MES制造執(zhí)行系統(tǒng)

MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）是指位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)和下層工業(yè)控制系統(tǒng)之間的面向車間的管理信息系統(tǒng)，通過(guò)信息傳遞優(yōu)化從訂貨到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的管理。它由美國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)研究中心于1990年11月首次提出。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，它在21世紀(jì)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。MES通過(guò)信息傳遞優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的管理，其主要功能可分為十一個(gè)模塊，包括資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過(guò)程管理和績(jī)效分析。它具有系統(tǒng)集成性、高實(shí)時(shí)性、多樣性、可開(kāi)發(fā)性和軟硬件一體化的特點(diǎn)。在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，國(guó)際上采用ISA-SP95標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)范。未來(lái)，MES將繼續(xù)向數(shù)字化、集成化、智能化方向發(fā)展。

不同的組織對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)的定義有不同的理論和體系。美國(guó)的先進(jìn)制造研究（Advanced Manufacturing Research，AMR）將MES定義為“位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)和下層工業(yè)控制之間，面向車間級(jí)的信息管理系統(tǒng)”，它為操作人員和管理人員提供計(jì)劃的實(shí)施和跟蹤以及所有資源（人員、設(shè)備、材料、客戶需求等）的當(dāng)前狀態(tài)。).制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)（MESA）將MES定義為“通過(guò)信息傳輸優(yōu)化從訂購(gòu)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的管理”。當(dāng)工廠中出現(xiàn)實(shí)時(shí)事件時(shí)，MES可以及時(shí)做出反應(yīng)并進(jìn)行報(bào)告，并使用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行指導(dǎo)和處理。MES側(cè)重于車間作業(yè)計(jì)劃的執(zhí)行，為操作員和經(jīng)理提供執(zhí)行和跟蹤計(jì)劃的能力，并監(jiān)控資源（人員、設(shè)備、材料、客戶需求等）的狀態(tài)。），并使用雙向直接通信向生產(chǎn)人員傳達(dá)企業(yè)計(jì)劃，還向相關(guān)部門提供制造過(guò)程狀態(tài)的反饋信息。

歷史起源

20世紀(jì)60年代初，計(jì)算機(jī)財(cái)務(wù)系統(tǒng)首次問(wèn)世，標(biāo)志著手工管理方式逐漸被計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)所取代。隨著時(shí)間的推移，這種趨勢(shì)得到了進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)60年代末和70年代初，財(cái)務(wù)系統(tǒng)不僅擴(kuò)展了物料計(jì)劃的功能，而且演變?yōu)槲锪闲枨笥?jì)劃（MRP）。隨后，在20世紀(jì)70年代末和80年代初，MRP系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步升級(jí)，并引入了車間報(bào)告管理系統(tǒng)和采購(gòu)系統(tǒng)等功能，形成了MRP II。然而，由于MRPⅱⅱ不能有效地分配資源，因此存在分銷資源計(jì)劃（DRP）系統(tǒng)，同時(shí)存在單一功能的制造過(guò)程管理系統(tǒng)（如質(zhì)量管理系統(tǒng)）。隨著時(shí)間的推移，20世紀(jì)80年代末90年代初，MRPII逐漸演變?yōu)槠髽I(yè)資源計(jì)劃（ERP），MRPII/ERP系統(tǒng)在美國(guó)生產(chǎn)與庫(kù)存控制學(xué)會(huì)（APICS）的大力推廣和推動(dòng)下迅速普及和應(yīng)用，對(duì)提升制造業(yè)的管理水平發(fā)揮了重要作用。在DRP演變?yōu)楣?yīng)鏈管理（SCM）的同時(shí)，應(yīng)用于車間級(jí)的專業(yè)化制造管理系統(tǒng)逐漸演變?yōu)榧芍圃靾?zhí)行系統(tǒng)（MES）。

初期發(fā)展

1990年11月，美國(guó)先進(jìn)制造研究（AMR）明確提出MES是介于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)和下層工業(yè)控制系統(tǒng)之間的面向車間的管理信息系統(tǒng)，確立了MES的地位。同時(shí)，國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)（ISA）描述了這一時(shí)期的MES模型，包括四個(gè)主要功能: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(jì)（文檔管理、標(biāo)準(zhǔn)管理、工藝優(yōu)化）、過(guò)程管理（環(huán)路監(jiān)督和控制、數(shù)據(jù)采集）和質(zhì)量管理（統(tǒng)計(jì)質(zhì)量管理、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)）。

成長(zhǎng)階段

20世紀(jì)90年代初，MES關(guān)注生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息集成。1997年，美國(guó)制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)（MESA）提出了MES功能組件和集成模型，包括十一個(gè)功能模塊。在此期間，許多研究機(jī)構(gòu)和政府組織參與了MES的標(biāo)準(zhǔn)化工作，涉及分布式對(duì)象技術(shù)、集成技術(shù)、平臺(tái)技術(shù)、互操作技術(shù)和即插即用技術(shù)。梅薩位于美國(guó)，成立于1992年。在AMR之后，它是一個(gè)致力于普及MES和標(biāo)準(zhǔn)化的團(tuán)體。它經(jīng)常發(fā)布關(guān)于MES的白皮書(shū)和關(guān)于用戶使用MES的影響的調(diào)查報(bào)告。自1997年以來(lái)，國(guó)際儀器儀表學(xué)會(huì)（ISA）開(kāi)始編制ISA-SP95企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)ISA-SP95，以建立企業(yè)級(jí)和制造級(jí)信息系統(tǒng)之間的集成規(guī)范。SP95系列標(biāo)準(zhǔn)提出了MES標(biāo)準(zhǔn)模型和術(shù)語(yǔ)、對(duì)象模型屬性、制造信息活動(dòng)模型和制造操作對(duì)象模型。制造執(zhí)行系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程是推動(dòng)制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。世界上MES的主流供應(yīng)商已采用ISA-SP95標(biāo)準(zhǔn)，如ABB、SAP、gerockwell霍尼韋爾、西門子等。

成熟階段

自2000年以來(lái)，制造執(zhí)行系統(tǒng)作為信息應(yīng)用的重要組成部分受到了廣泛關(guān)注，M&A在制造執(zhí)行系統(tǒng)領(lǐng)域的活動(dòng)非常活躍。越來(lái)越多來(lái)自北美和歐洲的MES軟件供應(yīng)商進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，而中國(guó)本土的自動(dòng)化供應(yīng)商、PLM和ERP軟件供應(yīng)商也開(kāi)始涉足MES市場(chǎng)。隨著企業(yè)加強(qiáng)精細(xì)化管理，面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的質(zhì)量追溯和控制要求，大中型制造企業(yè)開(kāi)始重視MES的應(yīng)用，并進(jìn)行MES選型和實(shí)施，取得了顯著成效。在此背景下，國(guó)際主流MES廠商提出了制造運(yùn)營(yíng)管理（MOM）和制造智能（MI）等新概念，賦予了MES更豐富的內(nèi)涵。各大廠商通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，構(gòu)建了基于SOA架構(gòu)的軟件平臺(tái)，在數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用技術(shù)、系統(tǒng)功能和可配置性等方面取得了重要突破。2013年后，隨著德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國(guó)制造強(qiáng)國(guó)等戰(zhàn)略的出臺(tái)，智能制造成為全球制造業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。MES作為智能制造的重要推動(dòng)者，受到廣泛關(guān)注并引發(fā)應(yīng)用熱潮。

創(chuàng)新階段

自國(guó)際自動(dòng)化研究所ISA于2000年首次提出MOM概念以來(lái)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所NIST于2016年2月正式用MOM取代智能制造系統(tǒng)模型中的MES。國(guó)際MOM涵蓋制造執(zhí)行系統(tǒng)、質(zhì)量檢驗(yàn)執(zhí)行系統(tǒng)、高級(jí)計(jì)劃與調(diào)度、企業(yè)智能制造等關(guān)鍵組件。該系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)工業(yè)軟件層，集成了生產(chǎn)執(zhí)行、生產(chǎn)調(diào)度、不合格品管理和端到端質(zhì)量管理，從而縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，最終提高了制造響應(yīng)速度。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)管理理念的快速發(fā)展，流程驅(qū)動(dòng)的管理模式正逐步向數(shù)字驅(qū)動(dòng)的管理模式演進(jìn)，MES也將朝著自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展創(chuàng)新。

傳統(tǒng)MES：傳統(tǒng)MES分為專用MES（Point MES）和集成MES（Integrated MES）。專用MES是根據(jù)企業(yè)研究、需求和特殊環(huán)境要求開(kāi)發(fā)的功能模塊，包括車間維護(hù)和生產(chǎn)調(diào)度，專注于解決特定領(lǐng)域的問(wèn)題。集成MES最初是為特定的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的集成，并形成單一的邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型等。，具有一定的普遍性。專業(yè)MES可以以某種方式最好地解決問(wèn)題，但它無(wú)法與其他應(yīng)用程序集成。集成的MES與專用的MES相比前進(jìn)了一大步，整個(gè)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性較差，因此很難隨著業(yè)務(wù)流程的變化和發(fā)展而配置和動(dòng)態(tài)更改其功能。傳統(tǒng)MES的缺點(diǎn)阻礙了MES在企業(yè)（尤其是中小企業(yè)）的推廣應(yīng)用。

可積MES：車間制造信息存在大量不確定性，傳統(tǒng)MES難以在非常規(guī)條件下進(jìn)行科學(xué)決策，導(dǎo)致信息集成困難、決策效率低、開(kāi)發(fā)使用成本高。美國(guó)AMR研究小組在分析信息技術(shù)發(fā)展和MES應(yīng)用前景的基礎(chǔ)上，提出了集成MES。它將模塊化應(yīng)用和組件技術(shù)應(yīng)用于制造執(zhí)行系統(tǒng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，具有制造執(zhí)行系統(tǒng)專用功能模塊的特點(diǎn)，同時(shí)具有集成制造執(zhí)行系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)上下層集成的特點(diǎn)。此外，I-MES可定制、可重構(gòu)、可擴(kuò)展和可互操作，可以輕松實(shí)現(xiàn)不同制造商之間的集成、原系統(tǒng)的保護(hù)和即插即用功能。

MES系統(tǒng)從ERP中獲取訂單，將其轉(zhuǎn)換為工單，并進(jìn)行詳細(xì)的排產(chǎn)和生產(chǎn)調(diào)度。它在制造過(guò)程中提供指導(dǎo)和控制，并收集原材料的批次信息、生產(chǎn)信息和質(zhì)量信息。然后將這些信息及時(shí)反饋給ERP，使其能夠?qū)崟r(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況。基于采集到的信息，MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品與零部件之間的雙向跟蹤和統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。從信息流的角度來(lái)看，MES在高層規(guī)劃層和底層現(xiàn)場(chǎng)控制層之間建立了有效的信息傳遞途徑，充分發(fā)揮了承上啟下的作用。從產(chǎn)品質(zhì)量控制和實(shí)時(shí)管理的角度來(lái)看，MES強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)過(guò)程的系統(tǒng)優(yōu)化，及時(shí)收集和處理大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為企業(yè)建立持續(xù)改進(jìn)的動(dòng)態(tài)機(jī)制提供了有力的技術(shù)支持。

功能微型組件：在實(shí)際應(yīng)用中，MES可以分為兩種類型，一種是針對(duì)離散行業(yè)的MES，如汽車、機(jī)床和家用電器；另一種是針對(duì)流程行業(yè)的MES，如冶金和化工。針對(duì)這兩種類型，國(guó)際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)MESA通過(guò)眾多MES供應(yīng)商和成員企業(yè)的實(shí)踐，總結(jié)出MES應(yīng)具備的十一大主要功能模塊:資源分配和狀態(tài)管理、詳細(xì)流程調(diào)度、生產(chǎn)單元分配、文檔控制、數(shù)據(jù)采集、人力管理、質(zhì)量管理、流程管理、維護(hù)管理、產(chǎn)品跟蹤和歷史以及績(jī)效分析模塊。資源配置和狀態(tài)管理:該模塊管理各種資源，如機(jī)床、工具、人員、材料、輔助設(shè)備、工藝文件、數(shù)控程序等文件，并提供設(shè)備資源的實(shí)時(shí)狀態(tài)和歷史記錄，以確保設(shè)備正常啟動(dòng)所必需的資源，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中所需的各種資源進(jìn)行詳細(xì)記錄，以確保車間滾動(dòng)作業(yè)計(jì)劃的順利實(shí)施。

MES制造執(zhí)行系統(tǒng)

工序的詳細(xì)調(diào)度:根據(jù)在制品的優(yōu)先級(jí)、屬性和幾何特征安排加工順序或路徑，以盡量減少設(shè)備的調(diào)整或準(zhǔn)備時(shí)間。包括基于有限能力的作業(yè)計(jì)劃和動(dòng)態(tài)過(guò)程調(diào)度，通過(guò)生產(chǎn)中交錯(cuò)、重疊和并行操作等良好作業(yè)計(jì)劃的調(diào)度，最大限度地減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。

生產(chǎn)單元分配:物料或加工訂單通過(guò)生產(chǎn)指令發(fā)送到生產(chǎn)單元，以啟動(dòng)該單元的流程或步驟的操作。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，它可以根據(jù)調(diào)度信息按照一定的順序調(diào)整已制定的生產(chǎn)計(jì)劃并進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)操作。您還可以通過(guò)重新安排生產(chǎn)和補(bǔ)救措施來(lái)更改已發(fā)布的計(jì)劃，并使用緩沖區(qū)來(lái)控制生產(chǎn)單元的負(fù)荷。

文件控制:控制、管理和傳遞與生產(chǎn)單元相關(guān)的文件，包括作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、工程圖紙、工藝規(guī)范、數(shù)控加工程序、批處理記錄、工程變更通知和各種轉(zhuǎn)換之間的通信記錄，并提供信息文件的編輯功能和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，以控制和維護(hù)與環(huán)境、健康和安全系統(tǒng)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集:通過(guò)數(shù)據(jù)采集接口獲取和更新與生產(chǎn)管理功能相關(guān)的各種數(shù)據(jù)和參數(shù)，包括產(chǎn)品跟蹤和維護(hù)產(chǎn)品歷史記錄等參數(shù)，如對(duì)象、批次、數(shù)量、時(shí)間、質(zhì)量、工藝參數(shù)、設(shè)備啟停時(shí)間、能耗等。這些數(shù)據(jù)可能存在于與生產(chǎn)單元相關(guān)的文檔或記錄中，來(lái)自底層DCS或PLC設(shè)備或通過(guò)其他方式獲得，是性能分析模塊的數(shù)據(jù)來(lái)源。

人力管理:記錄員工的工作時(shí)間、操作技能、變化和調(diào)整以及員工的間接活動(dòng)（如揀貨、準(zhǔn)備材料、準(zhǔn)備時(shí)間等。）作為成本分析和績(jī)效考核的依據(jù)。

質(zhì)量管理:從生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)收集質(zhì)量數(shù)據(jù)，分析、跟蹤、管理和發(fā)布質(zhì)量數(shù)據(jù)。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析質(zhì)量數(shù)據(jù)，監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)判斷潛在的質(zhì)量問(wèn)題，并對(duì)引起質(zhì)量異常的作業(yè)、相關(guān)現(xiàn)象和原因提出糾正措施或質(zhì)量改進(jìn)意見(jiàn)和計(jì)劃。

過(guò)程管理:監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，自動(dòng)糾正生產(chǎn)中的錯(cuò)誤并為用戶提供決策支持以提高生產(chǎn)效率。如果生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)任何異常，將及時(shí)提供警報(bào)，以便車間人員及時(shí)手動(dòng)干預(yù)或通過(guò)數(shù)據(jù)采集接口與智能設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

維護(hù)管理:對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備（包括工具、夾具、量具和輔助工具）進(jìn)行管理，記錄設(shè)備的基本信息（加工范圍、精度、對(duì)象、連續(xù)工作時(shí)間等。）、設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)（設(shè)備負(fù)載和可用性）、設(shè)備維護(hù)計(jì)劃以及設(shè)備故障和維護(hù)。

產(chǎn)品跟蹤和歷史記錄:通過(guò)隨時(shí)監(jiān)控工件的位置和狀態(tài)來(lái)獲得每個(gè)產(chǎn)品的歷史記錄，例如實(shí)時(shí)記錄在制品的狀態(tài)，物料的消耗（供應(yīng)商，批號(hào)，數(shù)量等。）、WIP臨時(shí)存儲(chǔ)、返工、報(bào)廢、人力存儲(chǔ)等。該記錄為用戶提供了產(chǎn)品組和每個(gè)最終產(chǎn)品使用的可追溯性。

績(jī)效分析:提供實(shí)時(shí)的實(shí)際產(chǎn)量、預(yù)期產(chǎn)量、生產(chǎn)周期、在制品和產(chǎn)品完成情況、質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果、與歷史數(shù)據(jù)的比較結(jié)果、車間的資源利用率和直接成本等。離線或在線評(píng)估當(dāng)前生產(chǎn)產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)績(jī)效，以協(xié)助生產(chǎn)流程的改進(jìn)和提高。

系統(tǒng)集成:MES通過(guò)雙向通信提供跨企業(yè)完整供應(yīng)鏈的車間生產(chǎn)活動(dòng)信息，形成從原料供應(yīng)、生產(chǎn)到銷售物流的閉環(huán)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)。

高實(shí)時(shí)性:MES是一個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)，它集成了數(shù)據(jù)采集通道，可以覆蓋整個(gè)車間制造現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)收集生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)和信息，并做出相應(yīng)的分析處理和快速響應(yīng)。

極大的多樣性:不同行業(yè)甚至同一行業(yè)的不同企業(yè)實(shí)施不同的MES，用戶可以定制工廠信息門戶。

可開(kāi)發(fā)性:可根據(jù)MES的不同需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)易于安裝和升級(jí)。

軟硬一體化:隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和CPS技術(shù)的發(fā)展，MES類似于MDC/DNC的發(fā)展，呈現(xiàn)出軟硬一體化運(yùn)行的特點(diǎn)。

被廣泛應(yīng)用的MES取得了顯著的效益，引起了企業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。這導(dǎo)致了制造執(zhí)行系統(tǒng)的形成，推動(dòng)了制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究及其在制造企業(yè)中的應(yīng)用。MES已成功應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵（如上海寶鋼集團(tuán)）、冶金、醫(yī)藥、食品和飲料、纖維和紡織、造紙和紙漿制造等流程工業(yè)，并在半導(dǎo)體、液晶產(chǎn)品、電子、汽車、航空和機(jī)械等離散制造行業(yè)取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在相應(yīng)的MES軟件中，世界知名的有西門子（廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域）、CE（主要應(yīng)用于裝備制造領(lǐng)域）、霍尼韋爾（主要應(yīng)用于流程行業(yè)）、羅克韋爾（主要應(yīng)用于汽車OEM領(lǐng)域）等。在中國(guó)各行業(yè)廣泛使用的MES軟件主要包括CAXA MES（北京數(shù)字大方科技有限公司）、穆凱制造執(zhí)行系統(tǒng)eCOLMES（武漢穆凱信息技術(shù)有限公司）、藍(lán)光MES制造執(zhí)行系統(tǒng)（北京藍(lán)光創(chuàng)新科技有限公司）、MES元恭國(guó)際（北京元恭國(guó)際科技有限公司）和愛(ài)普化學(xué)MEStar平臺(tái)（武漢愛(ài)普化學(xué)科技有限公司）。