国际MES应用与发展.doc

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国际制造执行系统（MES）应用与发展

某些专家认为，当今制造业的生存三要素是信息技术（IT）、供应链管理（SCM）和成批制造技术。

使用信息技术就是由依赖人工的作业方式转变为作业的快速化、高效化，大量减少人工介入，降低生产经营成本；供应链管理是从原材料供应到产品出厂的整个生产过程，使物流资源的流通和配置最优化。

这和局部优化的区别就是全面最优化；成批制造技术是在合适的时间，生产适量产品的生产计划排产优化技术，并随着生产制造技术的深化，改善对设备的管理。

这里，MES技术在企业信息化中扮演着最重要的角色。

一、MES的产生和发展

从20世纪70年代后半期开始，出现了解决个别问题的单一功能的MES系统，如设备状态监控系统、质量管理系统、包括生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统。

也就是说，在未实施整体解决方案或信息系统以前，各企业引入的只是单功能的软件产品和个别系统，如图1、图2、图3所示。

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。

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MESAinternational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（InternationalFederationoftheNationalStandardizingAssociations）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,SemiconductorManufacturingTechnology）发表了SEMATECH/SEMICIM平台标准。

（6）NIST—SIMA（NationalInstituteofStandardandTechnology—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《Enterpriseusingenterpriserules,intelligentagents,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《TheapplicationofamanufacturingexecutionandJITprinciplestoplantinformationprocesses》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