制造执行系统的研究现状和发展趋势

   1引言
  
   制造（生产）过程管理的作用是把企业有关产品的质量、产量、成本等相关的综合生产指标目标值转化为制造过程的作业计划、作业标准和工艺标准，从而产生合适的控制指令和生产指令，驱动设备控制系统使生产线在正确的时间完成正确的动作，生产出合格的产品，从而使实际的生产指标处于综合生产指标的目标值范围内。随着信息技术和现代管理技术的发展，使得计算机管理系统代替传统的人工管理成为可能，因而产生了制造执行系统MES。随着MES 的不断推广应用，使企业取得了良好的经济效益，因此MES 受到了学术界和工业界的重视。由于全球性激烈的市场竞争，企业迫切需要提高产品质量和生产效益、降低生产成本、减少资源消耗和环境污染，敏捷化和全局优化成为制造企业的发展方向， 这就对MES 提出了新的挑战，促进了MES 朝新的方向发展。中国的制造业正在由大向强转变， 对MES 的需求日益增长， 加强MES 研发与应用推广对推动制造信息化至关重要。因此，本文综述了制造执行系统的产生与发展过程，以及MES 的功能模型，分析了MES 的应用现状，提出了MES 的发展趋势和应解决的关键技术。
  
   2 制造执行系统的产生与发展
  
   制造（生产）管理系统的发展过程， 如图1 所示。传统的制造管理靠人工来完成，因此采用金字塔式的多层组织结构。20 世纪60 年代初计算机财务系统问世，从此人工的管理方式开始渐被计算机管理系统代替。

   
   20 世纪60 年代末70 年代初，财务系统扩充了物料计划功能，发展成为物料需求计划系统（Material Requirements Planning ，MRP）。20 世纪70 年代末80 年代初，MRP 系统中增加了车间报表管理系统、采购系统等， 于是发展成为MRPⅡ。但是MRPⅡ不能配置资源，因此配置资源计划系统（Distribution Resource Planning，DRP）出现了，单一功能的制造过程管理系统（如质量管理系统）也相继出现。到20世纪80 年代末90 年代初，MRPⅡ逐渐演变为企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP），DRP 演变为供应链管理（Supply Chain Management，SCM），而车间层应用的专业化制造管理系统演变成集成的MES。1990 年11 月， 美国先进制造研究协会（Advanced Manufacturing Research，AMR）首次正式提出制造执行系统MES 的概念，将物料需求计划系统与控制系统之间的制造过程执行层定义为MES，如图2 所示。

   
   与此同时， 计算机控制也逐渐代替了人工控制，产生了过程监控和数据采集系统（ Supervisory Control and Data Acquisition ，SCADA）。到了20 世纪90 年代后期，传统的SCADA、ERP 和MES 相互渗透，它们之间的界线变得十分模糊。成立于1992年的制造执行系统协会（Manufacturing Execution Systems Association，MESA）于1997 年9 月发表的白皮书给出了MES 定义：MES 提供实现从订单下达到完成产品的生产活动优化所需的信息；并运用及时准确的数据， 指导、启动、响应并记录车间生产活动，能够对生产条件的变化做出迅速的响应，从而减少非增值活动，提高效率。MES 不但可以改善资本运作收益率，而且有助于及时交货、加快存货周转、增加企业利润和提高资金利用率。MES 通过双向的信息交互形式，在企业与供应链之间提供生产活动的关键基础信息。文献［4］和文献［5］强调MES 通过系统间的功能集成和信息集成，实现整个生产过程的优化运行和优化管理。然而，不同软件开发商提供的MES 必须基于同一标准开发才能实现可配置和易集成，因此关于MES 标准化研究得到了重视，MES 逐渐朝标准化方向发展［6 ～ 8］。
  
   本世纪初，为了适应协同制造的要求，集成的MES 发展成为协同的MES 。2004 年5 月MESA 提出了协同的制造执行系统（Collaborative Manufacturing Execution Systems，c-MES）概念， 指出c-MES 的特征是将原来MES 的运行与改善企业运作效率的功能和增强MES 与在价值链和企业中其他系统和人的集成能力结合起来，使制造业的各部分敏捷化和智能化［9，10］。
  
   为了使MES 应用的效益不断提高， 不同行业的制造工艺、设备运行、生产管理等方面的知识不断融于MES 系统，出现了适合不同离散制造企业与流程企业的MES。文献［11］提出了基于BPS /MES / PCS 三层结构的流程工业综合自动化系统，明确指出流程工业MES 着眼于整个生产过程管理，考虑生产过程的整体平衡，注重生产过程的运行管理，注重产品和批次，以分、小时为单位跟踪产品的制造过程。MES 起着将生产过程控制、生产过程管理和经营管理活动中产生的信息进行转换、加工、传递的作用，是生产过程控制与管理信息集成的重要桥梁和纽带。文献［12］提出了实现综合生产指标优化的智能综合自动化系统，其中智能化的制造执行系统是重要的组成部分。
  
   3 MES 的功能模型
  
   随着MES 的产生与发展，MES 的功能模型也发生了相应变化。1992 年，AMR 提出了三层结构的企业集成模型，指出了MES 所处的层次［2］。1993年，AMR 推出了MES 集成系统模型［2］，包括车间管理、工艺管理、质量管理和过程管理4 个功能模型。1997 年，MESA 提出了包括11个功能的MES集成模型［1］，强调MES 是一个与其他系统相连的信息网络中心，在功能上可以根据行业和企业的不同需要与其他系统集成，为实施基于组件技术的可集成的MES 提供了标准化的功能结构、技术框架和信息结构。1998 年，AMR 提出了制造业过程模型，即REPAC（Ready，Execution，Process，Analyze，Coordinate）模型。该模型描述了制造企业中完整的制造管理事务流程，不仅强调MES 的核心作用， 而且提出了经营管理、生产过程管理和过程控制的闭环结构［13］。随着标准化MES 研究的深入，出现了分布式面向对象的MES 功能模型，MES 能够通过基于知识的标准化规则向工作流、代理以及其他系统（SCM，ERP，Controls 等）请求制造事件或下达生产指令，通过协同机制实现企业生产过程管理［3］。
  
   为了适应企业敏捷化的要求，2004 年MESA 提出了c-MES 体系结构［10］，如图3 所示。c-MES 主要包括8 个功能：资源分配与状态监控、生产计划调度、数据采集、操作者管理、质量管理、过程管理、产品跟踪与谱系、性能分析。c-MES 的功能覆盖了制造过程管理的全过程，并与企业经营计划层的ERP， CRM， CAD / CAM 等集成，形成在价值链和企业中各种系统和人的更好集成能力，通过协同制造获取更大效益。

   
   为了提高产品质量和生产效率， 降低生产成本，减少资源消耗和环境污染，流程企业迫切需要实现管理扁平化和综合生产指标优化，本文提出的实现管理扁平化和综合生产指标优化的流程工业MES 功能模型，如图4 所示。
  
   合同管理子系统接收订单、客户等信息，整理出产品规格、数量、交货期等产品的需求信息。全流程价值链分析子系统综合考虑合同管理系统提供的产品需求信息、生产资料信息等因素，以企业效益最优化为目标，通过对全流程的价值流进行分析，确定产量、质量、消耗、成本、效益等相关的综合生产指标目标值，然后分别传递到生产计划管理子系统和综合生产指标优化子系统。生产计划管理子系统根据最优综合生产指标，在资源约束、设备约束、库存约束等限制条件下， 编制产量、质量、成本、消耗、设备运行等生产计划，并在不同时间尺度上对生产计划进行分解，然后把生产计划分别传递到生产调度管理子系统、综合生产指标优化子系统以及其他生产管理子系统（生产调度、动态成本控制、质量管理、物料跟踪与管理、设备管理）。生产调度子系统产生作业计划，下达到操作管理子系统、综合生产指标优化子系统和其他生产管理子系统。
  
   综合生产指标优化子系统根据企业综合生产指标、生产计划、作业计划优化分解产生最优的工艺指标和工艺约束条件，并传递给工艺指标优化/ 先进控制与动态优化子系统，最终产生控制回路最优设定值。
  
   各生产管理子系统分别接受产量、质量、成本、消耗、设备运行等生产计划，以及作业计划，进行分解、预报、分析，最终产生质量标准、物耗标准等作业标准。操作管理子系统接受作业计划、作业标准、工艺标准，产生操作规范和指令，通过设备运行子系统启停运行生产设备，并向资源供应系统发送资源调配指令，保证整个生产线协调稳定高效的生产。
  
   信息集成平台及时准确地收集并整理生产过程信息、计量信息以及化验信息等。统计管理子系统产生需要的不同时间尺度的数据信息，并反馈到相应的系统，各系统通过对预测值与生产实绩的统计值进行比较分析，并对下一个时间尺度的作业计划、作业标准、工艺标准、操作规范和指令进行调整。保证生产指标的实绩值处于最优综合生产指标目标值范围内。
  
   4 MES 的应用现状
  
   1）国外应用广泛且效益显著国外MES 得到了企业界和学术界的广泛关注，并形成了制造执行系统协会MESA，推动MES 的研究和MES 在制造企业的应用推广。MES 已经应用于石油、化工、钢铁、冶金、医药、食品及饮料、纤维及纺织、造纸及纸浆制造等流程行业，和半导体、液晶制品、电子、汽车、航空、机械等离散制造业［4，5，18］，取得了巨大的经济效益。根据MESA 白皮书中的统计报告表明，采用MES 的企业可以平均减少制造循环时间45 %、减少数据录入时间75 %、减少生产过程的操作量17 %、减少文档及纸介转换量56 %、缩短交货周期32 %、提高质量水平15 %、减少文档/ 图纸的丢失率57 %［14］，同时促使国外形成了一大批MES 专业化研发公司，并开发了一系列的MES 软件产品，如美国Consilium 公司面向半导体和电子行业相继开发了Work Stream（MESI）和FAB300（MESII）；美国Rockwell 公司开发了RSsql，RSBatch，Arena 等；美国Honeywell 公司面向制药行业开发了POMSMES。
  
   2）国内典型企业成功应用且正在推广制造执行系统是一种生产制造过程的计算机在线管理信息系统，其基础是控制层。由于国内重要的流程企业控制层广泛采用DCS / PLC 实现了计算机控制，生产过程管理迫切需要计算机管理系统来代替人工管理，因此一些流程企业开发应用了一些单一功能的生产管理系统，取得了成效，从而对MES 的需求不断增长， 文献［11］提出发展流程工业MES 是实现流程工业综合自动化的关键。
  
   在"十五"期间，国家863 高技术计划先进制造与自动化技术领域在流程工业MES 方面设立了技术攻关和示范应用项目，相继开发了钢铁企业MES、石化企业MES 和选矿企业MES，并且成功应用于生产实际，取得显著效益［15 ～ 17］。越来越多的流程企业认识到了MES 的重要性，纷纷开始实施MES，流程企业信息化工程正在从ERP 和PCS 向MES 延伸。

   
   随着我国离散制造业自动化水平的提高，提出了对MES 的需求，制造业信息化工程开始以CAD /CAM，PLM，ERP 信息化系统向MES 延伸。一些制造企业也开始建立单一功能的制造执行系统，如物料跟踪、质量管理等。在国家"十五"863 高技术计划支持下，开展了离散制造业MES 关键技术攻关和应用。专门从事MES 研发的公司开始形成，结合行业特点的MES 正在开发和实施［20 ～ 26］。