一、制造企业车间管理活动

1.流程制造与离散制造

产品制造分成两种形式：流程制造和离散制造。流程制造是指物料均匀、连续地按照一定工艺顺序运动，采用按库存，批量、连续的生产方式。例如，可口可乐的生产就属于流程制造，通过按照固定配方，将糖、碳酸水和食用香料等原料注入生产线，经过各种设备依照固定的流程进行加工，再经过包装得到最终产品。离散制造是装配式的生产，即在合格生产条件下，经过加工、装配、检验及包装等环节，将物料变成产品的过程，如图1－1所示。例如，电视机的生产属于离散制造，其过程是先加工生产主板、电源板、液晶板、喇叭等零件，再将零件装配到一起，最后组装成电视机。

图1-1　离散制造原理

流程制造由于生产批量大，物料需求均匀，生产计划等管理相对简单，主要依赖的是设备和工艺，对设备运行状态监测和控制显得极为重要，需要通过设备和工艺参数确保设备完好率、生产过程的可用性及产品质量的稳定性。这些特点使流程制造生产过程在同等工艺的条件下，设备运行越稳定，利用效率越高，则产量越大，质量越好，成本越低，企业的生产运行效果就越好。与此相反，在同等设备条件下，离散制造更侧重对生产过程的管控，包括生产计划制订、动态调度、生产过程的协同及库房精益化管理等，“管理出效益”对于离散制造立竿见影。从这个意义上讲，MES对于离散型生产企业的作用更加明显。

2.离散制造实例

图1－2所示为一个汽车发动机缸体的生产工艺路线，本书中的MES系统将以发动机缸体生产路线为例，介绍MES的相关知识。

图1-2　一个汽车发动机缸体的生产工艺路线

发动机缸体生产中用到的物料清单和设备清单分别见表1－1和表1－2。

表1-1　缸体物料清单

表1-2　缸体生产线设备清单

3.制造企业车间的组织结构

车间是制造企业内部组织的基本单位，是为了完成企业生产任务的组织机构。车间由若干工段或生产班组构成。生产车间的任务是根据计划部制订的生产计划，在质量部的质量保证监督下，将研发部设计开发的产品，按照工程部设计的生产工艺，完成产品的生产。一个生产车间的典型组织结构如图1－3所示。一个生产车间主要由车间主任、生管员、物管员、质管员、机管员、技术调控员、过程调控员、作业组长和作业工位等组成。其中，除了作业岗位外，其他岗位都需要与车间以外的部门进行业务沟通。

图1-3　一个生产车间的典型组织结构

生产车间内各个岗位的主要职责如表1－3所示。

表1-3　生产车间内各个岗位的主要职责

4.制造企业车间的管理流程

车间管理是指对车间所从事的各项生产活动进行计划、组织、指挥、协调和控制的一系列管理工作。制造企业生产车间的主要管理流程如图1－4所示。车间的生产管理活动从接收生产订单开始，直到产品入库结束，中间经历生产排程排产，物料需求计划制订、作业分派、生产线准备、物料接收、生产线执行以及成品入库等过程，需要从工程部获取工艺资料，接受质量部的物料产品检验及质量标准检查，与设备部配合完成设备管理和维护工作，与研发部共同解决生产技术等问题。归纳起来，制造企业生产车间管理活动主要包含四个范畴：生产管理、物料管理、质量管理和设备管理。

制造企业生产车间管理流程中相关活动的具体描述如表1－4所示。

图1-4　制造企业生产车间的主要管理流程

表1-4　制造企业生产车间管理流程描述

续表

二、制造企业数字化车间升级

1.传统车间数字化转型升级的原因

从传统车间到数字化车间

在传统生产车间中，主要生产要素是“人、机、料”，即由人以手工方式或控制机器将物料变成产品。在相同的条件下，人的知识、技能和经验起主导作用，生产效率主要取决于车间管理者的能力和执行者的效率，对于离散型制造业更是如此。具体而言，传统车间存在以下几个明显的问题：

（1）生产不可见。即使车间已部署了ERP系统，生产车间也有“盲区”。由于无法获取实时生产数据，管理层、采购部门、销售部门等均无法知道物料是否缺少、设备是否运转正常、产品生产到哪一步、人员是否空闲、质量是否合格等信息。

（2）信息记录与交换手段落后。依然使用纸质工单、工艺资料和领料单等载体来记录任务、签字、名称及数量等信息，有信息不完整、难以检索、容易出错等明显缺陷，无法形成完整的信息流，更别说信息集成了。

（3）生产计划与控制方法粗糙。车间生产计划制订包括排产（先后顺序）和排程（精确时间）两个步骤，这对于混线生产和定制化生产非常重要，是提高车间生产效率最关键的步骤之一。在传统车间中，排产和排程的好坏基本取决于生管员的经验，无法精确。在作业任务被分派后，由于没有执行数据反馈，对生产异常情况处理、订单变更和绩效分析等都难以有效应付，计划和控制无法形成闭环。

（4）产品质量难以追溯。产品质量问题通常是在用户使用时被发现的，由于没有生产过程数据，很难追溯导致问题的原因：是人员操作失误、物料质量不合格，还是设备运行异常？这些都只能靠经验来判断，因此导致同样的质量问题反复出现。

由此可以看出，在传统车间中要实现精益生产管理很难，更别说智能化了。解决这些问题的直接而有效的方法就是先实现数字化，再逐步实现网络化和智能化，渐进式提高生产管理水平，降低制造成本。

2.数字化车间的特征和作用

数字化车间是基于生产设备、生产设施等硬件设施，以降本提质增效、快速响应市场为目的，在对工艺设计、生产组织、过程控制等环节优化管理的基础上，通过数字化、网络化、智能化等手段，在数字虚体环境中，对“人、机、料、法、环”等生产资源与生产过程进行设计、管理、仿真、优化与可视化等工作，以信息数字化及数据流动为主要特征，对生产资源、生产设备、生产设施以及生产过程进行精细、精准、敏捷、高效地管理与控制。

相对于传统车间，数字化车间的显著特征是：在“人、机、料”之外多了数字虚体（计算机、网络、软件、模型、报表和图形等的组合）。三体智能制造模型有助于理解数字化车间，如图1－5所示。

图1-5　三体智能制造模型

依照上述三体智能制造模型，可以通俗的定义为：数字化车间＝传统车间＋车间数字虚体。

那么，什么是车间数字虚体呢？它是传统车间中的实体和行为在数字空间的映射。实体映射包括“人、机、料”的数字化表现，表达形式有图片、表格、视频、虚拟现实等。行为映射是根据采集的生产过程数据（如生产排产计划、生产工艺清单和设备启停时间等），推演得到生产过程的动态场景。因此，数字化车间实际上是虚、实两个版本的镜像车间，也称为“数字孪生模型”。图1－6所示为美的公司在南沙工业园展示的两条镜像生产线：虚拟车间是LED屏幕，屏幕上展示软件（如产品设计、工程设计、生产仿真）；实体车间是一条真实的产线，两条生产线的生产对象和生产过程一模一样。

图1-6　美的“数字孪生”生产线

（a）数字虚体生产线；（b）物理实体生产线

数字孪生模型在制造企业生产过程中的作用，主要表现为：

（1）预见设计质量和制造过程。

建立的与制造流程对应的数字孪生模型，具备所有制造过程细节，并可在虚拟世界中对制造过程进行验证。企业可以通过数字孪生模型在设计阶段预测产品的性能，并根据预测结果加以改进、优化，并且在制造流程初期就能够了解详细信息，进而展开预见，确保全部细节均无差错。这有极大的意义，因为越早知道如何制造出出色的产品，就能越快地向市场推出优质的产品，抢占先机。

（2）推进设计与制造高效协同。

在数字孪生模型中，对需要制造的产品、制造的方式、资源以及地点等各个方面可以进行系统的规划，将各个方面关联起来，实现设计人员和制造人员的协同。一旦计划发生变更，可以在数字孪生模型中方便地更新制造过程，包括更新面向制造的物料清单，创建新的工序，为工序分配新的操作人员等，并在此基础上进一步将完成各项任务所需的时间和工序整合在一起，进行分析和规划，直到产生满意的制造过程方案。另外，借助数字孪生模型还可以设计出包含所有细节信息的生产布局图，包括设备、工具、资源甚至操作人员等信息，并将之与产品设计进行无缝关联。基于数字孪生模型，推动设计人员和制造人员实现协同，设计方案和生产布局实现同步，都大大提高了制造业务的敏捷度和效率，帮助企业应对更加复杂的产品制造挑战。

（3）确保设计和制造准确执行。

利用数字孪生模型可以对不同的生产策略进行模拟仿真和评估，结合大数据分析和统计学技术，快速找出有空档时间的工序，优化生产排产计划，实现资源利用率的最大化。同时，在数字孪生模型中可以搭建规划和执行的闭合环路，将虚拟生产世界和现实生产世界结合起来，当生产计划发布开始执行后，利用数字孪生模型生成详细的生产工艺指导书，并与生产全过程管理关联起来，这样一来，如果发生任何变更，整个过程都会进行相应的更新，甚至还能从生产环境中收集有关生产执行情况的信息。此外，还可以使用大数据技术直接从生产设备中收集实时的质量数据，将这些信息覆盖在数字孪生模型上，对设计和实际制造结果进行对比，检查两者是否存在差异，找出产生差异的原因和解决方法，确保生产能完全按照规划来执行。

3.数字化车间的构成

在体系结构上，数字化车间可以分为生产控制层和现场执行层两部分，如图1－7所示。生产控制层主要强调的是生产计划控制和执行，通过MES把ERP／MRP与企业的现场控制有机地集合起来。它的主要功能包括：排产排程、任务分派、计划跟踪与调整、生产绩效分析、物料管理、设备管理和质量管理等整个车间生产管理和执行控制任务。现场执行层主要强调的是设备的控制，包括数控设备、人机接口单元、数据采集等智能接口设备；实现生产数据采集、工序监控、人机结构管理、设备监控等功能，从生产控制层接收生产指令、系统运行参数等信息，并向其反馈工序进度、设备运行参数、物料使用信息等现场数据。

图1-7　数字化车间架构

要实现数字化生产车间，还要部署相应的自动化设备、工业网络、IT设施和软件等，用于支撑数字化车间功能的执行。数字化车间设备架构主要分为传感层、控制层和执行层，具体如图1－8所示。

（1）传感层：包括传感器、数字化设备接口及I／O等，实现车间现场层的数据采集和操作指令接收功能。

（2）控制层：下半层包括PLC、工业互联网等设备，用于汇聚传感层数据及形成操作指令，通过设备通信网络传送数据；上半层包括工控机、PC工作站等设备及HMI、SCADA等软件系统，形成业务数据，通过运营信息网络与执行层进行通信，通过自动化网络、PLC、网关等设备与传感层通信。

图1-8　数字化车间的设备设施架构

（3）执行层：包括服务器、PC、PAD等IT设备设施及MES、WMS管理软件，实现车间生产控制层的功能。

MES功能结构

三、MES的定义与内涵

1.MES的发展历程

20世纪70年代后半期，出现了一些解决单一问题的车间管理系统，例如设备状态监控系统、质量管理系统以及涵盖生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统。这一阶段企业通常引入的是单一功能的软件产品或系统，而不是整体的车间管理解决方案，因此存在系统之间的信息孤岛，以及上层系统与控制系统之间存在断层等问题。

20世纪80年代中期，生产现场各单一功能的系统开始整合，随着底层控制系统和上层生产计划系统的发展，逐步产生了MES原型，主要是生产现场管理系统（Point of Production，POP）和车间级控制系统（Shop Floor Control，SFC）。

1990年11月，美国先进制造技术中心（Advanced Manufacturing Research，AMR）明确提出了制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的概念。AMR提出制造业信息化三层模型，将位于计划层和控制层中间的执行层称为MES，并且指出MES不仅是面向生产现场的系统，而且是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统，从而确立了MES的地位。此后，国际自动化学会（International Society of Automation，ISA）、制造企业解决方案协会（Manufacturing Enterprise Solutions Association，MESA）等国际组织也都对MES提出了各自的理解。

1993年，ISA提出了MES集成模型，包括工厂管理（资源管理、调度管理、维护管理）、工厂工艺设计（文档管理、标准管理、过程优化）、过程管理（回路监督控制、数据采集）和质量管理（SQC－统计质量管理、LIMS－Laboratory Information Management System，实验室信息管理系统）4个主要功能，并由实时数据库支持。在20世纪90年代初期，MES的重点是生产现场的信息整合。

1997年，MESA也提出了MES功能组件和集成模型，该模型包括11个功能模块。这一时期，大量的研究机构、政府组织参与了MES的标准化工作，进行相关标准、模型的研究与开发，其中涉及分布对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用技术。2004年，MESA更新了MES模型，提出了系统MES体系结构（c－MES），该模型侧重于核心业务活动如何与业务运行交互集成。当前MESA采用的最新MES模型为2008年开发的，该模型涵盖了从企业级战略计划到业务运营以及工厂运营和实际生产，它显示了战略、企业级运营和工厂运营之间的相互关系。

进入2000年以后，MES作为信息化应用的重要组成部分受到了市场的广泛关注。MES领域的并购十分活跃，越来越多的北美和欧洲MES软件供应商进入中国，中国本土不少自动化供应商，以及产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）和ERP软件供应商也开始进入MES市场。随着企业加强精细化管理，以及面临着越来越严格的质量追溯和管控需求，越来越多的大中型制造企业开始重视MES的应用，对MES进行设计与实施，并在MES的应用和集成方面取得显著成效。

2013年以后，随着德国工业4.0、美国工业互联网、中国制造强国等战略的出台，智能制造成为全球制造业的发展目标，MES作为实现智能制造的重要推手，得到了广泛的关注，引发了应用热潮。

2.MES的定义

目前，国内外不同的组织和研究机构研究后形成了很多MES的理论和体系，包括MES的定义、定位模型、功能模型、数据流模型甚至实施方法模型等，但是并没有统一。比较著名的有以下几个。

（1）AMR对MES的定义。

美国先进制造研究机构AMR将MES定义为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理系统”，为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪及所有资源（人、设备、物料、客户需求等方面）的当前状态。

AMR提出了决策层、执行层和控制层的企业信息集成三层业务模型，如图1－9所示。第一层决策层（ERP），主要为企业提供全面管理决策；第二层执行层（MES），主要负责车间级的协调、跟踪、发现并监控相关趋势；第三层控制层（SFC），直接负责工厂生产控制的环节。

图1-9　AMR的三层企业集成模型

（2）MESA对MES的定义。

制造企业解决方案协会（MESA）对MES的定义为：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。当工厂里有突发事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并利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得MES能够减少内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运行过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力、改善物料的流通性，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通信，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对MES的定义强调了以下三点：

①MES是对整个车间制造过程的优化，而不是单一解决某个生产瓶颈。

②MES必须提供实时收集生产过程数据的功能，并做出相应的分析和处理。

③MES需要与计划层和控制层进行信息交互，通过连续信息流来实现企业的信息集成。

（3）e－works对MES的理解。

e－works认为，MES是一套对生产现场综合管理的集成系统。MES用集成的思想替代原来的设备管理、质量管理、生产排程、分布式数控（Distributed Numerical Control，DNC）、数据采集软件等车间需要使用的孤立软件系统。MES涉及车间现场管理的人、机、料、法、环、测、能（5M2E），从生产排产、生产计划执行、生产工艺指导、生产过程追溯、车间现场数据采集、生产物料供应、设备管控、生产质量管控、在制品管理、人员排班、生产绩效分析等多个维度对生产现场进行集成管理。制造企业应用MES的核心价值在于实现生产现场的透明化，实现生产过程的全程追溯，提高产品的按期交付率，遵从行业法规与标准，提高设备和人员绩效，提高生产质量等。

MES是工业4.0实现纵向集成的枢纽，也是智能工程建设的核心系统，如图1－10所示。

图1-10　MES是智能工厂的枢纽

（来源：德国专家Scheer）

（4）ISA对MES的定义。

国际自动化学会ISA发布了《ISA－95企业控制系统集成标准》（简称ISA－95标准），其目的是建立企业信息系统的集成规范性，ISA－95标准文件的内容包含以下八个部分：第一部分：模型和术语；第二部分：对象模型；第三部分：制造操作管理的活动模型；第四部分：制造运行管理集成对象和属性；第五部分：商务制造处理；第六部分：信息服务模型；第七部分：别名服务模型；第八部分：信息交换配置文件。

ISA－95标准定义了企业级计划管理系统与工厂车间控制系统进行集成时使用的术语和标准，其内容主要包括信息化和标准化两个方面。ISA－95标准所涉及的信息内容有产品定义信息、生产能力信息、生产进度信息、生产绩效信息。ISA－95标准除了上述信息化内容之外，重要组成部分就是生产对象的模型标准化。ISA－95标准的生产对象模型根据功能分成了四类、九个模型，即资源（人员、设备、材料和过程段对象四个模型）、能力（生产能力和过程段能力两个模型）、产品定义（产品定义信息模型）、生产计划（生产计划和生产性能两个模型）。

ISA－95标准后来被采纳为国际标准（ISO／IEC 62264），在我国被采纳为GB／T 20720标准。ISO／IEC 62264定义了公认的MES标准基本框架，国际上主流的MES产品基本上遵循ISO／IEC 62264标准。

3.MES的特点

MES具有以下特点：

（1）信息中枢：MES通过双向通信，提供横跨企业完整供应链的有关车间生产活动的信息。

（2）实时性高：MES是制造执行系统，可以实时收集生产过程中的数据和信息，并做出相应的分析处理和快速响应。

（3）个性化差异大：由于不同行业甚至同一行业的不同企业生产管理模式不尽相同，因此实施的MES个性化差异明显。

（4）二次开发较多：由于不同行业、不同企业对MES的需求的个性化差异，导致MES在实施时，二次开发的工作量较大。

（5）软硬一体化集成运行：随着工业互联网技术和CPS技术的发展，与MDC／DNC发展相似，MES呈现出软硬一体化集成运行的特点。

4.MES与其他信息系统之间的关系

美国先进制造研究机构AMR通过对大量企业的调查，发现现有的企业生产管理系统普遍由以ERP为代表的企业管理软件，以SCADA、HMI（Human Machine Interface）为代表的生产过程监控软件和以实现操作过程自动化，来支持企业全面集成模型。一个制造企业的制造车间是物流与信息流的交汇点，企业的经济效益最终将在这里被物化出来。随着市场经济的完善，车间在制造企业中逐步向分厂制造过渡，这导致其角色也由传统的企业成本中心向利润中心转化，因而强化了车间的作用。因此，在车间承担执行功能的MES具有十分重要的作用，从三层企业集成模型可以看出，MES在计划管理层与底层控制层之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙。

一方面，MES可以对来自ERP软件的生产管理信息细化、分解，将操作指令传递给底层控制；另一方面，MES可以实时监控底层设备的运行状态，采集设备、仪表的状态数据，经过分析、计算与处理，触发新的事件，从而方便、可靠地将控制系统与信息系统联系在一起，并将生产过程及时反馈给计划层。

对车间的实施信息的掌握与反馈是MES正常运行上层计划系统的保证，车间的生产管理是MES的根本任务，而对底层控制的支持则是MES的特色。

MES作为面向制造的系统必然要与企业的其他生产管理系统有密切关系，MES在其中起到了信息集线器的作用，它相当于一个通信工具，为其他应用系统提供生产现场的实时数据。

一方面，ERP系统需要MES提供的成本、制造周期和预计产出时间等实时的生产数据；供应链管理系统从MES中获取当前的订单状态、当前的生产能力以及企业中生产换班的相互约束关系；客户关系管理的成功报价与准时交货取决于MES所提供的有关的生产实时数据；产品数据管理中的产品设计信息是基于MES的产品产出和生产质量数据进行优化的；控制模块则需要时刻从MES中获取生产工艺和操作技术资料来指导人员和设备进行正确的生产。

另一方面，MES还要从其他系统中获取相关的数据，以保证MES在工厂中的正常运行。例如，MES中进行生产调度的数据来自ERP的计划数据；MES中生产活动的时间安排需要依据SCM（Supply Chain Management，供应链管理）系统之中的主计划和调度控制；PDM（Product Data Management，产品数据管理）为MES提供实际生产的工艺文件和各种操作参数；由控制模块反馈的实时生产状态数据被MES用于进行实际生产性能评估和操作条件的判断。

MES与其他分系统之间有功能重叠的关系，例如MES、CRM（Customer Relationship Management，客户关系管理）、ERP中都有人力资源管理，MES和PDM两者都具有文档控制功能，MES和SCM（Supply Chain Management，供应链管理）中也同样有调度管理等，但各自的侧重点是不同的。各系统重叠范围的大小与工厂的实际执行情况有关，而且每个系统的价值又是唯一的。

5.MES的业务价值

美国著名的工业领域咨询机构ARC在2014年指出，MES是产品研发、生产、营销等活动的枢纽，是制造企业的核心信息化系统，如图1－11所示。

国务院在颁布的《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》（国发〔2016〕28号）中重点指出，要“加快计算机辅助设计仿真、制造执行系统、产品全生命周期管理等工业软件产业化，强化软件支撑和定义制造业的基础性作用”。MES（制造执行系统）在文件中被列出。

MES的重要性不仅体现在智能制造方面，在工业互联网中，MES的地位也同样重要。工业互联网联盟（IIC）技术工作组及架构任务组联合主席林诗万博士认为“工业互联网在生产现场应用的关键在于如何利用或加强对生产环境的数据采集，实现或增强对生产过程的状态感知，并通过对数据的实时分析，做出最佳决策，通过独立或辅助现有的工业软件系统（如MES的功能模块）进行精准执行，完成对生产过程的闭环优化”。

图1-11　MES是制造业信息化的枢纽

（来源：美国ARC顾问集团）

现在，越来越多的制造企业逐渐认识到信息化的重要性，很多企业陆续实施了以管理研发数据为核心的PLM系统，以物料管理、财务管理、生产计划为重点的ERP系统，以及企业日常事务处理的OA系统，这些系统在各自领域都发挥了积极的作用。但由于市场环境变化和生产管理理念不断更新，单纯依靠这些系统还不能帮助企业实现良性、高效的运营，很多环节还处于不可控、不科学的状态中，比如，如何使计划和实际生产密切结合？如何使企业和生产管理人员在最短的时间内掌握生产现场的变化，从而做出准确判断和快速应对？如何保证生产计划得到合理而快速的修正？虽然ERP和现场自动化设备都已经很成熟了，但ERP服务对象是企业管理的上层，对车间层的管理流程一般不提供直接和详细的支持。尽管车间拥有众多高端数字化设备，也在使用各类CAD／CAM／CAPP软件，但在信息化管理方面，特别是车间现场管理这部分，如计划、排产、派工、物料、质量等，还处于传统的管理模式，这影响和制约了车间生产能力的发挥。

MES在数字化车间的应用

而MES恰恰就是ERP等上游系统与DNC／MDC等下游系统之间的桥梁，MES强调控制、协调和执行，使企业信息化系统不仅有良好的计划系统，而且能使生产计划落到实处。可以将ERP的主生产计划按照车间设备、人员、物料等实际情况，分解成每一道工序、每一台设备、每一分钟的车间工序级计划。MES能使企业生产管理数字化、生产过程协同化、决策支持智能化，有力地促进精益生产落地及企业智能化转型升级。

四、MES在数字化车间的应用

实现车间数字化即将车间的生产要素和生产过程用数字形式（软件和数据）表现，车间数字化主要通过MES来实现。表1－5描述了车间数字化的核心内容及对应的MES应用。

表1-5　车间数字化的核心内容及对应的MES应用

MES的需求特点

五、MES的需求特点

1.基本性能需求

一套MES应该具有继承性、灵活性、可视性、实时性、可扩展性和可靠性等基础要求，具体要求如下。(www.daowen.com)

（1）继承性：系统应具有良好的继承性，可实现系统内部各功能模块的集成，并可提供外部系统的集成，包括向下与底层控制系统集成，向上与业务管理层ERP、产品数据管理（Product Data Management，PDM）、供应链管理（Supply Chain Management，SCM）等集成。

（2）灵活性：可以在系统内根据企业的生产特点，灵活设置生产工作流程，自动激活对应的程序模块，并根据不同权限驱动消息机制和预警机制（如缺料、故障、超时的预警等）。

（3）可视性：系统应具备以数据采集为基础的生产、消耗、质量、设备等信息统计分析并提供丰富的信息表达方式，如视图、图形、报警显示、消息提醒等。

（4）实时性：系统应具备良好的实时响应的功能。系统要利用实时数据实现生产过程、产品质量的在线监控，提高快速反应能力，促进生产管理由被动指挥型向预防为主、在线监控的主动实时指挥型管理体系发展。

（5）可扩展性：系统应具有良好的开放性和可扩展性，在解决企业当前生产管理问题的同时，考虑企业未来发展所需要进行的功能扩展，以符合企业长期发展的需要。同时提供可柔性组合定制的用户界面、业务模块以及简易的二次开发功能，以满足企业自身个性化应用。

（6）可靠性：应具有较高的安全意识和安全保证，以应对黑客入侵、木马潜伏等安全威胁，避免由此造成的系统瘫痪、生产数据丢失和生产线停产等。

2.基础数据需求

MES的基础数据包括以下内容。

（1）企业的组织结构：可包含一个或者多个工厂，工厂细化为不同的部门组织，组织是拥有不同工作职能的业务实体。

（2）人员及角色，人员是生产制造过程重要的基础性单元。根据角色规划不同的系统权限，根据参数设定区分人员的角色和能力，根据信息制订完善的人员分配和调度计划。

（3）设备资源：根据实际生产情况和业务流程，规划每一个工作中心的设备资源分配，包括产量、生产节奏、维修计划、状态监控规则、故障诊断机制、设备数据采集和分析方法等。

（4）工作流及操作规范：根据业务实际对产品生产的流程进行定义，即用来定义制造产品的步骤顺序作为一个标准化的指导，并根据工作流中的每一个工作中心或者工作站的工序标准和要求制定统一化的操作流程，形成唯一的规范。

（5）产品及产品谱系：定义工厂内部的产品及产品属性，如零件、组装件、配件或规格、品类等，并归集同系列产品为产品组，形成不同的产品谱系信息。

（6）制造BOM、工艺路线：根据产品搭建产品BOM架构，并根据产品设计配合工作流定义和物理模型的设备定义，合理设计产品的工艺路线。规定定义的范围包括数据记录、变更、版本追溯、工艺监控、纠错、报警机制等。

（7）在制品状态：定义范围包含在制品数量、产线位置、生产时间、状态等。

3.核心功能需求

早在1997年，MESA发布白皮书便提出了MES的功能组件和集成模型，定义了MES的11个核心功能模块及其与其他信息系统的集成关系，如图1－12所示。

（1）资源分配和状态管理（Resource Allocation and Status）。

管理机床、工具、人员、物料、其他设备以及其他生产实体（例如，进行加工必须准备的工艺文件、数控加工程序等文档资料），用以保证生产的正常进行。它还要提供资源使用情况的历史记录，确保设备能够正确安装和运转，以提供实时的状态信息。对这些资源的管理，还包括为满足作业排程计划目标对其所做的预定和调度。

（2）运作／详细调度（Operations／Detailed Scheduling）。

在具体生产单元的操作中，根据相关的优先级（Priorities）、属性（Attributes）、特征（Characteristics）以及配方（Recipes），提供作业排程功能。例如，当根据形状和其他特征对颜色顺序进行合理排序时，可最大限度减少生产过程中的准备时间。这个调度功能的能力有限，主要是通过识别替代性、重叠性或并行性操作来准确计算出时间、设备上下料，以做出相应调整来适应变化。

图1-12　MESA的MES核心功能模块

（3）生产单元分配（Dispatching Production Units）。

以作业、订单、批量、成批和工作单等形式管理生产单元间工作的流动。分配信息用于作业顺序的定制以及车间有事件发生时的实时变更。生产单元分配功能具有变更车间已制订的生产计划的能力，可对返修品和废品进行处理，用缓冲区管理的方法控制任意位置的在制品数量。

（4）文档管理（Document Control）。

管理生产单元有关的记录和表格，包括工作指令、配方、工程图纸、标准工艺规程、零件的数控加工程序、批量加工记录、工程更改通知以及班次间的通信记录，并提供了按计划编辑信息的功能。它将各种指令下达给操作层，包括向操作者提供操作数据或向设备控制层提供生产配方。此外它还包括对环境、健康和安全制度信息以及ISO信息的管理与完整性维护，如纠正措施控制程序。当然，还有存储历史信息功能。

（5）数据采集（Data Collection／Acquisition）。

能通过数据采集接口来获取生产单元的记录和表格上填写的各种生产作业数据和参数。可以从车间以手工方式录入这些数据，也可以自动从设备上获取按分钟级实时更新的数据。

（6）劳务管理（Labor Management）。

提供按分钟级更新的内部人员状态，作为作业成本核算的基础。包括出勤报告、人员的认证跟踪以及追踪人员的辅助业务能力，如物料准备或工具间工作情况。劳务管理与资源分配功能相互作用，共同确定最佳分配。

（7）质量管理（Quality Management）。

对生产制造过程中获得的测量值进行实时分析，以保证产品质量得到良好控制，使质量问题得到确切关注。该功能还可针对质量问题推荐相关纠正措施，包括对症状、行为和结果进行关联以确定问题原因。质量管理还包括对统计过程控制（SPC）和统计质量控制（SQC）的跟踪，以及实验室信息管理系统（LIMS）的线下检修操作和分析管理。

（8）过程管理（Process Management）。

监控生产过程、自动纠错或向用户提供决策支持以纠正和改进制造过程活动。这些活动具有内操作性，主要集中在被监控的机器和设备上，同时具有互操作性，跟踪从一项到另外一项的作业流程。过程管理还包括报警功能，使车间人员能够及时察觉到出现了超出允许误差的过程更改。通过数据采集接口，过程管理可以实现智能设备与制造执行系统之间的数据交换。

（9）维护管理（Maintenance Management）。

跟踪和指导作业活动，维护设备和工具以确保它们能正常运转并安排进行定期检修，以及对突发问题能够即刻响应或报警。它还能保留以往的维护管理历史记录和问题，帮助进行问题诊断。

（10）产品跟踪和谱系（Product Tracking and Genealogy）。

提供工件在任一时刻的位置和状态信息。其状态信息可包括：进行该工作的人员信息；按供应商划分的组成物料、产品批号、序列号、当前生产情况、警告、返工或与产品相关的其他异常信息。其在线跟踪功能也可创建一个历史记录，使零件和每个末端产品的使用具有追溯性。

（11）性能分析（Performance Analysis）。

提供按分钟级更新的实际生产运行结果的报告信息，对过去记录和预想结果进行比较。运行性能结果包括资源利用率、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测量值。性能分析包含SPC／SQC。该功能从度量操作参数的不同功能提取信息，当前性能的评估结果以报告或在线公布的形式呈现。

2004年，MESA在传统MES模型基础上，提出面向协同制造环境的新模型，即协同MES体系结构（c－MES）。c－MES继承了早期MES的所有核心功能，更强调与企业供应链和价值链中其他人和其他系统集成的能力，如图1－13所示。

图1-13　MESA的c-MES模型（2004年）

2008年，MESA发布新一版MES模型（Version 2.1）。模型涵盖了从企业级战略计划到业务运营，以及工厂运营和世界级生产，显示了战略、企业级运营和工厂运营之间的相互关系，如图1－14所示。

图1-14　MES模型Version 2.1（2008年）

4.数据采集需求

实现生产数据的实时采集、存储、统一管理及科学地统计分析是制造企业生产信息化建设的迫切需要。目前，制造企业广泛应用了分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系统，但是这些系统由多家供应商提供，相互独立且信息各自封闭，造成即使实现生产自动化却不能共享数据的问题，如各工区、部门和分厂的生产信息无法即时交流，阻碍了生产信息化的建设进程。

MES的重要价值之一是数据和信息的转换。MES不仅是面向生产现场的系统，还是控制层和决策层之间双方信息传递的系统。它通过实时数据库传输基本信息系统的理论数据和工厂的实际数据，以及提供生产计划与过程控制系统的数据通信功能，它也是企业应用的重要信息系统。离开了生产数据采集，生产管理部门不能及时、准确地得到工件生产数量，不能准确分析设备利用率等瓶颈问题，也无法准确、科学地制订生产计划及实现生产管理协同。因此，有效的生产数据采集，才能使MES可以实时跟踪计划执行情况，了解设备利用状况以及时应对产品问题，进而实现生产现场的透明化及生产过程的全程追溯，提升产品的按期交付率，提高生产质量。

随着物联网技术的发展，数据采集在数据的采集广度（采集数据种类更丰富）、采集深度（数据采集准确度更高、实时性更强、成本更低）及价值利用（数据实时分析与利用）方面得到快速发展，这将推动MES的普及和深化应用。

（1）MES中数据采集的特点。

制造企业MES中的数据采集是一件工程实践性强、覆盖面广、技术要求高、执行难度大的工作。MES数据采集的主要特点有：

①数据采集种类繁多，覆盖面广，关联性高。由于生产管控过程中涉及人、机、料、法、环、测、能各方面，每个操作可能涉及不同的物料、设备、工具及文档等资源，这些资源离散地分布在企业中，需要采集的生产数据种类繁多，彼此之间关联性高。

②通信协议与接口种类繁杂。企业设备多采购自不同年代，品牌厂家各异，设备支持的通信协议与接口种类差别大，通信接口之间的兼容性差，部分设备甚至不开放接口，造成数据采集难度大、工作量大。

③生产数据采集体量巨大，处理难度加大。随着企业竞争加剧，制造业提供的产品种类更加多样，随之产生的生产数据体量大幅增长，涉及的数据采集、规范与清晰、存储、分析等技术难度将变得更大。

④质量数据采集备受关注。为增强竞争力，制造企业对产品质量的要求不断提高，需要实时采集生产过程质量信息以及反映车间生产质量状况问题的信息。

⑤数据安全性要求高。制造业数据采集会涉及核心数据和敏感信息，部分数据是企业竞争优势所在，一旦数据遭到泄露，或者受到攻击，有可能造成不可估量的损失，因此数据安全问题显得很重要。

此外，流程制造与离散制造行业由于生产特点差异，自动化水平不同，数据采集的难度和关注点不尽相同。

一般来说，流程制造企业数据采集相对较低，重点关注数据接口方面。典型流程制造行业，如冶金、石化行业，自动化水平较高，大量采用DCS、PLC、智能仪表、数字传感器等，能准确记录生产现场信息。MES可以从设备仪表读取数据，实时性和准确度较高。流程制造行业数据采集的重点在于MES构建时与原有自动化设备做好数据接口。

离散制造行业的数据采集难度相对较高，重点关注采集数据的准确度及实时性。典型离散制造行业，如汽车制造企业，产品品种多，加工工序各异，设备品种多、型号多，设备产能预先设定难度较大，数据采集以人工采集为主，结合条形码采集等半自动信息采集技术进行工时、设备、物料、质量等信息的采集。这种采集方式时间间隔较大，并且容易受到人为因素的影响。离散制造行业数据采集重点在于保障数据采集的准确性和实时性。

（2）MES中数据采集的内容。

MES的数据采集功能是通过数据采集接口来获取并更新与生产管理功能相关的各种数据和参数，包括产品跟踪、维护产品历史记录及其他参数，带有时标的生产过程数据，带有时标的报警、消息、生产事件信息，手工实验数据（如各种检验指标），计量数据（如称重数据），批次信息（如批次号码）。概括起来包括连续数据的采集和离散数据的采集。

以人、机、料、法、环、测、能分类来讲，在生产现场需要采集的数据如表1－6所示。

表1-6　生产现场采集数据

续表

（3）MES中常见数据采集方式。

生产现场数据采集是多种数据采集技术的综合应用。目前，生产现场数据采集方式主要有两种：自动化采集和人工采集。自动化采集往往依托于通信条件比较好的生产设备及各种传感器的应用；人工采集大多是作为自动化采集的补充方式或替代方式，多用于自动化采集实现难度较大、经济成本较高的现场。

离散制造企业MES数据采集方式如下（如图1－15所示）。

图1-15　离散制造企业MES数据采集方式

①RFID采集方式：通过RFID（射频自动识别技术）来采集人员、物料、设备、工装等的编码、位置、状态信息，类似于条码扫描方式，需要在人员、物料、设备、工装上绑定RFID芯片，并事先将信息写入RFID中。

②设备控制系统采集方式：目前绝大多数设备都开发有专用的设备类接口，该接口利用外部计算机进行远程监控和设备管理，可以采集到设备各类生产过程信息及报警信息。目前部分MES供应商提供底层的设备监控系统，如DCS、人机界面（Human Machine Interface，HMI）、数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）等，辅助实现设备的控制。

③PLC采集方式：PLC采集包括两种，一种是将PLC作为一个网关，利用OLC通过RS232／485与机床通信，从PLC直接读取设备加工日志文件，采集各种生产过程数据，包括程序名称、加工时间、转速等，再通过PLC的以太网接口转换信息给数据库；另一种是利用PLC直接采集机床I／O信号，传递给数据库。

④手持终端采集方式：利用专用的手持终端，输入机床运行及生产状态等信息，并通过以太网传递给数据库，该种方式可以用在没有数控系统的老旧设备上。

⑤条码扫描采集方式：将常用信息（操作员、产品批号、物料批号、运输设备编号、加工设备编号、异常类别等）进行分类并编码处理，转换成条码，现场用条码扫描器就可以直接读取。其中，二维条码的纠错能力较强，只要条码破损面积不超过50%，因沾污、破损等原因丢失的信息一般都可以读出。

⑥手工录入方式：人工信息录入，包括人工触发、人工记录等方式。操作员在控制面板上，输入特定的触发程序，得到设备端的信息，从而实现设备的监控；或操作员在系统中手工录入，实现相关信息的填写上报。

⑦其他采集方式：可通过智能传感器、录像监控等方式进行采集。通过采集外置的智能传感器数据，实时获取生产现场的部分数据。

5.信息集成需求

MES由ERP、高级计划与排程（Advanced Planning and Scheduling，APS）、产品生命周期管理系统（Product Lifecycle Management，PLM）、质量管理系统（Quality Management System，QMS）、仓库管理系统（Warehouse Management System，WMS）及数据采集与监视系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）等集成，让基础数据和动态数据保持一致，实现数据充分共享，如图1－16所示。

图1-16　MES与各系统之间的关系

（1）信息集成需求。

①MES与ERP系统的集成。

从生产计划的角度看，ERP在生产计划的前端，MES在生产计划的后端。ERP的生产计划是以订单为对象制订的无限产能计划。MES则是以执行为导向，考虑约束条件生成以生产物料和生产设备为对象的生产排程，即基于时间的有限产能计划。MES需要得到ERP生成的“粗”计划作为其计划的源头和基础。车间任务开工前，MES需要根据现场任务的进度安排到ERP系统中领料；车间任务完成后，MES需要将完工信息反馈给ERP进行入库登记，ERP自动关联到响应订单并进行完工处理，从而实现计划的闭环控制信息。

车间工作订单信息、物料编码基本信息、产品BOM信息、配套加工领料单信息、物料库存及质量信息、配套单据及配套结果等基础信息存储在ERP中。车间领料信息、在制品信息、车间完工反馈信息等在生产车间的信息存储在MES中。

ERP系统与MES集成主要包括以下功能：

ERP系统可向MES提供车间生产任务数据，作为MES排程计划的依据。

MES可向ERP系统提供领料需求及领料请求，以实现系统自动领料。

ERP系统向MES提供零件领料的详细信息，使车间及时了解生产准备情况。

MES向ERP系统提交完工信息、在制品／成品入库信息，以实现自动入库。

ERP系统结束后，MES提供的零部件完工信息自动反馈到生产计划，使生产管理人员及时掌握车间任务进度。

②MES与APS系统的集成。

APS（高级计划与排程系统）通常用来指定车间作业计划，是一套基于优化生产原理的生产排产软件。对于高级计划排程功能，最重要的是基础数据的准确及业务管理需求的明确。

APS需要的基础数据见表1－7所示。

表1-7　APS需要的基础数据

MES输入到APS的信息包括：

生产任务：MES向APS提供车间的生产任务信息。

加工工艺：由MES或者其他系统向APS提供工艺规程上要求的内容，至少包括加工工序、各工序所需要的工装工具及其他物料、各工艺加工工时和所需工种、所需加工设备组（工作中心），以及图样、加工说明等辅助性内容。

库存数据：由MES或者其他系统向APS提供包括制订计划时的物料库存、可用工装工具刀具库存、近期计划可用入库等信息。

设备信息：由MES或者设备管理系统向APS提供可用设备能力、时间模型、设备所属设备组（工作中心）等内容。

工人信息：由MES或者人力资源管理系统向APS提供各工人加工技能、时间模型及所属班组等信息。

APS向MES输出的信息包括：

排程仿真及结果对比分析：由于APS引擎内置大量的排程策略，采用不同的排程策略将得到不同的排程结果。因此，要将得到的不同排程结果进行对比分析，得到需要的结果。

排程结果：准备下达给车间的排程方案，可细化到某时某工人在某设备上加工某工序，同时需要配备何种工装工具及道具，准备哪些物资辅料。比较好的排程结果还包括该工序的详细制造指令（FO）。

③MES与CAPP、PDM系统的集成。

CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺过程设计）保存了结构化工艺文件数据。CAPP和MES的集成，需要保证MES能够按照产品的BOM结构和总生产任务要求展开工艺级别的生产计划进行排产和调度，集成的主要工艺数据包括工艺过程信息（包括各工序）、BOM结构、配料清单等。

PDM（Product Data Management，产品数据管理）是管理产品数据和产品研发过程的工具。PDM系统向MES提供的信息包括产品的加工图样、产品的工艺信息、每道工序的作业指导文件等。

MES收集生产现场各类数据，为后期产品的生产工艺、产品装配指导等进行优化，反馈至设计部门，进行改型、设计变更。

此外，MES与CAPP、PDM三系统之间的集成还包括CAPP与PDM之间的集成，实现工艺文件在PDM中的流程审批和归档管理，即CAPP与PDM流程统一。

④MES与质量管理系统（或ERP质量管理模块）的集成。

MES虽包括部分质量管理系统，但与质量管理系统的侧重点有所不同。

质量管理系统是为生产提供质量标准，并进行质量标准和相关内容的管理与质量检查，质量管理系统的精度是产品及车间关键点的检查。而MES则是对车间生产的每个工位、工序的质量跟踪及管理，MES质量管理的精度是对每个工位、工序的质量管理，实时性要求更高。

质量管理系统向MES提供质量标准信息，以实时呈现工位、工序的质量检验结果合格状况。MES向质量管理系统提供关键点的质量检测结果。

⑤MES与设备管理系统的集成。

MES包括部分设备管理功能，设备管理系统的功能更全面。

设备管理系统存储设备的基础信息和各类计划信息。设备基础信息主要包括设备台账信息、设备操作、日检、保养、维护规程信息、设备技术精度信息等；计划信息主要包括各类保养计划、维修计划、润滑计划等。

MES向设备管理系统提供的信息主要有作业实施信息、生产调度信息、设备状态信息和设备运行信息。通过对这些信息的统计分析，获取设备管理的决策信息，如设备故障率、设备能力数据等。

⑥MES与人力资源管理系统的集成。

人力资源管理系统提供给MES人员基本信息、岗位信息、技能信息、技能等级等。

MES反馈给人力资源系统的信息主要是产线人员的精细化考勤数据和排班数据，以便清晰了解产线人员的工作状况和技能状况，并向统计分析企业的人员绩效提供基础信息。

⑦MES与自动控制系统（SCADA、DNC、PLC等）的集成。

MES向自动控制系统提供执行指令，自动控制系统向MES反馈执行结果及MES需要实时采集的工艺参数、设备性能参数等。

PLC、DNC、MDC等自动控制系统或数据采集与监控系统SCADA将设备编号、设备状态、设备运行参数、任务单号、制品数量、生产过程信息等反馈给MES。

（2）信息集成方式。

目前，MES之间实现数据集成的方法主要有中间文件转换、数据复制、数据聚合、API接口、XML、消息中间件的集成模式等几种方式。

①中间文件转换：将数据从源数据库中导出，形成一个中间文件，然后将中间文件包含的数据导入到目标数据库中，这是信息化建设初级阶段最常用的方法。

②数据复制：数据复制应用在同构的数据库中，保持数据在不同数据模型中的一致性。数据复制中，需要建立不同数据模型中数据转化和传输的机制及关系，以屏蔽不同数据模型间的差异。

③数据聚合：数据聚合是一种将多个数据库和数据库模型聚合成为一种统一的数据库视图的方法，用户能够以访问数据库的通用方法访问任何相连的数据库。但是，构建一个适用于多种异构结构数据源的通用接口难度比较大。

④API接口：API接口目前在系统集成中使用非常普遍，而且许多软件本身具有API接口。两个应用系统之中的数据通过设在其间的应用适配器的接口进行传输，从而实现集成。

⑤XML：XML作为一种对数据格式进行描述的通用元语言标准，实现跨平台数据集成。

⑥消息中间件的集成模式：消息中间件（Message Oriented Middleware，MOM）指利用高效可靠的信息传输机制进行与平台无关的数据交流，并基于数据通信实现分布式系统的集成。消息中间件可以实现跨平台操作，为不同操作系统上的应用软件集成提供服务。

A企业问题分析