。

与此同时,原來的底 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)o 主要是 POP(生产现场管理，PointotProduction)和 SFC(车间级控制系统，ShopFloorControl)c忖划■««生产AtTB疫»«制造业信息化的发展逬程图2MES(MiinufacturingExecutionSystem)直译成制造执行系统，俗称生产管理系统°直到1990 年，才山AMR组织提出并使用20 1比纪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，用來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),侣导制造业用三层模型(3rdlayemiodel)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，j(U 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不单是而向生产现场的系统， 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•个特立行业的概念，而且应用于冬种制造业的重要信息系统Pro4ttotIrityMS1 erel丄URPII/ERP/SCP・■♦户ttfiatTKtt executionV€SKM*tt Controls SCAOA/MII/DCS5 1992年AMR提岀的3层模型2o» 代 8

大多数这样的产品都是山 一些定制的应用程序逐渐演化而來的，而这些应用程序基本上都是山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（ManufacturingExecutionSystemAssociationIntemational,制造执行系统国际联盟组织）,ISA 都相继开发了相关的模型対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纽.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于段和概 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软件徳国SAP公司的R/3最有名据AMR（AdvancedManufacturingResearch）组织 2003 年统计，SAP 约占壯界 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，英关键业务包括计划、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，提収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丿'啲一商晶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； 山于多种原因，致使49%没有达到预期的社会效益、经济效益和目标英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止是催生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）o本模型包括以下4个主要功能，并山实时数据库支 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（冋路监督控制、数据采集）和质最管理（SQC-统计质最管理、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（processnianufacturing）来说,MES有许多 差异就离散MES jfu言，山于其多殆利|、小批最、混合生产模式，如果只是依靠人工提高效 率是有限的iflJ 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W・・2图6 由MES实现的信息整合结构（1993年提出〉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 实现了纽件化，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 MESo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叠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I I)； (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)o图7 MES的功能模型这一时期，很多团休、政府机构、组织也参与了 MES的标准化以及标准、模烈的研究和建 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耍成 果如下:(l) MESA提出了 MES对象模型,如图8所示EEJI巴胡严］nr雌r~丨2丨■・nl(2) 标准化组织OMG(ObjectManagementGroup)的制造分会(MfgDTF,ManufacturingDomainTaskForce)发彳|j 了 RFI(RequestforInformation)5C件°(3) ISA(IntemationalFederationoftheNationalStandardiz-ingAssociations)的 SP95(EnterpriseControlsystemIntegration)标准委员会发布了 ERP 与 MES 之间的接 I I标准模型。

4) 发布 NIIIP一SMART(NationalIndustrialInforniationInfrastructureProtocols一 SolutionforMESAdaptableReplicableTechnology){i'i 息结构标准5) 山半导体制造技术协会(SEMATECH,Semiconduc-torManufacturingTechnology)发农了 SEMATECH/SEMICIM 平台标准6) NIST—SIMA(NationalInstituteofStandardcmdTech-nology— SystemlntegrationofManufacturingApplications)用 IDEFO 描述了通用业务活动模型 (ActivityModels)o(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年发彳j T 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。

英中SP95.01 L2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英数据结构和农达信息关联的方法 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,intelligentagents,STEP,andworktlow》一书，总结了虚拟 企业集成。