榮岡

浙江大學博士、教授、博導。現任浙江大學控制科學與工程學系主任，中國儀器儀表學會生產執行系統分會(MES學會)常務理事，中國微生物學會過程模型化與控制委員會常務理事。主要從事生產執行系統(MES)、企業綜合自動化、先進控制、數據校正與數據挖掘的理論與應用研究。主持國家科技攻關、863等項目10多項，獲省部級科技進步一等獎2項、二等獎3項。發表論文100余篇，著書《流程工業綜合自動化技術》和《化工生產執行系統MES》等。

摘要：本文詳細介紹了生產執行系統（Manufacturing Execution System簡稱MES）的定義，發展歷史，同時從MES的國家產業政策、行業會議、國內外主要MES供應商的行業解決方案等方面出發詳細分析了MES技術的現狀與發展趨勢。

關鍵詞：流程工業；生產執行系統（MES）；解決方案；企業綜合自動化

1 前言

    流程工業企業綜合自動化系統研究的核心技術問題是企業綜合自動化系統的定義以及如何設計構架企業綜合自動化系統。

    自動化在20世紀90年代以前仍是自動化孤島模式，進入20世紀90年代以后，國內外企業在國際市場劇烈競爭的刺激下，特別過程工業還受到環境保護的巨大社會壓力。節能降耗，少投入多產出的高效生產和減少污染的潔凈生產成為企業的生產模式，企業把提高綜合自動化水平作為挖潛增效、提高競爭能力的重要途徑。集常規控制、先進控制、過程優化、生產調度、企業管理、經營決策等功能于一體的CIPS成了當前自動化技術發展的趨勢。

    從1973年計算機集成制造的概念提出開始，經過30多年的研究與發展，CIPS開始在石化、化工、食品、制藥、煉鋼和造紙等行業得到了實施與應用，并已逐步由五層Purdue模型演變為兩庫(實時數據庫、關系數據庫)三層(ERP、MES、PCS)的體系結構，如圖 1所示，該三層架構已成為西方先進工業國家流程工業CIPS理論和產品的主流框架。也就是說CIPS的主流框架為：以實時數據庫、關系數據庫為核心，由過程控制系統層(Process Control System－PCS)、生產執行系統層(Manufacturing Execution System－MES)和企業資源規劃層(Enterprise Resource Planning－ERP)組成的兩庫三層體系架構。
 

圖1   企業綜合自動化系統架構模型

2 MES的定義

    MES是英文Manufacturing Execution System的縮寫，它所對應的中文名稱一般有兩種翻譯方式，在制造行業，MES翻譯成“制造執行系統”，俗稱生產管理系統。在流程工業，MES翻譯成“生產執行系統”。對于MES的定義，不同的機構有自己不同的定義。

    國際MES聯合會MESA(Manufacturing Execution System Association International)對MES給出的定義：MES提供從接受訂貨到制成最終產品全過程的生產活動實現優化的信息。它采用當前的和精確的數據，對生產活動進行初始化，及時引導、響應和報告工廠的活動，對隨時可能發生變化的生產狀態和條件作出快速反應，重點削減不會產生附加值的活動，從而推動有效的工廠運行和過程。

    美國的咨詢調查公司AMR(Advanced Manufacturing Research)對MES給出的定義：MES是一個常駐工廠層的信息系統，介于企業領導層的計劃系統與主生產過程的直接工業控制系統之間。它以當前視角向操作人員/管理人員提供生產過程的全部資源(人員、設備、材料、工具和客戶要求)的數據和信息。其著重點是將信息技術運用于改善制造過程。

    美國的國家標準研究所NIST(National Institute of Standard and Technology)對MES給出的定義：為使從接受訂貨到制成最終產品全過程的管理活動得以優化，采集硬件/軟件的各種數據和狀態信息。

    雖然不同機構對MES的定義存在一些不同的描述，但是有幾點共識是普遍認可：

    （1） MES在整個企業信息集成系統中承上啟下，是生產活動與管理活動信息溝通的橋梁。 

    （2） MES采集從接受訂貨到制成最終產品全過程的各種數據和狀態信息，目的在于優化管理活動。它強調是當前視角，即精確的實時數據。

    （3） 從對實時的要求而言，如果說控制層要求的實時時間系數為1，那么，MES的時間系數為10，ERP的時間系數為100。

3 MES的發展歷史

20世紀70年代

    各企業開始開發或引入單一功能的軟件產品和軟件系統，如設備狀態監控系統、質量管理系統、生產管理系統等，所有這些系統可以理解為單一功能的MES系統。

20世紀80年代

    為了解決底層各集散控制系統DCS(Distributed Control System)之間沒有聯系的信息孤島(island of information)問題和管理層的物料需求計劃MRP(Material Requirements Planning)、制造資源計劃MRPII(MRPII: Manufacturing Resources Planning)與底層DCS系統之間沒有聯系問題，而出現了MES原型，即傳統的MES(Traditional MES)。傳統的MES的主要功能是生產現場管理POP(Point of Production)和車間級控制系統SFC(Shop Floor Control)。

20世紀90年代

    1990年，AMR公司第一次提出并使用了MES概念,AMR倡導用三層模型(3rd layer model)表示制造業信息化。將位于中間位置的執行層叫做MES，MES處于企業信息系統ERP/SCM和過程控制系統DCS/PLC的中間位置。
1993年AMR公司提出了MES集成模型，該模型可以概括為實時數據庫支持下的4個主要功能：

    （1） 工廠管理（資源管理、調度管理、維護管理）；

    （2） 工廠工藝設計（文檔管理、標準管理、過程優化）；

    （3） 過程管理（回路監督控制、數據采集）；

    （4） 質量管理（SQC-統計質量管理、LIMS-實驗室信息管理系統）。

    1997年MESA提出的MES功能組件和集成模型,包括11個功能，如圖2所示，同時規定，只要具備11個功能之中的某一個或幾個，也屬MES系列的單一功能產品。MES的11個功能主要如下：

    （1） 資源分配與狀態；

    （2） 作業計劃和排產；

    （3） 工藝規格標準管理；

    （4） 數據采集（裝置在線連接采集實時數據和各種參數信息，控制系統接口，生成生數據記錄、質量數據、績效信息、臺帳累計）；

    （5） 人力管理；

    （6） 質量管理；

    （7） 過程管理（過程控制、APC、基于模型的分析與模擬、與外部解析系統接口）；

    （8） 設備維護；

    （9） 績效分析；

    （10） 生產單元調度；

    （11） 產品跟蹤。

    1997年美國儀表學會ISA（The Instrumentation, Systems, and Automation Society）啟動編制ISA SP95企業控制系統集成標準和ISA SP98批量控制標準。

圖2   MESA提出的MES功能模塊圖

21世紀

    從2000年開始，以圖1所示的Purdue模型為基礎，美國儀表協會(ISA)啟動編制了第95個標準，即ISA 95標準，也就是現在所說的MES標準，具體時間進程如下：

    2000年美國儀表學會(ISA)發布了SP95.01模型與術語標準；

    2001年美國儀表學會(ISA)發布了SP95.02對象模型屬性標準；

    2002年美國儀表學會(ISA)發布了SP95.03制造信息活動模型(Activity Models)標準；

    2003年美國儀表學會(ISA)發布了SP95.04制造操作對象模型標準。
ISA 95標準逐漸成為指導MES開發、實施及解決ERP與MES接口問題的一個重要參考依據，并先后被法國、德國、意大利、日本、英國、肯尼亞等接受為國家標準。從2003年開始，ISA 95標準正式被IEC采用，分別在2003年、2004年和2007年作為IEC62264標準發布。分別為：

    （1）2003年的模型與術語（IEC 62264-1:2003  Enterprise Control System Integration - Part 1 : Models and Terminology）；

    （2）2004年的對象模型屬性（IEC 62264-2:2004  Enterprise Control System Integration - Part 2 : Object Model Attributes）；

    （3）2007年的制造操作管理活動模式（IEC 62264-3:2007 Enterprise Control System Integration - Part 3 : Activity Models of Manufacturing Operations Management）。

4 MES的現狀

4.1 MES產業政策

    中共十六大明確提出“建設節約型社會，走新型工業化道路”，信息化作為節能減排的重要手段得到了快速發展，而MES作為信息化的重要組成部分，也在此背景下得到了前所未有的重視與關注。

    國家科技部目前主要依靠實施國家高技術研究發展計劃（863計劃）先進制造技術領域“面向行業應用的可配置MES平臺及產品”項目計劃達到以下目標[6]：

    （1） 開發一批面向典型行業、具有自主知識產權的MES工具集及軟硬件系統平臺。

    （2）在航空、航天、汽車、船舶、裝備、冶金、石化、煙草等典型行業的超過25家企業推廣應用（其中在離散行業應用12家以上，在流程行業應用8家以上，在混合型行業應用5家以上）；

    （3） 在MES平臺開發與實施的基礎上，形成3－6個具有自主知識產權、符合ISO-95標準、相關指標達到國外同類水平、具有市場活力的MES軟件產品（其中面向離散行業的軟件產品1－3個，面向流程行業的軟件產品1－2個，面向混合型行業的軟件產品1個）；取得不少于10項具有原始創新的多項代表性成果（發明專利、軟件著作版權等）。

    （4） 培育5家以上盈利模式清晰的MES軟件供應商，促進MES產品的產業化（其中面向離散行業與流程行業的軟件產品各2家以上，面向混合型行業的軟件產品1家以上）。

4.2 行業會議

    每年國內有關主題涉及MES技術的會議不計其數，主要的會議有：由中國儀器儀表學會生產執行系統分會(MES分會)主辦的“中國MES年會”和863計劃先進制造系統技術主題專家組主辦的“中國制造業信息化MES產業技術論壇”。

    （1） 中國MES年會

    中國MES年會由中國儀器儀表學會生產執行系統分會(MES分會)主辦，每年舉辦一次，已舉辦了兩屆。

    第一屆(2006)中國MES年會暨2006中國(杭州)MES技術高峰論壇于2006年11月18日在杭州舉辦。年會由浙江大學褚健教授和蘇宏業教授主持，并由9位行業專家做了9個精彩的大會報告，分別為：國際自動控制聯合會前主席呂勇哉的《二十一世紀自動化產業的機遇和創新技術》；中國工程院孫優賢院士的《我國節能降耗的現狀和工業控制面臨的任務》；北京機械工業自動化所軟件工程中心首席專家蔣明煒教授的《離散制造業的MES與ERP》；中石化信息系統管理部李德芳主任的《石化MES應用研究》；石化盈科MES事業部蔣白樺總經理的《石化物料平衡系統應用研究》；浙江大學榮岡教授的《企業多分辨率建模理論與應用》；中國石油規劃總院王華副處長的《中國石油MES框架與實施策略》；華北制藥集團劉文富總經理的《醫藥行業MES的應用研究》和寶信軟件股份有限公司畢英杰的《冶金工業MES的現狀與發展》。

    第二屆(2007)中國MES年會于2007年10月25日-10月27日在北京舉辦，共有來自石化、化工、鋼鐵、煙草等行業的50余家企業、10余家高校及科研院所的150余位會議代表參加了此屆年會。

    以“優化操作，疏導流程，實現節能減排、精細化管理”為主題的第二屆(2007)中國MES年會邀請了業內權威嘉賓并做主題報告，包括中石化信息系統管理部副主任齊學忠先生的《制造業MES發展與展望》；浙江大學王樹青教授的《節能減排與MES技術》；石化盈科MES事業部總經理蔣白樺先生的《石化行業MES系統解決方案》；浙江大學榮岡教授的《MES系統與智能工廠》；首鋼集團強偉先生的《鋼鐵制造業信息化建設的實踐與思考》；中國科學院軟件研究所王宏安先生的《實時數據庫系統及應用》；中國科學院沈陽自動化研究所史海波研究員的《卷煙企業MES技術與應用研討》；華中科技大學張國軍教授的《離散制造業MES關鍵技術與產業化對策》。八個主題報告雖然涉及不同的行業及背景，但是各位專家對MES的前景都同樣充滿信心，對MES能幫助企業提高生產效率、提高產品質量、降低消耗等作用都有一致的認識，同時也都意識到MES的任重道遠。業內專家的權威講述、聽眾的積極參與，熱烈的會場氣氛貫穿始終。大會最后由中國儀器儀表學會生產執行系統分會副理事長、中石化信息系統管理部主任李德芳先生作會議總結報告。

    （2）中國制造業信息化MES產業技術論壇

    2005年7月23日，由科技部高技術中心和863計劃先進制造系統技術主題專家組聯合主辦的“2005中國制造業信息化MES產業技術論壇”在北京成功召開。科技部高新司馮記春司長出席論壇并致辭，柴天佑院士、褚健教授分別結合國內外MES技術、產品與應用的發展需求和現狀和趨勢做了主題演講；“十五”863計劃重點支持的鋼鐵和石化MES課題承擔單位介紹了研究開發及應用示范成果，來自西門子、HP、IBM、美國埃施朗、英國博納冶金系統公司的代表也分別從不同方面介紹了MES研究開發與應用實施的技術與經驗。

    2007年8月25日，第二屆中國制造業信息化MES產業技術論壇在北京舉行，業內專家分析了MES在我國制造業，特別是離散制造業應用中存在的難題及應對辦法，提出了加強國內制造領域自主研發與使用MES系統對行業節能與產業升級的重要性。

4.3 MES解決方案

4.3.1 Honeywell的Business.FLEX  MES

    （1）系統特點

    Honeywell針對煉油化工行業推出了MES解決方案Business.FLEX MES系統。系統的主要特點為：

    * 一體化的數據集成平臺

    基于ORACLE關系數據庫和PHD實時數據庫，Honeywell的MES系統構架了數據集成平臺，為全廠范圍數據采集、存儲和管理建立了一體化的應用平臺；數據集成平臺集成工廠的過程數據、商業管理數據并支持相關應用，可保障工廠的管理部門使用一致的數據，從而用戶可方便地建立MES應用的全廠參考數據模型。

    * 統一的用戶交互及信息發布界面

    在用戶界面呈現方面，Honeywell的MES產品提供了一個全廠統一的信息界面WorkCenter PKS。WPKS是一個可組態的、基于WEB服務的企業信息瀏覽中心，無論是工廠底層操作人員還是高層管理者，都可以使用WEB頁面進行MES應用信息的交互及瀏覽：輸入生產數據或監視生產狀況。

    （2）系統的主要功能

    Honeywell的Business.FLEX MES主要功能包括五大塊內容，分別為：

    * 實時數據采集（Uniformance）

    * 先進計劃及調度優化套件(Advanced Planning & Scheduling Suit)

    * 裝置的操作管理套件（Operation Management Suit）

    * 油品調合及儲運自動化套件（Blending & Movement Automation Suit）

    * 生產管理套件（Production Management Suit）

    （3）系統應用現狀

    Honeywell的MES系統在全球近100個國家得到了廣泛的應用，許多國際知名的石油、化工等大公司都采用此解決方案。目前，中國石油下屬的10多家企業正在實施Honeywell的MES系統。

4.3.2 西門子的SIMATIC IT MES解決方案

    西門子的SIMATIC IT MES解決方案主要特點如下：

    （1）圖形化建模（SIMATIC IT Framework）
SIMATIC IT Framework是所有產品組合的核心組件，它提供了一個建模環境，通過圖形化方式將不同的SIMATIC IT 組件（不同于產品組合）的功能組合在一起定義執行邏輯（顯式規則法，explicit rules approach）。SIMATIC IT Framework是根據物理對象（實際的裝置和設備）和邏輯對象（產品組合及應用程序）來完成對工廠模型的創建。這些對生產執行邏輯的顯式定義，以及對工廠模型中不同對象之間相互作用的定義，都是根據實際的生產作業來實現的。

    （2）全集成自動化（TIA）

    SIMATIC IT作為西門子TIA體系中的MES解決方案部分，充分利用了TIA體系的開放性，SIMATIC IT 能與西門子其他產品進行集成。

    （3）通用行業庫

    SIMATIC IT通用行業庫是在通用的產品平臺上開發的，它提供了一組基礎構件，包括圖形界面、WEB方式界面以及報表，這些構件可以在真實環境中快速開發出符合用戶需求的解決方案，以及更準確的估算項目事件和成本。

4.3.3 中控軟件的MES-Suite流程工業MES解決方案

    中控軟件憑借多年流程工業MES項目的開發與實施經驗以及對流程工業的深刻理解，為石化、化工、冶金、造紙等流程工業企業提供了完整的流程工業MES解決方案——MES-Suite。MES-Suite，采用先進的計算機技術、網絡技術、信息技術、軟件技術和監控技術，幫助用戶實現對企業“人、機、料、法、環”的跟蹤、計量、調度、分析、核算管理，通過建立物料流、信息流、資金流“三流合一”的信息集成平臺，做到現場監控可視化、業務調度最優化、能量使用有序化的目標。MES-Suite對提高企業生產效率、提高產品質量、降低消耗具有重要的作用。

    作為遵循ISA-95標準的MES供應商之一，中控軟件分別針對石化、化工、煉鋼、造紙這四個行業開發了行業應用組件包，使得MES-Suite可以滿足不同行業的需求。

    （1）石化行業應用組件包

    石化行業應用組件包主要內容包括：操作指令管理、進出廠管理、罐區管理、物流平衡、油品移動、調度優化、公用工程管理及統計報表等功能模塊。

    （2）化工行業應用組件包

    化工行業應用組件包主要內容包括：生產操作監控、生產工藝管理、班組考核、質量統計分析、流程模擬、能源管理、設備管理及領導輔助決策等功能模塊。

    （3）冶金行業應用組件包

    冶金行業應用組件包主要內容包括：優化排產、產線排序、物流與工藝跟蹤、生產調度、質量一貫設計、能源管理、設備資產管理、倉庫管理、爐料與合金計算及數據挖掘等功能模塊。

    （4）造紙行業應用組件包

    造紙行業應用組件包主要內容包括：生產操作監控、漿紙平衡、堿平衡、白水平衡、生產方案管理、切紙優化、卡帕值軟測量、倉庫管理、化驗室信息管理及運行績效管理等功能模塊。 

    目前中控軟件與中石化、中石油建立了MES建設的長期策略聯盟，并承擔了其旗下近百余家分子公司的MES建設項目。同時MES-Suite在石化、化工、冶金、造紙、化纖、水泥、制藥、電力等行業中得到了120多個成功的應用，主要客戶包括：中石化、中石油、山東海化股份有限公司、天脊煤化工集團有限公司、柳州化工股份有限公司、宜賓天原股份有限公司、湖南泰格林紙集團有限責任公司、廣西柳州鋼鐵(集團)公司、山西新臨鋼鋼鐵有限公司等。

4.3.4石化盈科的石化企業生產執行系統（MES）解決方案

    2003年，石化盈科、中控軟件、中科院軟件所、北京時林等單位聯合承擔了“863”計劃主題“石化企業MES關鍵技術攻關及應用研究”課題。其研究目標是以大型石化、化工企業為背景，突破制約綜合自動化的重大關鍵技術，形成適合石油、化工行業的石化生產執行系統（SMES）關鍵技術及應用系統。SMES系統為石油化工行業提供了一套面向生產過程實時和智能管理MES解決方案。

    SMES建立以生產物流管理為核心，以數據集成平臺和核心數據庫為支撐，集物料移動信息管理、罐區及倉儲操作信息管理、物料平衡、生產調度、統計信息管理和公用工程信息管理等業務功能為一體的煉化企業SMES系統。SMES主要內容包括：操作指令管理、進出廠管理、物料移動、罐區管理、倉儲管理、裝置校正、調度平衡、統計平衡、化工輔料、公用工程管理等的11個主要業務功能模塊。

    目前SMES系統在茂名石化、安慶石化、荊門石化等9家企業得到了成功應用，并正在中國石化進行全面推廣。SMES系統的實施為企業帶來了巨大的經濟效益和社會效益。

    SMES 系統在茂名、安慶、荊門分公司3 家示范企業應用以來，取得了良好的經濟效益。通過MES 系統物料跟蹤及物料平衡，監控物料數據的準確性，做到“及時發現問題、及時處理”，降低了加工損失率；通過MES 公用工程平衡，監控能耗數據，以準確的能耗平衡數據為依據，在滿足生產需求的情況下，調整蒸汽等能耗的產量，降低自用率，實現了節能；依據MES 提供的及時準確的平衡數據，及時調整原料及加工方案，優化裝置的運行，提升了精細化管理，降低加工損失率和自用率，增加了商品產量，提高綜合商品率；通過MES 為煉油的PIMS 計劃優化、調度優化系統提供及時準確的生產數據，實現了資源優化利用，提高了高附加值產品。[4]

    通過以上途徑，SMES 為3 家企業共實現直接經濟效益約4755 萬元，間接經濟效益約3897 萬元。 [4]

4.3.5寶信軟件的MES解決方案

    寶信軟件的MES的設計基于國外現有的信息系統軟件的分析，采用了中間件技術、三層結構技術等先進技術，同時，又兼顧了目前我國冶金企業信息化水平發展的現狀和業務特點以及對企業信息系統的具體需求所開發的系統。

    寶信軟件的MES解決方案主要功能模塊包括：訂單管理、生產管理、質量管理、作業計劃管理、物料跟蹤與實績管理、工器具與軋輥管理、倉庫管理、發貨管理、歷史數據管理。

    寶信軟件的MES解決方案的主要客戶包括：寶鋼、上海益昌薄板公司、馬鋼、漣鋼、邯鄲鋼鐵、包頭鋼鐵、吉林通鋼及梅山公司等。

5 總結

    本文對MES的定義、發展歷史、MES的現狀進行了詳細的描述與分析，從中可以看出：以Honeywell、西門子等企業為代表的國外企業提供的MES解決方案在國內外處于領先地位。以中控軟件、石化盈科、寶信軟件等企業為代表的少數幾家國產企業所推出有特色的MES行業解決方案已經在國內取得了一定的業績，但沒有形成完整的、通用的和權威的MES實施方法論，但隨著人們對MES認識的逐步加深，MES在企業中的應用必將會逐步深入，廣泛推廣。

參考文獻

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    [5] 褚健,榮岡. 流程工業綜合自動化技術[M]. 機械工業出版社. 2004.7.

    [6] http://www.863.org.cn/863_105/applyguide/guide_manuf/200707190003.html

    [7] http://www.mesa.com

    [8] http://www.mes.org.cn

    [9] http://www.soft.supcon.com

    [10] http://www.pcitc.com/jj04.htm

    [11] http://www.baosight.com/cn/zy/mainbiz.doflag=submainbizdetail&bizid =2&subbizid=1

作者信息：

    浙江大學先進控制研究所  榮岡，張泉靈