制造执行系统MES现状及发展趋势探讨

引 言

21世纪的企业面临着日益激烈的国际竞争，要想赢得市场、赢得用户就必须通过实施MRPII/ERP来加强管理。然而上层生产计划管理受市场影响越来越大，明显感到计划跟不上变化。面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多产品的改型，订单的不断调整，企业决策者认识到，计划的制订要依赖于市场和实际的作业执行状态，而不能完全以物料和库存回报来控制生产。同时MRPⅡ/ERP软件主要是针对资源计划，这些系统通常能处理昨天以前发生的事情（作历史分析），亦可预计并处理明天将要发生的事件，但对今天正在发生的事件却往往留下了不规范的缺口。而传统生产现场管理只是一个黑箱作业，这已无法满足今天复杂多变的竞争需要。因此如何将黑箱作业透明化，找出任何影响产品品质和成本的问题，提高计划的实时性和灵活性，同时又能改善生产线的运行效率已成为目前每个企业十分关心的问题。

制造执行系统（MES）恰好能填补这一空白。MES是处于计划层和车间层操作控制系统SFC之间的执行层，主要负责生产管理和调度执行。它通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造竞争力，提供一种系统的在统一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的方式。从而实现企业实时化的ERP/MES/SFC系统。

MES是美国管理界90年代提出的新概念。美国先进制造研究机构AMR(Advanced Manufacturing Research)通过对大量企业的调查发现现有的企业生产管理系统普遍由以ERP/MRPII为代表的企业管理软件，以SCADA、HMI(Human Machine Inteface)为代表的生产过程监控软件和以实现操作过程自动化，支持企业全面集成的MES软件群组成。由于MES强调控制和协调，使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统，而且能使计划落实到实处的执行系统。因此MES在国外的企业中迅速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益。企业认识到只有将数据信息从产品级取出，穿过操作控制级，送达管理级，通过连续信息流来实现企业信息全集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。

随着企业生产模式逐渐向敏捷制造发展，企业业务流程重组（BPR）的实施、企业环境的异构性以及企业间动态联盟的组建等等对MES又提出了更高的要求，传统的MES解决方案难以适应敏捷制造的要求，面向敏捷制造的MES不仅要费用合理更要具有良好的适应性（adptable），可重构性(reconfigurable)和可集成性(integratable)，因此，国外许多组织和研究机构开始研究面向敏捷制造的MES。

一、MES 典型模型

1、 MES内涵
MES的需求是这十多年来生产形态的变革所产生的，因而它的发展史比MIS、MRP、CAD/CAM等要短，但人们对它的研究和应用却开展的非常迅速，MESA International (MES国际联合会)是以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会，它为了帮助其成员组织在企业界推广MES制定了一系列研究、分析和开发计划。MES国际联合会对MES的定义是：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。当工厂发生实时事件时，MES能对作出及时反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。

从以上定义可看出MES的关键是强调整个生产过程的优化，它需要收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理。同时又与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。因此,MES不同于以派工单形式为主的生产管理和辅助的物料流为特征的传统车间控制器，也不同于偏重于作业与设备调度为主的单元控制器，而应将MES作为一种生产模式, 把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理、设备的控制和计算机集成制造接口（CIM）等一体化去考虑，以最终实施制造自动化战略。如图反应了MES在企业生产管理中的数据流图和所处地位。

2、MES的框架模型
20世纪80年代后期，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，流程工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉；同时，信号处理技术、计算机技术、通信技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理和经营于一体的综合自动化新模式。

20世纪90年代，随着计算机技术的日新月异，计算机集成生产系统的研究已成为自动化领域的一个前沿课题。国外大型流程工业企业，特别是石油化工企业，均十分重视信息集成技术的应用，纷纷以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统。它以面向数据（而非面向应用）的模型为核心系统，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进行过程监视、控制和诊断、环境监测、单元整合、模拟和优化。并在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、排产、企业资源计划、离线在线模拟与优化等。

据国外资料统计，石油化工企业为提高经济效益所采取的各项控制及优化技术主要有：装置的先进控制技术、库存管理、化验室自动化管理、公用工程优化和生产调度的优化等，其中生产调度的优化产生的经济效益是最明显的。这样，就使流程工业综合自动化系统中原来难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到了解决。目前，这已成为西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论和产品的主流框架。

3、MES的定位模型
MES作为面向制造的系统必然要与企业其它生产管理系统有密切关系，MES在其中起到了信息集线器（Information Hub）的作用，它相当于一个通讯工具为其它应用系统提供生产现场的实时数据。MES的定位模型如图所示，可看出MES与其它分系统之间有功能重叠的关系，例如MES，CRM，ERP中都有人力资源管理，MES和PDM两者都具有文档控制功能，MES和SCM中也同样有调度管理等等。各系统重叠范围的大小与工厂的实际执行情况有关，但每个系统的价值又是唯一的。

4、MES的功能模型
MES本身也是各种生产管理的功能软件集合，MESA通过其各成员的实践归纳了十一个主要的MES功能模块，包括：工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集。实际的产品可能是包含其中一个或几个功能模块。各模块的功能简述如下：
（1）工序详细调度：通过基于有限资源能力的作业排序和调度来优化车间性能。
（2）资源分配和状态管理： 指导劳动者，机器，工具和物料如何协调的进行生产，并跟踪其现在的工作状态和刚刚完工情况。
（3）生产单元分配：通过生产指令将物料或加工命令送到某一加工单元开始工序或工步的操作。
（4） 文档控制： 管理和分发与产品，工艺规程，设计，或工作令有关的信息，同时也收集与工作和环境有关的标准信息。
（5）产品跟踪和产品清单管理： 通过监视工件在任意时刻的位置和状态来获取每一个产品的历史纪录，该记录向用户提供产品组及每个最终产品使用情况的可追溯性。
（6）性能分析 ：将实际制造过程测定的结果与过去的历史记录和企业制定的目标以及客户的要求进行比较。其输出的报告或在线显示用以辅助性能的改进和提高。
（7）人力资源管理：提供按分钟级更新的员工状态信息数据（工时，出勤等），基于人员资历，工作模式，业务需求的变化来指导人员的工作。
（8）维护管理： 通过活动监控和指导保证机器和其它资产设备的正常运转以实现工厂的执行目标。
（9）过程管理：基于计划和实际产品制造活动来指导工厂的工作流程。这一模块的功能实际上也可由生产单元分配和质量管理来实现。这里是作为一个单独的系统来实现。
（10）质量管理：根据工程目标来实时记录，跟踪和分析产品和加工过程的质量，以保证产品的质量控制和确定生产中需要注意的问题。
（11） 数据采集：监视，收集和组织来自人员，机器和底层控制操作数据以及工序，物料信息。这些数据可由车间手工录入或由各种自动方式获取。

二、MES的应用发展现状及建议

1、MES发展现状
MES作为生产形态变革的产物，其起源大多源自工厂的内部需求，传统的MES（T-MES）就是从70年代的零星车间级应用发展起来的，在积累了相当的经验后，逐渐形成了一些从事MES开发的专业公司，并且其系统也开发出了相当成熟的标准。通常他们都是针对特定的生产类型，或特定的功能需求而开发出较为标准化的MES，并拥有了一定的市场份额。MES虽然它的提出是在MRPⅡ/ERP之后，处在控制层和计划层中间的执行层，它在计划层的控制下，从底层控制系统采集与生产有关的实时数据，并进行短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程的优化等工作。要在现有MES系统的基础上建立更高级的计划层系统，必须首先搞清MES系统建设的现状。。

MES系统主要有专用MES系统和集成MES系统两类，若现有系统是专用系统，它就是针对某个特定领域的问题而开发的系统，如车间维护、生产监控、有限能力调度或是SCADA等。它的系统重构性能弱，很难随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。在进一步实施企业高级信息系统的时候，要考虑整个系统的整合性，最好是自行开发或是进行客户化的订制，充分考虑原有MES系统的结构和功能，并将新系统与原有系统进行无缝集成。若现有系统是集成MES系统，则具有良好的集成性、能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之间的集成和原有系统的保护以及即插即用（P&P）等功能。企业则可以从一些成熟的、扩展性好的套装软件中选择适合自己企业需要的软件系统。
　　
在考察原有MES系统的同时，还要考虑新的计划层系统是否需要改进原有的MES系统，原有系统是否能够满足新系统建设的需要。例如，ERP系统需要MES提供的周期盘点次数、生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品(WIP)存放位置和状态、实际定单执行等涉及生产运行的数据；SCM系统需要从MES中取到生产订单的实际状态、企业当前的实际生产能力情况以及企业中生产换班的相互约束关系；CRM系统的成功报价和准时交货需要MES系统提供每个时刻生产的实际情况等等。现有的MES系统是否能提供这些数据，满足这些需要，如果不能，则首先要改进MES系统本身。

2、MES的几点建议
当明确了企业需求，认清了现有MES系统现状之后，不论是自行开发适应企业需要的软件系统，还是采用成形的套装软件，都必须注意以下几个问题：
　　1．要注重流程生产行业的特点。目前市场上的大多数MRPII/ERP系统是从离散制造业发展过来的，对离散制造业比较适合。在自行开发或采用套装软件的时候，要注意流程企业的一些特点，例如在生产计划方式方面主要是市场预测为主，在成本核算方面主要采用平行结转法，在作业计划调度方面仅以整个流水生产线为单元进行调度等。
　　2、要重视MES系统项目的实施。目前大部分国有企业使用的所谓MES或SFCS系统，都是解决实际工厂制造执行系统部分映像功能的软件而已，还不是标准意义的MES系统软件。MES系统入门门槛应该是比较高的，说低只是因为不是准确意义上的MES系统。要把MES系统按项目来作，因为在国内企业对管理软件的使用，或者说对管理的认知与态度不对（希望对软件做的每一个动作都可以回复或取消，对于工作流程不能够做到标准化，或者变动太随意等）。
3．要强调系统的整合性，避免信息化孤岛。从AMR三层企业集成模型来看，计划层系统需要与MES系统紧密衔接起来，才能发挥其巨大作用。脱离了MES的计划层系统，就脱离了底层数据的支撑，其产生的结果也是不可靠的。要保证MES系统与计划层系统采用的是统一、规范的数据格式和存取方式，不仅要让MES为计划层系统提供数据来源，还要让计划层的计划来控制MES系统。例如，ERP的计划数据是MES进行生产调度的依据；SCM通过外来物料的采购和供应时间控制着生产计划的制定和某些零件在工厂中的生产活动时间；CRM的采购订单中的具体客户要求是指导工厂生产的重要依据；PDM则为MES提供实际生产的工艺文件和各种配方及操作参数。
　　4．要注意相同模块的不同侧重点。在企业即将实施的管理系统中可能有一些功能模块在MES系统中已经有了，例如MES、ERP中都有人力资源管理模块；MES和PDM都具有文档控制功能；MES和SCM中都有调度管理等等。出现了这种功能重叠的关系该怎么办？实际上，各个系统同一类模块的侧重点是不同的。如人力资源管理这一模块，MES系统主要记录的是工人工作的情况，而ERP中的人力资源模块则侧重每个员工各项信息的管理，包括个人信息、薪资待遇等等。
　　5．要做好MES和ERP的衔接工作。这主要是由于我国绝大多数制造业做管理信息化的IT企业和做MES的工控企业并不合作，很多ERP厂商都已经明白这样一个道理，不留接口，就管不着生产线，也就意味着ERP在生产方面永远是粗放管理。因此，ERP厂商需要留出一定的接口，为MES的数据上传做准备，MES厂商则负责将数据上传，并按照ERP留出的接口进行数据的整合和管理。
6．要重视阶段化的成果积累。企业信息化建设的投资，动辄就上百万上千万，甚至上亿。要保证这么大一笔资金投下去一定能产生投资回报，就更应当注重阶段化的成果。这就要求企业在进行信息化建设时找准切入点，整体规划，分期实施整个项目。并对MES系统的阶段化成果进行很好的总结，为以后的更好应用实施打下坚实的基础。

三、MES的发展趋势

1、MES软件开发及应用市场的两个动向
MES软件开发商和MES的系统集成商正在受到来自两方面的挤压，即ERP软件开发商和系统集成商自上向下的渗透，将其功能扩展到MES来，以及HMI和SCADA软件开发商和系统集成商从下向上的冲击，增加MES的功能。

实力雄厚的自动化系统供应商(如Siemens，Rockwell Automation)都在采取并购一些卓有成效的MES公司，或开发MES软件包来抢占MES的市场。目前的MES软件产品并不是适合所有行业的。

2、MES的效益及趋势
MES是面向车间层的生产管理技术与实时信息系统，它是实施企业敏捷制造战略，实现车间生产敏捷化的基本技术手段。由于MES强调控制和协调,使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统，而且能使计划落实到实处的执行系统。因此短短几年间MES在国外的企业中迅速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益。

我国企业实施以MRPII/ERP为主的企业管理软件有将近20年的历史，在业界，存在着为数庞大的ERP厂商和开发军团，但这部分厂商只有较少部分会向MES的方向发展，其原因是：MES与工业控制紧密结合，其研发和实施需要很强的工业自动化基础和工业现场工程经验，这是一道比较高的技术门槛，将很多ERP类型的IT厂商拒之门外。但随着行业和经济规模的发展，会有相当部分的IT厂商与自动化厂商、制造型企业合并或紧密合作，在2-3年后，MES厂商可能会如雨后春笋般涌现，其技术和实施手段也必然将日趋成熟。

结 论

(1)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。不实施MES，管控一体化只是一句空话。对于面向制造加工业和过程工业的ERP，脱离MES将无法根据市场需求去组织、管理和优化生产。
(2)MES技术在过去十年来已显著地成熟。但MES的发展和应用是一个过程，而不是一个事件，不可能想象成功的MES实施是可以一蹴而就的。要取得长期的成功，要求改造制造环境，要求获得有组织的支持，要求管理机制作适应性的改变。与此同时，MES软件在改善维护、改善与其它IT管理软件的接口等方面也有待于进一步发展、提高。
(3)要使企业信息技术网络的投资迅速取得回报，从MES人手是一种明智的选择。但是MES的实施需要恰当的规划和细致的分析，可从旨在解决一两个当务之急的工厂生产瓶颈问题着手，逐步地扩大。
(4)以往MES通常是一个很大的整体软件系统，其定制和维护的成本很高。随着计算机支撑技术的发展，开发更加模块化、更具柔性的MES系统成为可能，实施和维护MES的成本大大降低。因此，MES作为流程CIMS的核心，在石油、化工、制药及制浆造纸等流程工业的综合自动化进程中有好的应用前景。

制造执行系统（MES）软件弥合了企业计划层和生产车间过程控制系统之间的间隔，是制造过程信息集成的纽带。MES通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，同时也为敏捷制造企业的实施提供了良好的基础。深刻理解MES这一先进的管理思想，把握它的发展趋势，对于如何在我国正确的研究和推广MES应用具有重要的理论和应用价值。