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MES基础知识概述
MES基础知识概述
turingMES的研发是主要是建立在美国先进制造研究机构AMR（AdvancedManufacturingResearch）发布的MES管理模型理论基础之上的，为了能更好的掌握turingMES，该文档将相关的MES基本知识作一概述。
MES即制造执行系统，通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。
当工厂中有实时事件发生时，MES能对此及时作出反应、报告，并用当前准确的数据对它们进行约束和处理。
这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少企业内部那些没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作，同时提高了工厂及时交货的能力、改善了物料的流通性能，提高生产回报率。
MES还能通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关生产行为的关键任务信息。
一、MES概述
MES是在上世纪90年代由美国先进制造研究机构AMR（AdvancedManufacturingResearch）对大量企业的调查提出的，认为制造业应该用三层模型（3rdLayerModel）表示信息化（如图六所示），将位于计划层和控制层的中间位置的执行层叫做MES，MES处于企业计划系统（ERP/SCM）和过程控制系统（PCS）的中间位置。
ERP作为业务管理系统，DCS/PLC作为控制系统，而MES则作为生产执行系统与上层ERP等业务系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统，把业务计划的指令传达到生产现场，将生产现场的信息及时收集、上传和处理。
MES作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统是连结现场层和经营层，改善生产经营效益的前沿系统。
MES是在公司的整个资源按其经营目标进行管理时，为公司提供实现执行目标的执行手段。
通过实时数据库连接基本信息系统的理论数据和工厂的实际数据，并提供业务计划系统与制造控制系统之间的通信功能，是应用于各种制造业的重要信息系统。
MESA协会白皮书（MESAWhitePaperNo.3，1997）中提出MES在企业与供应链之间提供一个双向的生产信息流，说明了ERP、MES与PCS的作业互动与信息流模式，如图七所示。
图中左边部分的ERP等系统（计划层）将实时的产品库存量、客户订单状况与材料需求等信息传送至MES，MES进行生产或安排库存以满足客户订单需求。
图中中间部分的MES系统（中间层）负责完成产品制造工作，产品的规格、型号参数等相关资料储存于此系统中，MES将此产品相关资料转化为作业程序提供给控制系统之作业人员或机器设备来使用。
图中右边部分的控制系统（底层），当作业程序、相关流程、文件及其它相关生产需求项目就绪，控制系统便运用所有工厂内相关资源（软、硬件及人员）负责完成生产制造过程以达成产品生产目标。
在此基础上，1998年，AMR公司发表REPAG（Ready，Execute，Proeeas，AnaLyze，Coordinate）模型，即包括准备、实行、处理分析、调整5个阶段组成的过程周期。
该模型将计划、技术方案，调度、执行和控制等对应的5个信息系统集成连接。
REPAC模型把MES三层模型的进行扩充，MES不只是工厂的单一信息系统，而是横向之间、纵向之间、系统之间集成的系统成为企业经营系统闭环回路中的一部分。
二、MES应用功能模型
随着MES的产生与发展，MES的功能模型也发生了相应变化，1993年，AMR在提出了三层结构的基础上，指出MES应该包括车向管理、工艺管理、质量管理和过程管理等功能的集成模型。
1997年，MESA提出了包括II个功能的BFES集成模到。
该模型强调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。
其集成功能模型图如图八所示。
其具体功能如下：
1、资源分配及状态管理（ResourceAllocationandStatus）该功能管理机床、工具、人员物料、其它设备以及其它生产实体，满足生产计划的要求对其所作的预定和调度，用以保证生产的正常进行；提供资源使用情况的历史记录和实时状态信息，确保设备能够正确安装和运转。
2、工序详细调度（Operations/DetailScheduling）该功能提供与指定生产单元相关的优先级（Priorities）、属性（Attxibutes）、特征（Chameterietioa）以及处方（Recipes）等，通过基于有限能力的调度通过考虑生产中的交错、重叠和并行操作来准确计算出设备上下料和调整时间，实现良好的作业顺序最大限度减少生产过程中的准备时间。
3、生产单元分配（DispatchingProductionUnits）该功能以作业、订单、批量、成批和工作单等形式管理牛产单元间的工作流。
通过调整车间已制订的生产进度，对返修品和废品进行处理，用缓冲管理的方法控制任意位置的在制品数量。
当车间有事件发生时，要提供一定顺序的调度信息并按此进行相关的实时操作。
4、过程管理（ProcessManagement）该功能监控生产过程、自动纠正生产中的错误并向用户提供决策支持以提高生产效率。
通过连续跟踪生产操作流程，在被监视和被控制的机器上实现一些比较底层的操作；通过报警功能，使车间人员能够及时察觉到出现了超出允许误差的加工过程；通过数据采集接口，实现智能设备与制造执行系统之间的数据交换。
5、人力资源管理（LaborManagement）该功能以分为单位提供每个人的状态。
通过时间对比，出勤报告，行为跟踪及行为（包含资财及工具准备作业）为基础的费用为基准，实现对人力资源的间接行为的跟踪能力。
6、维修管理（MaintenanceManagement）该功能为了提高生产和日程管理能力的设备和工具的维修行为的指示及跟踪，实现设备和工具的最佳利用效率。
7、计划管理（PmcessControl）该功能是监视生产提供为进行中的作业向上的作业者的议事决定支援，或自动的修改，这样的行为把焦点放在从内部起作用或从一个作用到下一个作业计划跟踪、监视、控制和内部作用的机械及装备；从外部包含为了让作业者和每个人知道允许的误差范围的计划变更的警报管理。
8、文档控制（DocumentControl）该功能控制、管理并传递与生产单元有关工作指令、配方、工程图纸、标准工艺规程、零件的数控加工程序、批量加工记录、工程更改通知以及各种转换操作间的通讯记录，并提供了信息编辑及存储功能，将向操作者提供操作数据或向设备控制层提供生产配方等指令下达给操作层，同时包括对其它重要数据（例如与环境、健康和安全制度有关的数据以及ISO信息）的控制与完整性维护。
9、生产的跟踪及历史（ProductTrackingandGenealogy）该功能可以看出作业的位置和在什么地方完成作业，通过状态信息了解谁在作业，供应商的资财，关联序号，现在的生产条件，警报状态及再作业后跟生产联系的其他事项。
10、执行分析（PerformanceAnalysis）该功能通过过去记录和预想结果的比较提供以分为单位报告实际的作业运行结果。
执行分析结果包含资源活用，资源可用性，生产单元的周期，日程遵守，及标准遵守的测试值。
具体化从测试作业因数的许多异样的功能收集的信息，这样的结果应该以报告的形式准备或可以on-line提供对执行的现在评价。
11、数据采集（DataCollection/Acquisition）该功能通过数据采集接口来获取并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、维护产品历史记录以及其它参数。
这些现场数据，可以从车间手工方式录入或由各种自动方式获取。
三、MES系统与其它管理信息系统的区别
作为面向制造的系统，MES必然要求与企业其它生产管理系统有密切关系，MES在其中起到了信息集线器（InformationHub）的作用，它为其它应用系统提供生产现场的实时数据。
MES的定位（content）模型反映了MES与其他企业管理系统之间的关系。
企业资源计划（ERP）系统、供应链管理（SCM）系统、客户关系管理（CRM）系统、办公自动化（OA）系统、运输及后勤（T&L）系统、协同商务及产品数据管理（CMC/PDM））系统及制造执行系统（MES）是面向制造企业的7种主流信息系统。
MES与其他几种类型的信息系统都紧密相连，这使得它在企业的整体信息基础中处于重要的地位。
从信息集成的角度来看，MES在企业范围的SCM、SSM、ERP等系统与面向工厂底层设备的控制系统之间承上启下，起着垂直信息集成的作用；同时MES连接SCM、ERP、CRM等系统，起着横向信息集成的作用。
其关系图如图3所示。
1、MES可以为企业中其他管理信息系统提供实时数据企业资源计划（ERP）系统需要MES提供的成本、制造周期和顶计产出时间等实时生产数据；供应链管理（SCM）系统从MES中获取当前的订单状态、当前的生产能力以及企业中生产换班的相互约束关系；客户关系管理（CRM）的成功报价与准时交货，则取决于MES所提供的有关生产的实时数据；产品数据管理（PDM）中的产品设计信息，可以基于MES的产品产出和生产质量数据进行优化；控制模块则需要时刻从MES中获取生产配方和操作技术资料来指导人员和设备进行正确地生产。
2、MES从其它管理系统中获取相关的数据以保证MES自身正常运行MES中进行生产调度的数据来自ERP的计划数据；MES中生产活动的时间安排需要依据供应链（SCM）系统之中的主计划和调度控制；PDM则为MES提供实际生产的工艺文件和各种配方及操作参数；从控制模块反馈的实时生产状态数据，则被MES用于实际生产性能评估和操作条件的判断。
同时，MES与企业其它管理系统之间有功能重叠的关系，MES、CRM、ERP中都有人力资源管理模块；MES和PDM都具有文档控制功能；MES和SCM中都有调度管理等等，各系统重叠范围的大小，与工厂的实际执行情况有关。
实际应用中，各个系统同一类模块的侧重点是不同的。
综上所述，MES作为制造业信息化系统的中间层次，已经成为以信息化带动工业化，成为提升企业效率及效益，打造我国企业核心竞争力的必然选择。
四、MES现状
1、MES体系结构
MES的体系结构经历了从T－IVIES向I－MES发展的历程。
传统的MES（T－MES）是从20世纪70年代的零星车间级应用发展起来的。
T－MES又可以分为专用MES（PointMES）和集成MES（IntegratedMES）两类。
专用MES是一种自成一体的应用系统，它针对某个单一的生产问题（如在制品库存过大、产品质量得不到保证、设备利用率低等）提供有限功能（如物料管理、质量管理、设备维护、作业调度等），或适用某种特定的生产环境（如应用于半导体和MEMS车间的MES、应用于FMS系统的MES等）。
专用MES具有实施快、投入少等优点，但通用性和可集成性差。
集成MES系统起初是针对特定行业（如航空、装配、半导体、食品和卫生等）特定的规范化环境而设计的，目前已拓展到整个工业领域。
在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。
集成化MES具有丰富的应用功能、统一的逻辑数据库、产品及过程模型等优点。
但该类系统依赖特定的车间环境，柔性差，缺少通用性和广泛的集成能力，难以随业务过程变化而重新配置。
AMR在分析信息技术的发展和加陷应用前景的基础上，提出了可集成MES（IntrgratableMES，I－MES）这一概念。
可集成MES是将模块化、消息机制和组件技术应用到MES的系统开发中，是两类传统MES系统的结合。
从表现形式上看，I－MES具有专用MES系统的特点，即I－MES中的部分功能可以作为可重用组件单独销售；同时，它又具有集成MES的特点，即能实现上下两层之间的集成。
此外，I－MES还具有客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之间的集成和原有系统的保护以及即插即用（P&P）等功能。
目前，基于组件的I－MES是MES的主要发展方向。
2、MES主流技术
由于MES处于ERP和PCS之间，既要对ERP内部系统和ERP的外部网络收发信息，又要对PCS系统传递信息。
因此，MES开发与实施涉及的关键技术包括了计算机操作系统、数据库技术、MES体系结构、开发应用技术等。
此外，进行MES的开发和实施还需要考虑MES系统的可配置性。
根据LogieaCMG咨询公司2005年对MES软件的调查报告，国际MES产品的主流技术情况如下：
（1）支持平台方面，主要有Windows、Unix、Linux。
（2）数据库方面，MES产品支持的数据库主要有Oracle、SQLServer、DB2、Progress、Informix、Ingress、Sybase等。
（3）应用技术方面，MES系统的开发主要采用DCOM、COM＋，Active－X、XML，DotNET、J2EE，ODBC、OLE、OPC等技术。
（4）系统架构方面，MES系统主要采用C／S、Web使能、瘦客户端、分布式结构、负荷平衡等体系结构。
3、MES应用情况
MES在发达国家已实觋了产业化，其应用覆盖了离散与流程制造领域，并给企业带来了巨大的经济效益。
MESA分别在1993年和1996年以问卷方式对若干典型企业进行了两次有关MES应用情况的调查，这些典型企业覆盖了下列的7大行业：
医疗产品、塑料与化合物、金属制造、电气／电子、汽车、玻璃纤维、通讯等。
调查表明企业使用MES后，可有效地缩短制造周期，缩短生产提前期，减少在制品，减少或消除数据输入时间，减少或消除作业转换中的文书工作，改进产品质量僦少次品，消除损失的文书工作。
据权威咨询公司AMR最新完成的一项市场调查显示：
2004年，全球MES市场营收为10．6亿美元，与2001年相比，增长超过50％；2006年全球制造业在管理软件方面的投资，MES居第二位，仅次于ERP。
在国外很多行业应用中MES已和ERP相提并论，而且MES已经成为目前世界工业自动化领域的重点研究内容之一。
国内在“十五”期间，流程工业领域MES成为技术研究的突破口，重点面向钢铁和石化2个典型流程制造行业。
目前，MES已在钢铁、石化等行业得到成功应用并开发完成了若干自主产权的MES系统，如：
上海宝信MES、中国石化MES（S－MESV1．0）等。
根据中国电子信息产业发展研究院的1份报告，到2003年底，共有110套MES应用于国内的钢铁企业。
“十五”期间还对离散制造MES进行了探索性研究，并取得初步成效（如西飞MES等），国内市场上也出现一些针对离散制造业的MES产品，如：
ICON－MES、OrBit－MES、天为MES等。
“十一五”期间，随着我国制造业信息化建设的深入开展，MES有望在
五、MES在中国
制造业是我国国民经济重要的支柱产业，在第二产业中占据中心地位。
伴随中国加入WTO和经济全球化，中国正在成为世界制造业的中心。
中国的制造业企业面临日益激烈的国内外竞争，如何迅速提高企业的核心竞争力，很重要的一点，就是以信息化带动工业化，加快信息化进程，走新型工业化道路，实现全社会生产力的跨越式发展。
纵观我国制造业信息化系统的应用现状，建设的重点普遍放在ERP管理系统和现场自动化系统（ShopFloorControlSystem,SFC）两个方面。
但是，由于产品行销在这一、二十年间从生产导向快速地演变成市场导向、竞争导向，因而也对制造企业生产现场的管理和组织提出了挑战，仅仅依靠ERP和现场自动化系统往往无法应付这新的局面。
工厂制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem,MES）恰好能填补这一空白。
工厂制造执行系统MES是近10年来在国际上迅速发展、面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。
MES可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交货、提高产品的质量和提高服务质量。
适用于不同行业（家电、汽车、半导体、通讯、IT、医药），能够对单一的大批量生产和既有多品种小批量生产又有大批量生产的混合型制造企业提供良好的企业信息管理。
目前国外知名企业应用MES系统已经成为普遍现象，国内许多企业也逐渐开始采用这项技术来增强自身的核心竞争力。
返回企业计划层与过程控制层之间的信息“断层”问题我国制造业多年来采用的传统生产过程的特点是“由上而下”按计划生产。
简单的说是从计划层到生产控制层：
企业根据订单或市场等情况制定生产计划—生产计划到达生产现场—组织生产—产品派送。
企业管理信息化建设的重点也大都放在计划层，以进行生产规划管理及一般事务处理。
如ERP就是“位”于企业上层计划层，用于整合企业现有的生产资源，编制生产计划。
在下层的生产控制层，企业主要采用自动化生产设备、自动化检测仪器、自动化物流搬运储存设备等解决具体生产（制程）的生产瓶颈，实现生产现场的自动化控制。
由于市场环境的变化和现代生产管理理念的不断更新，一个制造型企业能否良性运营，关键是使“计划”与“生产”密切配合，企业和车间管理人员可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，作出准确的判断和快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速修正。
虽然ERP和现场自动化系统已经发展到了非常成熟的程度，但是由于ERP系统的服务对象是企业管理的上层，一般对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持。
而现场自动化系统的功能主要在于现场设备和工艺参数的监控，它可以向管理人员提供现场检测和统计数据，但是本身并非真正意义上的管理系统。
所以，ERP系统和现场自动化系统之间出现了管理信息方面的“断层”，对于用户车间层面的调度和管理要求，它们往往显得束手无策或功能薄弱。
比如面对以下车间管理的典型问题，它们就难以给出完善的解决手段：
出现用户产品投诉的时候，能否根据产品文字号码追溯这批产品的所有生产过程信息？
能否立即查明它的：
原料供应商、操作机台、操作人员、经过的工序、生产时间日期和关键的工艺参数？
同一条生产线需要混合组装多种型号产品的时候，能否自动校验和操作提示以防止工人部件装配错误、产品生产流程错误、产品混装和货品交接错误？
?
过去12小时之内生产线上出现最多的5种产品缺陷是什么？
次品数量各是多少？
?
目前仓库以及前工序、中工序、后工序线上的每种产品数量各是多少？
要分别供应给哪些供应商？
何时能够及时交货？
?
生产线和加工设备有多少时间在生产，多少时间在停转和空转？
影响设备生产潜能的最主要原因是：
设备故障？
调度失误？
材料供应不及时？
工人培训不够？
还是工艺指标不合理？
?
能否对产品的质量检测数据自动进行统计和分析，精确区分产品质量的随机波动与异常波动，将质量隐患消灭于萌芽之中？
?
能否废除人工报表，自动统计每个过程的生产数量、合格率和缺陷代码？
MES的定位，是处于计划层和现场自动化系统之间的执行层，主要负责车间生产管理和调度执行。
一个设计良好的MES系统可以在统一平台上集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能，使用统一的数据库和通过网络联接可以同时为生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。
系统通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，协助企业建立一体化和实时化的ERP/MES/SFC信息体系。
六、MES发展趋势
MES系统正朝着下一代MES（Next－GenerationMES）的方向发展。
下一代MES的主要特点是：
建立在ISA95标准上、易于配置、易于变更、易于使用、无客户化代码、良好的可集成性以及提供门户（Portal）功能等等，其主要目标是以MES为引擎实现全球范围内的生产协同。
目前，国际上MES技术的主要发展趋势体现在以下几个方面：
（1）MES新型体系结构的发展。
一方面，这种基于新型体系结构的MES具有开放式、客户化、可配置、可伸缩等特性，可针对企业业务流程的变更或重组进行系统重构和快速配置；另一方面，随着网络技术的发展及其对制造业的重大影响，当前MES系统正在和网络技术相结合，MES的新型体系结构大多基于Web技术、支持网络化功能。
（2）更强的集成化功能。
新型MES系统的集成范围更为广泛，不仅包括制造车间本身，而且覆盖企业整个业务流程。
通过建立能量流、物流、质量、设备状态的统一工厂数据模型，开发模型维护工具，使数据适应企业业务流程的变更或重组的需求，真正实现MES软件系统的可配置。
在集成方式上更为快捷方便和易于实现，通过制定MES系统设计、开发的技术标准，使不同软件供应商的MES构件和其他异构的信息化构件可以实现标准化互连与互操作以及即插即用等功能，并能方便地实现对遗留系统的保护。
（3）更强的实时性和智能化。
新一代的MES应具有更精确的过程状态跟踪和更完整的数据记录功能，可实时获取更多的数据来更准确、更及时、更方便地进行生产过程管理与控制，并具有多源信息的融合及复杂信息处理与快速决策能力。
有学者曾提出了智能化第二代ⅧS解决方案（MESⅡ），它的核心目标是通过更精确的过程状态跟踪和更完整的数据记录以获取更多的数据来更方便地进行生产管理，它通过分布在设备中的智能来保证车间生产的自动化。
如日本森精机的计算机辅助生产管理系统（CAPS），可通过Internet和通信终端进行远程实时数据采集、监控与生产管理。
（4）支持网络化协同制造。
2004年5月MESA提出了协同的制造执行系统（Collaborative Manufacturing ExecutionSystems，c－MES）的概念，指出e-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。
由此可见，下一代MES的一个显著特点是支持生产同步性，支持网络化协同制造。
它对分布在不同地点甚至全球范围内的工厂进行实时化信息互联，并以MES为引擎进行实时过程管理，以协同企业所有的生产活动，建立过程化、敏捷化和级别化的管理，使企业生产经营达到同步化。
（5）MES标准化（ISA－95）。
从1997年开始的国际仪表学会（ISA）启动了编制ISA－SP95企业控制系统集成标准，ISA－95的目的是建立企业级和制造级信息系统之间的集成规范。
ISA于2000年发布了SP95．01模型与术语标准，规定了生产过程涉及的所有资源信息及其数据结构和表达信息关联的方法；2001年发布了SP95．02对象模型属性标准，对第一部分定义的内容作了详细规定和解释，SP95．01和SP95．02已经被IEC／ISO接受为国际标准；2002年发布了SP95．03制造信息活动模型标准，提出了管理层与制造层间信息交换的协议和格式；2003年发布了SP95．04制造操作对象模型标准，定义了支持第三部分中制造运作管理活动的相关对象模型及其属性。
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