摘要：以制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的集成模型、外部環(huán)境模型、功能模型和REPAC模型為主線論述了其應用與發(fā)展歷程,闡述了MES在中國的研究、應用與發(fā)展現(xiàn)狀,認為MES是實現(xiàn)車間生產(chǎn)管理敏捷化的基本技術手段。在此基礎上,從國外、國內(nèi)和技術三個角度展望了MES的未來發(fā)展趨勢,指出了敏捷化、智能化和集成化是MES技術及系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢,為制造業(yè)制訂MES實施的整體解決方案提供了參考。 關鍵字：制造執(zhí)行系統(tǒng) 企業(yè)資源計劃 過程控制系統(tǒng) 當今制造業(yè)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(yè)方式轉變?yōu)樽鳂I(yè)的快速化、高效化,大量減少人工介入,降低生產(chǎn)經(jīng)營成本;供應鏈管理是從原材料供應到產(chǎn)品出廠的整個生產(chǎn)過程,使物流資源的流通和配置最優(yōu)化,這和局部優(yōu)化的區(qū)別就是全面最優(yōu)化;成批制造技術是在合適的時間,適量產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃排產(chǎn)優(yōu)化技術,并隨著生產(chǎn)制造技術的深化,改善對設備的管理。這里,MES技術在企業(yè)信息化中扮演著最重要的角色。 為此,MES的推廣和應用已成為制造業(yè)信息化工程的重要工作之一,研究MES的應用與發(fā)展將會為制造業(yè)制訂MES實施的整體解決方案提供必要的參考。 1 MES的產(chǎn)生、發(fā)展及其模型 1）單一功能的MES系統(tǒng) 20世紀70 年代后半期出現(xiàn)了單一功能的MES系統(tǒng),諸如設備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、質量管理系統(tǒng)和包括生產(chǎn)進度跟蹤、生產(chǎn)統(tǒng)計等功能的生產(chǎn)管理系統(tǒng),用于解決個別問題。即在未實施整體解決方案或信息系統(tǒng)以前,各企業(yè)引入的只是單功能的軟件產(chǎn)品和個別系統(tǒng)。當時,ERP層（稱為MRP）和DCS層的工作也是分別進行的,因此產(chǎn)生了兩個問題:一是橫向系統(tǒng)之間的信息孤島（island of information）,二是MRP、MRPⅡ和DCS兩層之間形成缺損環(huán)或鏈接（missing ring or link）。 2）T-MES原型 20世紀80年代中期,為了解決上述兩個問題,生產(chǎn)現(xiàn)場的信息系統(tǒng)開始發(fā)展,生產(chǎn)進度跟蹤信息系統(tǒng)、質量信息系統(tǒng)、績效信息系統(tǒng)、設備信息系統(tǒng)及其整合已形成共識。與此同時,原來底層的過程控制系統(tǒng)和上層的生產(chǎn)計劃系統(tǒng)也得到了發(fā)展,產(chǎn)生了MES 原型即傳統(tǒng)的MES（traditional MES,TMES）,主要是POP（生產(chǎn)現(xiàn)場管理,point of production）和SFC（車間級控制系統(tǒng),shop floor control）。 3）處于信息化中間層的MES 20世紀90年代初,工業(yè)界開始認識到需要一個可以將業(yè)務系統(tǒng)和控制系統(tǒng)集成在一起的中層。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）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(xiàn) 這些特定功能的產(chǎn)品。1992年,美國的咨詢調查公司AMR（advanced manufacturing research）倡導制造業(yè)用三層模型（3rdlayermodel）[1]表示信息化（見圖1）,將位于計劃層和控制層的中間位置的執(zhí)行層叫做MES,并說明了各層的功能和重要性。在中國,生產(chǎn)和制造兩詞有時混用或等同,實際上生產(chǎn)的范疇要比制造廣。MES處于企業(yè)信息系統(tǒng)ERP/SCM 和過程控制系統(tǒng)DCS/PLC的中間位置。ERP作為業(yè)務管理系統(tǒng),DCS/PLC 作為控制系統(tǒng),而MES則作為生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。MES與上層ERP等業(yè)務系統(tǒng)和底層DCS等生產(chǎn)設備控制系統(tǒng)一起構成企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng),一是把業(yè)務計劃的指令傳達到生產(chǎn)現(xiàn)場,二是將生產(chǎn)現(xiàn)場的信息及時收集、上傳和處理。MES不單是面向生產(chǎn)現(xiàn)場的系統(tǒng),而是作為上、下兩個層次之間雙方信息的傳遞系統(tǒng),是連結現(xiàn)場層和經(jīng)營層,改善生產(chǎn)經(jīng)營效益的前沿系統(tǒng)。MES不是一個特定行業(yè)的概念,而是應用于各種制造業(yè)的重要信息系統(tǒng)。 由于ERP層和DCS層的IT應用起步較早,多已基本實現(xiàn),因此需要通過MES層的功能實現(xiàn)對兩者進行整合,并填充其間的空隙或狹縫。最初,MES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(chǎn)品。大多數(shù)這樣的產(chǎn)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(tǒng)集成商針對某類特定用戶進行開發(fā)的,并且通常都是針對某個特定領域（如排產(chǎn)、實驗室、質量、產(chǎn)品跟蹤等）的。 4）IMES和MES-Ⅱ 20世紀90年代,MES發(fā)展為IMES（integratedMES）和MES-Ⅱ（manufacturing execution solutions）。1993年,AMR公司提出了MES的集成模型[1]（見圖2）,這樣MES作為整個工廠生產(chǎn)現(xiàn)場的集成系統(tǒng)出現(xiàn),故又稱為IntegratedMES（IMES）。本模型包括4個主要功能,并由實時數(shù)據(jù)庫支持。在這個模型指導下,MES在20世紀90年代初期的重點是生產(chǎn)現(xiàn)場信息的整合。1997年,制造執(zhí)行系統(tǒng)國際聯(lián)盟組織MESA（manufacturing execution system association international,）提出了如圖3所示的MES外部環(huán)境模型[2]。從圖3可以看出,企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)、供應鏈管理（SCM）系統(tǒng)、銷售和服務管理（SSM）系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝（P&PE）系統(tǒng)、過程控制（controls）系統(tǒng)以及制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是面向制造企業(yè)的6種主流信息系統(tǒng)。MES與其他幾種類型的信息系統(tǒng)都緊密相連,這使得它在企業(yè)的整體信息基礎中處于重要的地位。從信息集成的角度來看,MES在企業(yè)范圍的SCM、SSM、ERP等系統(tǒng)與面向工廠底層設備的控制系統(tǒng)之間承上啟下,起著垂直信息集成的作用。同時MES連接SCM、SSM、ERP、P&PE等系統(tǒng),起著橫向信息集成的作用。 [align=center] [/align] 20世紀90年代中期,又提出了MES標準化和功能組件化、模塊化的思路。這時,許多MES軟件實現(xiàn)了組件化,也方便了集成和整合,這樣用戶可根據(jù)需要靈活快速地構建自己的MES。1997年,MESA提出了MES的功能模型[3]（見圖4）。該模型代表的11個功能模塊如同龜背一樣配置。MESA規(guī)定,只具備11個之中的某一個或幾個,也屬MES系列的單一功能產(chǎn)品。AMR組織則又把按著11個功能實現(xiàn)的整體解決方案稱為MES-Ⅱ。這一時期,很多團體、政府機構、組織也參與了MES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。所有組織和學者都倡導MES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(tǒng)之間、功能模塊之間提倡以ORB（object request broker）作為MES信息訪問接口協(xié)議,實現(xiàn)MES功能組合的即插即用。另外,分部式對象技術標準CORBA 和有關標準平臺都是開發(fā)MES軟件的基礎,但是由于開發(fā)成本高、系統(tǒng)性能差以及三層模型界限不明確等因素,一直影響著MES功能的組件化。 1998年,AMR 公司發(fā)表REPAC（ready,execute,process,analyze,coordinate）模型[4]（見圖5）。 即包括準備、實行、處理、分析、調整5個階段組成的過程周期。該模型將計劃、技術方案、調度、執(zhí)行和控制等對應的5個信息系統(tǒng)集成連接。REPAC模型不只是針對MES三層模型的中間層,而是與相應系統(tǒng)一起連接在經(jīng)營系統(tǒng)的閉環(huán)回路中。 1994年5月AMR對MES的概念進行了如下表述:MES是在公司的整個資源按其經(jīng)營目標進行管理時,為公司提供實現(xiàn)執(zhí)行目標的執(zhí)行手段,通過實時數(shù)據(jù)庫連接基本信息系統(tǒng)的理論數(shù)據(jù)和工廠的實際數(shù)據(jù),并提供業(yè)務計劃系統(tǒng)與制造控制系統(tǒng)之間的通信功能。因此,MES不只是工廠的單一信息系統(tǒng),而是橫向之間、縱向之間、系統(tǒng)之間集成的系統(tǒng),即所謂經(jīng)營系統(tǒng)。對于SCP、ERP、CRM、數(shù)據(jù)倉庫等近年被關注的各種企業(yè)信息系統(tǒng),只要包含工廠這個對象,就離不開MES?？傊?MES可以概括為一個宗旨制造怎樣執(zhí)行,兩個核心數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫,兩個通信接口與控制層接口和與業(yè)務計劃層接口,4個重點功能生產(chǎn)管理、工藝管理、過程管理和質量管理,以及11個基本功能（包括重點功能和輔助功能）。 近10年來,新興的業(yè)務類型不斷涌現(xiàn),對技術革新產(chǎn)生了巨大的推動力。正是基于這一點,使人們對B2B以及供應鏈給予了極大的關注。盡管B2B和供應鏈屬于業(yè)務層的解決方案,但如果想要充分地實現(xiàn)它們,還需要得到制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的強有力的支持。其結果是MES不能僅僅做成業(yè)務（business）和過程（process）之間的接口層,還需要建立大量可以完成公司關鍵業(yè)務的功能。這些功能無法彼此獨立,也不能通過數(shù)據(jù)交換層簡單地連接,而是必須依據(jù)業(yè)務（business）和生產(chǎn)（production）策略彼此協(xié)同。這在ISA-95委員會的文件中有非常明確的表述。不僅描述了MES過程,同時還通過各種功能,諸如資源管理和資源分配、調度、數(shù)據(jù)采集、質量保證管理、維護管理、績效分析、排程、文件控制、工時管理及物料和生產(chǎn)跟蹤等之間的交互作用來描述MES過程。 2 MES在中國的應用與發(fā)展現(xiàn)狀 中國工業(yè)信息化在20世紀70～80年代以工廠自動化為主,80～90年代以管理信息化為主。進21世紀初,仍然以提升工廠自動化水平,普及DCS、、PLC、FCS和提升管理信息化水平,由開發(fā)MIS轉向推廣普及ERP為主。在企業(yè)信息化中起承上啟下作用的MES主要停留在MES思想、內(nèi)涵及體系結構方面的研究上,應用系統(tǒng)開發(fā)一般局限于MES單一功能。"九五"期間,北京航空航天大學、東南大學、南京理工大學等單位在"國家863計劃"資助下在MES理論與應用系統(tǒng)開發(fā)方面做了一定的工作,如夏敬華、陳杰等人[5,6]提出面向敏捷制造的車間先進管理控制系統(tǒng)（AMCS）,試圖構建車間級的敏捷制造系統(tǒng)。張書亭、周華、楊建軍等人[7,8]從建立敏捷制造企業(yè)的車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)出發(fā),分析和論述了制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能和應用特點,提出使用先進的MES思想和軟件輔助建立敏捷車間系統(tǒng)。他們還試圖構建基于全能體概念的MES框架結構以解決MES的敏捷性,認為基于全能體的MES系統(tǒng)具有自治性、虛擬性、自組織性、自適應性、動態(tài)性、分布式和集中式控制相結合等特點。宋海生等人[9]研究了網(wǎng)絡聯(lián)盟企業(yè)中基于Web的分布式生產(chǎn)單元MES軟件體系結構,于海斌等人[10]則對可集成的MES技術體系進行了探討。但總的來說,國內(nèi)多從軟件建模和軟件開發(fā)的角度研究MES,缺乏對MES信息本質及其運動規(guī)律的系統(tǒng)深入研究。產(chǎn)品的自主研發(fā)才剛剛開始,盡管有少數(shù)國內(nèi)IT公司一方面模仿國外的模式,同時也總結提煉中國工業(yè)企業(yè)MES層面的經(jīng)驗,但是仍以實驗室產(chǎn)品居多,離商品化還有一段路程;在產(chǎn)品的應用方面,如冶金、石化、煙草、食品等行業(yè)已有應用,但仍屬拓荒者或先行者。盡管如此,像和利時公司研發(fā)的流程行業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)HOLLiAS-MES（manufacturing execution system）和浙大中控的ESPSuite-企業(yè)綜合自動化整體解決方案將會發(fā)展成為相對成型、成熟和有規(guī)模、有影響、有前途、有希望成大氣候的國產(chǎn)MES產(chǎn)品。 和利時公司研發(fā)的流程行業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)HOLLiAS-MES（manufacturing execution system）以企業(yè)級實時數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫為核心,提供實時信息系統(tǒng)、質量分析系統(tǒng)、設備維護管理系統(tǒng)、能源消耗管理系統(tǒng)、批量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)成本核算系統(tǒng)、生產(chǎn)調度系統(tǒng)等功能。為企業(yè)生產(chǎn)管理人員進行過程監(jiān)控與管理、保證生產(chǎn)正常運行,控制產(chǎn)品質量和生產(chǎn)成本提供了靈活有力的工具。HOLLiASMES與DCS、PLC等控制設備具有豐富的通信接口,通過OPCClient模塊與不同的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。I/OServers支持OPC、DDE等多種通訊接口協(xié)議,可連接到由和利時、橫河、霍尼韋爾、西門子、羅克韋爾、ABB、費希爾-羅斯蒙特、日立、三菱、歐姆龍等工業(yè)自動化廠家生產(chǎn)的DCS、PLC、RTU等設備,并提供ODBC接口,可與ERP等企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)集成,實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的管理控制一體化。 HOLLiAS-MES以生產(chǎn)過程信息為核心,為企業(yè)決策系統(tǒng)提供直接的支持,豐富的可靈活配置的功能模塊可以滿足不同行業(yè)的應用要求。盡管在商品化、產(chǎn)品化、標準化方面還有很多工作要做,但該軟件可以堪稱中國式的更貼近中國企業(yè)的實用的MES。浙大中控的ESP-Suite企業(yè)綜合自動化整體解決方案是面向流程工業(yè)企業(yè)的綜合自動化整體解決方案,包括企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和過程控制系統(tǒng)（PCS）三個層次的軟件產(chǎn)品、工程與技術服務。ESP-Suite企業(yè)綜合自動化整體解決方案包括以綜合信息集成軟件平臺（基于關系數(shù)據(jù)庫）和實時監(jiān)控軟件平臺（基于實時數(shù)據(jù)庫）為核心的一系列應用軟件。 龐大的ERP廠商和開發(fā)軍團只有較少部分向MES的方向發(fā)展,其原因是:MES與工業(yè)控制緊密結合,其研發(fā)和實施需要很強的工業(yè)自動化基礎和工業(yè)現(xiàn)場工程經(jīng)驗,這是一道比較高的技術門檻,將很多ERP類型的IT廠商拒之門外。但是,MES軟__件開發(fā)商和MES的系統(tǒng)集成商正在受到來自兩方面的壓力,即ERP軟件開發(fā)商和系統(tǒng)集成商自上向下的滲透,將其功能擴展到MES,以及HMI和SCADA軟件開發(fā)商和系統(tǒng)集成商從下向上的沖擊,增加了MES的功能。另外,實力雄厚的自動化系統(tǒng)供應商（如siemens,rockwellautomation）都在采取并購一些卓有成效的MES公司,或開發(fā)MES軟件包來搶占MES的市場。要推進MES的推廣和普及,還任重而道遠。隨著行業(yè)和經(jīng)濟規(guī)模的發(fā)展,以及CIMS的發(fā)展和車間自動化水平的不斷提高,對車間生產(chǎn)管理的集成化、智能化和敏捷化的需求,將會促進相當部分的IT廠商與自動化廠商、制造型企業(yè)合并或緊密合作,在今后幾年內(nèi),MES廠商可能會如雨后春筍般涌現(xiàn),其技術和實施手段也必將日趨成熟,極大地推進國內(nèi)MES產(chǎn)品在我國深層次的應用。 3 結語 從國外的發(fā)展趨勢看,已經(jīng)形成了一批MES軟件產(chǎn)品和解決方案,出現(xiàn)了一批以MES為核心產(chǎn)品的工業(yè)企業(yè)管理應用軟件公司,而且企業(yè)信息技術應用的焦點已經(jīng)由ERP轉向MES,然而MES的標準化仍有大量工作要做。 從國內(nèi)的發(fā)展趨勢看,CIMS、MES、ERP等概念進入中國都較早,但只以DCS為代表的底層自動化和以ERP為代表的管理系統(tǒng)普及速度較快,因此,中國工業(yè)企業(yè)的信息孤島和缺損環(huán)鏈現(xiàn)象比國外更為突出,對MES層的認識相對落后。但是,確實有一些公司在加快開發(fā)中國式的MES產(chǎn)品或應用國外的MES產(chǎn)品,而且勢頭較好,同時,在認識觀念上由關注ERP到關注MES的轉變也已開始。 從技術角度看,MES的功能正在向控制層和計劃層滲透,三層結構的分工可能更模糊。MES功能中的計劃排產(chǎn)與執(zhí)行調度模塊（APS）越發(fā)突出和推廣普及,它應是MES的核心。單一功能的MES產(chǎn)品正在向集成的MES和整體解決方案發(fā)展,信息技術領域的分布對象技術（CORBA,DCOM 等）標準日臻成熟是MES發(fā)展和集成的基礎,DCS和ERP的普及和提高進一步推動了MES的發(fā)展和推廣。 參考文獻: [1] SWANTONB.MESfiveyearslater:preludetophase[EB/OL].1990-06-11. 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