中國制造執行系統的應用現狀分析
本文從MES的基礎開始介紹，包括產生背景和發展趨勢及其在中國應用的現狀，并以流程制造業鋼鐵行業為例，介紹了MES的應用。
在經濟全球化、市場全球化的必然趨勢下，我國部分行業如化工、鋼鐵等等面臨嚴峻的競爭形勢和經歷著深遠變化的生存發展要求，轉變與趨勢相符的現代管理思路，建立現代管理理念，引進現代管理決策機制，提高核心競爭力已經成為企業最迫切的要求和機遇所在。觀察世界生產管理模式的發展趨勢可以清晰的得出企業行為勢必從單項、局部的改善向著綜合、集成的優化轉變，尤其是計劃、組織、控制三大職能的整體優化更是企業實現經營目標和獲得競爭優勢的難點和重點，制造執行系統(Manufacturing Execution System) 主要用來解決整體優化中生產計劃與生產過程的脫節問題——這一問題長期以來不僅直接影響企業的生產效率，而且成為制約現代企業內部信息集成和企業之間供應鏈優化的瓶頸。
一、MES的產生及發展
1．MES的產生背景
自上世紀八十年代以后，伴隨著消費者對產品的需求愈加多樣化，制造業的生產方式開始由大批量的剛性生產轉向多品種少批量的柔性生產；以計算機網絡和大型數據庫等IT技術和先進的通訊技術的發展為依托，企業的信息系統也開始從局部的、事后處理方式轉向全局指向的、實時處理方式。在制造管理領域出現了JIT、LP、TOC等新的理念和方法并依此將基于定單的生產扶正、進行更科學的預測和制定更翔實可行的計劃；在企業級層面上，管理系統軟件領域MRPII以及OPT系統迅速普及，直到今天各類企業ERP系統如火如荼的進行；在過程控制領域PLC、DCS得到大量應用也是取得高效的車間級流程管理的主要因素。可以說企業信息化的各個領域都有了長足的發展，但是在工廠以及企業范圍信息集成的實踐過程中，仍然難以解決這一瓶頸帶來的各種問題：在計劃過程中無法準確及時地把握生產實際狀況，另一方面則在生產過程中無法得到切實可行的作業計劃做指導；工廠管理人員和操作人員難以在生產過程中跟蹤產品的狀態數據、不能有效地控制在制品庫存，而用戶在交貨之前無法了解定單的執行狀況。產生這些問題的主要原因仍然在于生產管理業務系統與生產過程控制系統的相互分離，計劃系統和過程控制系統之間的界限模糊、缺乏緊密的聯系。針對這種狀況，1990年11月，美國的調查咨詢公司AMR首次提出MES的概念，為解決企業信息集成問題提供了一個被廣為接受的思想，就是我們今天要談的制造執行系統。
2．MES的發展歷程
20世紀80年代后期，隨著計算機技術和網絡技術的迅速發展，流程工業控制中出現了多學科間的相互滲透與交叉；同時，信號處理技術、計算機技術、通信技術及計算機網絡與自動控制技術的結合使過程控制開始突破自動化孤島模式，出現了集控制、優化、調度、管理和經營于一體的綜合自動化新模式。
20世紀90年代，隨著計算機技術的日新月異，計算機集成生產系統的研究已成為自動化領域的一個前沿課題。1995年美國、日本、西歐等國已有100多家煉油、化工企業在實施CIMS計劃，推動了流程工業綜合自動化系統在實際生產中的應用。通過計算機網絡向上下游、產供銷一體化或集成化方向發展，意大利AGIP石油公司提出了以數據模型為核心的工廠信息集成系統方案，信息采集從底層到上層，從供應鏈的源頭到盡頭，而計算結果和指令則從上層一直傳遞到底層。它以面向數據（而非面向應用）的模型為核心系統，連接實時數據庫和關系數據庫，對生產過程進行過程監視、控制和診斷、環境監測、單元整合、模擬和優化。并在管理決策層進行物料平衡、生產計劃、調度、排產、企業資源計劃、離線在線模擬與優化等。
流程工業綜合自動化系統的理論和技術經過多年的研究發展，特別是經過實際應用的考驗，已逐步形成合理的體系結構，其結構框架已由下圖所示的五層Purdue模型演變為ERP/MES/PCS三層結構。目前，這已成為西方先進工業國家流程工業綜合自動化系統理論和產品的主流框架。
在Purdue模型中，流程工業綜合自動化系統自下而上從功能上分為過程控制、過程優化、生產調度、企業管理和經營決策五個層次，將生產過程和管理過程明顯分開。雖然這種體系框架在流程工業綜合自動化系統的發展過程中起過很大的推動作用，但隨著研究與開發的深入，它在綜合自動化系統的設計和應用實踐中遇到了較大問題。在流程工業企業的生產經營活動中，除了底層的過程控制與頂層的企業管理和經營決策外，在中間層次是很難將生產行為與管理行為截然分開的。因此，在牽涉到大量既有生產性質又有管理性質的信息時，根據五層結構模型就很難明確劃分應該屬于綜合自動化系統的哪一層次，這就造成了流程工業綜合自動化系統研究與開發過程中概念的混亂和標準的難以統一。
ERP/MES/PCS三層結構較好地解決了上述問題。這一結構將流程工業綜合自動化系統劃分為：考慮生產過程問題的過程控制系統PCS；考慮企業經營管理問題的企業資源計劃ERP；以及考慮生產與管理結合問題的中間層生產執行系統MES。這樣，就使流程工業綜合自動化系統中原來難以處理的具有生產與管理雙重性質的信息問題得到了解決。
3．MES的定義
國際制造執行系統協會（Manufacturing Execution System Association，MESA）對MES的定義是“MES提供為優化從訂單投入到產品完成的生產活動所需的信息。MES運用及時、準確的信息，指導、啟動、響應并記錄工廠活動，從而能夠對條件的變化做出迅速的響應、減少非增值活動、提高工廠運作過程的效率。MES不但可以改善設備投資回報率，而且有助于及時交貨、加快庫存周轉、提高收益和現金流的績效。MES在企業和供應鏈間，以雙向交互的形式提供生產活動的基礎信息。”
如此定義，道出了MES的設計、開發、實施都是圍繞企業生產----這一為企業直接帶來效益的價值增值過程進行的，而針對目前企業信息化建設過程中通常對生產環節的重視不夠的情況，我們研究所開發的目前國內唯一針對大型流程企業的專業MES系統以其精心的設計、完善的實施以及良好的維護等為MES的興起迎來了良好的開端。
美國的權威機構先進制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）提出的： MES是位于上層的計劃管理系統與工業控制系統之間的面向車間層的管理信息系統。它為操作人員/管理人員提供計劃的執行和跟蹤以及所有資源（人員、設備、物料、客戶需求等）的當前狀況。AMR于1992年提出了三層的企業集成模型，將企業分為三個層次：計劃層（MRPII/ERP），執行層（MES），控制層（Control）。計劃層強調企業的計劃，它以客戶定單和市場需求為計劃源，充分利用企業內部的各種資源，降低庫存，提高企業效益；執行層強調計劃的執行，通過MES把MRPII/ERP與企業的現場控制有機地集成起來；控制層強調設備的控制，如PLC、數據采集器、條形碼、各種計量及檢測儀器、機械手等的控制。
4. MES的作用
制造企業關心三個問題：生產什么？生產多少？如何生產？企業的生產計劃回答的是前兩個問題，“如何生產”由生產現場的過程控制系統“掌握”。ERP、CRM等系統只為生產計劃的編制提供了數據信息，對于“計劃”如何下達到“生產”環節，生產過程中變化因素如何快速反映給“計劃”，在計劃與生產之間需要有一個“實時的信息通道”，MES（制造執行系統）就是計劃與生產之間承上啟下的“信息樞紐”。
近年來，隨著JIT(Just In Time)、BTO（面向訂單生產）等新型生產模式的提出，以及客戶、市場對產品質量提出更高要求，MES才被重新發現并得到重視。同時在網絡經濟泡沫的破碎后，企業開始認識到要從最基礎的生產管理上提升競爭力，即只有將數據信息從產品級（基礎自動化級）取出，穿過操作控制級，送達管理級，通過連續信息流來實現企業信息集成才能使企業在日益激烈的競爭中立于不敗之地。目前，MES在國外被迅速而廣泛地應用。
企業信息化系統是一個信息相互貫通的集合體，作為制造業內部最重要最基本的活動——生產，它的相關信息尤其需要得到實時的處理和分析。具體的說，就是收集生產過程中大量的實時數據，并對實時事件及時處理，同時又與計劃層和生產控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應數據并反饋處理結果和生產指令。
MES不同于以派工單形式為主的生產管理和輔助的物料流為特征的傳統車間控制器,也不同于偏重于作業與設備調度為主的單元控制器,而應將MES作為一種生產模式, 把制造系統的計劃和進度安排、追蹤、監視和控制、物料流動、質量管理、設備的控制和計算機集成制造接口（CIM）等一體化去考慮，以最終實施制造自動化戰略。
國際制造執行系統協會（MESA）定義了MES應具備的11個功能模塊：主要包括1)資源分配和狀態管理；2）操作/詳細排產；3）分配生產單元；4）文件控制；5）數據收集；6）勞動力管理；7）質量管理；8）過程管理；9）維護管理；10)產品跟蹤和產品清單管理；11)性能分析和數據采集。實際的產品可能是包含其中一個或幾個功能模塊。