國內外MES系統的發展以及應用詳解

某些專家認為，當今制造業的生存三要素是信息技術(IT)、供應鏈管理(SCM)和成批制造技術。使用信息技術就是由依賴人工的作業方式轉變為作業的快速化、高效化，大量減少人工介入，降低生產經營成本；供應鏈管理是從原材料供應到產品出廠的整個生產過程，使物流資源的流通和配置最優化。這和局部優化的區別就是全面最優化；成批制造技術是在合適的時間，生產適量產品的生產計劃排產優化技術，并隨著生產制造技術的深化，改善對設備的管理。這里， MES系統 技術在企業信息化中扮演著最重要的角色。


  
一、MES系統的產生和發展
  
從20世紀70年代后半期開始，出現了解決個別問題的單一功能的MES系統，如設備狀態監控系統、質量管理系統、包括生產進度*、生產統計等功能的生產管理系統。也就是說，在未實施整體解決方案或信息系統以前，各企業引入的只是單功能的軟件產品和個別系統，當時，ERP層(稱為MRP)和DCS層的工作也是分別進行的，因此產生了兩個問題：一個是橫向系統之間的信息孤島(islandofinformation)，二是MRP、MRPⅡ和DCS兩層之間形成缺損環或鏈接(missingringorlink)。

80年代中期，為了解決這兩個課題，生產現場的信息系統開始發展，生產進度*信息系統、質量信息系統、績效信息系統、設備信息系統及其整合已形成共識。與此同時，原來的底層的過程控制系統和上層的生產計劃系統也得到發展。這時，產生了MES系統原型、即傳統的MES系統(TraditionalMES系統,T-MES系統)。主要是POP(生產現場管理，PointofProduction)和SFC(車間級控制系統，ShopFloorControl)。

MES系統(ManufacturingExecutionSystem)直譯成制造執行系統，俗稱生產管理系統。直到1990年，才由AMR組織提出并使用。20世紀90年代初，工業界開始認識到需要一個可以將業務系統和控制系統集成在一起的中間層。如圖4所示。制造執行系統(MES系統)從一開始就是一個特定集合的總稱，用來表示一些特定功能的集合以及實現這些特定功能的產品。美國的咨詢調查公司(AdvancedManufacturingResearch,AMR)，倡導制造業用三層模型(3rdlayermodel)表示信息化。將位于計劃層的控制層的中間位置的執行層叫做MES系統，并說明了各層的功能和重要性。如圖5所示。在中國，生產和制造兩詞有時混用或等同，仔細推敲，生產的范疇比制造要廣。MES系統處于企業信息系統ERP/SCM和過程控制系統DCS/PLC的中間位置。ERP作為業務管理系統，DCS/PLC作為控制系統，而MES系統則作為生產執行系統。MES系統與上層ERP等業務系統和底層DCS等生產設備控制系統一起構成企業的神經系統，一是把業務計劃的指令傳達到生產現場，二是將生產現場的信息及時收集、上傳和處理。MES系統不單是面向生產現場的系統，而是作為上、下兩個層次之間雙方信息的傳遞系統，是連結現場層和經營層，改善生產經營效益的前沿系統。MES系統也不是一個特定行業的概念，而且應用于各種制造業的重要信息系統。

由于ERP層和DCS層的IT應用起步較早，多已基本實現，因此，需要通過MES系統層的功能實現對兩者進行整合，并填充其間的空隙或狹縫。最初，MES系統并沒有一個非常明確的定義，它幾乎涵蓋了所有那些無法準確地分配給其他層的應用程序或產品。大多數這樣的產品都是由一些定制的應用程序逐漸演化而來的，而這些應用程序基本上都是由系統集成商針對某類特定用戶進行開發的，并且通常都是針對某個特定領域(如排產、實驗室、質量、產品*等)的。此后，在國際上，各相關組織都開始意識到要對MES系統進行更加明確的定義。MES系統A(ManufacturingExecutionSystemAssociationInternational,制造執行系統國際聯盟組織)，ISA都相繼開發了相關的模型對MES系統加以描述，并試圖通過模型使其標準化。位于美國的MES系統A成立于1992年，是繼AMR組織之后促進MES系統普及和標準化的團體，經常發布關于MES系統白皮書，還有用戶使用MES系統后的效果調查報告。
  
ERP是對企業資源進行有效地綜合地計劃與管理，是提高企業經營效率和效益的手段和概念。其核心是計劃，而不是財務。或者說，財務是手段，計劃優化是目的。實現這個目的軟件則叫ERP軟件。德國SAP公司的R/3最有名。據AMR(AdvancedManufacturingResearch)組織2003年統計，SAP約占世界ERP市場的35%,ORACLE約占13%,PeopleSoft約占10%，J.D.E約占5%。ERP面向企業的主要業務，包括產品定貨、原材料采購，生產制造、配送、銷售、會計等一系列業務流，是覆蓋全公司的信息系統，其關鍵業務包括計劃、財務會計和管理會計，還有人力資源管理等。ERP的數據庫要與實時數據庫相連，提取生產過程的有關數據，ERP又和SCM集成。SCM包括從原材料供應采購到終端客戶的商品供應的主要業務功能(如計劃、采購、制造、作業流程管理、后勤保障、銷售管理等)。在實施ERP的過程中，人們發現，ERP的實施規模大、周期長，導致46%逾期完成;支出多、投入大，導致41%超過預算；由于多種原因，致使49%沒有達到預期的社會效益、經濟效益和目標。其申一個重要因素是與生產現場的連接與集成被忽略了，而生產現場的數據，特別是整合過的高質量的數據，即完美的生產信息是ERP的基礎，是集成的關鍵。而這些正是催生MES系統的重要原因。

到90年代，MES系統發展為I-MES系統(集成MES系統)和MES系統-Ⅱ(ManufacturingExecutionSolutions)。
  
AMR公司1993提出的MES系統集成模型，這樣MES系統則作為整個工廠生產現場的集成系統出現，故又稱為IntegratedMES系統(E-MES系統)。本模型包括以下4個主要功能，并由實時數據庫支持。主要功能為工廠管理(資源管理、調度管理、維護管理)、工廠工藝設計(文檔管理、標準管理、過程優化)、過程管理(回路監督控制、數據采集)和質量管理(SQC-統計質量管理、LIMS-實驗室信息管理系統)。在這個模型指導下，MES系統在90年代初期的重點是生產現場信息的整合。對于離散工業(discretemanufacturing)和流程工業(processmanufacturing)來說，MES系統有許多差異。就離散MES系統而言，由于其多品種、小批量、混合生產模式，如果只是依靠人工提高效率是有限的。而MES系統則擔當了整合、支持現場工人的技能和智慧，充分發揮制造資源效率的功能。

90年代中期，又提出了MES系統標準化和功能組件化、模塊化的思路。這時，許多MES系統軟件實現了組件化，也方便了集成和整合，這樣用戶根據需要就可以靈活快速地構建自己的MES系統。MES系統Aintertuational于1997年提出的MES系統功能組件和集成模型。該模型代表的11個功能模塊如同龜背一樣配置。MES系統A規定，只具備11個之中的某一個或幾個，也屬MES系統系列的單一功能產品。MES系統的11個功能主要如下:(1)生產資源分配與監控；(2)作業計劃和排產;(3)工藝規格標準管理;(4)數據采集(裝置在線連接采集實時數據和各種參數信息，控制系統接口，生成生產數據記錄、質量數據、績效信息、臺帳累計)；(5)作業員工管理;(6)產品質量管理;(7)過程管理(過程控制、APC、基于模型的分析與模擬、與外部解析系統接口)；(8)設備維護；(9)績效分析；(10)生產單元調度；(11)產品*。AMR組織則又把按著11個功能實現的整體解決方案稱為MES系統Ⅱ(ManufacturingExecutionSolution)。

這一時期，很多團體、政府機構、組織也參與了MES系統的標準化以及標準、模型的研究和建立活動。涉及分布對象技術、集成技術、平臺技術、互操作技術和即插即用等技術。其主要成果如下：
  
(1)MES系統A提出了MES系統對象模型。
(2)標準化組織OMG(ObjectManagementGroup)的制造分會(MfgDTF,ManufacturingDomainTaskForce)發布了RFI(RequestforInformation)文件。
(3)ISA(InternationalFederationoftheNationalStandardiz-ingAssociations)的SP95(EnterpriseControlsystemIntegration)標準委員會發布了ERP與MES系統之間的接口標準模型。
(4)發布NIIIP—SMART(NationalIndustrialInformationInfrastructureProtocols—SolutionforMES系統AdaptableReplicableTechnology)信息結構標準。
(5)由半導體制造技術協會(SEMATECH,Semiconduc-torManufacturingTechnology)發表了SEMATECH/SEMICIM平臺標準。
(6)NIST—SIMA(NationalInstituteofStandardandTech-nology—SystemIntegrationofManufacturingApplications)用IDEFO描述了通用業務活動模型(ActivityModels)。
(7)日本標準化與制造科技中心發布了openMES系統，涉及面向對象、平臺、功能模塊、計算機網絡、CORBA等。
  
其中，從1997年開始的國際儀表學會(ISA)啟動的編制ISASP95企業控制系統集成標準和ISASP98批量控制標準的工作尤為重要，2000年發布了SP95.01模型與術語標準，2001年發布了SP95.02對象模型屬性標準，2002年發布了SP95.03制造信息活動模型(ActivityModels)標準，2003年發布了SP95.04制造操作對象模型標準。其中SP95.01已經被IEC/ISO接受為國際標準。SP95.01規定了生產過程涉及的所有資源信息及其數據結構和表達信息關聯的方法。SP95.02對第1部分定義的內容作了詳細規定和解釋，SP95.03提出了管理層與制造層間信息交換的協議和格式。
  
此外，許多專家學者也在MES系統標準化方面做出了不少成果，比如C.Gilman等人在1998年出版了《Enterpriseusingenter-priserules,intelIigentagents,STEP,andworkflow》一書，總結了虛擬企業集成設計與制造以及使用的企業規則、智能代理、STEP標準和工作流程;AshokK.Nangid和MelyssaEvanson等人1997年在《IntegratingProcesscontrolwithinformationsystemsusingmanufacturingexecutionsystems》一書中總結了MES系統信息系統與過程控制系統的集成;JeffLoebl997年在《Theapplica-tionofamanufacturingexecutionandJITprinciplestoplantinfor-mationprocesses》一書中總結了在工廠級信息處理中制造執行系統和JIT原理的應用等。
  
所有組織和學者都倡導MES系統功能和接口的標準化，以及集成(Integration)、互操作性(Inter-operability)的重要性。系統之間、功能模塊之間提倡以ORB(ObjectRequestBroker)作為MES系統信息訪問接口協議，實現MES系統功能組合的即插即

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