21世紀(jì)的制造企業(yè)面臨著日益激烈的國際競爭，要想贏得市場、贏得客戶就必須全面提高企業(yè)的競爭力。許多企業(yè)通過實施MRPⅡ／ERP來加強(qiáng)管理。然而上層生產(chǎn)計劃管理受市場影響越來越大，明顯感到計劃跟不上變化。面對客戶對交貨期的苛刻要求，面對更多產(chǎn)品的改型，訂單的不斷調(diào)整，企業(yè)決策者認(rèn)識到計劃的制訂要依賴于市場和實際的作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)，而不能完全以物料和庫存來控制生產(chǎn)。同時MRPⅡ／ERP軟件主要是針對資源計劃，這些系統(tǒng)通常能處理昨天以前發(fā)生的事情(作歷史分析)，亦可預(yù)計并處理明天將要發(fā)生的事件，但對今天正在發(fā)生的事件卻往往留下了不規(guī)范的缺口。而傳統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場管理只是人工加表單的作業(yè)方式，這已無法滿足今天復(fù)雜多變的競爭需要。因此如何找出任何影響產(chǎn)品品質(zhì)和成本的問題，提高計劃的實時性和靈活性，同時又能改善生產(chǎn)線的運(yùn)行效率已成為每個制造企業(yè)所關(guān)心的問題。

制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)恰好能填補(bǔ)這一空白。國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會對MES的定義是“MES能通過信息的傳遞，對從訂單下達(dá)開始到產(chǎn)品完成的整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化的管理，對工廠發(fā)生的實時事件及時作出相應(yīng)的反應(yīng)和報告，并用當(dāng)前準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的指導(dǎo)和處理。”。美國先進(jìn)制造研究中心AMR于1992年提出了三層的企業(yè)集成模型，將企業(yè)分為三個層次：計劃層(MRPⅡ／ERP)、執(zhí)行層(MES)和控制層(Control)。計劃層強(qiáng)調(diào)企業(yè)的計劃，它以客戶定單和市場需求為計劃源，充分利用企業(yè)內(nèi)部的各種資源，降低庫存，提高企業(yè)效益；執(zhí)行層強(qiáng)調(diào)計劃的執(zhí)行，通過MES把MRPⅡ／ERP與企業(yè)的現(xiàn)場控制有機(jī)地集成起來；控制層強(qiáng)調(diào)設(shè)備的控制如PLC、數(shù)據(jù)采集器、條形碼、各種計量及檢測儀器、機(jī)械手等的控制。MES是處于計劃層和控制層間的執(zhí)行層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。它通過控制包括物料、設(shè)備、人員、流程指令和設(shè)施在內(nèi)的所有工廠資源來提高制造競爭力，提供了一種系統(tǒng)的在統(tǒng)一平臺上集成諸如質(zhì)量控制、文檔管理、生產(chǎn)調(diào)度等功能的方式。由于MES強(qiáng)調(diào)控制和協(xié)調(diào)，使現(xiàn)代制造業(yè)信息系統(tǒng)不僅有很好的計劃系統(tǒng)，而且有能使計劃落實到實處的執(zhí)行系統(tǒng)。因此短短幾年間MES在國外的企業(yè)中迅速推廣開來，并給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)認(rèn)識到只有將數(shù)據(jù)信息從產(chǎn)品級(基礎(chǔ)自動化級)取出，穿過操作控制級送達(dá)管理級，通過連續(xù)信息流來實現(xiàn)企業(yè)信息全集成才能使企業(yè)在日益激烈的競爭中立于不敗之地。

1 MES的產(chǎn)生及發(fā)展

1.1 MES的產(chǎn)生背景

自20世紀(jì)80年代以后，伴隨著消費(fèi)者對產(chǎn)品的需求愈加多樣化，制造業(yè)的生產(chǎn)方式開始由大批量的剛性生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多品種少批量的柔性生產(chǎn)；以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和大型數(shù)據(jù)庫等IT技術(shù)和先進(jìn)的通訊技術(shù)的發(fā)展為依托，企業(yè)的信息系統(tǒng)也開始從局部的、事后處理方式轉(zhuǎn)向全局指向的、實時處理方式。在制造管理領(lǐng)域出現(xiàn)了JIT、LP、TOC等新的理念和方法并依此將基于定單的生產(chǎn)扶正、進(jìn)行更科學(xué)的預(yù)測和制定更翔實可行的計劃；在企業(yè)級層面上，管理系統(tǒng)軟件領(lǐng)域MRPⅡ以及OPT系統(tǒng)迅速普及，直到今天各類企業(yè)ERP系統(tǒng)如火如荼的進(jìn)行；在過程控制領(lǐng)域PLC、DCS得到大量應(yīng)用也是取得高效的車間級流程管理的主要因素。可以說企業(yè)信息化的各個領(lǐng)域都有了長足的發(fā)展，但在工廠及企業(yè)范圍信息集成的實踐過程中，仍產(chǎn)生了下列問題：一方面在計劃過程中無法準(zhǔn)確及時地把握生產(chǎn)實際狀況，另一方面在生產(chǎn)過程中無法得到切實可行的作業(yè)計劃做指導(dǎo)；工廠管理人員和操作人員難以在生產(chǎn)過程中跟蹤產(chǎn)品的狀態(tài)數(shù)據(jù)、不能有效地控制產(chǎn)品庫存，而用戶在交貨之前無法了解定單的執(zhí)行狀況。產(chǎn)生這些問題的主要原因仍然在于生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的相互分離，計劃系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)之間的界限模糊、缺乏緊密的聯(lián)系。針對這種狀況，1990年11月美國先進(jìn)制造研究中心AMR首次提出MES的概念，為解決企業(yè)信息集成問題提供了一個被廣為接受的思想。

1.2 MES的發(fā)展

從20世紀(jì)70年代后半期開始，出現(xiàn)了解決個別問題的單一功能的MES系統(tǒng)，如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、包括生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤、生產(chǎn)統(tǒng)計等功能的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。當(dāng)時，ERP層(稱為MRP)和DCS層的工作也是分別進(jìn)行的，因此產(chǎn)生了兩個問題：一個是橫向系統(tǒng)之間的信息孤島，二是MRP、MRPⅡ和DCS兩層之間形成缺損環(huán)或鏈接。

20世紀(jì)80年代中期，為了解決這兩個課題，生產(chǎn)現(xiàn)場的信息系統(tǒng)開始發(fā)展，生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤信息系統(tǒng)、質(zhì)量信息系統(tǒng)、績效信息系統(tǒng)、設(shè)備信息系統(tǒng)及其整合已形成共識。與此同時，原來的底層過程控制系統(tǒng)和上層的生產(chǎn)計劃系統(tǒng)也得到發(fā)展。這時，產(chǎn)生了MES原型、即傳統(tǒng)的MES(Traditional MES，T-MES)。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)。

到90年代，MES發(fā)展為I-MES(集成MES)和MES-Ⅱ。這時MES則作為整個工廠生產(chǎn)現(xiàn)場的集成系統(tǒng)出現(xiàn)，故又稱為Integrated MES(E-MES)。主要功能為工廠管理(資源管理、調(diào)度管理、維護(hù)管理)、工廠工藝設(shè)計(文檔管理、標(biāo)準(zhǔn)管理、過程優(yōu)化)、過程管理(回路監(jiān)督控制、數(shù)據(jù)采集)和質(zhì)量管理(SQC-統(tǒng)計質(zhì)量管理、LIMS-實驗室信息管理系統(tǒng))。MES在90年代初期的重點(diǎn)是生產(chǎn)現(xiàn)場信息的整合。對離散工業(yè)和流程工業(yè)來說，MES有許多差異。就離散MES而言，由于其多品種、小批量、混合生產(chǎn)模式，如果只是依靠人工提高效率是有限的。而MES則擔(dān)當(dāng)了整合、支持現(xiàn)場工人的技能和智慧，充分發(fā)揮制造資源效率的功能。90年代中期，提出了MES標(biāo)準(zhǔn)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，這樣用戶根據(jù)需要就可以靈活快速地構(gòu)建自己的MES。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(guān)注的各種企業(yè)信息系統(tǒng)來說，只要包含工廠這個對象就離不了MES。

近10年來，新興的業(yè)務(wù)類型不斷涌現(xiàn)，對技術(shù)革新產(chǎn)生了巨大的推動力。正是基于這一點(diǎn)，使人們對B2B以及供應(yīng)鏈給予了極大的關(guān)注。盡管B2B和供應(yīng)鏈屬于業(yè)務(wù)層的解決方案，但如果想要充分地實現(xiàn)它們，還需要得到MES的強(qiáng)有力的支持。其結(jié)果是MES不能僅僅做成業(yè)務(wù)和過程之間的接口層，還需要建立大量可以完成公司關(guān)鍵業(yè)務(wù)的功能。這些功能無法彼此獨(dú)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(wù)和生產(chǎn)策略彼此協(xié)同。

1.3 MES的作用

制造企業(yè)關(guān)心三個問題：生產(chǎn)什么？生產(chǎn)多少？如何生產(chǎn)？企業(yè)的生產(chǎn)計劃回答的是前兩個問題，“如何生產(chǎn)”由生產(chǎn)現(xiàn)場的過程控制系統(tǒng)“掌握”。ERP、CRM等系統(tǒng)只為生產(chǎn)計劃的編制提供了數(shù)據(jù)信息，對于“計劃”如何下達(dá)到“生產(chǎn)”環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程中變化因素如何快速反映給“計劃”，在計劃與生產(chǎn)之間需要有一個“實時的信息通道”，MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))就是計劃與生產(chǎn)之間承上啟下的“信息樞紐”。

企業(yè)信息化系統(tǒng)是一個信息相互貫通的集合體，作為制造業(yè)內(nèi)部最重要最基本的活動一生產(chǎn)，它的相關(guān)信息尤其需要得到實時的處理和分析。具體的說，就是收集生產(chǎn)過程中大量的實時數(shù)據(jù)，并對實時事件及時處理，同時又與計劃層和生產(chǎn)控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。

MES不同于以派工單形式為主的生產(chǎn)管理和輔助的物料流為特征的傳統(tǒng)車間控制器，也不同于偏重于作業(yè)與設(shè)備調(diào)度為主的單元控制器，而應(yīng)將MES作為一種生產(chǎn)模式，把制造系統(tǒng)的計劃和進(jìn)度安排、追蹤、監(jiān)視和控制、物料流動、質(zhì)量管理、設(shè)備的控制和計算機(jī)集成制造接口等一體化去考慮，以最終實施制造自動化戰(zhàn)略。

國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會定義了MES應(yīng)具備的11個功能模塊：資源分配和狀態(tài)管理、操作／詳細(xì)排產(chǎn)、分配生產(chǎn)單元、文件控制、數(shù)據(jù)收集、勞動力管理、質(zhì)量管理、過程管理、維護(hù)管理、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和數(shù)據(jù)采集。
2 MES發(fā)展現(xiàn)狀

 

2.1 傳統(tǒng)的MES(T-MES)

傳統(tǒng)的MES可大致分為專用的MES系統(tǒng)(Point MES)和整合的MES系統(tǒng)(Integrated MES)兩大類。專用的MES是指為解決某個特定領(lǐng)域問題，如車間維護(hù)、生產(chǎn)調(diào)度或SCADA而開發(fā)的單獨(dú)應(yīng)用系統(tǒng)。整合的MES則是針對一特定行業(yè)如航空、裝配、半導(dǎo)體、食品和衛(wèi)生等行業(yè)而設(shè)計，具有一定的通用性。并且逐步加強(qiáng)了與上層事務(wù)處理和下層實時控制系統(tǒng)的集成能力。由于工廠可能會從不同的軟件供應(yīng)商購買適合自己的MES模塊，使得MES系統(tǒng)包括了很多子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)都有各自的處理邏輯，數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)模型和通信機(jī)制。為了實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的集成，往往采用API技術(shù)，OLAP技術(shù)和相應(yīng)的通信機(jī)制。其中，外部應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)用和插入使用API的方式，而應(yīng)用EDI技術(shù)和外部環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。雖然專用的MES能夠為某一特定環(huán)境提供最好的性能，卻常常難以與其它應(yīng)用集成，整合的MES比專用的MES邁進(jìn)了一大步，具有一些優(yōu)點(diǎn)，如單一的邏輯數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)內(nèi)部具有良好的集成性，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型等。但其整個系統(tǒng)重構(gòu)性能弱，很難隨業(yè)務(wù)過程的變化而進(jìn)行功能配置和動態(tài)改變。為解決傳統(tǒng)EMS的不足，可集成MES(I-MES)逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。

2.2 可集成的MES(I-MES)

可集成MES通過將面向?qū)ο蠹夹g(shù)、消息機(jī)制和組件技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)開發(fā)中，充分結(jié)合兩類T-MES的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的。通過采用高效的基礎(chǔ)框架既大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的集成性和適應(yīng)性，又能滿足關(guān)鍵事物的處理。NIIIP／SMART協(xié)會為整個MES應(yīng)用領(lǐng)域提出的一個分布式對象和信息交換模型代表了發(fā)展中MES的技術(shù)模型(見圖1)。
 

從模型中可看出，在面向?qū)ο蟮膽?yīng)用中，每個對象都使用自身具有的功能和方法來操作數(shù)據(jù)，分別完成系統(tǒng)的各種功能。而其它功能如：工作流管理，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，知識管理等都從功能邏輯中分離出來。通過對象請求代理(ORB)(如CORBA，COM／DCOM)可使不同軟件商的對象相互交換信息和進(jìn)行互操。NIIIP／SMART所描述的MES技術(shù)模型非常適合未來MES的商業(yè)應(yīng)用特征，一個分布式對象框架可以讓各種數(shù)據(jù)和功能邏輯在使用時變得更加緊密。而且，通過使用小巧簡練的對象，可使系統(tǒng)模型在不破壞相互關(guān)系的情況下方便地進(jìn)行客戶化定義。這些特征使實施的MES費(fèi)用較低同時又具有良好的適應(yīng)性和柔性。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的MES、ERP、控制系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、供應(yīng)鏈管理和客戶關(guān)系管理都是以對象的方式來編寫代碼的。只要它們遵守統(tǒng)一的ORB，不管它們哪個開發(fā)商提供，都可以進(jìn)行無縫地集成。現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)只要按正確的方法進(jìn)行封裝也同樣能實現(xiàn)系統(tǒng)的即插即用。通過引入智能代理可以有效地實現(xiàn)分布式MES的協(xié)同工作，滿足虛擬企業(yè)中MES應(yīng)用的要求。從而實現(xiàn)敏捷制造模式對信息系統(tǒng)的要求，即系統(tǒng)的可重構(gòu)，可重用和可擴(kuò)展特性。

信息技術(shù)的發(fā)展和制造企業(yè)的競爭需求將帶動MES應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步。從以上分析可將MES總的發(fā)展趨勢歸納為以下幾點(diǎn)：可集成性、可配置性、可適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和可靠性。

3 結(jié) 論

①M(fèi)ES在整個企業(yè)信息集成系統(tǒng)中承上啟下，是生產(chǎn)活動與管理活動信息溝通的橋梁。不實施MES管控一體化只是一句空話。對于面向制造加工業(yè)和過程工業(yè)的ERP，脫離MES將無法根據(jù)市場需求去組織、管理和優(yōu)化生產(chǎn)；

②MES技術(shù)在過去十年來已顯著地成熟。但MES的發(fā)展和應(yīng)用是一個過程，而不是一個事件，MES的實施決不是可以一蹴而就的。要取得長期的成功，要求改造制造環(huán)境，獲得有組織的支持，管理機(jī)制作適應(yīng)性的改變。與此同時，MES軟件在改善維護(hù)、改善與其它IT管理軟件的接口等方面也有待于進(jìn)一步發(fā)展和提高；

③要使企業(yè)信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的投資迅速取得回報，從MES入手是一種明智的選擇。但MES的實施需要恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃和細(xì)致的分析，可從旨在解決一兩個當(dāng)務(wù)之急的工廠生產(chǎn)瓶頸問題著手，逐步地擴(kuò)大；

④以往MES通常是一個很大的整體軟件系統(tǒng)，定制和維護(hù)的成本很高。隨著計算機(jī)支撐技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)更加模塊化，更具柔性的MES系統(tǒng)成為可能，實施和維護(hù)MES的成本大大降低。