國際制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)應用與發(fā)展

某些專家認為，當今制造業(yè)的生存三要素是信息技術(shù)(IT)、供應鏈管理(SCM)和成批制造技術(shù)。使用信息技術(shù)就是由依賴人工的作業(yè)方式轉(zhuǎn)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(shù)是在合適的時間，生產(chǎn)適量產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃排產(chǎn)優(yōu)化技術(shù)，并隨著生產(chǎn)制造技術(shù)的深化，改善對設備的管理。這里，MES技術(shù)在企業(yè)信息化中扮演著最重要的角色。

　　一、MES的產(chǎn)生和發(fā)展

　　從20世紀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)，如設備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、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)。也就是說，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)，如圖1、圖2、圖3所示。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：一個是橫向系統(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)。
　　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)進度跟蹤信息系統(tǒng)、質(zhì)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，原來的底層的過程控制系統(tǒng)和上層的生產(chǎn)計劃系統(tǒng)也得到發(fā)展，如圖4所示。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)。
　　MES(Manufacturing Execution System)直譯成制造執(zhí)行系統(tǒng)，俗稱生產(chǎn)管理系統(tǒng)。直到1990年，才由AMR組織提出并使用。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)集成在一起的中間層。如圖4所示。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。美國的咨詢調(diào)查公司(Advanced Manufacturing Research,AMR) ，倡導制造業(yè)用三層模型(3rd layer model)表示信息化。將位于計劃層的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，仔細推敲，生產(chǎn)的范疇比制造要廣。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(gòu)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(jié)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也不是一個特定行業(yè)的概念，而且應用于各種制造業(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(lǐng)域(如排產(chǎn)、實驗室、質(zhì)量、產(chǎn)品跟蹤等)的。此后，在國際上，各相關(guān)組織都開始意識到要對MES進行更加明確的定義。MESA(Manufacturing Execution System Association International,制造執(zhí)行系統(tǒng)國際聯(lián)盟組織)，ISA都相繼開發(fā)了相關(guān)的模型對MES加以描述，并試圖通過模型使其標準化。位于美國的MESA成立于1992年，是繼AMR組織之后促進MES普及和標準化的團體，經(jīng)常發(fā)布關(guān)于MES白皮書，還有用戶使用MES后的效果調(diào)查報告。

　　ERP是對企業(yè)資源進行有效地綜合地計劃與管理，是提高企業(yè)經(jīng)營效率和效益的手段和概念。其核心是計劃，而不是財務。或者說，財務是手段，計劃優(yōu)化是目的。實現(xiàn)這個目的軟件則叫ERP軟件。德國SAP公司的R/3最有名。據(jù)AMR(Advanced Manufacturing Research)組織2003年統(tǒng)計，SAP約占世界ERP市場的35%,ORACLE約占13%,People Soft約占10%，J.D.E約占5%。ERP面向企業(yè)的主要業(yè)務，包括產(chǎn)品定貨、原材料采購，生產(chǎn)制造、配送、銷售、會計等一系列業(yè)務流，是覆蓋全公司的信息系統(tǒng)，其關(guān)鍵業(yè)務包括計劃、財務會計和管理會計，還有人力資源管理等。ERP的數(shù)據(jù)庫要與實時數(shù)據(jù)庫相連，提取生產(chǎn)過程的有關(guān)數(shù)據(jù)，ERP又和SCM集成。SCM包括從原材料供應采購到終端客戶的商品供應的主要業(yè)務功能(如計劃、采購、制造、作業(yè)流程管理、后勤保障、銷售管理等)。在實施ERP的過程中，人們發(fā)現(xiàn)，ERP的實施規(guī)模大、周期長，導致46%逾期完成;支出多、投入大，導致41%超過預算；由于多種原因，致使49%沒有達到預期的社會效益、經(jīng)濟效益和目標。其申一個重要因素是與生產(chǎn)現(xiàn)場的連接與集成被忽略了，而生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，特別是整合過的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，即完美的生產(chǎn)信息是ERP的基礎，是集成的關(guān)鍵。而這些正是催生MES的重要原因。

　　到90年代，MES發(fā)展為I-MES(集成MES)和MES-Ⅱ(Manufacturing Execution Solutions)。這樣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)。本模型包括以下4個主要功能，并由實時數(shù)據(jù)庫支持。主要功能為工廠管理(資源管理、調(diào)度管理、維護管理)、工廠工藝設計(文檔管理、標準管理、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))。在這個模型指導下，MES在90年代初期的重點是生產(chǎn)現(xiàn)場信息的整合。對于離散工業(yè)(discretemanufacturing)和流程工業(yè)(process manufacturing)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則擔當了整合、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，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，這樣用戶根據(jù)需要就可以靈活快速地構(gòu)建自己的MES。圖7是MESA intertuational于1997年提出的MES功能組件和集成模型。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。MES的11個功能主要如下:(1)生產(chǎn)資源分配與監(jiān)控；(2)作業(yè)計劃和排產(chǎn);(3)工藝規(guī)格標準管理;(4)數(shù)據(jù)采集(裝置在線連接采集實時數(shù)據(jù)和各種參數(shù)信息，控制系統(tǒng)接口，生成生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄、質(zhì)量數(shù)據(jù)、績效信息、臺帳累計)；(5)作業(yè)員工管理;(6)產(chǎn)品質(zhì)量管理;(7)過程管理(過程控制、APC、基于模型的分析與模擬、與外部解析系統(tǒng)接口)；(8)設備維護；(9)績效分析；(10)生產(chǎn)單元調(diào)度；(11)產(chǎn)品跟蹤。AMR組織則又把按著11個功能實現(xiàn)的整體解決方案稱為MESⅡ(Manufacturing Execution Solution)。
　　這一時期，很多團體、政府機構(gòu)、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(shù)、集成技術(shù)、平臺技術(shù)、互操作技術(shù)和即插即用等技術(shù)。其主要成果如下：
　　(1)MESA提出了MES對象模型?！?
　　(2)標準化組織OMG(Object Management Group)的制造分會(MfgDTF,Manufacturing Domain TaskForce)發(fā)布了RFI(Requestfor Information)文件。
　　(3)ISA(International Federation of the National Standardiz-ing Associations)的SP95(Enterprise Control system Integration)標準委員會發(fā)布了ERP與MES之間的接口標準模型。
　　(4)發(fā)布NIIIP—SMART(National Industrial Information Infrastructure Protocols—Solution for MES Adaptable Replicable Technology)信息結(jié)構(gòu)標準。
　　(5)由半導體制造技術(shù)協(xié)會(SEMATECH,Semiconduc-tor Manufacturing Technology)發(fā)表了SEMATECH/SEMI CIM平臺標準。
　　(6)NIST—SIMA(National Institute of Standard and Tech-nology—System Integration of Manufacturing Applications)用IDEFO描述了通用業(yè)務活動模型(Activity Models)。
　　(7)日本標準化與制造科技中心發(fā)布了open MES，涉及面向?qū)ο?、平臺、功能模塊、計算機網(wǎng)絡、CORBA等。
　　其中，從1997年開始的國際儀表學會(ISA)啟動的編制ISASP95企業(yè)控制系統(tǒng)集成標準和ISA SP98批量控制標準的工作尤為重要，2000年發(fā)布了SP95.01模型與術(shù)語標準，2001年發(fā)布了SP95.02對象模型屬性標準，2002年發(fā)布了SP95.03制造信息活動模型(Activity Models)標準，2003年發(fā)布了SP95.04制造操作對象模型標準。其中SP95.01已經(jīng)被IEC/ISO接受為國際標準。SP95.01規(guī)定了生產(chǎn)過程涉及的所有資源信息及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表達信息關(guān)聯(lián)的方法。SP95.02對第1部分定義的內(nèi)容作了詳細規(guī)定和解釋，SP95.03提出了管理層與制造層間信息交換的協(xié)議和格式。

　　此外，許多專家學者也在MES標準化方面做出了不少成果，比如C.Gilman等人在1998年出版了《Enterprise using enter-prise rules,intelIigent agents,STEP,and workflow》一書，總結(jié)了虛擬企業(yè)集成設計與制造以及使用的企業(yè)規(guī)則、智能代理、STEP標準和工作流程;Ashok K.Nangid和Melyssa Evanson等人1997年在《Integrating Process control with information systems using manufacturing execution systems》一書中總結(jié)了MES信息系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)的集成;Jeff Loebl997年在《The applica-tion of a manufacturing execution and JIT principles to plant infor-mation processes》一書中總結(jié)了在工廠級信息處理中制造執(zhí)行系統(tǒng)和JIT原理的應用等。
　　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(shù)標準CORBA和有關(guān)標準平臺都是開發(fā)MES軟件的基礎，但是開發(fā)成木高、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模型(Ready,Execute,Process,Analyze，Coordinate)，即包括準備、實行、處理、分析、調(diào)整五個階段組成的過程周期，如圖9所示。該模型參考了供應鏈業(yè)務參考模型(SCOR,Supply Chain Operation Reference)，把其中的"Make"作為關(guān)注焦點(如圖10所示)，將計劃、技術(shù)方案、調(diào)度、執(zhí)行和控制等對應的五個信息系統(tǒng)集成連接，流程工業(yè)的REPAC模型和信息系統(tǒng)對應關(guān)系也如圖9所示。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。
　　在AMR的INTECHl994年5月號上，對MES的概念表述如下: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(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。歸結(jié)起來，MES可以概括為一個宗旨一制造怎樣執(zhí)行，兩個核心數(shù)據(jù)庫一實時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫，兩個通信接口一與控制層接口和與業(yè)務計劃層接口，四個重點功能一生產(chǎn)管理、工藝管理、過程管理和質(zhì)量管理，以及11個基本功能(包括重點功能和輔助功能)。
　　近十年來，新興的業(yè)務類型不斷涌現(xiàn)，對技術(shù)革新產(chǎn)生了巨大的推動力。正是基于這一點，使人們對B2B以及供應鏈給予了極大的關(guān)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)協(xié)(MES)的強有力的支持。其結(jié)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(guān)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(diào)度、數(shù)據(jù)采集、質(zhì)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。

　　二、日本的MES
　　日本的MES起步較早、成果較多、應用較廣，而且與中國的管理理念相近。日本的CIO雜志等3個機構(gòu)對490家企業(yè)，其中制造業(yè)166家的信息部門、計劃經(jīng)營部門負責人進行了2003年度IT投資方向的調(diào)查，劃分為16個應用領(lǐng)域，從市場規(guī)模指數(shù)和關(guān)注程度上看，20世紀90年代中期在日本興起的ERP類應用已經(jīng)讓位給以MES為代表的生產(chǎn)管理系統(tǒng)的實施。
　　日本的MES特點如下:

　　(1)日本有比較系統(tǒng)地研究、介紹MES的專著一《MES入門》，由中村.實和正田.耕一編著，2000年4月出版，介紹了MES的概要和發(fā)展，MES的功能、作用、軟件以及各個行業(yè)的特點，MES對生產(chǎn)經(jīng)營管理、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量和降低成本等方面的貢獻，并提供了參考文獻、MES網(wǎng)址和應用案例一覽，是一本參考價值很高的入門書籍。2004年2月，中村實和中村一世又編著了《圖解MES應用第一線一從應用案例看引入MES的注意事項》，這是日本的第二本MES專著。另外，日本很多雜志，如《計裝》、《化學裝置》、《 略》、《略》、《化學經(jīng)濟》、《工場管理》等雜志經(jīng)常舉辦MES?？蚩荕ES文章，日本生產(chǎn)管理協(xié)會、工廠自動化推進協(xié)會、生產(chǎn)系統(tǒng)模型專門委員會、東京實踐經(jīng)營研究會、實踐MES研究會、工業(yè)調(diào)查會等組織經(jīng)常組織MES的調(diào)查、研究和召開各種主題專業(yè)會議。日本標準化與制造科技中心還制訂發(fā)布了Open MES標準。
　　(2)對MES重新進行了定義，其文化內(nèi)涵更接近于東方。首先，在MES的基礎上，提出了"制造管理系統(tǒng)"、"制造實行系統(tǒng)"、"生產(chǎn)實行系統(tǒng)"和"綜合生產(chǎn)管理系統(tǒng)"的新解。除了遵循AMR和MESA的定義和描述外，日本的學者更強調(diào)對生產(chǎn)現(xiàn)場各種信息的時實采集與集成，將過程信息(PIMS，工廠信息管理系統(tǒng))作為MES的核心;通過CIM(計算機集成制造)將工廠系統(tǒng)和業(yè)務系統(tǒng)進行理想整合的具體化，是支撐工廠生產(chǎn)功能的骨干系統(tǒng)，是連結(jié)ERP系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)和橋梁;是根據(jù)ERP提出"生產(chǎn)什么、生產(chǎn)多少"的宏觀指令，進行何時何分、哪條生產(chǎn)線投入何種原料、用何種工藝、完成何種產(chǎn)品的具體指令和調(diào)度;在MESA的l1個功能中，強調(diào)生產(chǎn)現(xiàn)場信息數(shù)字化管理、工藝管理、物流管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)指令、進度跟蹤管理、設備運行監(jiān)督與控制和運維管理等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理。
　　(3)總結(jié)了日本企業(yè)引入MES軟件的必要步驟和注意事項。即計劃編制、組織組建、培訓與準備、需求定義、建模與差異分析、概要設計與詳細設計、客戶化開發(fā)與測試、設備安裝定義、軟件接口規(guī)格定義與設計、接口開發(fā)與聯(lián)調(diào)共10個步驟和注意MES在經(jīng)營系統(tǒng)的重要地位，考慮生產(chǎn)現(xiàn)場信息系統(tǒng)的五個要素一人、信息系統(tǒng)、業(yè)務規(guī)則、設備和產(chǎn)品，區(qū)分客戶信息的必要性、MES軟件包的適應性，注重項目管理，強調(diào)應用效果，快速實施和投用，生產(chǎn)現(xiàn)場系統(tǒng)是MES成功的基礎等事項。

　　三、國外流程工業(yè)的MES
　　MES屬于企業(yè)管理應用軟件的范圍，起源于離散工業(yè)，又擴展到流程工業(yè)。據(jù)《Manufacturing Systems Magazine》統(tǒng)計，在企業(yè)管理應用軟件中，除ERP產(chǎn)品和廠商外，MES產(chǎn)品及其廠商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等公司都名列前茅。
　　在離散工業(yè)和流程工業(yè)，生產(chǎn)管理存在著極大差異。即便是流程工業(yè)，也差異不小。例如煉油工業(yè)和化工業(yè)，雖說像姊妹倆，但煉油卻有油品輸轉(zhuǎn)調(diào)和功能模塊，而化工則不需要。至于冶金、輕工甚至其他行業(yè)，差異就更大了。因此，目前形成了煉油工業(yè)、化學工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、化纖紡織工業(yè)、機器制造業(yè)、汽車制造業(yè)、航空業(yè)、造船業(yè)、半導體制造業(yè)、冶金業(yè)、煉鋁業(yè)等不同行業(yè)和領(lǐng)域的MES。在石油、天然氣、石油化工領(lǐng)域，裝置之間都由配管連接，過程控制非常必要。作為工廠運行信息系統(tǒng)的DCS從20世紀70年代開始普及，較早地實現(xiàn)了過程監(jiān)控和自動化，但是至今DCS和MES之間的接口還是薄弱環(huán)節(jié)。在MES中，專門設計了PIMS(工廠信息管理系統(tǒng)，Plant Information Management System)接收DCS實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)績效管理和運行數(shù)據(jù)的集成。
　　對于流程工業(yè)，作為填補計劃系統(tǒng)和控制系統(tǒng)狹縫的MES的主要功能模塊，一般包括短期生產(chǎn)計劃、作業(yè)排產(chǎn)和調(diào)度(APS)，過程控制和管理，維護管理，技術(shù)信息管理，過程優(yōu)化控制(APC)，提高質(zhì)量管理功能的LIMS以及與ERP之間的連接。還有流程工業(yè)生產(chǎn)的特殊需求，如數(shù)據(jù)調(diào)理和校正、運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、公用工程平衡管理、設備壽命預測、設備性能計算(equipment performance calculations)、罐區(qū)管理、罐區(qū)平衡、物料平衡等，都作為MES的單一功能模塊，并往往集成到MES系統(tǒng)中。
　　下面列舉國外3個針對流程工業(yè)尤其適用于石油化工工業(yè)的較為突出和優(yōu)秀的MES產(chǎn)品方案。
　　 (1)Honeywell的MES方案
　　Honeywell公司是世界著名的自動化儀表、過程控制和工業(yè)軟件公司，其MES產(chǎn)品從20世紀90年代末開始，先由單一的MES功能模塊發(fā)展到整體解決方案。

　　其MES產(chǎn)品的核心是Business.FLEXPKS。該產(chǎn)品將經(jīng)營目標轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)操作目標，同時將經(jīng)過處理驗證的生產(chǎn)績效數(shù)據(jù)進行反饋，從而形成計劃管理層、生產(chǎn)執(zhí)行層和過程控制層三個層次的周期循環(huán)。
　　該產(chǎn)品由價值鏈管理(Value Chain Management)、先進計劃與調(diào)度(Advanced Planning and Scheduling)、運行管理(Operations Management)、油品調(diào)和及儲運自動化(Blending & Movement Automation)和生產(chǎn)管理(Production Management)5個應用套件共30多個模塊組成。價值鏈管理又包括銷售預測、運輸計劃、生產(chǎn)排產(chǎn)、原材料計劃、供應鏈事件管理、庫存計劃、價值鏈循環(huán)優(yōu)化和生產(chǎn)計劃管理等。先進計劃調(diào)度包括原材料供應及產(chǎn)品分配與優(yōu)化、原油組分分析、原油采購計劃、原油調(diào)度優(yōu)化、生產(chǎn)實況分析、油品調(diào)和調(diào)度等。運行管理包括操作指令下達、運行監(jiān)控、事件監(jiān)控、實驗室信息管理與集成、油罐組分跟蹤、產(chǎn)品規(guī)格管理、多單元生產(chǎn)運行計劃等。油品儲運及調(diào)和自動化包括調(diào)和調(diào)度計劃、在線調(diào)和優(yōu)化、調(diào)和比率控制和調(diào)和績效統(tǒng)計、油品輸轉(zhuǎn)及庫存跟蹤、罐存計量管理、輸轉(zhuǎn)模型建立、油品輸轉(zhuǎn)控制、油品移動路徑選擇等。生產(chǎn)管理包括物料平衡和庫存盤點、成本核算、組分計算與平衡、批量跟蹤與控制、原材料消耗統(tǒng)計、物料移動跟蹤、多單元生產(chǎn)運行計劃、操作指令下達和實驗室信息管理等。方案如圖12所示。
　　另外，Honeywell又將其MES解決方案與資產(chǎn)管理解決方案——SSET.MAXTM、先進控制與區(qū)域優(yōu)化解決方案——Profit.PlusTM、生產(chǎn)信息集成平臺—Uniformance等應用套件和信息集成平臺整合為協(xié)同生產(chǎn)管理解決方案(Unified Manufacturing Solutions)，也可看成是其廣義的MES或者是MES功能模塊的擴充。
　　(2)ASPEN Tech的MES方案
　　美國ASPEN Tech公司是化學工業(yè)領(lǐng)域著名的流程模擬、先進控制和供應鏈管理優(yōu)化軟件公司，近幾年經(jīng)過并購和整合，也定位在MES解決方案供應商。它提出了企業(yè)運營管理的理念并開發(fā)集成了相應的軟件產(chǎn)品。根據(jù)ASPEN的定義，企業(yè)運營管理(Enterprise Operations Management,EOM)是一個企業(yè)級的集成解決方案，把ERP層、MES層和DCS層進行整合，高效地設計、管理和運營制造與供應鏈的相關(guān)業(yè)務。根據(jù)ASPEN的觀點，ERP的功能是回答已發(fā)生了什么?而EOM的功能則是回答未來應該怎么做并執(zhí)行這些決策。ASPEN公司用于過程工業(yè)運營管理的MES產(chǎn)品為ASPEN Plantelligence，即智能工廠解決方案。

　　ASPEN Tech的MES解決方案自1998年推出，并不斷發(fā)展和完善，得到了許多大型石油化工公司的采用。方案主要包括流程模擬、虛擬工廠模擬器、生產(chǎn)計劃與優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化、先進控制與實時優(yōu)化(RT-OPT)、實時數(shù)據(jù)庫與信息管理、數(shù)據(jù)校正與物料平衡、績效監(jiān)控與績效管理、油品調(diào)和、生產(chǎn)指令管理與操作日志、油品移動和罐區(qū)管理等11個功能模塊以及ASPEN Enterpise Platform(AEP)集成平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營管理與生產(chǎn)過程控制的一體化。
　　(3)EMERSON的MES方案
　　EMERSON公司也是一個國際知名的過程控制和企業(yè)管理軟件產(chǎn)品制造商，它針對傳統(tǒng)的集成方案中用戶界面繁雜，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、人與系統(tǒng)之間仍然不能很好的對話和協(xié)同等司題，提出了MES的集成指導原則，即注重提高投入產(chǎn)出效率和利潤等業(yè)務目標，為實現(xiàn)協(xié)同工作而進行集成設計，構(gòu)建標準化、開放性、擴展性、適應性、靈活性、簡易性高的技術(shù)平臺，追求系統(tǒng)的可用性、數(shù)據(jù)的一致性、安全性和可靠性，降低系統(tǒng)總擁有成本(TCO)，保護現(xiàn)有的應用與資源等。MES的功能定位則依據(jù)SP95標準，突出企業(yè)層和控制層之間生產(chǎn)管理的5個通用功能，即生產(chǎn)調(diào)度、能耗物耗管理、維護管理、質(zhì)量保證和倉儲控制。而軟件技術(shù)標準則包括XML(Extensible Markup Language,擴展標記語言)、SOAP(Simple Object Ac-cess Protocol，簡單對象訪問協(xié)議)、Web Services(Web服務)、OPC(OLE for Process Control，面向過程控制的對象鏈接與嵌入)和.NET(微軟的一套開發(fā)工具和代碼執(zhí)行平臺)等，如圖14所示。
　　四、國內(nèi)的MES進展
　　盡管在國外MES和ERP的概念同一年提出，但是ERP卻比MES的發(fā)展勢頭迅猛。因此，國內(nèi)盡管關(guān)于MES的研究、開發(fā)和應用只是近年來的事情，但是與國外的差距還是不大。

　　20世紀90年代初期，中國就開始對MES以及ERP的跟蹤研究、宣傳或試點，而且曾經(jīng)提出了“管控一體化”，“人、才、物、產(chǎn)、供、銷”等頗具中國特色的CIMS、MES、ERP、SCM等概念，只是總結(jié)、歸納、宣傳、堅持或者提煉、提升不夠，發(fā)展勢頭不快。
　　據(jù)稱，中國最早的MES是20世紀80年代寶鋼建設初期從SIEMENS公司引進的。中國工業(yè)信息化基本上是沿著西方工業(yè)國家的軌跡前進，只是慢半拍而已。70-80年代以工廠自動化為主，80-90年代以管理信息化為主。進入21世紀初，仍然以提升工廠自動化水平，普及DCS、SCADA、PLC、FCS和提升管理信息化水平，由開發(fā)MIS轉(zhuǎn)向推廣普及ERP為主。但是，盡管MES層仍然是斷層、殘缺環(huán)和狹縫，人們對MES的概念、MES在企業(yè)信息化的地位已不陌生，并開始形成共識。幾乎絕大多數(shù)大學和工業(yè)自動化研究單位，甚至于國家、省、市級政府主管部門都開始跟蹤、研究MES，具體表現(xiàn)為開設MES課程，培養(yǎng)MES研究生，成立工程技術(shù)研究、先進制造扶術(shù)、制造業(yè)信息化工程等相關(guān)研究中心和實驗室，開設MES網(wǎng)站、論壇和專欄，籌辦、主辦MES國際研討會，將MES納入國家、省、市科技發(fā)展規(guī)劃，成立MES公司和事業(yè)部，封閉開發(fā)MES產(chǎn)品，借助國內(nèi)外產(chǎn)品實施MES工程等等。真可謂是從中央到地方，從學會到協(xié)會，從IT公司到制造生產(chǎn)廠，從綜合網(wǎng)站到專業(yè)網(wǎng)站，從綜合大學到?？圃盒?，都卷入了MES熱潮之中。
　　但是，從總體上看，相對于應用來說，仍以研究居多，而且仍處于淺層研究;就產(chǎn)品來講，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(jié)提煉中國工業(yè)企業(yè)MES層面的經(jīng)驗(know-how)，但是仍以實驗室產(chǎn)品居多，離商品化還有一段路程;就應用來說，像冶金、石化、煙草、食品等行業(yè)雖已有應用，但仍屬拓荒者或先行者。
　　盡管如此，仍然有一批出類拔萃者或佼佼者，下面列舉流程工業(yè)的兩個相對成型、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。
　　首先是和利時公司，它很像Honeywell，開始做儀表，后來向DCS、PLC和FCS發(fā)展，走過了硬件從單機到系統(tǒng)的歷程。在搞硬件研究生產(chǎn)的同時，又搞軟件，先是過程控制軟件，后是管理軟件，又走過了由硬件到軟件、由企業(yè)單層信息系統(tǒng)到集成信息系統(tǒng)的歷程。為了滿足工業(yè)發(fā)展需要，它研發(fā)了流程行業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)HOLLIAS-MES(Manufacturing Execution System)。生產(chǎn)管理系統(tǒng)以企業(yè)級實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核心，提供實時信息系統(tǒng)、質(zhì)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(diào)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(zhì)量和生產(chǎn)成本提供了靈活有力的工具。HOLLIAS-MES與DCS、PLC等控制設備具有豐富的通信接口，通過OPC Client模塊與不同的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

　　I/O Servers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。HOLLUAS-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MES。其體系結(jié)婚如圖15所示。
　　另一個國內(nèi)知名的產(chǎn)品是浙大中控的ESP-Suite—企業(yè)綜合自動化整體解決方案。浙大中控也與和利時公司相似，也就是與Honeywell公司相似，也是由從硬件單機到DCS系統(tǒng)，從硬件系統(tǒng)到軟件系統(tǒng)，由DCS層、ERP層到MES層的模式發(fā)展起來的。ESP-Suite是面向流程工業(yè)企業(yè)的綜合自動化整體解塊方案，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(shù)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(guān)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。其體系結(jié)構(gòu)如圖16所示。
　　當然，國內(nèi)還有一些接近T-MES、I-MES和MES-Ⅱ的產(chǎn)品，不一一列舉。綜上所述，國內(nèi)的一些產(chǎn)品不能說達到爐火純青的程度，但基本上符合AMR、MESA、ISA提出的主要定義、模型和標準。不管是國內(nèi)，還是國外，要推進MES的推廣和普及，還任重而道遠。

　　五、MES的發(fā)展關(guān)鍵是建模技術(shù)
　　隨著因需而變的理念提出，西門子公司為MES指出了一個全新的發(fā)展方向，它將MES建立在一種結(jié)構(gòu)(生產(chǎn)建模，Production Modeling)之上，通過這種結(jié)構(gòu)，用戶可以用層級模型(Hierarchical Model),將各種專用產(chǎn)品(組件，Component)協(xié)同起來，來描述業(yè)務(Business)和生產(chǎn)作業(yè)(Production Operation)。這正是西門子在全面集成自動化(Totally Integrated Automation)中所展示的概念。
　　近年來，一種新的國際標準正在成為企業(yè)的行為規(guī)范—控制系統(tǒng)集成規(guī)范。這就是國際標準化組織/國際電工委員會的IEC/ISO 62264和美國國家標準組織/美國儀表系統(tǒng)與自動化學會的ANSI/ISA-95，它定義了企業(yè)級業(yè)務系統(tǒng)與工廠車間級控制系統(tǒng)相集成時所使用的術(shù)語和模型。該標準還定義了中間層MES系統(tǒng)應支持的生產(chǎn)作業(yè)活動。

　　很多供應商、用戶、顧問都參與了該標準的制定和定義。這就確保了該標準具有堅實的基礎以及高度的可用性。該標準目前由三部分組成，其中第3部分定義了MES的作業(yè)活動。它著重闡述了與生產(chǎn)(Production)、維護(Maintenance)及質(zhì)量(Quality)等有關(guān)的作業(yè)活動。通常來說，這些活動都是同等重要的，不過，如果和生產(chǎn)或者生產(chǎn)作業(yè)無關(guān)的話，可能也就不需要維護作業(yè)或質(zhì)量作業(yè)了。
　　供應鏈的效率很大程度上受制于業(yè)務系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)的功能集成程度。MES正是以ISA-95為藍本提供了這種集成。系統(tǒng)集成的低下會導致制造系統(tǒng)效率低、可見性差。
　　要想真正了解工廠正在執(zhí)行的情況，需要一個系統(tǒng)，它可以產(chǎn)生可配置的符合需要的生產(chǎn)報告來顯示各種KPI。這就必須將過程控制的特定數(shù)據(jù)與生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(例如:訂貨排程、批次、人員、物料等)，以簡化績效問題分析和識別。MES可以提供生產(chǎn)流程的可見性，以創(chuàng)建改善生產(chǎn)流程的條件，并提高制造系統(tǒng)的效率。
　　過程控制、MES及ERP之間的完全集成對現(xiàn)代企業(yè)的商業(yè)運作來說是至關(guān)重要的。制造系統(tǒng)是由許多不同的功能相互協(xié)同而構(gòu)成的。制造系統(tǒng)的整體集成可以幫助企業(yè)實現(xiàn)一流的運營效率，相反，零散的解決方案將成為車間績效改善的瓶頸。
　　軟件平臺的有效重用是實現(xiàn)節(jié)約成本的關(guān)鍵。標準的應用產(chǎn)品通常都是一個龐大的系統(tǒng)，它們包含了很多的功能。但是，當這樣的系統(tǒng)面對千變?nèi)f化的客戶需求時，卻又往往顯得力不從心。因為，這些系統(tǒng)很難擺脫那些已經(jīng)預先在產(chǎn)品中設置好的執(zhí)行邏輯(隱式規(guī)則法，implicit rules approach)。通常情況下，這些預設的執(zhí)行邏輯是無法根據(jù)特定需求去進行修改的。隨著產(chǎn)品的升級換代和相應應用的不斷擴展，這種矛盾就尤為突出。
　　對于今天的制造業(yè)企業(yè)來說，擁有高度靈活的因需而變的應用系統(tǒng)是企業(yè)在商戰(zhàn)中決勝的關(guān)鍵。很顯然，應用上述的固化的標準系統(tǒng)，是無法滿足企業(yè)變化需求的。因此，西門子公司提出了一種全新而獨特的范例，為制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展開辟了嶄新的天地。
　　SIMATIC IT Production Suite是西門子SIMATIC IT產(chǎn)品的核心。它由SIMATIC IT Framework和SIMATIC IT Components組成。
　　 SIMATIC IT Components提供可以滿足業(yè)務基本需要的功能組件。每個組件都是針對具體的制造問題而設計的(例如訂單管理、物料管理、人員管理、報表管理等)。

　　SIMATIC IT Framework是一個建模環(huán)境，它通過圖形方式將不同的SIMATIC IT Components功能組合在一起來定義執(zhí)行邏輯(顯式規(guī)則法，explicit rules approach)。SIMATIC IT Framework是根據(jù)物理對象(實際的裝置和設備)和邏輯對象(軟件包及應用程序)來完成對工廠模型的創(chuàng)建。這些對生產(chǎn)執(zhí)行邏輯的顯式定義，以及對工廠模型中不同對象之間相互作用的定義，都是根據(jù)實際的生產(chǎn)作業(yè)來實現(xiàn)的。
　　SIMATIC IT Production Suite提供了對于第三方組件和已有應用程序進行集成的能力。這樣一來，很多現(xiàn)場應用程序就可以集成進來，并按照SIMATIC IY Framework中定義的邏輯進行協(xié)調(diào)和調(diào)用。
　　通過SIMATIC IT Framework，可以在基于圖形化規(guī)則的環(huán)境中對企業(yè)業(yè)務流程進行建模，這就給生產(chǎn)流程的描述提供了一種通俗易懂的方式。這種圖形化模型將制造系統(tǒng)的功能進行了細化。
　　按照ISA-95中定義的MES系統(tǒng)模型，SIMATIC IT Pro-duction Suite涵蓋了其中大部分功能，這也在一定程度上體現(xiàn)了SIMATIC IT研發(fā)的指導方針。西門子公司是ISA-95委員會中的正式會員，擁有表決權(quán)。
　　SIMATIC IT Production Suite的設計保證了它可以在不同的工廠中快速推廣實施，這對于多地點、多工廠結(jié)構(gòu)的集團企業(yè)來說，是極為有利的。因為，這樣可以在最大程度上節(jié)約實施成本。
　　SIMIATIC IT Production Suite及其組件涵蓋了MES在任何制造背景下所需的核心功能。西門子公司提供完整的解決方案，這是TIA(全面集成自動化)概念的一部分。SIMATIC IT是MES的主角。SIMATIC IT積極地拓展了全面集成自動化的理念，使得第三方軟件及組件也可以加入進來。通過這種方式，用戶不需要進行復雜的技術(shù)封裝就可以完成相應的解決方案。很多西門子產(chǎn)品都預置了大量只要經(jīng)過初始化就可以使用的對象。

　　六、結(jié)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(shù)應用的焦點已經(jīng)由ERP轉(zhuǎn)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等概念都進入中國較早，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，也就是對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)呂，而且勢頭較好，同時，在認識觀念上由關(guān)注ERP到關(guān)注MES的轉(zhuǎn)變也已開始。
　　 從技術(shù)角度看，MES的功能正在向控制層和計劃層滲透，三層結(jié)構(gòu)的分工可能更模糊。MES功能中的計劃排產(chǎn)與執(zhí)行調(diào)度模塊(APS)越發(fā)突出的推廣普及。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(shù)領(lǐng)域的分布對象技術(shù)(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。