制造执行系统MES的发展和挑战

1、小议制造执行系统（ MES ）的发展和挑战上海工业自动化仪表研究所 彭 瑜2004-3-10 13:27:33当前摆在人们面前的严峻问题是， 如何使对企业信息技术网络的投资能迅速取得回报？ 看来正确认识 MES 的作用和正确地发挥 MES 的作用是非常关键的事情。本文将重点放在 至今在国内尚未引起足够注意的 MES ，以期对这个沟通 ERP 和生产制造的控制系统之间的 关键环节给予应有的重视。引言20 世纪 90 年代以来，经济全球化的趋势日益增加，信息技术的发展极为迅速，市场环 境发生了根本性的变化。 顾客驱动已成为市场的主要特征， 市场竞争的要素涉及到工控时间、 质量、 价格、服务和环境。

2、 而信息技术的广泛采用， 使得以顾客订货和市场需求为轴心的生 产活动已可以不受时间和地域的限制，竞争的高科技含量因此大大提高了。面对激烈竞争， 企业界的重要对策就时采用将制造技术与信息技术、 自动化技术、 现代管理技术和系统科学 技术有机融合的新一代先进制造技术。以此为契机，企业资源计划ERP和制造执行系统 MES从理念发展到软件平台， 再形成完整的系统， 并开始了较为广泛的应用。 它们或以软件平台 形式出现， 或以系统形式出现， 或以应用服务的形式出观， 这预示着人类正在进入电子商务 和电子制造完美结合的新时代。ERP立足于经济全球化的环境，面向正在迅速形成的供应链，从企业全局的角度对经营

3、和生产进行全面计划，并实施企业资源的一体化管理。它以财务管理为核心，将资金流、物 流与信息流加以有机结合，使整体价值链管理的概念得以实现。它集成了供应链管理功能， 强调供应商、 制造商与分销商之间的新型伙伴关系， 支持企业后勤管理， 形成对市场快速响 应的能力。 它强调企业流和半制成品的管理， 通过对半制成品的管理实现企业的人员、 财务、 制造与销售之闻的整合，支持企业业务过程重组。按理，在生产制造计划中，ERP支持MES的管理模式，通过 MES支持不同行业（就大的分类而言，主要是离散制造业，流程工业和批 量流程工业）的管理模式。但仍然需要化大力气去解决ERP与MES之间如何针对特定工业企业建

4、立协同作用的解决方案和实际存在的问题。在典型的ERP软件平台中，财务管理（包括会计核算，财务管理）、生产控制（包括生产 计划，制造 ） 、物流管理 （包括采购，库存管理，销售 ）和人力资源管理等是基本功能模块。 过去的若干年来，ERP在国内得到了较广泛的重视，一些企业花了大量资金上ERP但就一般情况而言，商业企业从ERP中获得的利益比较明显，而工业企业却没有那么幸运，甚至受 到不同程度的损害。这一现象并非我国独有，在工业发达国家也是如此。美国ARC公司调查 结果显示，53%的客户反映ERP对工厂生产存在负面影响。怪不得有人说：不上ERP是等死, 上了 ERP找找死。这里反映出在ERP实施过程中

5、确实存在一些不可忽视的问题，其中最主要的是光有ERP并不能帮助和指导工厂分析其生产的瓶颈，改进和控制产品的质量， 以及对具体的产品生产进行排产； ERP不但没有调动工厂管理人员的积极性，反而把他们降格为一种 信息的收集者；ERP虽有生产控制模块，但难以真正在工厂层中使用。如果不加分析和改进 这些问题，其结果则是将 IT 推离、而不是融人工厂的生产活动。但是对于一个企业，如果仅仅从生产工厂的视角来分析其在竞争中所处的地位，显然是短视的。即使是最好的 MES解决方案，对于整个企业来讲， 也不过是提供一个相对狭窄的视 角，缺乏在管理层为进行决策支持所需要的生产执行数据的广度和深度。这就启示我们，完整

6、的、能够引导一个企业保持长期的业务利益和价值的企业信息系统，必须是控制、制造执行系统MES和企业规划系统 ERP三者协同作用的整合。可惜的是，在人们认识到ERP的重要 作用的同时，并不曾给予 MES足够的重视，更何况上ERP项目动辄要投资上千万， 甚至上亿 元。一般中小企业难以承担， 即使是大型企业花那么多钱也不是轻而易举的。当前摆在人们面前的严峻问题是，如何使对企业信息技术网络的投资能迅速取得回报？看来正确认识MES的作用和正确地发挥 MES勺作用是非常关键的事情。本文将重点放在至今在国内尚未引起足 够注意的MES以期对这个沟通 ERP和生产制造的控制系统之间的关键环节(见图1)给予应有的重

7、视。图1 MES是上承ERP下接控制系统的桥梁一、MES的定义按照国际MES协会所给出的定义，MES提供从接受订货到制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信息。 它采用当前的和精确的数据，对生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变化的生产状态和条件作出快速反应，重点削减不会产生附加值的活动，从而推动有效的工厂运行和过程。MES改善运行设备的回报，以及改善及时交货、库存周转、毛利和现金流通性能。MES通过双向通信，提供整个企业的生产活动以及供应链中以任务作为关键因素的(mission critical)信息。其关键词是精确的实时数据，这是以业务为基础的(transac

8、tion-based)ERP和MRP-n系统未曾加以考虑的。美国AMF研究公司对 MES也有自己的定义：MES是个常驻工厂层的信息系统，介于企 业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间。它以当前视角向操作人员/管理人员提供生产过程的全部资源 (人员，设备，材料,工具和客户要求)的数据和信息。其着重点是将信息技术运用于改善制造过程。在AMR勺MES集成企业模型中分为 3层:承担企业全面管理，包括会计/财务系统的管理决策层ERP承担工厂级协调/跟踪跋现并监控趋势的执行层 MES承担工厂生产控制的控制层。 美国的国家标准研究所（NIST）有关MES 定义的表述是：为使从接受订货到制成最终

9、产品全过程的管理活动得以优化，采集硬件嗽件的各种数据和状态信息。由上可知，关于MES的定义存在一些不同的表述。但是，以下几点共识还是普遍被接受的：*MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。*MES采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管 理活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。*从对实时的要求而言，如果说控制层要求的实时的时间系数为1，那么,MES的时间系数为10,ERP的时间系数为100（见图2）。A ± 1 f. HU A * H 4MM t 4 i厂MA 赫 g K»n*dM f 0 a1_

10、1;iwI,ft 十fRF5图2 MES中数据流和响应时间要求二、我们为什么需要 MES?在许多工厂中，全厂管理的功能目前仍然由文件和人工系统进行，通常有经验的人员执掌着工厂生产效益的钥匙。在大多数运行中，人工系统和有经验运行人员的判断总是起着重 要作用（见图3）。但是，市场要求产品的品种和数量经常变化，靠人工和经验调整生产显然 效率低、反应慢、缺乏竞争力。而且人工系统也不可能适应产品、工艺、技术和用户要求日 趋加速的变化。由于生产运行变化如此迅速，MES的信息的及时性要求以分，甚至秒的速度进行反应，此时光靠人恐怕不行。因此，采用MES带来的效益不言而喻（图4）。R B ”EM | 图3工厂信

11、息系统在许多时候还由人来决策M t S.人千 JliRAKHftS km»frUfi«9KKT- fx i alnt I1 解ft Mf4唐列厂存Tn厂益具"图4采用MES取代人工决策的工厂信息系统ERP/ MRP勺环境是以具体事务为基础的。其数据交换系对生产调度、运输安排或对生产计划要求的响应。 与此不同的是，控制的决策必须在秒甚至更短的时间内完成，它对生产过程、操作人员，或对材料的操作需求作出响应。显然，实时环境和实时响应的差异影响着绝大多数的具体事务和在控制层的执行。传统的数据流和控制流在 ERP与控制层之间存在着巨大的鸿沟。传统的信息管理系统向主管财务的总

12、经理和财务管理负责人报告，居于管理层；而传统的工程生产信息则向负责生产的总经理报告；职责不同，相互之间的沟通不一定能做到及时且细致深入。与此相反，MES能提供的材料数据是与生产消耗相关的，同时能生成基于精确执行时间 的材料供应提前量， 这将改善仓储控制。 准确的生产模型是与实际测量相对于计划时间表的 关系紧紧相连的，因而可用来修正过程模型，而且有助于精确表达生产计划的实时行为。在当今激烈竞争的世界经济中， 要占有“最有价值”的地位， 必须使企业具有最好的质 量、最佳的客户服务、 最低的制造成本、 快速响应以及灵活性的特点。 而要达到这样的水平， 就必须在正确的时间提供正确的信息才可能进行最佳的

13、决策。 这就要求不断地对公用的数据 库进行改善，同时让每个部门都拥有把数据转化为有用信息的工具。怎么能做到这些呢?唯有MES才能真正向企业提供以上这些功能。三、MES在信息系统体系结构中的地位主要的制造信息系统有：ERP企业资源计划）、SCM供应链管理）、SSM销售和服务管理）、 P/ PE（产品和过程工程），以及MES制造执行系统）和控制。这些系统每一个都有其一定的 功能，包括若干不同的模块。它们间存在一些重叠，如调度可能出现在MES和SCM劳务管理出现在MES SSM ERP中的人力资源（HR）功能模块中；文件管理出现在 MES和P/PE;过 程管理出现于MES和控制中。ERP包括财务、订

14、货管理、生产和材料计划，以及相关功能；SCM包括预测、分配和后勤、运输管理、电子商务以及高级计划系统；SSM包括销售力自动化、产品配置、服务报价、产品返回等；P/ PE包括计算机辅助设计/制造 （CAD/CAM）过程建模以及产品数据管理 （即PDM）控制包括DCS PLC SCADA DNC分布式数控），以及其它计算机化控制装置。四、MES与其它系统的关系图5给出了 MES和 ERR SCM SSM P/PE,以及控制系统之间实施数据交换的相互关 系，主要是：MES作为生产制造系统的核心向其它系统提供有关生产的数据：MES向 ERP提供实际生产数据，如成本、周期时间、产出和其它生产数据。MES

15、向 SCM提供实际订货状态、生产能力和容量、班次间（shift-to-shift）的约束等。MES向 SSM提供在一定时间内根据生产设备和能力成功进行报价和交货期的数据。MES向 P/ PE提供有关产品产出和质量的实际数据，便于CAACAM乍适当调整。MES向控制提供在一定时间内使整个生产设备以优化的方式进行生产的工艺规程、配方和指令等，将其下载。01硯屮“开貳旳丙札的关系復艰图5 MES与其它系统的关系模型五、其它信息系统向 MES提供的数据MES也从其它系统取得数据，以保证工厂的智能化操作运行。例如ERP的生产计划模块供给MES乍工作调配；供应链向MES提供计划和调度是为了确定工厂生产活动

16、的时间表；销售/服务的配置和报价模块为MES提供生产信息的底线；P/ PE向MES发出工作指令、配方（recipe,泛指一组相互关连的工艺数据，也可能是一组材料的比例）、工艺规程和运行参数；来自控制的数据用作测量实际性能和操作条件。六、MES勺功能模型按照MESA的定义,MES共有11个功能模块（见图6）,包括：资源（包括机械设备、工具、 熟练劳工、材料、其它设备及文档等）配置和状态模块；生产单元（以任务、订单、批次、批量和工作命令等形式表达）调度模块；数据采集/获取模块； 质量管理模块；维护管理模块； 性能分析（提供不超过以分为计时单位的实际制造运行结果的报告，包括SP（/ SQC模块；运行

17、细节计划编制与调度（提供按分钟为时间单位编制的基于优先级、属性、特性和/或与 具体特性相关的配方、工艺等的安排顺序）模块；文件/文档控制模块；劳务管理模块；过程管理（监控生产，并自动校正或向操作人员提供决策支持，以校正和改善生产流程中的活 动）模块；产品跟踪模块。图6 MES的功能模型由于每个行业的生产和流通流程不同，还有其特定的行规，不同的行业对MES的要求和着重点是完全不同的。例如电子工业通常要求 MES着重于建立精确的产品记录，即使在产品 经常变化以及工艺和设计经常变化的情况下仍有精确记录。纺织行业、食品工业以及许多批量处理的行业使用 MES是为了改善设备利用率，保证不问断的批量记录，进

18、行配方管理和加 速生产过程。宇航和军工企业需要 MES能满足在线的工作指令，在加工过程中保持出错几乎 为零，对产品进行完整的历史记录以保证法规和用户的检验，以及跟踪大项目的进程。 制药行业通常要求 MES能精确地进行便于管理的批量记录，证明产品符合法规。甚至同一个行业中不同企业也各具特色，所以MES软件包总是针对某一个行业的特定要求而开发的。而且 MES具体的应用程序开发和应用服务的工作量相当大，也相当专业化。这就往往造成 MES的开发成本和应用成本过高，反过来又影响MES大面积的推广应用。七、MES带来的效益基于MES用户的经验，使用 MES所带来的效益很可观。相比于其它任何制造软件,MES

19、应该是最具吸引力的：平均减少制造周期时间45%; 般减少数据输入时间为75%以上；平均减少半成品（WIP）24 %:平均减少为交班而准备的纸面工作61% ;平均减少引导时间27%.;平均减少纸面工作和设计蓝图所带来的损失56% :平均减少产品缺陷 18%。以上列举的若干统计数据是由国际MESA协会通过调查研究确定的，具有充分的根据。八、ISASP95-正在形成中的 MES标准为了进一步规范 MES正在制定和发展企业信息整合 (集成)标准和模型，但是大多数是针对一种特定的工业门类或类似的几种工业门类的。例如，欧洲技术委员会CEN TC310WGI正在为制造业制订高级信息集成解决方案。Aache

20、nln formati on Systems在为化学工业开发数据库和元数据库(meta-database)信息集成。ISO正在开发生产数据交换标准STEP(STandard forExchange ofProductdata)。从 1997 年开始美国仪表学会启动了编制ISASP95企业控制系统集成标准的工作，还有ISA的批量控制标准ISASP&已经成为ISA正式标准的ISA SP95.00.01企业控制系统集成第 1部份模型和专用术语 目前已被国际标准组织IEC/ISO所接受，正在发展成为国际标准。它详细规定了业务经营和后勤支持系统与生产运行系统之间的接口。其功能模型(参见图7)主要

21、依据国际MES协会提出的模型和美国普渡大学著名教授T. Williams指导下提出普渡企业参考体系结构PERA图7 ISA SP95的功能模型ISASP95.00.01的标准规定了 4种主要资源类型，即人员、材料、设备和流程段(process segme nt)。前3种资源定义表示人员、材料和设备的信息，可进行静态或动态数据交换；第 4种资源从制造流程的角度向经营管理系统提供关于材料、劳力和设备的计划和成本的信 息。标准还规定了 4个附加的交换信息集合：生产能力信息、产品信息、生产要求和生产响 应。这些信息的动态交换通常是在系统之间进行，也是当前大多数经营管理与制造信息集成的基础。标准定义了这

22、类数据的结构和表达这些信息之间的复杂相互关系的方法。生产能力界定经营管理调度所需要的信息；产品界定包括生产一种单一产品(或某种产品的一个生产批次)所需要的材料、设备和人员。生产要求或称排产调度(preductionschedules)界定安排其进行生产的工厂及相关材料、 设备和人员。 生产响应或称生产特性则界定实际生产的工厂 和实际所用的材料、设备和人员。ISAS795. 00. 02企业控制系统集成第 2部分数据结构和属性在2001年上半年成为ISA的正式标准。 该部分并未增加任何有关集成模型的新概念， 但是对第 1 部分所定义的内容作 出详细的规定， 并通过举例和图解进行进一步的解释。 例

23、如按可使用的人员、 所用的材料和 已加工的材料所用的设备， 以及所用的排产调度和成本控制的流程段来描述生产信息。在该标准的第 1 和第 2 部分没有对系统之间的信息交换规定一种正式的协议或详尽的格式，仅仅提供了发生交换的基础。 正在编制中的第 3 部分将要定义为了最终达到企业信息集成，而必须对发生在生产制造与经营管理和后勤支持系统之间的各种活动进行非对称采集的模型。ISA SP95 的第三部分试图通过定义和详细规定发生在管理层与制造层之间的数据流和 功能来重点解决互操作性的问题。 它定义最小或基本功能 (组件 ) ，以及包括支持管理层与制 造层之间交换信息在内的数据流。借助于用一种共同语言，使

24、用户和MES开发、供应商都能以更有效和精确的方法交流、描述自己的要求，表达可提供MES软件包和服务的能力。 该标准还具备灵活性，允许MES开发、供应商增加其附加值的功能。例如一个用户要实现一种新 的数据历史记录功能，他发现由SP95定义的8个数据历史记录功能中 5个可满足其要求。如果某种功能超出了 SP95的范围，那么用户可以寻求一个供应商，其软件产品既符合 SP95, 又能提供额外的功能。对ISA SP95标准最严峻的挑战是，它必须满足多种工业和行业对企业信息集成的需要。 它必须搞成一个适用于食品工业、 化学工业， 以及电子工业这些不同类型的工业的跨行业的 定义集合，从而保证 SP95可以成

25、为复盖离散型制造业、连续流程制造业和批处理流程制造 业的MES的标准。九、为降低风险，提高投资回报率，从MES入手面向制造业和过程工业的 ERP在经历了如年代后期的稳健增长后，在2001年和2002年有显著的下降。 软件包的许可证收入受到的打击最厉害， 而服务的收入继续强劲。 同时在 大规模的ERP项目已趋于饱和后， 大多数ERP供应商正在全力开发中小规模项目的市场。这说明， 如何使企业信息技术网络的投资迅速取得回报， 引起企业管理层的极度重视。 目前广 大的制造业和流程工业正在把投资转向工厂级的IT项目聚焦于 MES或在2001年ISA展览会上称的工厂软件上。因为从这里切入，显然要比大把大把

26、的钱花在无尽头的企业IT 改造上的风险低得多。据称，一个典型的工厂信息项目其投资回收周期少于12个月。这种投资回报易于定量，且完全可用真实的工厂数据加以检验。在经历过去十年多的努力实践和改进后，MES技术显著地变得成熟。它不但有着明确的定义、统一的名词术语和参考模型，而且正在制定相关的包括MES基本功能、XML扩展标记语言纲要等在内的标准，甚至出现了所谓最佳实践的微软的解决方案架构和通用建模语言 (Mcrosoft Solution Framework and Universal Modeling Language)。不过我们还应有清醒的认识：如果没有恰当的规划，MES的挑战仍然是高风险的。只

27、有把目标确定为既保证易于在MES本身内部和ERR SCM等组合的灵活性，又能采用不断改进的新制造工艺的优点的 同时，求取制造过程的优化，才能渐进地、逐步地通过MES的实践取得高投资回报。十、MESE面临着许多挑战文献指出MES面临着十个挑战，这些挑战相互有关，而且因各别环境而相互关连的权重 也存在差异。就其典型情况而言，在这些挑战中，80属于企业文化的范畴，只有20才属技术范畴。这些挑战主要是：*上MES项目时如何使得工厂和企业形成双赢局面。如果工厂人员拒绝引入 MES和拒绝 对自动化系统作相应的改造，或者如果企业领导层不理解或支持工厂的改造，再好的 MES 的应用也会沦为失败。MES的形态结

28、构，应该抓住每*不同行业之间的 MES应用存在巨大差异。对不同行业的种制造环境的基本的和本质的症结所在。*对MES系统维护的矛盾。MES是一种应用于工厂的动态的IT解决方案，经常因产品、流程、以及新老产品的产出比例发生变化而不断地有所改变， 由于数据库的应用软件实现由 过程要求和具体事务的负荷导出的数据模型， 所以当过程或产品发生改变， 数据模型也必须 相应“迁移”。 其中包含报表结构和数据关系的规格化， 以及增加数据负荷。 如果用户在老 模型上附加表格，过程的性能将会很快变坏，致使生产线运转速度减慢，于是形成了MES应用的瓶颈。一般地说在 5年的周期内，MES的应用软件会有30 50%的变化

29、。而且 MES 系统有 724 的跨多个系统的网络和设备接口需要维护。因此公司必须聘请或培养具有过程控制、 IT 和管理业务系统工作知识的制造业 IT 专家。*建立一种共同语言 MES的整合不是轻而易举的。问题出在工厂和企业的应用软件的数 据结构不尽相同。企业和MES的应用程序要求共同的规格，以便于在引入新产品和新流程时， 能有效地处理业务管理的改变，从而确定标准的工厂侧流程。这是软件维护的矛盾，改变管理是MES在生命周期、低成本和迅速的投资回报等方面获得成功的关键。工厂侧的系统用基于生产、产品的语言予以处理， 然后由MES加以分析变换为 ERP的术语一工厂最大产量和 能力，也为供应链规划和制

30、定生产的时间进度提供相关数据。鉴于一个公司为优化产品制造和形成流水线作业，通过它的综合 IT 系统和管理流程，对其下属工厂的生产安排的变化有 着相当直接的影响， 因此为了简化接口， 公司必须在许多技术细节方面与其下属的所有工厂 和原有的综合系统取得一致。这包括：共同的网络通信协议；共同的数据结构；共同的事件和通报模型；共同的设备接口和应用软件接口； 共同的应用程序整合方法； 共同的业务间 (B2B) 信息格式。如果每一个工厂都用相同的操作系统和中间件，上述问题就变得容易了。但是， 许多工厂却用了好几种操作系统和好多种组件结构， 这样就有待于发展共同的语言了。 好在 为垂直综合和水平的工厂整合而

31、发展的共同的语言已进入了最后阶段，这就是一系列的 CIM的工业标准，从参考模型到目标模型， 再到XML纲要和数据模型。 这将极大地简化应用软件 和接口的设计、维护和管理方法的改变。*建立一种共同的通信协议书随着新一代以XML为基础的应用软件一可重用基本设计架构 (A2F， Application-to-Framework) 的企业应用软件接口 (EAl) 问世， IT 的亚结构为建 立企业和工厂接口可减少50%的成本。随着技术的成熟，实现MES的成本及MES的维护成本将持续走低。许多当前的整合实践使用了应用软件间(A2A ,Application-to-A pplication)的接口， 在整

32、个企业的 IT 系统中用了许多不同的通信协议和语言。 这样，产品和流程变化， 用户就需要对 MES进行维护。虽然许多公司已安装了A2A EAI软件，建立了接口库存系统和对点对点接口进行变换(mapping)，但使用A2A EAI，如果工厂和企业内外的多个应用软件 在运行时，会使任意应用软件之间的相关数据变得复杂化。在A2FEAI软件中，信息独立地在许多不同的系统和应用软件之间传送， 而可重用基本设计架构充当解释、 翻译和指导。 由 此可见， 采用 A2F 的技术路线， 使公司在实现新的功能性方面得以增进。 在此基础上形成的 整合架构，为将现有系统升级为性能价格比远高于目前的 IT 系统创造了前

33、提条件。 A2F 带 来的另一重要优点还表现在， 它把工厂和企业的流程从基于应用的限制加以抽象， 并首先构 成数据模型。 于是公司可为获取高年利润率和扩大市场进行最佳决策， 而不必顾及个别软件 模块的限制。*建立有效的管理改变机制为了有效地处理 MES的许多改变，需要把一种专门的改变管理机制(CMS change management system)和指导委员会纳入企业的组织之中。MES旨导委员会应进行全面的决策和在规范的基础上使改变活动得到优先处理。*正确地评估症结所在 在一个企业开始其漫长的管控一体化进程时， 最艰巨的任务是在 实现MES的第一阶段识别出效率最差的流程。一般来说，工厂人员仅

34、以一种定性而又带有一定的主观臆断的方式了解生产的瓶颈和浪费所在，缺少充分的数据予以验证。为了证明MES项目的可行性和确定投资回报周期， 必须对制造过程作定性分析和评估， 找出瓶颈和优先解 决的范围。 如果环境允许，先从小范围起步。 在第一和第二阶段， 只在二至三个自动化区进 行试点，且只与企业管理系统作很少的整合，甚至不作整合。 之所以作出这样的折衷， 是基于以下的考虑：项目不大，但也能为完整的整合系统提供一个内容广泛的数据模型。因此， 可在选择软件要包括哪些必要的功能性方面，为第三阶段及以后的发展作出明智的抉择。 如果经济上没有问题，基本上应使整个系统可视化，这样便于对制造过程和是否满足设计要求进行评估