MES制造执行系统

MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）是指位于上层计划管理系统和下层工业控制系统之间的面向车间的管理信息系统，通过信息传递优化从订货到产品完成的整个生产过程的管理。它由美国先进制造技术研究中心于1990年11月首次提出。经过长时间的发展，它在21世纪开始被广泛应用。MES通过信息传递优化整个生产过程的管理，其主要功能可分为十一个模块，包括资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理和绩效分析。它具有系统集成性、高实时性、多样性、可开发性和软硬件一体化的特点。在制造业中得到广泛应用，国际上采用ISA-SP95标准统一规范。未来，MES将继续向数字化、集成化、智能化方向发展。

不同的组织对制造执行系统的定义有不同的理论和体系。美国的先进制造研究（Advanced Manufacturing Research，AMR）将MES定义为“位于上层计划管理系统和下层工业控制之间，面向车间级的信息管理系统”，它为操作人员和管理人员提供计划的实施和跟踪以及所有资源（人员、设备、材料、客户需求等）的当前状态。).制造执行系统协会（MESA）将MES定义为“通过信息传输优化从订购到产品完成的整个生产过程的管理”。当工厂中出现实时事件时，MES可以及时做出反应并进行报告，并使用当前的准确数据进行指导和处理。MES侧重于车间作业计划的执行，为操作员和经理提供执行和跟踪计划的能力，并监控资源（人员、设备、材料、客户需求等）的状态。），并使用双向直接通信向生产人员传达企业计划，还向相关部门提供制造过程状态的反馈信息。

历史起源

20世纪60年代初，计算机财务系统首次问世，标志着手工管理方式逐渐被计算机管理系统所取代。随着时间的推移，这种趋势得到了进一步发展。20世纪60年代末和70年代初，财务系统不仅扩展了物料计划的功能，而且演变为物料需求计划（MRP）。随后，在20世纪70年代末和80年代初，MRP系统进行了进一步升级，并引入了车间报告管理系统和采购系统等功能，形成了MRP II。然而，由于MRPⅱⅱ不能有效地分配资源，因此存在分销资源计划（DRP）系统，同时存在单一功能的制造过程管理系统（如质量管理系统）。随着时间的推移，20世纪80年代末90年代初，MRPII逐渐演变为企业资源计划（ERP），MRPII/ERP系统在美国生产与库存控制学会（APICS）的大力推广和推动下迅速普及和应用，对提升制造业的管理水平发挥了重要作用。在DRP演变为供应链管理（SCM）的同时，应用于车间级的专业化制造管理系统逐渐演变为集成制造执行系统（MES）。

初期发展

1990年11月，美国先进制造研究（AMR）明确提出MES是介于上层计划管理系统和下层工业控制系统之间的面向车间的管理信息系统，确立了MES的地位。同时，国际自动化学会（ISA）描述了这一时期的MES模型，包括四个主要功能:工厂管理（资源管理、调度管理、维护管理）、工厂工艺设计（文档管理、标准管理、工艺优化）、过程管理（环路监督和控制、数据采集）和质量管理（统计质量管理、实验室信息管理系统）。

成长阶段

20世纪90年代初，MES关注生产现场的信息集成。1997年，美国制造执行系统协会（MESA）提出了MES功能组件和集成模型，包括十一个功能模块。在此期间，许多研究机构和政府组织参与了MES的标准化工作，涉及分布式对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用技术。梅萨位于美国，成立于1992年。在AMR之后，它是一个致力于普及MES和标准化的团体。它经常发布关于MES的白皮书和关于用户使用MES的影响的调查报告。自1997年以来，国际仪器仪表学会（ISA）开始编制ISA-SP95企业控制系统集成标准ISA-SP95，以建立企业级和制造级信息系统之间的集成规范。SP95系列标准提出了MES标准模型和术语、对象模型属性、制造信息活动模型和制造操作对象模型。制造执行系统的标准化进程是推动制造执行系统发展的强大动力。世界上MES的主流供应商已采用ISA-SP95标准，如ABB、SAP、gerockwell霍尼韦尔、西门子等。

成熟阶段

自2000年以来，制造执行系统作为信息应用的重要组成部分受到了广泛关注，M&A在制造执行系统领域的活动非常活跃。越来越多来自北美和欧洲的MES软件供应商进入中国市场，而中国本土的自动化供应商、PLM和ERP软件供应商也开始涉足MES市场。随着企业加强精细化管理，面对越来越严格的质量追溯和控制要求，大中型制造企业开始重视MES的应用，并进行MES选型和实施，取得了显著成效。在此背景下，国际主流MES厂商提出了制造运营管理（MOM）和制造智能（MI）等新概念，赋予了MES更丰富的内涵。各大厂商通过技术创新，构建了基于SOA架构的软件平台，在数据库、应用技术、系统功能和可配置性等方面取得了重要突破。2013年后，随着德国工业4.0、美国工业互联网、中国制造强国等战略的出台，智能制造成为全球制造业的发展目标。MES作为智能制造的重要推动者，受到广泛关注并引发应用热潮。

创新阶段

自国际自动化研究所ISA于2000年首次提出MOM概念以来，国家标准与技术研究所NIST于2016年2月正式用MOM取代智能制造系统模型中的MES。国际MOM涵盖制造执行系统、质量检验执行系统、高级计划与调度、企业智能制造等关键组件。该系统提供了实时工业软件层，集成了生产执行、生产调度、不合格品管理和端到端质量管理，从而缩短了生产准备时间，最终提高了制造响应速度。随着云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的发展和企业管理理念的快速发展，流程驱动的管理模式正逐步向数字驱动的管理模式演进，MES也将朝着自动化、数字化、智能化方向发展创新。

传统MES：传统MES分为专用MES（Point MES）和集成MES（Integrated MES）。专用MES是根据企业研究、需求和特殊环境要求开发的功能模块，包括车间维护和生产调度，专注于解决特定领域的问题。集成MES最初是为特定的标准化环境设计的，现在已经能够实现系统内部的集成，并形成单一的逻辑数据库、统一的数据模型等。，具有一定的普遍性。专业MES可以以某种方式最好地解决问题，但它无法与其他应用程序集成。集成的MES与专用的MES相比前进了一大步，整个结构的可扩展性较差，因此很难随着业务流程的变化和发展而配置和动态更改其功能。传统MES的缺点阻碍了MES在企业（尤其是中小企业）的推广应用。

可积MES：车间制造信息存在大量不确定性，传统MES难以在非常规条件下进行科学决策，导致信息集成困难、决策效率低、开发使用成本高。美国AMR研究小组在分析信息技术发展和MES应用前景的基础上，提出了集成MES。它将模块化应用和组件技术应用于制造执行系统的系统开发中，具有制造执行系统专用功能模块的特点，同时具有集成制造执行系统以实现上下层集成的特点。此外，I-MES可定制、可重构、可扩展和可互操作，可以轻松实现不同制造商之间的集成、原系统的保护和即插即用功能。

MES系统从ERP中获取订单，将其转换为工单，并进行详细的排产和生产调度。它在制造过程中提供指导和控制，并收集原材料的批次信息、生产信息和质量信息。然后将这些信息及时反馈给ERP，使其能够实时了解生产现场的情况。基于采集到的信息，MES系统实现了产品与零部件之间的双向跟踪和统计报表等功能。从信息流的角度来看，MES在高层规划层和底层现场控制层之间建立了有效的信息传递途径，充分发挥了承上启下的作用。从产品质量控制和实时管理的角度来看，MES强调生产过程的系统优化，及时收集和处理大量实时数据，为企业建立持续改进的动态机制提供了有力的技术支持。

功能微型组件：在实际应用中，MES可以分为两种类型，一种是针对离散行业的MES，如汽车、机床和家用电器；另一种是针对流程行业的MES，如冶金和化工。针对这两种类型，国际制造执行系统协会MESA通过众多MES供应商和成员企业的实践，总结出MES应具备的十一大主要功能模块:资源分配和状态管理、详细流程调度、生产单元分配、文档控制、数据采集、人力管理、质量管理、流程管理、维护管理、产品跟踪和历史以及绩效分析模块。资源配置和状态管理:该模块管理各种资源，如机床、工具、人员、材料、辅助设备、工艺文件、数控程序等文件，并提供设备资源的实时状态和历史记录，以确保设备正常启动所必需的资源，并对生产过程中所需的各种资源进行详细记录，以确保车间滚动作业计划的顺利实施。

MES制造执行系统

工序的详细调度:根据在制品的优先级、属性和几何特征安排加工顺序或路径，以尽量减少设备的调整或准备时间。包括基于有限能力的作业计划和动态过程调度，通过生产中交错、重叠和并行操作等良好作业计划的调度，最大限度地减少生产准备时间。

生产单元分配:物料或加工订单通过生产指令发送到生产单元，以启动该单元的流程或步骤的操作。当发生事故时，它可以根据调度信息按照一定的顺序调整已制定的生产计划并进行相关生产操作。您还可以通过重新安排生产和补救措施来更改已发布的计划，并使用缓冲区来控制生产单元的负荷。

文件控制:控制、管理和传递与生产单元相关的文件，包括作业指导书、工程图纸、工艺规范、数控加工程序、批处理记录、工程变更通知和各种转换之间的通信记录，并提供信息文件的编辑功能和历史数据的存储功能，以控制和维护与环境、健康和安全系统相关的重要数据。

数据采集:通过数据采集接口获取和更新与生产管理功能相关的各种数据和参数，包括产品跟踪和维护产品历史记录等参数，如对象、批次、数量、时间、质量、工艺参数、设备启停时间、能耗等。这些数据可能存在于与生产单元相关的文档或记录中，来自底层DCS或PLC设备或通过其他方式获得，是性能分析模块的数据来源。

人力管理:记录员工的工作时间、操作技能、变化和调整以及员工的间接活动（如拣货、准备材料、准备时间等。）作为成本分析和绩效考核的依据。

质量管理:从生产过程中实时收集质量数据，分析、跟踪、管理和发布质量数据。运用数理统计方法分析质量数据，监控产品质量，同时判断潜在的质量问题，并对引起质量异常的作业、相关现象和原因提出纠正措施或质量改进意见和计划。

过程管理:监控生产过程，自动纠正生产中的错误并为用户提供决策支持以提高生产效率。如果生产过程中出现任何异常，将及时提供警报，以便车间人员及时手动干预或通过数据采集接口与智能设备交换数据。

维护管理:对生产过程中的设备（包括工具、夹具、量具和辅助工具）进行管理，记录设备的基本信息（加工范围、精度、对象、连续工作时间等。）、设备的当前状态（设备负载和可用性）、设备维护计划以及设备故障和维护。

产品跟踪和历史记录:通过随时监控工件的位置和状态来获得每个产品的历史记录，例如实时记录在制品的状态，物料的消耗（供应商，批号，数量等。）、WIP临时存储、返工、报废、人力存储等。该记录为用户提供了产品组和每个最终产品使用的可追溯性。

绩效分析:提供实时的实际产量、预期产量、生产周期、在制品和产品完成情况、质量数据的统计分析结果、与历史数据的比较结果、车间的资源利用率和直接成本等。离线或在线评估当前生产产品的性能和生产绩效，以协助生产流程的改进和提高。

系统集成:MES通过双向通信提供跨企业完整供应链的车间生产活动信息，形成从原料供应、生产到销售物流的闭环数据信息系统。

高实时性:MES是一个制造执行系统，它集成了数据采集通道，可以覆盖整个车间制造现场，实时收集生产过程中的数据和信息，并做出相应的分析处理和快速响应。

极大的多样性:不同行业甚至同一行业的不同企业实施不同的MES，用户可以定制工厂信息门户。

可开发性:可根据MES的不同需求进行二次开发，数据库易于安装和升级。

软硬一体化:随着工业互联网技术和CPS技术的发展，MES类似于MDC/DNC的发展，呈现出软硬一体化运行的特点。

被广泛应用的MES取得了显著的效益，引起了企业界和学术界的广泛关注。这导致了制造执行系统的形成，推动了制造执行系统的研究及其在制造企业中的应用。MES已成功应用于石油、化工、钢铁（如上海宝钢集团）、冶金、医药、食品和饮料、纤维和纺织、造纸和纸浆制造等流程工业，并在半导体、液晶产品、电子、汽车、航空和机械等离散制造行业取得了巨大的经济效益。在相应的MES软件中，世界知名的有西门子（广泛应用于各领域）、CE（主要应用于装备制造领域）、霍尼韦尔（主要应用于流程行业）、罗克韦尔（主要应用于汽车OEM领域）等。在中国各行业广泛使用的MES软件主要包括CAXA MES（北京数字大方科技有限公司）、穆凯制造执行系统eCOLMES（武汉穆凯信息技术有限公司）、蓝光MES制造执行系统（北京蓝光创新科技有限公司）、MES元恭国际（北京元恭国际科技有限公司）和爱普化学MEStar平台（武汉爱普化学科技有限公司）。