国际制造执行系统MES应用与发展Word格式.docx

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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、MRPⅡ和DCS两层之间形成缺损环或链接（missingringorLink）。

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、质量信息系统、绩效信息系统、设备信息系统及其整合已形成共识。

与此同时，原来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）。

主要是POP（生产现场管理，PointofProduction）和SFC（车间级控制系统，ShopFloorControl）。

MES（ManufacturingExecutionSystem）直译成制造执行系统，俗称生产管理系统。

直到1990年，才由AMR组织提出并使用。

20世纪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，用来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），倡导制造业用三层模型（3rdlayermodel）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。

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，而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不单是面向生产现场的系统，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也不是一个特定行业的概念，而且应用于各种制造业的重要信息系统。

由于ERP层和DCS层的IT应用起步较早，多已基本实现，因此，需要通过MES层的功能实现对两者进行整合，并填充其间的空隙或狭缝。

最初，MES并没有一个非常明确的定义，它几乎涵盖了所有那些无法准确地分配给其他层的应用程序或产品。

大多数这样的产品都是由一些定制的应用程序逐渐演化而来的，而这些应用程序基本上都是由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（ManufacturingExecutionSystemAssociationInternational,制造执行系统国际联盟组织），ISA都相继开发了相关的模型对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组织之后促进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手段和概念。

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。

德国SAP公司的R/3最有名。

据AMR（AdvancedManufacturingResearch）组织2003年统计，SAP约占世界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，其关键业务包括计划、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，提取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户的商品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；

由于多种原因，致使49%没有达到预期的社会效益、经济效益和目标。

其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。

而这些正是催生MES的重要原因。

到90年代，MES发展为I-MES（集成MES）和MES-Ⅱ（ManufacturingExecutionSolutions）。

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）。

本模型包括以下4个主要功能，并由实时数据库支持。

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（回路监督控制、数据采集）和质量管理（SQC-统计质量管理、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（processmanufacturing）来说，MES有许多差异。

就离散MES而言，由于其多品种、小批量、混合生产模式，如果只是依靠人工提高效率是有限的。

而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。

国际制造执行系统（MES）应用与发展

（2）

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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软件实现了组件化，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MES。

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置。

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（装置在线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、与外部解析系统接口）；

（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）。

这一时期，很多团体、政府机构、组织也参与了MES的标准化以及标准、模型的研究和建立活动。

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。

其主要成果如下：

（1）MESA提出了MES对象模型。

（2）标准化组织OMG（ObjectManagementGroup）的制造分会（MfgDTF,ManufacturingDomainTaskForce）发布了RFI（RequestforInformation）文件。

（3）ISA（InternationalFederationoftheNationalStandardiz-ingAssociations）的SP95（EnterpriseControlsystemIntegration）标准委员会发布了ERP与MES之间的接口标准模型。

（4）发布NIIIP—SMART（NationalIndustrialInformationInfrastructureProtocols—SolutionforMESAdaptableReplicableTechnology）信息结构标准。

（5）由半导体制造技术协会（SEMATECH,Semiconduc-torManufacturingTechnology）发表了SEMATECH/SEMICIM平台标准。

（6）NIST—SIMA（NationalInstituteofStandardandTech-nology—SystemIntegrationofManufacturingApplications）用IDEFO描述了通用业务活动模型（ActivityModels）。

（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年发布了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。

其中SP95.01已经被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其数据结构和表达信息关联的方法。

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,intelIigentagents,STEP,andworkflow》一书，总结了虚拟企业集成设计与制造以及使用的企业规则、智能代理、STEP标准和工作流程;

AshokK.Nangid和MelyssaEvanson等人1997年在《IntegratingProcesscontrolwithinformationsystemsusingmanufacturingexecutionsystems》一书中总结了MES信息系统与过程控制系统的集成;

JeffLoebl997年在《Theapplica-tionofamanufacturingexecutionandJITprinciplestoplantinfor-mationprocesses》一书中总结了在工厂级信息处理中制造执行系统和JIT原理的应用等。

所有组织和学者都倡导MES功能和接口的标准化，以及集成（Integration）、互操作性（Inter-operability）的重要性。

系统之间、功能模块之间提倡以ORB（ObjectRequestBroker）作为MES信息访问接口协议，实现MES功能组合的即插即用。

另外，分部式对象技术标准CORBA和有关标准平台都是开发MES软件的基础，但是开发成木高、系统性能差以及三层模型界限不明确等因素，一直影响着MES功能的组件化。

1998年，AMR公司发表REPAC模型（Ready,Execute,Process,Analyze，Coordinate），即包括准备、实行、处理、分析、调整五个阶段组成的过程周期，如图9所示。

该模型参考了供应链业务参考模型（SCOR,SupplyChainOperationReference），把其中的"

Make"

作为关注焦点（如图10所示），将计划、技术方案、调度、执行和控制等对应的五个信息系统集成连接，流程工业的REPAC模型和信息系统对应关系也如图9所示。

REPAC模型不只是针对MES三层模型的中间层，而是与相应系统一起连接在经营系统的闭环回路中。

在AMR的INTECHl994年5月号上，对MES的概念表述如下:

MES是在公司的整个资源按其经营目标进行管理时，为公司提供实现执行目标的执行手段，通过实时数据库连接基本信息系统的理论数据和工厂的实际数据，并提供业务计划系统与制造控制系统之间的通信功能。

因此，MES不只是工厂的单一信息系统，而是横向之间、纵向之间、系统之间集成的系统，即所谓经营系统，对于SCP、ERP、CRM、数据仓库等近年被关注的各种企业信息系统来说，只要包含工厂这个对象，就离不了MES。

归结起来，MES可以概括为一个宗旨一制造怎样执行，两个核心数据库一实时数据库、关系数据库，两个通信接口一与控制层接口和与业务计划层接口，四个重点功能一生产管理、工艺管理、过程管理和质量管理，以及11个基本功能（包括重点功能和辅助功能）。

近十年来，新兴的业务类型不断涌现，对技术革新产生了巨大的推动力。

正是基于这一点，使人们对B2B以及供应链给予了极大的关注。

尽管B2B和供应链属于业务层的解决方案，但如果想要充分地实现它们，还需要得到制造执行系统协（MES）的强有力的支持。

其结果是MES不能仅仅做成业务（Business）和过程（Process）之间的接口层，还需要建立大量可以完成公司关键业务的功能。

这些功能无法彼此独立，也不能通过数据交换层简单地连接，而是必须依据业务（Business）和生产（production）策略彼此协同。

这在ISA-95委员会的文件中，有非常明确的表述。

不仅描述了MES过程，同时还通过各种功能，诸如资源管理和资源分配、调度、数据采集、质量保证管理、维护管理、绩效分析、排程、文件控制、工时管理及物料和生产跟踪等之间的交互作用来描述MES过程。

二、日本的MES

日本的MES起步较早、成果较多、应用较广，而且与中国的管理理念相近。

日本的CIO杂志等3个机构对490家企业，其中制造业166家的信息部门、计划经营部门负责人进行了2003年度IT投资方向的调查，划分为16个应用领域，从市场规模指数和关注程度上看，20世纪90年代中期在日本兴起的ERP类应用已经让位给以MES为代表的生产管理系统的实施。

日本的MES特点如下:

（1）日本有比较系统地研究、介绍MES的专著一《MES入门》，由中村.实和正田.耕一编著，2000年4月出版，介绍了MES的概要和发展，MES的功能、作用、软件以及各个行业的特点，MES对生产经营管理、提高产品产量、质量和降低成本等方面的贡献，并提供了参考文献、MES网址和应用案例一览，是一本参考价值很高的入门书籍。

2004年2月，中村实和中村一世又编著了《图解MES应用第一线一从应用案例看引入MES的注意事项》，这是日本的第二本MES专著。

另外，日本很多杂志，如《计装》、《化学装置》、《略》、《略》、《化学经济》、《工场管理》等杂志经常举办MES专刊或刊登MES文章，日本生产管理协会、工厂自动化推进协会、生产系统模型专门委员会、东京实践经营研究会、实践MES研究会、工业调查会等组织经常组织MES的调查、研究和召开各种主题专业会议。

日本标准化与制造科技中心还制订发布了OpenMES标准。

（2）对MES重新进行了定义，其文化内涵更接近于东方。

首先，在MES的基础上，提出了"

制造管理系统"

、"

制造实行系统"

生产实行系统"

和"

综合生产管理系统"

的新解。

除了遵循AMR和MESA的定义和描述外，日本的学者更强调对生产现场各种信息的时实采集与集成，将过程信息（PIMS，工厂信息管理系统）作为MES的核心;

通过CIM（计算机集成制造）将工厂系统和业务系统进行理想整合的具体化，是支撑工厂生产功能的骨干系统，是连结ERP系统和DCS系统的神经系统和桥梁;

是根据ERP提出"

生产什么、生产多少"

的宏观指令，进行何时何分、哪条生产线投入何种原料、用何种工艺、完成何种产品的具体指令和调度;

在MESA的l1个功能中，强调生产现场信息数字化管理、工艺管理、物流管理、质量管理、生产指令、进度跟踪管理、设备运行监督与控制和运维管理等生产环节的管理。

（3）总结了日本企业引入MES软件的必要步骤和注意事项。

即计划编制、组织组建、培训与准备、需求定义、建模与差异分析、概要设计与详细设计、客户化开发与测试、设备安装定义、软件接口规格定义与设计、接口开发与联调共10个步骤和注意MES在经营系统的重要地位，考虑生产现场信息系统的五个要素一人、信息系统、业务规则、设备和产品，区分客户信息的必要性、MES软件包的适应性，注重项目管理，强调应用效果，快速实施和投用，生产现场系统是MES成功的基础等事项。

三、国外流程工业的MES

MES属于企业管理应用软件的范围，起源于离散工业，又扩展到流程工业。

据《ManufacturingSystemsMagazine》统计，在企业管理应用软件中，除ERP产品和厂商外，MES产品及其厂商Invensys、SIEMENS、EmersonProcessManagement、AS-PENTech、IndusInternational、HoneywellHi-specSolutions、RockwellSoftware、ABB、KronosInc.、GEFanucAutomation、AgileSoftwareCorp.、OSISoftware、SimSci、Wonderware、HITACHI、YOKOGAWA、TechnomatixTech、LillySoftware等公司都名列前茅。

国际制造执行系统（MES）应用与发展（3）

2007.1.2420:

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在离散工业和流程工业，生产管理存在着极大差异。

即便是流程工业，也差异不小。

例如炼油工业和化工业，虽说像姊妹俩，但炼油却有油品输转调和功能模块，而化工则不需要。

至于冶金、轻工甚至其他行业，差异就更大了。

因此，目前形成了炼油工业、化学工业、医药工业、食品工业、化纤纺织工业、机器制造业、汽车制造业、航空业、造船业、半导体制造业、冶金业、炼铝业等不同行业和领域的MES。

在石油、天然气、石油化工领域，装置之间都由配管连接，过程控制非常必要。

作为工厂运行信息系统的DCS从20世纪70年代开始普及，较早地实现了过程监控和自动化，但是至今DCS和MES之间的接口还是薄弱环节。

在MES中，专门设计了PIMS（工厂信息管理系统，PlantInformationManagementSystem）接收DCS实时数据，实现生产绩效管理和运行数据的集成。

对于流程工业，作为填补计划系统和控制系统狭缝的MES的主要功能模块，一般包括短期生产计划、作业排产和调度（APS），过程控制和管理，维护管理，技术信息管理，过程优化控制（APC），提高质量管理功能的LIMS以及与ERP之间的连接。

还有流程工业生产的特殊需求，如数据调理和校正、运行数据统计、公用工程平衡管理、设备寿命预测、设备性能计算（equipmentperformancecalculations）、罐区管理、罐区平衡、物料平衡等，都作为MES的单一功能模块，并往往集成到MES系统中。

下面列举国外3个针对流程工业尤其适用于石油化工工业的较为突出和优秀的MES产品方案。

（1）Honeywell的MES方案

Honeywell公司是世界著名的自动化仪表、过程控制和工业软件公司，其MES产品从20世纪90年代末开始，先由单一的MES功能模块发展到整体解决方案。

其MES产品的核心是Business.FLEXPKS。

该产品将经营目标转化为生产操作目标，同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈，从而形成计划管理层、生产执行层和过程控制层三个层次的周期循环。

该产品由价值链管理（ValueChainManagement）、先进计划与调度（AdvancedPlanningandScheduling）、运行管理（OperationsManagement）、油品调和及储运自动化（Blending&

MovementAutomation）和生产管理（ProductionManagement）5个应用套件共30多个模块组成。

价值链管理又包括销售预测、运输计划、生产排产、原材料计划、供应链事件管理、库存计划、价值链循环优化和生产计划管理等。

先进计划调度包括原材料供应及产品分配与优化、原油组分分析、原油采购计划、原油调度优化、生产实况分析、油品调和调度等。

运行管理包括操作指令下达、运行监控、事件监控、实验室信息管理与集成、油罐组分跟踪、产品规格管理、多单元生产运行计划等。

油品储运及调和自动化包括调和调度计划、在线调和优化、调和比率控制和调和绩效统计、油品输转及库存跟踪、罐存计量管理、输转模型建立、油品输转控制、油品移动路径选择等。

生产管理包括物料平衡和库存盘点、成本核算、组分计算与平衡、批量跟踪与控制、原材料消耗统计、物料移动跟踪、多单元生产运行计划、操作指令下达和实验室信息管理等。

方案如图12所示。

另外，Honeywell又将其MES解决方案与资产管理解决方案——SSET.MAXTM、先进控制与区域优化解决方案——Profit.PlusTM、生产信息集成平台—Uniformance等应用套件和信息集成平台整合为协同生产管理解决方案（UnifiedManufacturingSolutions），也可看成是其广义的MES或者是MES功能模块的扩充。

（2）ASPENTech的MES方案

美国ASPENTech公司是化学工业领域著名的流程模拟、先进控制和供应链管理优化软件公司，近几年经过并购和整合，也定位在MES解决方案供应商。

它提出了企业运营管理的理念并开发集成了相应的软件产品。

根据ASPEN的定义，企业运营管理（EnterpriseOperationsManagement,EOM）是一个企业级的集成解决方案，把ERP层、MES层和DCS层进行整合，高效地设计、管理和运营制造与供应链的相关业务。

根据ASPEN的观点，ERP的功能是回答已发生了什么?

而EOM的功能则是回答未来应该怎么做并执行这些决策。

ASPEN公司用于过程工业运营管理的MES产品为ASPENPlantelligence，即智能工厂解决方案。

ASPENTech的MES解决方案自1998年推出，并不断发展和完善，得到了许多大型石油化工公司的采用。

方案主要包括流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度与优化、先进控制与实时优化（RT-OPT）、实时数据库与信息管理、数据校正与物料平衡