MES 系统的发展方向

MES（生产执行系统）的概念提出有近 30 年了，最初 MES 主要解决的是 ERP 不能管理到设备层而使得计划不准确的问题，后来 MES 领域形成了一个专业组织称为 MESA（制造执行系统协会），1997 年 MESA 提出了 MES 可以含有的 11 个功能模块，这些功能模块包括：1、详细工序及作业计划；2、生产调度；3 物料及产品跟踪；4、人力资源管理；5、质量管理； 6、维修管理；7、资源分配及状态；8、 文档管理；9、绩效分析；10、工艺过程管理；11、数据收集与采集。MES 的一般工作流程是：从 ERP 系统中获取订单， MES 将其转化为工单，并将工作进行细化（详细工序及作业计划）和调度及排产 （生产调度、人力资源管理、资源分配及状态），对制造过程进行指引（工艺过程管理），对物料及产品进行跟踪（物料及产品跟踪），对质量进行控制及反馈（质量管理），对现场数据进行收集与采集（数据收集与采集）并将信息反馈到 ERP 之 中，使得 ERP 及时掌握生产现场的信息。此外，MES 对设备进行维修服务（维修管理），对生产过程形成文档记录（文档管理）以及对绩效进行分析（绩效分析）。

2004 年，MESA 对 MES 的定义进行了进一步的拓展，提出了协同 MES （C-MES）的概念，使得 MES 和商业运营更紧密地结合在一起，MES 通常专注于向操作用户（例如生产主管、工厂员工或管理者）提供信息。 协同 MES 在与其他系统共享信息方面更为有效，这为决策制定提供了更全面的信息画像。协同 MES 与其他商业运营的接口除了 ERP 之外还包括：客户关系管理（CRM）；供应链管理与规划（SCP）；产品生命周期管理（PLM）；仓库库存管理（WMS）； 控制管理系统（PLC 或者 DCS）；设计 系统（CAD）等。这样协同的例子有很多，由于篇幅的关系，这里只举一个例子：由 PLM 管理的资源（物料清单或公式、工作说明、客户说明、工具定义、配方）可以被集成到 MES 中，用于原型设计或测 试运行和生产，于是：产品所需材料可以提早经过预处理并准备就绪；制造工具或模具等可以按时采购或者制作；设备的工艺，执行的程序和材料的配方等可以按时准备。

2008 年，MESA 根据当今制造业和生产公司常见的一些战略举措确定了最新 一代的 MES 框架，将 MES 与多项战略计划，包括实时企业、精益制造、质量和法规遵从、资产绩效管理（APM）和产品生命周期管理（PLM）等进行信息集成。这些计划构成了业务目标的执行级框架，可以优化业务运营。然后，在新 一代 MES 的框架下，有效的信息在制造 或生产区域中的活动和 IT 系统在物理操 作和企业战略规划之间进行共享与交互。

除了 MESA，ISA（国际自动化学会） 也对 MES 进行了定义，其定义被称为 ISA-95。ISA-95标准的开发始于1995年， 当时计算机开始渗透制造业的信息和控 制系统。与专注于业务流程的 MESA 模 型不同，ISA-95 模型侧重于信息架构。 ISA-95 模型基于 Purdue 企业参考架构 （PERA）模型将生产系统划分为 5 个级 别。通过这种方式，ISA-95 标准有助于 定义系统之间的界限。物理生产过程，属于 0 级；智能设备等作为传感器，属于 1 级；控制系统，如 PLC、DCS、OCS， 属于 2 级；MES 属于 3 级；ERP 属于 4 级。通过将 MES 置于第 3 级，ISA-95 将 MES定位于生产与企业系统之间的连接， 管理工作流以生产最终产品，维护生产记录并优化生产过程。遗憾的是 ISA-95 自 1995 年以后再无更新与发展。

MES 将是智能制造的核心，原因在 于：MES 是企业实现纵向整合的核心， 联通了订单、原料、设备、排产、工艺、 配送等主要生产环节和生产资源。智能制造的核心还是生产过程的提质增效和降低成本，而 MES 掌控了生产过程，所以 MES 自然而然成为了智能制造的核心。但是，传统的 MES 有很大的局限性， 要迎合智能制造的发展，MES 需要进一步的提升，不一定是在框架上，而是在具体的功能点上和适配性上。这里，我 们探讨一下将来 MES 发展的几个重点：

1. 垂直行业的 MES 的标准化。如前所述，MESA 是按功能定义 MES，ISA- 95 通过信息架构定义 MES。 但是，由于每个行业和类型的制造业务在制造、 质量、业务流程和监管环境方面都有不同的要求，因此 MES 因行业和制造业务类型而异。在标准化 MES 定义方面存在行业特性。除了区分过程和离散行业的垂直性，还应区分离散行业产业集群的垂直性，比如玩具行业的 MES，家电行业的 MES，电子行业的 MES 等。玩具行业对玩具的安全性和质量可追溯性有着约束性很强的标准，包括《GB6675 国家玩具安全标准》、《GB/T 34451-2017 玩具产品质量可追溯性管理要求及 指南》等，如何将这些标准融入生产过 程管理就有着属于该垂直行业的属性。 但是目前垂直行业 MES 的标准化并没有很好地发展。

2. MES 的柔性。大企业与中小企业 MES 的诉求是不一样的，大企业有可能对 MES 的 11 项核心功能都有诉求，而中小企业的管理本身就不到位，强行上这么多功能的 MES 对他们来讲太重了， 会适得其反，而且每个企业在不同的 段上可能只看中 MES 里的某一个或几个 功能，这就无形中对 MES 的开发与部 署提出了很高的柔性需求，大大增加了 MES 的复杂度，因为 MES 这 11 项功能是有数据交互而相互缠绕的，说解耦就解耦，说融合就融合是需要对业务本身 充分的了解。

3. 将大数据 / 人工智能融入 MES 的工艺管理。工艺管理虽然在 MES 的功能板块内，但是目前大部分的工艺管理还 只是停留在工艺卡的管理上。比如注塑 机，工艺的管理只是老师傅凭经验调好了工艺参数，然后记录在工艺卡上下发 给调机师傅。这里缺乏对工艺的诊断、 评估及优化。特别是产品的生产周期直 接关联到生产效率，但是怎么才能达到优化的生产周期呢？答案在于大数据和人工智能，目前这块领域在注塑机领域仍然是空白，这里将有巨大的发挥空间。

4. 将大数据 / 人工智能融入 MES 的维修管理。设备维修虽然在 MES 的功能 板块内，但是和工艺一样，绝大部分维修只是做记录，并没有智能化做预测性 维修，导致事件发生时措手不及。故障诊断也类似，由于缺乏大数据和人工智能的 模型，导致故障分析与诊断花去很多时间， 导致客户交付在关键时刻出问题。

5. 将大数据 / 人工智能融入 MES 的 绩效分析。绩效分析虽然在 MES 的功能 板块内，但是这种分析往往只是结 果，比如 MES 给出某家制造企业 的 OEE 为 30%，低于同行业的平均值。这个信息固然有效，但是企 业主管可能更关注的是 OEE 的原 因分析，是因为订单不足？产能过 剩？物料供应问题？生产流程安排 问题？排产的问题？工人的问题？ 质量的问题？等等。而这些分析需要 MES 融入更多的生产现场与业务系统的信息。

6. 建立垂直行业或领域的知识 库与专家系统。在制造业缺乏人才吸引力和人员流动性大的今天，制 造业的管理者急需其人员能力的提 升，比如，在注塑成型领域目前没 有成熟的知识库与专家系统，在材料、塑机、生产管理、模具、工艺、 缺陷、常见问题处理等方面都需要有经验的人把持，这无形之中给老 板带来很大的压力。专家系统是知 识库加推理机，用户通过人机界面回答系统的提问，推理机将用户输入的信息与知识库中各个规则的条件进行匹配，并把被匹配规则的结论存放到综合数据库中。最后由专 家系统将得出最终结论呈现给用户并解释结论的原因。

终上所述，MES 依旧具有广阔的发展空间。从另一个角度来看，信息物理系统是美国就智能制造提出的一个概念，其本质是将物理系统的呈现由单纯的物理性变成智能化，而智能化的部分便是附着于物理系统上的信息系统，由于 MES 直接与物理系统打交道，所以 MES 智能化的发展将直接关系到智能制造。

作者：王界兵 前海信息技术有限公司