制造执行系统(MES)

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。
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。
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。
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。
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。
• 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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。