在经济全球化、市场全球化的必然趋势下，我国部分行业如化工、钢铁等等面临严峻的竞争形势和经历着深远变化的生存发展要求，转变与趋势相符的现代管理思路，建立现代管理理念，引进现代管理决策机制，提高核心竞争力已经成为企业最迫切的要求和机遇所在。观察世界生产管理模式的发展趋势可以清晰的得出企业行为势必从单项、局部的改善向着综合、集成的优化转变，尤其是计划、组织、控制三大职能的整体优化更是企业实现经营目标和获得竞争优势的难点和重点，制造执行系统(Manufacturing Execution System) 主要用来解决整体优化中生产计划与生产过程的脱节问题——这一问题长期以来不仅直接影响企业的生产效率，而且成为制约现代企业内部信息集成和企业之间供应链优化的瓶颈。
一、MES的产生及发展
1．MES的产生背景
自上世纪八十年代以后，伴随着消费者对产品的需求愈加多样化，制造业的生产方式开始由大批量的刚性生产转向多品种少批量的柔性生产；以计算机网络和大型数据库等IT技术和先进的通讯技术的发展为依托，企业的信息系统也开始从局部的、事后处理方式转向全局指向的、实时处理方式。在制造管理领域出现了JIT、LP、TOC等新的理念和方法并依此将基于定单的生产扶正、进行更科学的预测和制定更翔实可行的计划；在企业级层面上，管理系统软件领域MRPII以及OPT系统迅速普及，直到今天各类企业ERP系统如火如荼的进行；在过程控制领域PLC、DCS得到大量应用也是取得高效的车间级流程管理的主要因素。可以说企业信息化的各个领域都有了长足的发展，但是在工厂以及企业范围信息集成的实践过程中，仍然难以解决这一瓶颈带来的各种问题：在计划过程中无法准确及时地把握生产实际状况，另一方面则在生产过程中无法得到切实可行的作业计划做指导；工厂管理人员和操作人员难以在生产过程中跟踪产品的状态数据、不能有效地控制在制品库存，而用户在交货之前无法了解定单的执行状况。产生这些问题的主要原因仍然在于生产管理业务系统与生产过程控制系统的相互分离，计划系统和过程控制系统之间的界限模糊、缺乏紧密的联系。针对这种状况，1990年11月，美国的调查咨询公司AMR首次提出MES的概念，为解决企业信息集成问题提供了一个被广为接受的思想，就是我们今天要谈的制造执行系统。
2．MES的发展历程
20世纪80年代后期，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，流程工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉；同时，信号处理技术、计算机技术、通信技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理和经营于一体的综合自动化新模式。
20世纪90年代，随着计算机技术的日新月异，计算机集成生产系统的研究已成为自动化领域的一个前沿课题。1995年美国、日本、西欧等国已有100多家炼油、化工企业在实施CIMS计划，推动了流程工业综合自动化系统在实际生产中的应用。通过计算机网络向上下游、产供销一体化或集成化方向发展，意大利AGIP石油公司提出了以数据模型为核心的工厂信息集成系统方案，信息采集从底层到上层，从供应链的源头到尽头，而计算结果和指令则从上层一直传递到底层。它以面向数据（而非面向应用）的模型为核心系统，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进行过程监视、控制和诊断、环境监测、单元整合、模拟和优化。并在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、排产、企业资源计划、离线在线模拟与优化等。
流程工业综合自动化系统的理论和技术经过多年的研究发展，特别是经过实际应用的考验，已逐步形成合理的体系结构，其结构框架已由下图所示的五层Purdue模型演变为ERP/MES/PCS三层结构。目前，这已成为西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论和产品的主流框架。
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图1 Purdue模型
在Purdue模型中，流程工业综合自动化系统自下而上从功能上分为过程控制、过程优化、生产调度、企业管理和经营决策五个层次，将生产过程和管理过程明显分开。虽然这种体系框架在流程工业综合自动化系统的发展过程中起过很大的推动作用，但随着研究与开发的深入，它在综合自动化系统的设计和应用实践中遇到了较大问题。在流程工业企业的生产经营活动中，除了底层的过程控制与顶层的企业管理和经营决策外，在中间层次是很难将生产行为与管理行为截然分开的。因此，在牵涉到大量既有生产性质又有管理性质的信息时，根据五层结构模型就很难明确划分应该属于综合自动化系统的哪一层次，这就造成了流程工业综合自动化系统研究与开发过程中概念的混乱和标准的难以统一。
ERP/MES/PCS三层结构较好地解决了上述问题。这一结构将流程工业综合自动化系统划分为：考虑生产过程问题的过程控制系统PCS；考虑企业经营管理问题的企业资源计划ERP；以及考虑生产与管理结合问题的中间层生产执行系统MES。这样，就使流程工业综合自动化系统中原来难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到了解决。
3．MES的定义
国际制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，MESA）对MES的定义是“MES提供为优化从订单投入到产品完成的生产活动所需的信息。MES运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录工厂活动，从而能够对条件的变化做出迅速的响应、减少非增值活动、提高工厂运作过程的效率。MES不但可以改善设备投资回报率，而且有助于及时交货、加快库存周转、提高收益和现金流的绩效。MES在企业和供应链间，以双向交互的形式提供生产活动的基础信息。”
如此定义，道出了MES的设计、开发、实施都是围绕企业生产----这一为企业直接带来效益的价值增值过程进行的，而针对目前企业信息化建设过程中通常对生产环节的重视不够的情况，我们研究所开发的目前国内唯一针对大型流程企业的专业MES系统以其精心的设计、完善的实施以及良好的维护等为MES的兴起迎来了良好的开端。
美国的权威机构先进制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）提出的： MES是位于上层的计划管理系统与工业控制系统之间的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和跟踪以及所有资源（人员、设备、物料、客户需求等）的当前状况。AMR于1992年提出了三层的企业集成模型，将企业分为三个层次：计划层（MRPII/ERP），执行层（MES），控制层（Control）。计划层强调企业的计划，它以客户定单和市场需求为计划源，充分利用企业内部的各种资源，降低库存，提高企业效益；执行层强调计划的执行，通过MES把MRPII/ERP与企业的现场控制有机地集成起来；控制层强调设备的控制，如PLC、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手等的控制。
4. MES的作用
制造企业关心三个问题：生产什么？生产多少？如何生产？企业的生产计划回答的是前两个问题，“如何生产”由生产现场的过程控制系统“掌握”。ERP、CRM等系统只为生产计划的编制提供了数据信息，对于“计划”如何下达到“生产”环节，生产过程中变化因素如何快速反映给“计划”，在计划与生产之间需要有一个“实时的信息通道”，MES（制造执行系统）就是计划与生产之间承上启下的“信息枢纽”。
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。
企业信息化系统是一个信息相互贯通的集合体，作为制造业内部最重要最基本的活动——生产，它的相关信息尤其需要得到实时的处理和分析。具体的说，就是收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理，同时又与计划层和生产控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。
MES不同于以派工单形式为主的生产管理和辅助的物料流为特征的传统车间控制器,也不同于偏重于作业与设备调度为主的单元控制器,而应将MES作为一种生产模式, 把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理、设备的控制和计算机集成制造接口（CIM）等一体化去考虑，以最终实施制造自动化战略。
国际制造执行系统协会（MESA）定义了MES应具备的11个功能模块：主要包括1)资源分配和状态管理；2）操作/详细排产；3）分配生产单元；4）文件控制；5）数据收集；6）劳动力管理；7）质量管理；8）过程管理；9）维护管理；10)产品跟踪和产品清单管理；11)性能分析和数据采集。实际的产品可能是包含其中一个或几个功能模块。
二、MES在中国应用的现状
1．传统的MES(T-MES)
传统的MES可大致分为两大类：专用的MES系统(Point MES) 和整合的MES系统(Integrated MES)。专用的MES是指为解决某个特定领域问题，如车间维护、生产调度或SCADA而开发的单独应用系统。整合的MES则是针对一特定行业如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业而设计，具有一定的通用性。并且逐步加强了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成能力。
我国对 MES的研究开发起步较晚，目前主要停留在MES思想、内涵及体系结构方面的研究上，应用系统开发一般局限于 MES单一功能。一些大学和科研院所等单位在国家863计划资助下在 MES理论与应用系统开发方面做了一定的工作。但目前存在着很多问题，例如：（1）可集成性差；（2）缺乏智能性和敏捷性；（3）缺乏非常规信息条件下的科学决策方法。
由于工厂可能会从不同的软件供应商购买适合自己的MES模块，使得MES系统包括了很多子系统，这些子系统都有各自的处理逻辑，数据库，数据模型和通信机制。为了实现与外部系统的集成，往往采用API技术，OLAP技术和相应的通信机制。其中，外部应用系统的调用和插入使用API的方式，而应用EDI技术和外部环境进行数据交换。
虽然专用的MES能够为某一特定环境提供最好的性能，却常常难以与其它应用集成，整合的MES比专用的MES迈进了一大步，具有一些优点如：单一的逻辑数据库，系统内部具有良好的集成性，统一的数据模型等等。但其整个系统重构性能弱，很难随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。为了解决传统EMS的不足，可集成MES (Integratable MES，I-MES)逐渐成为人们研究的热点。
2. 可集成的MES(I-MES)
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，它是实施企业敏捷制造战略、实现车间生产敏捷化的基本技术手段。在我国实施的CIMS战略中，车间自动化一直是一个薄弱环节，而实施MES则是提升车间自动化水平的有效途径，因此 MES技术的推广应用可有力促进 CIMS的发展。另一方面，随着CAD/ CAM及 ERP在制造企业的逐步应用，其进一步的信息化需求将迫使企业更多地去考虑在车间层次构建更高效的智能自动化信息系统，发展敏捷化MES无疑是其必由之路，因此 MES在我国具有广阔的发展空间和应用前景。
然而，由于国内外现有的 MES技术及系统没有充分考虑车间制造信息中大量存在的不确定性等非常规特点，缺乏在这些非常规信息条件下的科学决策方法，而片面地去追求车间信息的数量或精确性，不仅造成车间信息集成困难和决策效率不高，导致 MES缺乏足够的敏捷性与智能性以适应日益不确定的车间制造环境，而且大大增加了MES的开发和使用成本，严重影响了 MES这一先进的车间生产管理与控制技术在我国的推广应用与普及。因此必须从根本上解决 MES的敏捷化问题，并大大降低 MES的开发与使用成本，有力促进 MES在我国的产业化进程和推广应用。本文提出的应对策略为上述问题的解决提供了一条有效途径，它通过车间信息的有效集成和制造决策过程的智能化来保证车间生产的运行敏捷性，通过可重构和分布式对象技术解决 MES的结构敏捷性，从而从根本上来解决 MES的敏捷化问题，这对我国整个制造工业乃至国民经济的发展、提高我国制造业的国际竞争能力具有非常重要的理论意义和实用价值。
三、MES应用举例——流程企业（钢铁企业）的制造执行系统
1．现代流程企业的定义和分类
现代流程工业通常是指以从原料到制成品兼具物理变化和化学变化的连续性生产过程实现增值的工业。如此定义也仅仅是将服务业和部分加工行业划分出去，根据企业生产过程中的物流情况对生产企业进行分类，即能区分不同类型企业，又能在准确反映生产增值状况的过程中实现企业从宏观控制到微观协调的科学管理方法。
如图2，“V”型物流情况，易看出其特点原材料少、加工路线相似、最终产品种类多，生产过程中“V”型物流占多数的企业如钢铁、炼油等。而与之相对应的流程行业的一种是“A”型物流为主的企业，如造船厂，具有原材料多、加工路线繁杂、最终产品较少等特点。介于两者之间就是“T”型物流为主的企业，比如汽车制造厂、装配厂，特点是材料中通用件较多、加工路线、最终产品种类都不算多。
如果根据上文的说法，严格意义上的流程企业，多数都是“V”型物流为主的，基本上都属于基础性产业，是典型的资本密集型工业，在一定的范围内增加企业规模可以有效降低成本，工艺技术和材料技术已经相当成熟，技术的刚性大，目前我国流程企业普遍存在的一些弱点主要是规模经济实现程度很低、技术装备仍旧比较落后、产能相对需求过剩以及产品中高附加值部分所占比例小等等。实施MES有助于从管理方法和技术层面上改进现状。
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图2 以物流特点为依据的企业分类
2．流程企业供应链模式
任何生产系统都应实现经济意义,即最优处理生产系统的物流、资金流和信息流,凭借最低的资源消耗生产符合市场要求的产品。因此在对现代流程工业生产的研究是从分析其物流、资金流和信息流特点开始的。以钢铁企业为例。
1）物流特点：多段生产、多段运输、多段存储，物流种类多、工序多且形式不一、并伴有多种原料。在制品和制成品包括：铁矿石、粉矿、原煤、生铁、废钢、铁水、钢水、最终产品（板、管、卷、线、型）。所使用的都是大型设备，成本高、操作复杂，工序连接紧密、作业的连续性强、对时间要求条件高，不仅存在时间平衡和温度平衡问题，还存在资源能力和物流平衡的问题。
2）资金流特点：企业投资巨大、资金流动频繁、复杂的物流特征，以及为庞大的生产规模做的财务分析都为资金流的控制增加了难度，必须遵守严格的财会制度并实施灵活的资金管理，才能准确全面和及时地反映企业经营状况，并有效地加以控制。资金等财务数据的滞后性与控制资金流向的实时性要求为网络数据库等提供了用武之地。
3）信息流特点：生产经营活动需要大量的特征值来描述，涉及内容从财务、人事等传统信息管理领域延伸到生产管理领域。不仅要根据定单进行生产、制定合理的生产计划、实施全面质量管理，还应以对生产过程进行全面监控、数据采集来满足生产管理的实时性要求，不断更新的人员、物料、产品等信息、全面详尽的统计信息辅助管理者发布最合理的控制信息，从而尽善尽美地实现企业经营目标。
分析完这些特点之后,可得到钢铁企业的基本供应链模式如图3：
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图3 流程企业典型供应链模式
3. 钢铁企业集成模型
在得到企业外部的供应链模式之后，还需对企业内部根据分析需求而进行功能模型设计，对系统按照功能分“层”，而在实现的时候则要按照计算机、网络系统而分“级”。钢铁企业的经营管理可划分为三层，通过七级实现。
1．计划层：包括经营决策级和企业计划级。主要功能模块：生产经营决策；长期、中长期生产计划编制；财务管理；人力资源管理；采购分销；成本管理；库存管理；定单处理；辅助决策等。
2．执行层：包括车间生产级和生产调度级。主要功能模块：生产调度和作业；质量管理；人员和设备管理；物料追踪和产品追踪；对运作过程的分析。
3．控制层：包括过程控制级、设备控制级和检测驱动级。主要功能模块：生产线范围的监控；自适应控制；设备控制；现场各种信号检测。集成模型的层级如图4：
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图4 流程企业典型集成模型的层级结构
4．企业运作系统（BOS）的功能模块
在流程企业外部供应链模式和集成模型的层级结构都已确定之后，可定义详细的企业运作系统(BOS，Business Operation System)的功能模块，如图5（其中BPS为计划层——经营计划系统，Business Planning System；PCS为控制层——过程控制系统，Process Control System）。
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图5 企业运作系统（BOS）的功能模块
其中，制造执行系统（MES）主要包括八个模块，分别为：
生产计划：处理属性关联的定单生成按照成本目标优化后的车间级计划，保留定单的原始数据以便于控制。
车间调度：根据生产的实时数据和历史案例，现场动态协调人员、物料、设备以最大可能优化生产。
作业计划：实现以小时间单位为基准的批量组合计划、生产排序计划，以维持车间的高效运作。
人员管理：对行为的详实记录，不仅与人员薪酬相联系，且能为生产分析提供依据，便于管理并能有效地提高生产率。
设备管理：预防性设备维修为主，分析、优化设备能力以消除瓶颈环节对生产的制约，实现设备最大利用率。
质量管理：整合后的功能支持各种与质量计划、检查和控制相关的工作，动态的数据分析为车间调度提供依据。
物料跟踪：由现场采集的数据对物料变化情况进行跟踪，为企业实现对内部条件和外部环境的变化作出快速反应提供可能。
产品跟踪：由现场采集的数据对在制品变化情况进行跟踪，变动中的产品信息便于生产管理的同时还能为客户提供服务。
5．MES目标与设计原则
为流程企业定制制造执行系统，其最主要的目标就是建立和完善生产管理体系，包括根据客户定单、市场预测和内部资源状况来制定生产计划；从整体角度优化、协调生产过程；生产计划的动态调整等等。与此同时，要建立保证质量管理的信息体系，包括在线物料跟踪和质量控制的在线反馈与调整，以及对产品质量零缺陷的追求。以上述两个目标为契机，构建流程企业MES系统可以促进生产方式和管理思路的转变，这将是一个渐进的过程。
MES的设计将以软件工程为规范，主要考虑全局性、通用性，既要实现整个生产过程的优化，又要提供标准化、模块化的应用程序框架；同时要以可扩充性、开放性和兼容性为原则，这样在生产能力变动时不至于影响系统功能，还要提供标准、开放的通讯接口以及减少由于开发环境和开发工具的变化带来的影响；在可操作性、可视性和鲁棒性上也要注意，友好而操作简单的界面、监控跟踪的仿真示意图和较强的容错能力都有助于各级用户的使用；最后是必须具备实时性，只有最短的反应时间才能对生产过程进行控制和调整。
6．MES信息库设计
在现代流程企业中流动的信息具有强烈的动态特征且大量冗余信息与缺失信息、信息断裂并存的现象，无论是从现场采集来的生产数据还是从市场获得的定单信息都可能因不能真实体现而对企业造成不可估量的后果，为保证有价值的信息能对企业决策和运作有着正确的指导意义，在流程企业运作系统中要构建好多种信息库；并且不同的信息库具有不同的特点。
物料信息库：企业库存状况和需外部采购或内部调整的物料情况，部分信息与供应商共享；定单信息库：定单对产品的要求（钢种、质量、数量等）情况，部分信息与合同商共享；产品信息库：产品目录和与特定合同商联系的在制品状态，部分信息与分销商/用户共享；基础信息库：企业人员、设备状况，财会数据等企业运营的基础信息，在系统内部按照不同密级使用，还包括部分经常更新的政策、市场等外部信息；生产信息库：生产过程中人员、设备的实时变化情况等动态性要求较高的信息，以及基本不变的工艺路线等生产相关信息，外部不可见。
这些信息库都是关系型数据库，建立信息库将降低车间级计算机的数据负担，同时减少了因数据保存和操作故障而引发的一系列后果。物料、定单、产品信息库可供对应的外部人员进行查询等操作，便于结成与供应商密切的战略伙伴关系。而较稳定的基础信息库为人事、财务、设备方面的日常管理提供极大的方便。生产信息库则是动态性能要求最高的，每时每刻都有大量的流动数据注入其他信息库，因此对它的设计要求也最高。这些信息库常见功能有：报表、保存与备份、恢复与删除，以及口令与权限。
动态的生产信息库中，与数据采集模块相连的部分成为重中之重，实时监控生产过程中的数据采集点、主生产流程的设备运转情况的状态数据采集点，以确保采集的数据可靠而不冗余，充分而不断裂。
7．MES数据流图设计
长期以来，对于企业生产运营状况的改善总是围绕着计划层进行，而对于真正的增值环节—生产、调度、过程控制等环节仍旧采用经验方法来维持，即使是引进的世界先进水平的生产线，在数据的采集、监控方面与计划层脱节情况也比较突出，而且根据国内流程企业的实情，不少企业已经构建了ERP等计划系统，所以本文主要讨论国内流程企业很少实施却亟需构建的MES系统的数据流图设计（由于实际情况的限制，将划分在控制层中的功能模块也一并考虑进来）。
流程企业运作系统的外部实体为：供应商、合同商、系统维护和分销商/用户。
供应商：提供设备、物料、运输等物品或服务的部门，向系统提供相关物料（服务）信息。
合同商：生产定单的另一方，向系统提供相关定单信息。
系统维护：企业成员，负责更新、维护企业基础信息库。
分销商/用户：产品使用方，需要企业提供相关产品信息和信息服务。
至此，可得到流程企业运作系统BOS的数据流图，包括系统顶级DFD图、一级DFD总图和MES二级DFD图，图6主要描述了MES二级DFD图。
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图6 流程企业2级DFD图（MES/PCS）
结语
MES对于制造企业的作用已经非常明朗，但人们对MES的认识远远不如ERP、CRM、SCM等管理系统。由于认识不清，自然就会导致需求不清楚，也就难以形成一定的市场规模。目前美国的MES发展是已25%速度发展，而国内基本是局部MES功能的发展，具体是一些简单的数据采集，物流管理等，其实这些也属于MES功能的范畴。但随着人们对MES认识的逐步加深，MES在企业中的应用必将会逐步深入。
参考文献
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