MES系统

1 MES 是什么？

MES系统即制造执行系统 (manufacturing execution system，简称MES）是美国AMR公司(Advanced Manufacturing Research，Inc．)在90年代初提出的，旨在加强MRP计划的执行功能，把MRP计划同车间作业现场控制，通过执行系统联系起来。这里的现场控制包括PLC程控器、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手等。MES系统设置了必要的接口，与提供生产现场控制设施的厂商建立合作关系。

MES系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

1.1 MES概述

MES就是制造执行管理系统，它是企业CIMS信息集成的纽带，是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。

盖勒普MES系统 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(Shop Floor Control System, 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(Manufacturing Execution System, 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。

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。

1.2 MES优点

采用强大数据采集引擎、整合数据采集渠道（RFID、条码设备、PLC、Sensor、IPC、PC等）覆盖整个工厂制造现场,保证海量现场数据的实时、准确、全面的采集；

打造工厂生产管理系统数据采集基础平台，具备良好的扩展性；

采用先进的RFID、条码与移动计算技术，打造从原材料供应、生产、销售物流闭环的条码系统；

全面完整的产品追踪追溯功能；

生产WIP状况监视；

Just-In-Time 库存管理与看板管理；

实时、全面、准确的性能与品质分析SPC；

基于Microsoft .NET平台开发，支持Oracle/SQL Sever等主流数据库。系统是C/S结构和B/S结构结合，安装简便，升级容易；

个性化的工厂信息门户（Portal），通过WEB浏览器，随时随地都能掌握生产现场实时信息；

强大的MES技术队伍，保证快速实施、降低项目风险；

1.3 MES 的定义

美国先进制造研究机构(AMR)：MES是位于上层计划管理系统与底层工业控制之间、面向车间层的管理信息系统。它为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态信息。

MES 国际联合会(MESA International)：MES 是一些能够完成车间生产活动管理及优化的硬件和软件的集合，这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程。它通过维护和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。

Michael  McClellan (曾任MESA主席)：MES是一个集成的计算机化的系统，它是用来完成车间生产任务的各种方法和手段的集合。

制造执行系统协会(Manufacturing Execution System Association，MESA)：MES能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。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还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产品行为的关键任务信息。

MESA在MES定义中强调了以下三点：

1）MES是对整个车间制造过程的优化，而不是单一的解决某个生产瓶颈；

2）MES必须提供实时收集生产过程中数据的功能，并作出相应的分析和处理。

3）MES需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成。

2 企业为什么需要 MES

近年来，随着JIT(Just In Time)、BTO（面向订单生产）等新型生产模式的提出，以及客户、市场对产品质量提出更高要求，MES才被重新发现并得到重视。同时在网络经济泡沫的破碎后，企业开始认识到要从最基础的生产管理上提升竞争力，即只有将数据信息从产品级（基础自动化级）取出，穿过操作控制级，送达管理级，通过连续信息流来实现企业信息集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。目前，MES在国外被迅速而广泛地应用。制造执行系统（MES）旨在提升企业执行能力，具有不可替代的功能，竞争环境下的流程行业企业应分清不同制造管理系统的目标和作用，明确MES在集成系统中的定位，重视信息的准确及时、规范流程、利用工具、管理创新，根据MES成熟度模型对自身的执行能力进行分析，按照信息集成、事务处理、制造智能三阶段循序渐进地实施MES系统，才能充分发挥企业信息化的作用，提高企业竞争力，为企业带来预期效益。

2.1车间层生产管理系统本身发展的需要

在MES出现之前,  车间生产管理依赖若干独立的单一功能软件，如车间作业计划系统、工序调度、工时管理、设备管理、库存控制、质量管理、数据采集等软件来完成。这些软件之间缺乏有效的集成与数据共享，难以达到车间生产过程的总体优化。

为了提高车间生产过程管理的自动化与智能化水平，必须对车间生产过程进行集成化管理，实现信息集成与共享，从而达到车间生产过程整体全局优化的目标。

2.2 MRPII/ERP进一步发展的需要

MRPII/ERP强调企业的计划性，好的计划应该建立在实时、准确、全面信息的基础之上。

MRPII/ERP无法及时获取车间生产现场的实时信息，造成“生产计划”与“生产信息”不同步，使得计划的合理性大打折扣。

因此，必须把“生产”与“计划”实时关联起来。但MRPII/ ERP本身无法直接与生产现场的控制层相联系，作为连接两者的桥梁，MES应运而生。

2.3 其它先进制造与管理模式发展的需要

计算机集成制造系统（CIMS）：对车间层制造过程及管理自动化以及与其它分系统集成的需求；

JIT/精益生产：对生产现场实施“零库存”控制的需求；

网络化制造：对车间生产过程及数据管理信息化、集成化、网络化的需求；

敏捷制造：对车间生产过程集成化、智能化、柔性化的需求。

2.4 相关技术的发展为MES提供了技术支撑

计算机网络、数据库及计算机软件技术的发展：Internet /Intranet/LAN/Field Bus/MAP，大型分布式数据库，分布式对象计算、软总线及组件技术等；

自动控制与传感检测技术：PLC/DCS/SCADA， 智能仪表，数字传感器，网络数控技术等；

计算机辅助生产管理技术的普及与发展：生产计划与控制，设备管理，工具管理，质量管理与控制，过程管理及工作流技术等。

3 MES 在国内外的发展状况

1990年11月，美国先进制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）就提出了MES（制造执行系统）概念。1997年，MESA提出的MES功能组件和集成模型，包括11个功能，同时规定，只要具备11个功能之中的某一个或几个，也属MES系列的单一功能产品。2004年，MESA提出了协同MES体系结构(c-MES)。

20世纪90年代初期，中国就开始对MES以及ERP的跟踪研究、宣传或试点，而且曾经提出了 “管控一体化”，“人、财、物、产、供、销”等颇具中国特色的CIMS、MES、ERP、SCM等概念，只是总结、归纳、宣传、坚持或者提炼、提升不够，发展势头不快。

国内最早的MES是20世纪80年代宝钢建设初期从SIEMENS公司引进的。中国工业信息化基本上是沿着西方工业国家的轨迹前进，只是慢半拍而已。几乎绝大多数大学和工业自动化研究单位，甚至于国家、省、市级政府主管部门都开始跟踪、研究MES。从中央到地方，从学会到协会，从IT公司到制造生产厂，从综合网站到专业网站，从综合大学到专科院校，都卷入了MES热潮之中。

制造执行管理系统(MES)是企业CIMS信息集成的纽带，是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。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。

4 MES 产品技术特点

MES系统能够帮助企业减低成本、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。

可伸缩性

采用SOA耦合应用集成服务技术，通过组件化的软件相互协同工作，展现超强的可伸缩性，能够快速响应需求变化，使得系统规模和应用范围得以实时拓展。

精确性

企业追求动态化全程优化管理。MES系统实施精确的实时数据管理，即采集从接受订单到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息。

开放性

MES系统从数据整合、集成整合、应用整合三方面即时解决实际生产过程中的集成和整合困难，实现物料、设备、人事以及信息等各种资源的无缝链接。

承接性

MES系统承担企业整个生产的控制层，将上层ERP系统决策管理与下层协调/跟踪并监控趋势的执行层二者有机联系起来，承上启下，发挥信息桥梁作用。

经济性

MES系统可快速搭建协同作业平台，降低运营成本及维护成本。

安全性

系统安全是企业尤为关注的环节。MES系统支持安全管理与安全集成，以此应对关键挑战和风险，保护核心基础设施，保证生产顺畅。

5 MES 主要功能

MES系统监视、收集和组织来自人员、机器和底层控制操作数据以及工序和物料信息，这些数据可由车间手工录入或由各种自动方式获取。

MES制造执行系统是为了实现企业生产车间制造自动化、信息化管理，整体结构设计以及具体操作链上的功能模块都是根据车间生产制造执行的具体过程、特点设计研发的，并将生产制造执行过程与供应链管理、企业资源规划、销售和客户服务管理、财务和成本管理、底层生产控制管理、产品及工艺设计等高度集成，实现无缝链接，整个过程协调、有序、透明、高效。

资源分配与状态：该功能跟踪资源状态并维护一个详细的历史记录。它保证设备能够适时地安装调整以及其它资源（如文档）能够及时获取。对上述资源的管理包括对操作/详细调度功能的支持。

操作/详细调度：提供基于优先级、属性、特性以及制造方法与工艺等的作业排序功能，负责生成工序计划（即详细计划）以满足用户定义的运行目标。

分派生产单位：根据生产计划和详细排程，指导作业、订单、批次、工作指令等形式的生产单位的工作流程。以适当的顺序分派信息，使在正确的时间到达正确的地点。它具有变更预定排程/生产计划、以及通过缓冲管理来控制在制品数量的能力。

文档管理：控制、管理与交付与生产单位关联的信息包，包括工作指令、制造方法、图纸、标准操作规程、零件加工程序、批次记录、工程更改通知以及交班信息等。它支持编辑预定信息和维护文档历史版本。

数据采集/获取：获取和更新用于产品跟踪、维护生产历史记录以及其它生产管理功能的生产信息。它可使用扫描仪、输入终端、与制造控制者的软件界面以及其它软件等方式相结合来完成上述功能。它以手工或自动方式在车间采集最新的数据。

人力管理：提供最新的人员状态信息，包括时间和出勤记录、资质跟踪以及追踪起其间接活动的能力。它与资源分配进行交互以确定最优的人员分派。

质量管理：及时提供产品和制造工序测量尺寸分析以保证产品质量控制，并辨别需要引起注意的问题。它可推荐一些矫正问题的措施。也可以包括SPC/SQC跟踪、离线检测操作以及在实验室信息管理系统(LIMS)中分析。

过程管理：监视生产过程，自动纠偏或为操作者提供决策支持以纠正和改善在制活动。它可包括报警管理。可能通过数据采集/获取提供智能设备与MES的接口。（NIST认为过程管理活动已在分派与质量管理中描述；MESA将其单列，是因为该活动可能由一个单独的系统来执行）

维护管理：跟踪和指导设备及工具的维护活动以保证这些资源在制造进程中的可获性，保证周期性或预防性维护调度，以及对应急问题的反应（报警），并维护事件或问题的历史信息以支持故障诊断。

产品跟踪和谱系：提供所有时期工作及其处置的可视性。其状态信息可包括：谁在进行该工作；供应者提供的零件、物料、批量、序列号；任何警告、返工或与产品相关的其它例外信息。其在线跟踪功能也创建一个历史记录，该记录给予零件和每个末端产品使用的可跟踪性。

性能分析：提供实际制造操作活动的最新报告，以及与历史记录和预期经营结果的比较。运行性能结果包括对诸如资源利用率、资源可获取性、产品单位周期、与排程表的一致性、与标准的一致性等指标的度量。

物料管理：管理物料（原料、零件、工具）及可消耗品的运动、缓冲与储存。这些运动可能直接支持过程操作或其它功能，如设备维护或安装调整。   

6 MES 主要作用

使生产数据即时采集，通过实时数据采集，大大减少系统数据录入。

实现对生产数据的即时查询、历史查询和精细化数据分析。

对不良产品追溯管理，一方面即时处理不良产品维修并及时改进减少不良产品；另一方面，当已销产品出现不良现象时，及时追溯相关批次，并准确召回不良批次，提高了服务质量，并减少召回成本。

改进生产工艺，提高产品质量。

提高生产效率，监控生产工人生产状况，提高工作积极性。

准确追溯到不合格供应商，减少不必要的损失。

合理调配生产资源：人员、物料、生产线等。

按时交货，建立良性的供货关系。

为降低成本提供有力的数据来源。

实现零库存管理，提高企业资金流的运转。

7 MES 未来发展

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：

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。

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。

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。

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（CollaborativeManufacturingExecutionSystems，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。

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。

MES的标准化进程是推动MES发展的强大动力，国际上MES主流供应商纷纷采用ISA－95标准，如：ABB、SAP、GE、Rockwell、Honeywell、Siemens等。