制造执行系统(MES)
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制造执行系统（MES）
MES的概念及产生、发展
MES的概念 制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是随着近十几年 来生产形态的变革而产生的，因而它的发展 史比MIS、ERP、CAD/CAM等要短，但人们 对它的研究和应用却开展的非常迅速。
MES 国 际 联 合 会 （ Manufacturing Execution System Association ， MESA ） 对 MES 的 定 义 是 ： “MES提供为优化从订单投入到产品完成的生产活动 所需的信息。MES运用及时、准确的信息，指导、启 动、响应并记录工厂活动，从而能够对条件的变化做 出迅速的响应，减少非增值活动，提高公司运作过程 的效率。MES在企业和供应链间，以双向交互的形式 提供生产活动的基础信息。”
MES的现状与发展趋势
MES 作为生产形态变革的产物，其根源可追溯到 20 世 纪70年代的零星车间级应用。但MES概念则是美国管理界 于20世纪90年代提出的。
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MRPII/ERP为代表的企业管理软件，以 SCADA、HMI (Human Machine Interface)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。
MES的独到技术 MES涉及的技术领域，很多方面与MRP II、ERP所用技 术相类似。这里仅就MES中较有特色的技术进行说明。 • 运行状态实时采集技术 ：对机器的开 /停、加工运行状态 进行实时采集，为计划控制和动态调度提供及时、准确的 信息支持，使车间管理与控制真正做到实时。 • NC （ Numerical Control ，数控）程序的传输技术 ：在 MES 系统中， NC 程序的双向传输主要解决具有不同传输 协议的数控系统NC程序的传输问题。 • 维修知识库的建立与维修向导技术 ：是MES的一项关键技 术，它可以实现辅助故障诊断，在对故障的统计、归类分 析的基础上，建立故障现象与原因之间的关系，通过决策 树的方式支持故障诊断。
MES的优势
• 携手上下层、优化数据流 MES在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用。在MES 下层，是底层生产控制系统，包括 DCS、PLC、NC/CNC 和 SCADA 或这几种类型的组合；在 MES 上层，则是高层 管理计划系统，包括MRPII/ERP。
从时间因素分析，在MES之上的计划系统考虑的问题域 是中长期的生产计划（时间因子＝ 100倍）；执行层 MES 系统处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题（时间 因子＝10倍）；控制层系统则必须实时地接收生产指令， 使设备正常加工运转（时间因子＝ 1 倍）。它们相互关联、 互为补充，实现企业的连续信息流。
MES的实施 将MES系统导入到企业的运作体系之中，企业需要先完 善管理基础，根据自身情况选择好“合身”的MES软件系 统，而后采用科学的实施方法充分准备，才能促使MES正 式运行、发挥效用。
• MES的管理基础 信息技术可以成为提高企业管理水平的有效手段，但不 会自动地解决企业的管理问题。因为没有健全的管理体系， MES系统信息的及时维护就难以保证，信息就不能得到有 效利用。要想成功实施 MES ，企业必须先在管理上下功 夫——与MES密切相关的工作，包括车间环境、职责分工 以及人员保障等方面。
另外，由于工厂可能会从不同的软件供应商购买适合自 己的 MES 模块，或将现有系统（ legacy system ）集成为 MES功能的一部分，结果导致许多工厂的MES系统实际上 是一个大杂烩，每个系统都有各自的处理逻辑、数据库、 数据模型和通信机制，导致系统很难随技术的更新而进行 升级。
为 了 解 决 MES 与 外 部 系 统 的 集 成 问 题 ， 可 集 成 MES (Integratable MES，I-MES) 逐渐成为人们研究的热点。IMES采用高效的基础框架，通过将面向对象技术、消息机 制和组件技术应用到系统开发中，既大大增强了系统的集 成性和适应性，又能满足关键事物的处理。
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，弥合了企业计划层和生产车间 过程控制系统之间的间隔。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的 竞争力，提供了一种系统地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的产生背景 21世纪，许多企业通过实施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，计划明显跟不 上变化。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，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，即传统生产现场管理是一黑箱作业， 造成了生产计划与生产过程的脱节问题——这一问题长期 以来不仅直接影响企业的生产效率，而且成为制约现代企 业内部信息集成和企业之间供应链优化的瓶颈。
• 流程生产行业和离散制造行业在产品结构、工艺流程、生 产组织方式等方面都存在较大的差别。所以，在MES应用 上，要根据行业特征区别对待，主要是对MRPII/ERP的要 求不同，具体表现在： 1) 对生产模型的要求不同：流程生产行业的生产模型以配 方为核心，而离散行业的生产模型以产品BOM为核心。 2）生产计划方式 不同：流程企业根据市场的需求进行生产， 离散企业根据定单或市场预测作为生产计划制订的依据。 3）作业计划调度不同：离散企业根据优先级、工作中心能 力、设备能力调度，是基于有限能力的调度；流程企业是 连续的生产方式，不需要也无法精确到工序级别，而是以 整个流水生产线为单元进行调度。
I-MES结构分为以下三个层次：领域层(domain-specific layer) 、 对 象 层 (object layer) 和 基 础 架 构 层 (low-level infrastructure layer)。三层之间相互独立，从而为I-MES的 实现提供了技术保证。 I-MES具有一些优点，如单一的逻 辑数据库、统一的数据模型、系统内部良好的集成性等， 从而能实现客户化、可重构和互操作。
根据调查结果，AMR于1992年提出了三层的企 业集成模型（见下图）：
目 前 ， 一 些 从 事 MES 开 发 的 专 业 公 司 （ 如 美 国 的 Consilium，加拿大的 Promise 公司等）拥有一定的市场 份额。但这些公司大多是针对特定的生产类型，或特定的 功能需求而开发出MES，存在着通用性差、可集成性弱、 重构能力差等缺点。
制造企业的控制结构图
如上图所示，计划与控制指令自上而下越来越详细与具 体，而由分布在生产现场的数据采集系统采集的实时数据 自下而上经过层层汇总，数据的综合性越来越强。
在MRP II、ERP系统产生的长期计划的指导下，MES根 据底层控制系统采集的与生产有关的实时数据，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。下图描述了MES在企业中的数据流图。
2）MES的优势
MES的计划调度功能与ERP车间层的功能有些 类似，但 MES 的计划调度的功能比较强，制定的 计划也比较详细； MES一般按车间层和单元层分级制定作业计划， 并对车间的每一台设备或操作人员分派任务，通 常会细化到计划期内每个单元每台设备每天（或 每班）的生产任务 ； MES系统反馈的数据不仅包括每台设备、每个 工序和每个操作人员的数据，还包括加工过程中 的状态数据，而且采用自动化数据采集技术实现 实时采集。
综上所述，如果把 MES 与 ERP 集成起来，不仅能充分 发挥它们各自的优势，还可使MES系统的生产计划更合理， 使ERP系统的数据更及时有效，工作效率更高。
MES的应用
MES应用的行业差异 MES的应用，涉及到具体的生产过程， 故要充分考虑到企业的具体情况，以谋求最 合适的信息化解决方案。
• 企业的生产方式，主要可以分为按定单生产、按库存生产 或上述两者的组合。从生产类型上考虑，则可以分为批量 生产和单件小批生产。从产品类型和生产工艺组织方式上， 企业的行业类型可分为流程生产行业和离散制造行业。 • 典型的流程生产行业有医药、石油化工、电力、钢铁等领 域，主要采用按库存、批量、连续的生产方式。典型的离 散制造行业主要包括机械制造、航空制造、汽车制造等， 既有按定单生产，也有按库存生产；既有批量生产，也有 单件小批生产。
从以上定义看出，MES在工厂综合自动化系统中起着中 间层的作用——在MRP II、ERP系统产生的长期计划的指 导下，MES根据底层控制系统采集的与生产有关的实时数 据，对短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产 过程进行优化。其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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
MES与计划层和控制层的信息交互
•
与ERP优势互补 1）ERP的不足 虽然 ERP 能够很好地解决生产计划问题，但是在车间 这一层次的控制却往往不够完善。而且ERP系统中车间 加工单和调度单的时间跨度（或计划期）常常比较长， 通常为周。但实际时间跨度完全根据系统的实施要求和 控制细度来确定。另外，ERP通常采集主要工序现场信 息的时候，基本靠手工录入，不仅效率低、易出错，而 且输入的数据是基本上是前一个班或前一天的数据，信 息滞后。
企业中MES的数据流图
在信息交互的具体内容方面，MES向上层提交周期盘点 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；向底层控制系统发布生产指令控制及有关的 生产线运行的各种参数等。下图描述了MES与计划层和控 制层的信息交互关系。
4 ）数据采集不同：离散企业以手工上报为主，并可以结合 条形码采集等半自动信息采集技术；流程生产行业的自动 化程度较高，对于MES而言，重点在于系统构建的时候与 这些自动化设备做好数据接口。 5）作业指令的下达不同：离散行业的MES 一般采用派工单、 施工单等书面方式，或采用电子看板方式；流程生产行业 的MES不仅要下达作业指令，还要将作业指令转化为各个 机组及设备的操作指令和各种基础自动化设备的控制参数 （如PID控制参数）。
一个典型的I-MES系统的体系结构 ：
MES的技术架构
MES的功能模块 作为一种计算机辅助生产管理系统， MES重要使命就是实现企业的连续信息流。 MES国际联合会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、物料和过程管理、 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 和数据采集模块。
从层次角度分析，制造企业的控制结构可划分为工厂层 （或公司层）、车间层、单元层（企业的工段或班组）和 设备层。通常，ERP系统处于工厂层和车间层；设备控制 系统处于设备层，有时会扩展到单元层；而MES则总是处 于车间层与单元层。因此，MES与ERP在车间层（有时包 括单元层）的功能上会有部分重复。
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。
MES的概念及产生、发展
MES的概念 制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是随着近十几年 来生产形态的变革而产生的，因而它的发展 史比MIS、ERP、CAD/CAM等要短，但人们 对它的研究和应用却开展的非常迅速。
MES 国 际 联 合 会 （ Manufacturing Execution System Association ， MESA ） 对 MES 的 定 义 是 ： “MES提供为优化从订单投入到产品完成的生产活动 所需的信息。MES运用及时、准确的信息，指导、启 动、响应并记录工厂活动，从而能够对条件的变化做 出迅速的响应，减少非增值活动，提高公司运作过程 的效率。MES在企业和供应链间，以双向交互的形式 提供生产活动的基础信息。”
MES的现状与发展趋势
MES 作为生产形态变革的产物，其根源可追溯到 20 世 纪70年代的零星车间级应用。但MES概念则是美国管理界 于20世纪90年代提出的。
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MRPII/ERP为代表的企业管理软件，以 SCADA、HMI (Human Machine Interface)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。
MES的独到技术 MES涉及的技术领域，很多方面与MRP II、ERP所用技 术相类似。这里仅就MES中较有特色的技术进行说明。 • 运行状态实时采集技术 ：对机器的开 /停、加工运行状态 进行实时采集，为计划控制和动态调度提供及时、准确的 信息支持，使车间管理与控制真正做到实时。 • NC （ Numerical Control ，数控）程序的传输技术 ：在 MES 系统中， NC 程序的双向传输主要解决具有不同传输 协议的数控系统NC程序的传输问题。 • 维修知识库的建立与维修向导技术 ：是MES的一项关键技 术，它可以实现辅助故障诊断，在对故障的统计、归类分 析的基础上，建立故障现象与原因之间的关系，通过决策 树的方式支持故障诊断。
MES的优势
• 携手上下层、优化数据流 MES在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用。在MES 下层，是底层生产控制系统，包括 DCS、PLC、NC/CNC 和 SCADA 或这几种类型的组合；在 MES 上层，则是高层 管理计划系统，包括MRPII/ERP。
从时间因素分析，在MES之上的计划系统考虑的问题域 是中长期的生产计划（时间因子＝ 100倍）；执行层 MES 系统处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题（时间 因子＝10倍）；控制层系统则必须实时地接收生产指令， 使设备正常加工运转（时间因子＝ 1 倍）。它们相互关联、 互为补充，实现企业的连续信息流。
MES的实施 将MES系统导入到企业的运作体系之中，企业需要先完 善管理基础，根据自身情况选择好“合身”的MES软件系 统，而后采用科学的实施方法充分准备，才能促使MES正 式运行、发挥效用。
• MES的管理基础 信息技术可以成为提高企业管理水平的有效手段，但不 会自动地解决企业的管理问题。因为没有健全的管理体系， MES系统信息的及时维护就难以保证，信息就不能得到有 效利用。要想成功实施 MES ，企业必须先在管理上下功 夫——与MES密切相关的工作，包括车间环境、职责分工 以及人员保障等方面。
另外，由于工厂可能会从不同的软件供应商购买适合自 己的 MES 模块，或将现有系统（ legacy system ）集成为 MES功能的一部分，结果导致许多工厂的MES系统实际上 是一个大杂烩，每个系统都有各自的处理逻辑、数据库、 数据模型和通信机制，导致系统很难随技术的更新而进行 升级。
为 了 解 决 MES 与 外 部 系 统 的 集 成 问 题 ， 可 集 成 MES (Integratable MES，I-MES) 逐渐成为人们研究的热点。IMES采用高效的基础框架，通过将面向对象技术、消息机 制和组件技术应用到系统开发中，既大大增强了系统的集 成性和适应性，又能满足关键事物的处理。
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，弥合了企业计划层和生产车间 过程控制系统之间的间隔。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的 竞争力，提供了一种系统地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的产生背景 21世纪，许多企业通过实施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，计划明显跟不 上变化。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，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，即传统生产现场管理是一黑箱作业， 造成了生产计划与生产过程的脱节问题——这一问题长期 以来不仅直接影响企业的生产效率，而且成为制约现代企 业内部信息集成和企业之间供应链优化的瓶颈。
• 流程生产行业和离散制造行业在产品结构、工艺流程、生 产组织方式等方面都存在较大的差别。所以，在MES应用 上，要根据行业特征区别对待，主要是对MRPII/ERP的要 求不同，具体表现在： 1) 对生产模型的要求不同：流程生产行业的生产模型以配 方为核心，而离散行业的生产模型以产品BOM为核心。 2）生产计划方式 不同：流程企业根据市场的需求进行生产， 离散企业根据定单或市场预测作为生产计划制订的依据。 3）作业计划调度不同：离散企业根据优先级、工作中心能 力、设备能力调度，是基于有限能力的调度；流程企业是 连续的生产方式，不需要也无法精确到工序级别，而是以 整个流水生产线为单元进行调度。
I-MES结构分为以下三个层次：领域层(domain-specific layer) 、 对 象 层 (object layer) 和 基 础 架 构 层 (low-level infrastructure layer)。三层之间相互独立，从而为I-MES的 实现提供了技术保证。 I-MES具有一些优点，如单一的逻 辑数据库、统一的数据模型、系统内部良好的集成性等， 从而能实现客户化、可重构和互操作。
根据调查结果，AMR于1992年提出了三层的企 业集成模型（见下图）：
目 前 ， 一 些 从 事 MES 开 发 的 专 业 公 司 （ 如 美 国 的 Consilium，加拿大的 Promise 公司等）拥有一定的市场 份额。但这些公司大多是针对特定的生产类型，或特定的 功能需求而开发出MES，存在着通用性差、可集成性弱、 重构能力差等缺点。
制造企业的控制结构图
如上图所示，计划与控制指令自上而下越来越详细与具 体，而由分布在生产现场的数据采集系统采集的实时数据 自下而上经过层层汇总，数据的综合性越来越强。
在MRP II、ERP系统产生的长期计划的指导下，MES根 据底层控制系统采集的与生产有关的实时数据，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。下图描述了MES在企业中的数据流图。
2）MES的优势
MES的计划调度功能与ERP车间层的功能有些 类似，但 MES 的计划调度的功能比较强，制定的 计划也比较详细； MES一般按车间层和单元层分级制定作业计划， 并对车间的每一台设备或操作人员分派任务，通 常会细化到计划期内每个单元每台设备每天（或 每班）的生产任务 ； MES系统反馈的数据不仅包括每台设备、每个 工序和每个操作人员的数据，还包括加工过程中 的状态数据，而且采用自动化数据采集技术实现 实时采集。
综上所述，如果把 MES 与 ERP 集成起来，不仅能充分 发挥它们各自的优势，还可使MES系统的生产计划更合理， 使ERP系统的数据更及时有效，工作效率更高。
MES的应用
MES应用的行业差异 MES的应用，涉及到具体的生产过程， 故要充分考虑到企业的具体情况，以谋求最 合适的信息化解决方案。
• 企业的生产方式，主要可以分为按定单生产、按库存生产 或上述两者的组合。从生产类型上考虑，则可以分为批量 生产和单件小批生产。从产品类型和生产工艺组织方式上， 企业的行业类型可分为流程生产行业和离散制造行业。 • 典型的流程生产行业有医药、石油化工、电力、钢铁等领 域，主要采用按库存、批量、连续的生产方式。典型的离 散制造行业主要包括机械制造、航空制造、汽车制造等， 既有按定单生产，也有按库存生产；既有批量生产，也有 单件小批生产。
从以上定义看出，MES在工厂综合自动化系统中起着中 间层的作用——在MRP II、ERP系统产生的长期计划的指 导下，MES根据底层控制系统采集的与生产有关的实时数 据，对短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产 过程进行优化。其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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
MES与计划层和控制层的信息交互
•
与ERP优势互补 1）ERP的不足 虽然 ERP 能够很好地解决生产计划问题，但是在车间 这一层次的控制却往往不够完善。而且ERP系统中车间 加工单和调度单的时间跨度（或计划期）常常比较长， 通常为周。但实际时间跨度完全根据系统的实施要求和 控制细度来确定。另外，ERP通常采集主要工序现场信 息的时候，基本靠手工录入，不仅效率低、易出错，而 且输入的数据是基本上是前一个班或前一天的数据，信 息滞后。
企业中MES的数据流图
在信息交互的具体内容方面，MES向上层提交周期盘点 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；向底层控制系统发布生产指令控制及有关的 生产线运行的各种参数等。下图描述了MES与计划层和控 制层的信息交互关系。
4 ）数据采集不同：离散企业以手工上报为主，并可以结合 条形码采集等半自动信息采集技术；流程生产行业的自动 化程度较高，对于MES而言，重点在于系统构建的时候与 这些自动化设备做好数据接口。 5）作业指令的下达不同：离散行业的MES 一般采用派工单、 施工单等书面方式，或采用电子看板方式；流程生产行业 的MES不仅要下达作业指令，还要将作业指令转化为各个 机组及设备的操作指令和各种基础自动化设备的控制参数 （如PID控制参数）。
一个典型的I-MES系统的体系结构 ：
MES的技术架构
MES的功能模块 作为一种计算机辅助生产管理系统， MES重要使命就是实现企业的连续信息流。 MES国际联合会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、物料和过程管理、 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 和数据采集模块。
从层次角度分析，制造企业的控制结构可划分为工厂层 （或公司层）、车间层、单元层（企业的工段或班组）和 设备层。通常，ERP系统处于工厂层和车间层；设备控制 系统处于设备层，有时会扩展到单元层；而MES则总是处 于车间层与单元层。因此，MES与ERP在车间层（有时包 括单元层）的功能上会有部分重复。
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。