MES发展规划完整版9-18.doc

制造执行系统（MES）“十一五”发展规划华中科技大学 2006616目录目录前言1前言21MES概述41.1 国外研究与技术发展状况81.2 MES需求分析171.3 存在的问题（国内）232国内的工作基础272. 1 理论研究272. 2 关键技术实现332. 3 原型系统462. 4 软件产品503 待解决的关键技术583.1 生产过程建模583.2 面向业务流程集成593.3 可配置化软组件623.4 优化调度技术643.5 开展MES技术标准研究654 发展方向724.1 基于组件的MES814.2 基于工作流的MES894.3 基于SOA的MES934.4 MES发展趋势1004.5 MES标准化研究1024.6 “十一五”总体目标1044.7 未来MES产品形态106前言二十一世纪以来，随着全球经济一体化发展，人们对产品的需求日趋多样化和个性化。产品的生命周期日益缩短，更新换代的速度也在逐步地加快，使得企业的生产模式和组织方式逐渐由面向产品转变为面向客户、面向需求和面向服务。企业的生产方式也转向了按照订单的方式来组织生产，大批量定制和多品种少批量的生产方式逐渐成为主流。面对竞争激烈的全球一体化市场，企业要想立于不败之地，就必须具有把握机遇和不断创新的能力，能够以更快的响应速度和应变能力生产出市场需要的产品，其重要对策就是将传统的制造技术与现代的信息、自动化、管理技术等有机融合为新一代的先进制造技术，提高企业生产的敏捷性和核心竞争力。以计算机网络、数据库和应用软件等IT技术为依托，企业的信息化技术也从局部的、事后处理方式转向全局的、及时（实时）处理方式。多种先进的生产管理和制造信息化软件也大量地涌现和应用，在企业生产过程中发挥越来越重要的作用。在产品开发层面，CAD、CAM、CAPP、PDM等软件已深入企业应用；在企业管理层面，ERP/MRP-II、SCM、CRM等软件也在迅速普及，直到今天企业ERP系统还在如火如荼的进行；在生产现场，JIT（准时生产）、LP（精良生产）、OPT（最优化生产技术）等先进的生产组织、管理理念及生产模式也得到了初步应用，同时，在过程控制领域PLC、DCS等得到大量应用，也在车间级的流程控制和管理方面取得了良好的成效。信息技术的广泛采用，使得以市场需求和订单为轴心的生产活动已可以不受时间和地域的限制，依靠信息技术从事市场竞争，提高了企业的综合竞争能力。全球经济一体化进程，加速了制造全球化的形成和快速发展，现代制造企业面临的竞争环境将会越来越残酷，市场竞争日趋国际化，迫使制造企业必须做出及时反应和制定相应的对策，改变传统观念与方法，采用与一体化进程相符的现代管理思想和方法。建立现代管理理念，引进现代管理决策机制，提高核心竞争力已经成为企业最迫切的要求和机遇所在。纵观全球生产管理模式的发展趋势，可以清晰的得出企业行为势必从单项、局部逐渐向综合、集成的优化转变，尤其是生产计划、组织、控制三大职能的整体优化更是企业为实现其经营目标，获得竞争优势的重点。面对拥有高度信息化优势的国际企业的挑战，要使我国制造企业积极参与国际化分工合作和竞争，必须掌握和应用现代网络、通讯技术、计算机软件等技术，全面集成企业各种信息系统，打通制造企业从市场预测、产品分析、产品设计、生产计划、生产制造、销售到售后服务的产品全生命周期数字化通道，在提升我国制造企业信息化应用水平基础上，促进企业提高市场的综合竞争能力，帮助实现我国制造业跨越式的发展。目前，我国企业信息化应用的总体水平仍然不高，许多企业根据自身的特点和财力情况，在信息化建设中有重点的分别推进。如在离散型企业中，有的企业注重产品研发、有的企业注重生产管理、有的企业则注重财务管理等等；对于一些流程型的企业，信息化的建设主要围绕供应、销售和财务管理来进行。因此，各企业信息化应用水平、实施的内容也不均衡。在很多实施了信息化建设的企业中，系统集成和资源共享水平还比较低，“信息孤岛”现象大量存在于企业内部。其突出表现是许多企业只重视物质供应、产品设计、生产计划、销售和财务管理等计划层的信息化建设，忽视产品在车间制造过程管理等执行层的信息化建设，使得企业的计划层与控制层之间缺乏有效联系和沟通，两者间出现了信息断层，导致物资供应、产品设计、生产计划、产品销售与车间作业之间脱节，计划层的静态和动态信息不能及时地传达的车间，而车间中的零件在制品、加工设备、物料需求、人员配置，以及计划的执行和完成情况等信息也无法快速反馈给上面的计划层。在市场需求越来越多地趋于大批量订制和多品种少批量订单方式，企业表现出对市场反应不够灵敏，对客户的个性化订单也不能够及时满足，直接导致企业在市场竞争中处于被动地位。因此，在激烈的市场竞争中要把被动地位变为主动地位，必须快速响应市场，保证企业计划层与控制层之间的信息畅通。鉴于我国企业信息化的建设状况，消除企业计划层与控制层之间的断层，建立它们之间的数据联系，就是要研制和开发适用于不同行业（企业）和生产模式的制造执行系统（Manufacturing Execution System，以下简称MES），MES是实现企业计划层与控制层之间信息畅通的必由之路。1MES概述在企业的生产运作管理流程中，一般抽象为三个层次，即计划层、执行层和控制层。计划层按照客户订单、库存和市场预测情况，安排生产和组织物料。执行层根据计划层下达的生产计划、物料和控制层的工作情况，制定车间作业计划，安排控制层的加工任务，对作业计划和任务执行情况进行汇总和上报；当生产计划变更、物料短缺、设备发生故障、出现加工质量等问题时，执行层对作业计划进行及时调整，保证生产过程正常进行。执行层处于企业计划层与控制层之间，存在大量的信息传递、交互与处理的过程。控制层，又称设备层，完成产品零件的加工或装配。美国先进制造研究机构（Advanced Manufacturing Research Inc.，简称AMR）通过对大量企业的调查研究和归纳总结，于90年代初首次提出了“制造执行系统”的理念。ARM的调查结果表明，在企业地计划层普遍采用MRP-II/ERP为代表的企业管理信息系统，在企业的生产控制层则采用SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）和HMI（Human Machine Interface）为代表的生产过程监控软件系统，在计划和控制层之间则是由MES构成的执行层，MES作为计划和控制层之间的桥梁，实现计划和控制层之间数据交换。因此，AMR组织提出了由计划层、执行层和控制层组成的企业信息集成模型，图1.1所示。图1.1 企业信息化的三层结构模型在企业的信息化三层结构模型中， MES在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁，以实现两者之间的无缝联接。一方面，MES可以对来自MRP-II/ERP的生产计划信息分解、细化，形成作业指令，控制层按照作业指令完成生产加工过程；另一方面，MES可以实时监控底层设备的运行状态、在制品及作业指令的执行情况，并将它们及时反馈给计划层。企业信息化的三层结构模型的信息流动状况，如图1.2所示。图1.2 三层结构模型的信息流因此，通过MES把生产计划与车间作业现场控制联系起来，解决了上层生产计划管理与底层生产过程之间脱节的问题，打通了企业的信息通道，使企业的生产计划的执行过程实现了透明化，为企业快速响应市场奠定了良好的基础。由美国牵头发起成立的制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，简称MESA）组织，给MES所下了一个定义：“MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物流的流通性能，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。”MESA组织在MES定义中强调了三个观点：（1）MES是对整个车间制造过程的优化，而不是单一的解决某个生产瓶颈；（2）MES必须提供实时收集生产过程中数据的功能，并做出相应的分析和处理；（3）MES需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业乃至整个供应链的信息集成。该组织还归纳总结出MES的十一个功能模块，分派生产单元、资源配置与状态、作业/详细调度、产品跟踪与谱系、人力管理、文档控制、性能分析、维护管理、过程管理、质量管理和数据采集/获取模块，图1.3所示。图1.3 MESA组织定义的MES功能模型（1）分派生产单元模块以任务、订单、批次、数量以及作业指令对生产流程进行管理，针对生产过程中出现的突发问题及时修改作业指令，调整加工顺序。还可以通过重新安排生产和补救措施，改变已下达的计划，以及利用缓冲区来控制生产单元的负荷。（2）资源配置与状态模块管理各种资源，如设备、工具、材料、辅助设备以及派工单、领料单、工序卡等相关作业指令和文件，提供设备的实时状态，确保设备正常开工所必需的资源，对生产过程所需各种资源都有详细的记录，以保证车间滚动作业计划顺利执行。（3）作业/详细调度模块按照在制品的优先级、属性、几何特征安排加工顺序或路径，使得设备的调整或准备时间最少。根据不同的加工路径以及加工路径的重叠与并行情况，通过计算出它们加工时间或设备负荷，从而获得较优的加工顺序或路径。（4）产品跟踪与谱系模块管理加工过程（从原料、在制品、零部件到成品）中每个生产单元的在制品，实时记录在制品的状态、物料（供应商、批号、数量等）消耗状况、在制品暂存、返工、报废、入库等情况，在线提供计划的实际执行进度，反映在制品和产品的当前状态情况，追溯产品在加工过程中的各项记录。（5）人力管理模块记录员工的作息时间、操作技能、变动和调整情况、员工的间接活动（如领料、备料、准备时间等），作为成本分析和绩效考核的依据。（6）文档控制模块统一管理与生产单元、生产过程相关的文档/表单，如作业指令、操作指导书、工艺文件（配方）、图纸、标准操作规程、加工程序、计划任务文档、质量信息记录文档、质量体系文档、批次记录、工程变更通知、交接班记录、批量产品记录、工程设计变动通知，以及文档的历史记录和版本等。（7）性能分析模块实时提供实际产出、预计产出、生产周期、在制品和产品的完工情况、质量数据统计分析结果、与历史数据对比结果、资源利用率、车间直接费用等。（8）维护管理模块对生产过程中的设备（含刀具、夹具、量具、辅具）进行管理，记录设备的基本信息（加工范围、精度、对象、持续工作时间等），设备当前状态（设备负荷、可用性），设备维修计划，设备故障和维修情况。（9）过程管理模块监测生产过程中的每项操作活动以及过程，使得生产单元有序按时地执行作业指令。记录异常事件的详细信息（发生时间、现象、原因、等级等），并对异常事件做出报警或自动纠正处理。（10）质量管理模块从生产过程实时采集质量数据，对质量数据进行分析、跟踪、管理和发布。运用数理统计方法对质量数据进行相关分析，监控产品的质量，同时鉴别出潜在的质量问题；对造成质量异常的操作、相关现象、原因，提出纠正或校正的措施或提出质量改进意见和计划。（11）数据采集/获取模块通过手工或自动地实时获取加工过程中产生的相关数据，如对象、批次、数量、时间、质量、过程参数、设备启停时间、能源消耗等，这些数据可能存在于生产单元相关的文档/记录中、来源于底层DCS或PLC装置中或采用其它方式获得，是性能分析模块的数据源。 这十一个功能模块的简要说明见表1.1。表1.1 MES十一功能模块简要说明序号功能模块名称功能模块英文名称功能模块简介1分派生产单元Dispatching Production Units管理和控制生产单元的流程2资源配置与状态Resource Allocation and Status管理车间资源状态及分配信息3作业/详细调度Operations/Detail Scheduling生成作业计划，安排作业顺序4产品跟踪和谱系Product Tracking and Genealogy提供在制品的状态信息5人力管理Labor Management提供最新的员工状态信息6文档管理Document Control / Specification Management管理、控制与生产单元相关的记录7性能分析Performance Analysis提供最新的生产过程信息8维护管理Maintenance Management跟踪和指导设备及工具的维护活动9过程管理Process Management对生产过程进行监控10质量管理Quality Management记录、跟踪和分析产品及过程的质量11数据采集/获取Data Collection/Acquisition采集生产过程中各种必要的数据1.1 国外研究与技术发展状况80年代末期，美国针对MRP-II实施的成功率始终徘徊在60%的问题，在分析和吸收日本企业准时生产（JIT）和精益生产的基础上，提出既重视计划又重视执行的管理思想，开始了对生产过程管理的深入研究，并在1992年，由美国AMR组织首次提出了MES的理念。通过分析研究， 十多年来MES在理论研究、技术发展与应用的状况，可以归纳总结为以下四个方面：（1）理论研究把模糊数学和人工智能技术的原理和方法应用于车间生产过程的管理与控制中。美国卡耐基梅隆（CarnegieMellon）大学的M.Fox为代表的学者们，通过约束传播ISIS(Intelligent Scheduling and Information System)机理的研究，采用了面向约束推理的方法，利用这些约束知识维护调度的一致性和验证最低限度满足约束的调度决策，它把约束分成三种类型：组织目标约束、物理限制约束和临时约束，并它们应用于车间生产过程管理与调度系统。将人工智能技术开始应用于生产调度，而且开发一个基于知识的MES专家系统，称为OPIS（An Opportunistic Factory Scheduling System）。美国宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State Univ.) FAME（Factory for Advanced Manufacturing Education）研究所的R.A.Wysk等人，提出了一个将专家系统和仿真集成的柔性制造系统（MPECS），系统采用数据驱动和目标驱动两种方式，在不同的决策阶段，性能指标是可以不同的。规则的表现性能可以整理成数据，在离线状态下，可以更新知识库。类似研究在上世纪80年代非常盛行，而且举不胜数。 在上世纪90时年代，信息技术飞速发展，网络日渐成熟，对MES的理论研究逐步转向分布式智能系统，人工智能界的对策就是智能体（Agent）。一个智能体有着与其他智能体不同的软件处理过程，它完全依赖自己的知识。制造系统生产过程和控制结构本身所固有的局部控制和分布式决策的特性，为Agent技术提供了广阔的应用空间。多智能体系统（Multi-agent System，MAS）被认为是分散化控制、自适应及处理复杂过程的一项关键技术。美国国家工业信息框架结构协议联盟NIIIP (National Industrial Information Infrastructure Protocols)在提交给对象管理组织OMG （Object Management Group）的RFI-3文件中，提出了敏捷化MES技术模型，该模型通过统一的对象请求代理，实现与Agents，工作流和外部系统（如SCM、ERP、Legacy、SSM、P/PE、Controls、Data Warehouse等）间制造事件信息的传递，采用内外统一的对象实体（Agents）有利于系统之间的数据交换和信息集成，Agent内部基于知识的推理机制也符合敏捷化MES的要求。多Agent系统为智能MES提供了一种新的实现模式，基于多Agent的智能制造执行系统（Agent-based Intelligent manufacturing Execution System，ABIMES）的研究，是当时MES研究的热点。从上世纪90年代末期以来，随着软件工程技术的发展和可重用（也称可复用）技术研究的兴起， MES功能模块的组件化研究成为了重点。由于MES面向的是多行业、多种生产模式的企业，根据不同企业的需求，能够方便、灵活、快速地配置本企业所需要MES系统。MES在模块化的组件支撑环境（Module Application Component Environment，MACE）下，运用当代软件技术和规范（如CORBA，COM/DCOM，XML，.NET，J2EE），使MES具有客户化、可配置、可扩展、即插即用和互操作等特性，能方便地实现不同厂商应用软件之间的集成和企业原有系统资源的继承。 （2）不同时期若干有代表性的原型系统 在MES不同发展时期，都会涌现出若干具有时代特征和开拓性的原型系统，尽管它们由于各种原因，可能没有在生产过程中得到实际应用，但是这些原型系统作为宝贵的经验，为后来MES的理论研究以及系统软件开发人员，起到了良好的借鉴作用。1）人工智能技术MES美国宾夕法尼亚州立大学的Wysk 等人将专家系统和仿真技术结合，开发一个“柔性制造系统(MPECS)”。系统采用数据驱动和目标驱动两种方式，在不同的决策阶段，性能指标是可以不同的。在离线状态下，可以更新知识库。该系统能显示计划调度结果，使系统能够更加适应车间环境的变化，并根据这种变化做出相应的调整，其重要意义体现在MPECS能运用已有的知识和更新知识库，通过车间层的反馈信息进行决策，该系统可以根据不同的优化指标，完成车间层计划调度。2）多智能体MES台湾学者Jeff Y.C.P等人提出采用多智能体技术，建立制造企业集成的计算机基础结构，将复杂的企业活动划分成多组元任务，每一个组元任务由一个智能体执行。将人的行为看作一类智能体，采用多媒体界面，通过大量智能体的交互，实现企业中地域分散的技术，工作流技术进行可集成的制造执行系统的构建和软件系统的开发。美国普渡大学的Lin, G.和Solberg, J.提出了基于自治Agent的集成化车间控制框架，采用价格机制与作业目标相结合的市场化模型、作业优先策略、多步协商等技术以实现对制造环境变化的适应性。3）分布式的MES土耳其中东技术大学制造工程系的集成制造研究组，在MES的技术实现和方法上进行了深入的研究，采用Windows DNA技术开发了一个分布式的MES原型系统。4）ERP环境下的MES韩国首尔大学的 Choi B.K.和Kim B.H在建立柔性制造系统的IDEF0功能模型基础上，提出一种ERP环境下管理FMS的制造执行系统的二层框架体系结构。 系统由Main-MES和FMS-MES组成，其中Main-MES负责车间层管理，FMS-MES负责FMS 生产线管理与控制，最后将该系统运用到冲压模和零件加工的生产线管理中，取得了较好效果。5） 基于Web的协同MESVogel，S.和Messer，K. （http:/www.itac.de/files/downloads/etronix_03_2001.pdf）提出了一种基于Web的合作制造执行系统C-MES（Collaborative MES），研究虚拟工厂环境下C-MES体系结构及信息框架，并在一面向订单的电子器件制造工厂中验证了该系统。6）采用CORBA规范集成的MES台湾成功大学制造工程研究所在郑芳田教授的带领下历经三年，应用面向对象技术与CORBA规范开发了一个集成的MES框架，并自行开发了与硬件相关的软件系统来集成各种独立的自动化设备，如无轨小车（AGV）、自动仓储系统（AS/RS ）、机械臂、仿真设备等，使其成为一个适用于半导体制造的集成制造自动化实验工厂。7）组件化的MES德国的西门子公司开发了自己的基于工业标准化和软件组件的MESSiemens MES，并已经成功的应用到各种工业自动化项目，与上层的ERP系统和底层的SCADA系统也进行了很好的集成。 （3）市场应用MES作为企业工厂/车间级生产现场管理系统，在航空航天、电子、汽车、石化、钢铁、烟草、医药等行业得到了大量的推广应用，形成了很多具有行业特点的MES系统和解决方案，MES软件和厂商主要有Invensys、SIEMENS、Emerson Process Management、AS-PEN Tech、Indus International、Honeywell Hi-spec Solutions、Rockwell Software、ABB、Kronos Inc.、GE Fanuc Automation、Agile Software Corp.、OSI Software、SimSci、Wonderware、HITACHI、YOKOGAWA、Technomatix Tech、Lilly Software等。下面介绍几个大的商业化MES系统：1） Honeywell的MESHoneywell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（Value Chain Management）、先进计划与调度（Advanced Planning and Scheduling）、运行管理（Operations Management）、油品调和及储运自动化（Blending & Movement Automation）和生产管理（Production Management）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。2） HOLLIAS-MESHOLLIAS-MES是和利时公司研发的针对流程行业的生产管理系统。它以企业级实时数据库和关系数据库为核心，提供实时信息系统、质量分析系统、设备维护管理系统、能源消耗管理系统、批量管理系统、生产成本核算系统、生产调度系统等功能。为企业生产管理人员进行过程监控与管理、保证生产正常运行，控制产品质量和生产成本提供了灵活有力的工具。HOLLIAS-MES与DCS、PLC等控制设备具有丰富的通信接口，通过OPC Client模块与不同的控制系统进行数据交换。I/O Servers支持OPC、DDE等多种通讯接口协议，可连接到由和利时、横河、霍尼韦尔、西门子、罗克韦尔、ABB、费希尔罗斯蒙特、日立、三菱、欧姆龙等工业自动化厂家生产的DCS、PLC、RTU等设备。并提供ODBC接口，可与ERP等企业经营管理系统集成，实现企业生产的管理控制一体化。HOLLUAS-MES以生产过程信息为核心，为企业决策系统提供直接的支持，丰富的可灵活配置的功能模块可以满足不同行业的应用要求。尽管在商品化、产品化、标准化方面还有很多工作要做，但该软件可以堪称中国式的更贴近中国企业的实用MES。3） SIMATIC IT Production SuiteSIMATIC IT Production Suite是西门子SIMATIC IT产品的核心。它由SIMATIC IT Framework和SIMATIC IT Components组成。 SIMATIC IT Components提供可以满足业务基本需要的功能组件。每个组件都是针对具体的制造问题而设计的（例如订单管理、物料管理、人员管理、报表管理等）。SIMATIC IT Framework是一个建模环境，它通过图形方式将不同的SIMATIC IT Components功能组合在一起来定义执行逻辑（显式规则法，explicit rules approach）。SIMATIC IT Framework是根据物理对象（实际的装置和设备）和逻辑对象（软件包及应用程序）来完成对工厂模型的创建。这些对生产执行逻辑的显式定义，以及对工厂模型中不同对象之间相互作用的定义，都是根据实际的生产作业来实现的。 SIMATIC IT Production Suite提供了对于第三方组件和已有应用程序进行集成的能力。这样一来，很多现场应用程序就可以集成进来，并按照SIMATIC IT Framework中定义的逻辑进行协调和调用。通过SIMATIC IT Framework，可以在基于图形化规则的环境中对企业业务流程进行建模，这就给生产流程的描述提供了一种通俗易懂的方式。这种图形化模型将制造系统的功能进行了细化。 SIMATIC IT Production Suite涵盖了ISA-95定义的MES中大部分功能，保证了它可以在不同的工厂中快速推广和应用实施，对于分布在不同地点的生产厂的集团企业来说，是极为有利的。上述的MES系统，在我国化工、冶金、烟草、医药、汽车、电子等行业得到了广泛地应用，同样也取得了良好地社会和经济效益。（4）MES的标准化研究工作90年代中期，美国AMR研究小组在分析信息技术的发展和MES应用前景的基础上提出了MES标准化和功能组件化、模块化的思路。它将模块化和组件技术应用到MES的系统开发中。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。MES的标准化研究工作主要进展如下：1）MESA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。AMR组织则又把按着11个功能实现的整体解决方案称为MES（Manufacturing Execution Solution）。2）对象管理组织OMG的制造技术委员会中的MES/MC工作组致力于建立MES的参考体系结构。为了使其参考体系结构具有广泛的代表性，确保其是工业界经验的总结，该工作组于1997年发布了名为“Manufacturing DTF RFI-3 Manufacturing Executions Systems”征求意见书，其中将MES列为希望得到研究的具体项目。该计划得到了一些研究组织和企业的支持，共收到六份方案：美国国家标准和技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）、IBM/NIIIP/ME SA、Boeing公司、Prism Tech、Shell Service和SIMA。这些反馈成果包括了制造业研究组织、航空制造工业、流程工业以及半导体制造业等不同工业类型的研究，具有一定的代表性。3）在NIST资助下，美国国家工业信息框架协议（National Industrial Information Infrastructure Protocols NIIIP）协会开展了一项名为SMART（Solution for MES-Adaptable Replicable Technology）的研究，其目标是研究一种信息框架来支持MES内部、MES与企业其他信息系统以及多个企业间信息的集成和互操作。其目标是MES的可集成性，可配置性、可适应性和可扩展性。4）国际仪表学会（ISA）从1997年开始编制ISASP95企业控制系统集成标准和ISA SP98批量控制标准，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（Activity Models）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。5）日本的制造科学与技术中心受日本信息技术促进局委托在电子商业公共基础设施建设项目（the Electronic Commerce Common Infrastructure Establishment Project）中提出了Open-MES框架规范。其规范由电子元件制造过程抽象而来，为了实现框架的平台无关性，采用了CORBA技术。该框架的文档主要是给那些想独立开发应用项目的组织提供一个易于理解的概念性的Open-MES框架。MES经过十多年的发展，国外企业在生产过程信息化建设和应用过程中，积累了丰富的经验，取得了良好的经济效益，也为国内制造企业未来信息化建设指明了方向，其鲜明特点主要表现以下几点：（1）理念先行 任何先进的信息系统都是先进理念的具体化表现，国外制造企业在实施信息化前期非常注重对先进理念的大力宣传和引导，积极排除各种阻挠因素，为信息化的成功实施奠定良好的思想基础。（2）业务重组与信息化实施紧密结合 借助企业信息化进行业务重组已成为国外制造企业的惯用的法宝，通过业务重组，优化企业内部结构，为企业信息化提供高效的组织结构。（3）投入力度大 企业信息化持续周期长、资金投入大。国外大的制造企业倚仗其雄厚的财力，投入其收入的8%到10%用于信息化建设，资金上的保障有利于实施大的信息化工程，加快企业信息化水平的提升，同时保证了信息化的持续开展。（4）注重信息化人才队伍建设 信息化建设中，人才是一个关键的因素。国外制造企业在实施信息化的过程中，非常重视信息化人才队伍的建设，优秀的信息化人才队伍为整个企业信息化实施提供一流的服务，促进了信息化的顺利实施。很多大的制造企业集团都有自己的信息化机构，包括软件开发公司，信息化实施队伍等。（5）与最新技术保持高度同步 每一项新信息技术的产生都催生着企业的信息化应用，国外制造企业通过与最新技术保持高度同步，提升其信息化水平，保证其竞争优势。如CAD技术的产生大大缩短了产品开发时间，互联网技术使电子商务应用到企业运作中，极大提高了企业的整体运作效率。（6）方法和手段在不断地更新从MES的发展历程，可以清晰看出，车间生产管理过程实质内容是不会改变的，只是实现方法和管理手段会随着IT技术发展，在不断地更新。从国外制造企业信息化建设历程可以清晰地发现，它们大多已经构建了完善的企业上层业务管理信息系统、产品设计系统和底层工厂自动化系统。而作为企业生产的中间执行层特别是车间工厂的现场管理相对薄弱，很多企业已经深刻体会到生产执行力正越来越成为企业运作的“瓶颈”，对生产的全面掌控和完全透明化是当今许多国外制造企业的迫切需求。特别是如今很多跨国制造企业，其生产遍布全球，实时掌握各车间工厂的生产执行情况，能为企业上层决策提供强有力的支持。如何使车间或工厂“事件”（如计划变更、质量缺陷、机器故障、物料短缺等）得到及时有效地处理，已成为企业制造执行能力的关键。市场的多变、更高的质量要求、顾客更个性化的需求等都对制造企业生产提出了更高的要求和更多的挑战。对此众多国外制造企业也显得力不从心，而MES（制造执行系统）的应用则为企业生产提供了解决之道。MES全面接管企业车间或工厂的生产管理，在企业上层和车间底层建立畅通的信息通道，保证企业计划目标的有力执行，同时提供实时的车间/工厂生产反馈，使企业生产具有了很强的动态敏捷性。在企业的信息化建设中，推广应用MES已成为提高企业核心竞争力一个重要手段。MES软件开发及应用市场有两个发展动向，ERP软件开发商和系统集成商从上向下的渗透，将其功能向下扩展到MES；HMI和SCADA等以硬件起家的开发商和系统集成商则自下而上拓展到MES，而MES软件独立开发商正受到来自这两个方面的挤压。一些实力雄厚的自动化系统供应商（如Siemens，Rockwell Automation）都在采取并购一些卓有成效的MES公司，或开发MES软件包来抢占MES的市场。Siemens收购了比利时的Compex IT Plant Solutions公司的MES产品proCX，主要用于制药工业和生物工程。Rockwell Automation推出了生产管理软件解决方案RSBizware，针对离散制造业和批量生产过程。此外，Rockwell Automation还以OEM方式向北京和利时公司提供有关MES的软件。目前，国内市场MES的产品主要是软件供应商、企业自主开发、企业与科研院所共同开发几种主要的研究开发途径。其中软件供应商大致可以分为六个方面，表1.1所示。表1.1 MES产品来源分类MES产品发源MES产品代表公司1自动化领域厂商在自动控制基础上发展起来的GE Fanuc、西门子、罗克韦尔等2ERP厂商从ERP延伸发展出来的SAP3台湾电子行业信息化厂商台湾电子行业MES系统在大陆的推广台湾资通、羽冠等4国内流程行业大型公司实施MES中发展起来的上海宝信、石化盈科、华铁海兴等5PLM厂商从PLM延伸发展出来的UGS等6自动识别、质量管理、组态系统、测控等不同领域的厂商向MES领域进行渗透的灵蛙等MES可分为两大类型：一、面向离散行业的MES系统，如汽车、机床、家电等具有加工/装配性质生产过程离散型行业；二、面向流程行业的MES系统，如冶金、化工、酿酒等生产过程连续型行业；本文将重点关注面向离散行业的MES。1.2 MES需求分析正如前面所说的一样，一个企业的良性运营是使“计划”与“生产”密切配合，在最短的时间内掌握生产现场的变化，保证计划合理而快速地修正。市场环境的变化和现代生产管理理念的不断更新，开始越来越迫切地要求消除生产现场管理信息的“断层”。为此，企业的计划层与生产控制层之间需要“直通车”，即需要一种可以由下而上实时掌握生产现场状况的信息管理系统，使计划与生产现场可以实时互动。针对上述情况，企业需要找到解决计划层和生产控制层间信息断层问题的方案和途径，对车间级的生产管理进行有效控制，要求做到：1） 要求透明的看到制造现场2） 制定制造工程计划；3） 可以根据制造现场的变动实时的下达作业指示；4） 可以预测交货期，能帮助交货期的延迟（向顾客请求谅解或外协处理及通过加班计划防止交货期延迟）。 如何减小或消除企业计划层和控制层之间的信息断层，更好地满足企业的需求，MES走入了人们的视线。MES（ManufacturingExecution System）即制造执行系统，是美国管理界90年代提出的新概念。它是处于计划层和现场操作控制层之间的执行层，主要负责生产管理和调度执行。MES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。MES是面向车间层的生产管理技术与实时信息系统，它是实施企业敏捷制造战略，实现车间生产敏捷化的基本技术手段。由于MES强调控制和协调，使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统，而且能使计划落实到实处的执行系统，很好的满足了企业的需要。企业通过实施MES，优化生产批量、确定合理生产提前期，合理控制在制品库存量，适应需求的变化，不断地调整部件生产作业计划、工序排序等实现敏捷生产，实现生产过程管理的透明化。在企业推广应用MES，可以取得以下4个方面的成效： 提高企业对市场响应速度； 保证产品质量； 降低生产成本； 精益生产、准时生产和最优化生产技术的实现。（1）市场响应速度 随着社会的发展和生活水平的不断提高，人们的收入也在逐年增加，许多消费者已不再满足于以往趋于雷同的消费方式，他们追求个性化消费或服务，使得市场呈现多样化，如汽车、家电、手机、电脑、服装等等，无不体现出“个性化”思潮。为满足市场多样化的需求，各种产品制造的生产模式也由原来的面向库存生产转为面向订单的生产方式，因为只有面向订单的生产方式，才能为消费者带来个性化产品或服务。然而，对于产品或服务的提供商来说，要实现面向订单的生产方式，不仅需要改变过去承接客户订单的方式，更重要的是实现从接单、安排生产计划、编制作业计划、生产加工过程、入库、交货等一连串环节的信息畅通，使计划层与控制层（生产加工过程）之间保持紧密的信息交流。只有这样，才能保证企业对市场的响应速度。MES可以在计划层与控制层之间建立信息通道，按照MRP-II/ERP下达的生产计划或客户订单，生成车间作业计划，组织生产加工，实时获取生产过程、产品质量和执行计划的进度情况，保证客户的交货时间。（2）产品质量及追溯 尽管传统观念中的成本与质量完全呈正比关系早就被现代管理理论所否定，但是要达到成本和质量的双赢却非易事。按照全面质量管理的思想，在不提高生产成本的条件下提高产品质量，必须严格控制产品生产的全过程以及影响质量的各种因素。举例来说，产品不良率是反映产品质量的一个重要因素，它的产生可能是生产过程中某一个环节造成的，也可能是某几个环节引起的。如果不能对生产加工过程中每个环节进行实时的质量监控，一个环节出错就可能影响到一批产品的不良率。因此，在目前市场竞争日趋激烈的情况下，既要降低产品成本，又要保证质量的双重压力下，采用MES不失为一种捷径。2002年10月23日国家质检总局正式向社会公布了缺陷汽车产品召回管理规定，2003年1月上海正式实施上海市消费者权益保护条例，在这两个法案中确立了商品召回制度。召回制度带来的一个直接问题就是当召回发生时，厂商需要了解产品在生产过程中的信息，如：每道工序的操作过程和质量信息、操作者、零部件的供应商等信息。目前的软件系统，如MRP-II/ERP、PDM、CAPP等管理系统，都无法提供或保存上述的完整信息，只有PDM可以提供外购件若干信息，如供应商、型号等少量信息。因此，由产品召回制度引发的类似问题及特殊要求，也只能通过在企业的计划层与控制层之间，建立MES来解决。（3）降低生产成本MES降低生产成本作用，综合体现在提高生产设备利用率、缩短生产周期和减少在制品及库存量3个方面。1）提高生产设备利用率MES的设备管理在传统维修管理基础上实现了动态管理，即：对关键设备进行基于状态的预防性设备维护，并实现设备管理与作业计划管理的同步与协调。其内容包括，建立设备是什么厂家的产品，何时购买，何时修过，有什么特性，存在过什么问题等等。以往判断设备情况往往凭经验，没有科学依据，如果有运行数据作基础，建立相应的设备运行模型，就可以透过定期预防性维修，提高设备使用寿命，减少设备维护的成本。MES设备管理的目标就是能建立一个完整、统一的厂区设备监控与管理系统，能满足现场部门、维护部门、计划部门等对设备状况及时掌控，动态地安排设备管理与作业计划，保证计划的一致性与可行性，从而提高设备利用率。2）缩短生产周期MES最为重要的就是短期计划和实时调度，它是MES 的核心。生产就是要有计划，且根据生产实际的变化进行调度。即根据ERP 层发来的长期计划，比如今年要生产多少品种的产品，各种产品生产多少。MES 把这个计划进行分解，形成月、旬、周、日等短期计划，下达到车间生产，尔后MES还有个调度过程，即在执行过程中实际生产情况往往是多变的，应马上反馈到MES ，在MES 层进行修正，并下达到PCS 层，从而完成了动态调度的功能。合理的车间生产计划与调度能有效地缩短产品的生产周期。3）减少在制品及库存量MES库存管理包括对成品库存和在制品库存的管理。对成品库存还要考虑对客户订单信息、产品信息和质量信息的匹配与核对，以及对发运方式和配货方式的管理。对在制品库存需要考虑到产品在库存空间中的定位、库存空间的限制、合理库存量等方面的问题。短期计划和实时调度保证了计划适应性，设备管理模块实时监控瓶颈设备运行的状况，及时调整生产线速率以保证流水线均衡，从而减少了流水线上在制品的挤压。MES短期计划和实时调度弥补了ERP系统通过市场预测需求偏差和客户订单随机性的不足，能够及时掌握车间物料需求状况，告知物料供应部门合理采购，避免了采购盲目性，有效地降低了物料库存。（4）先进管理思想的实践随着市场需求多样化和不确定性的增强，企业在生产组织迫切需要先进的管理方式和信息化管理，于是新的管理技术：精益生产（LP）、准时生产制（JIT）、最优化生产技术（OPT）、物料需求计划（MRP）、制造资源计划（MRPII）、制造执行系统（MES）等应运而生。“精益生产（Lean Production）”的概念源于上个世纪六、七十年代的日本汽车制造业。正是这种概念的提出，使日本汽车业在与美国汽车业的竞争中占得了先机，它也因此成为了制造业的管理圣经，被制造业的管理者们所信奉。“精益生产”强调全员参与、团队合作，以消除生产过程中的一切浪费为出发点，追求零切换浪费、零库存、零缺陷；推行柔性化生产，通过