MES发展现状

一、前言流程工业企业综合自动化系统研究的核心技术问题是企业综合自动化系统的定义以及如何设计构架企业综合自动化系统。自动化在20世纪90年代以前仍是自动化孤岛模式，进入20世纪90年代以后，国内外企业在国际市场剧烈竞争的刺激下，特别过程工业还受到环境保护的巨大社会压力。节能降耗，少投入多产出的高效生产和减少污染的洁净生产成为企业的生产模式，企业把提高综合自动化水平作为挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的CIPS成了当前自动化技术发展的趋势。从1973年计算机集成制造的概念提出开始，经过30多年的研究与发展，CIPS开始在石化、化工、食品、制药、炼钢和造纸等行业得到了实施与应用，并已逐步由五层Purdue模型演变为两库(实时数据库、关系数据库)三层(ERP、MES、PCS)的体系结构，如图1所示，该三层架构已成为西方先进工业国家流程工业CIPS理论和产品的主流框架。也就是说CIPS的主流框架为：以实时数据库、关系数据库为核心，由过程控制系统层(ProcessControlSystem－PCS)、生产执行系统层(ManufacturingExecutionSystem－MES)和企业资源规划层(EnterpriseResourcePlanning－ERP)组成的两库三层体系架构。图1企业综合自动化系统架构模型二、MES的定义MES是英文ManufacturingExecutionSystem的缩写，它所对应的中文名称一般有两种翻译方式，在制造行业，MES翻译成“制造执行系统”，俗称生产管理系统。在流程工业，MES翻译成“生产执行系统”。对于MES的定义，不同的机构有自己不同的定义。国际MES联合会MESA(ManufacturingExecutionSystemAssociationInternational)对MES给出的定义：MES提供从接受订货到制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信息。它采用当前的和精确的数据，对生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变化的生产状态和条件作出快速反应，重点削减不会产生附加值的活动，从而推动有效的工厂运行和过程。美国的咨询调查公司AMR(AdvancedManufacturingResearch)对MES给出的定义：MES是一个常驻工厂层的信息系统，介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间。它以当前视角向操作人员/管理人员提供生产过程的全部资源(人员、设备、材料、工具和客户要求)的数据和信息。其着重点是将信息技术运用于改善制造过程。美国的国家标准研究所NIST(NationalInstituteofStandardandTechnology)对MES给出的定义：为使从接受订货到制成最终产品全过程的管理活动得以优化，采集硬件/软件的各种数据和状态信息。虽然不同机构对MES的定义存在一些不同的描述，但是有几点共识是普遍认可：（1）MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。（2）MES采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管理活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。（3）从对实时的要求而言，如果说控制层要求的实时时间系数为1，那么，MES的时间系数为10，ERP的时间系数为100。三、MES的发展历史20世纪70年代各企业开始开发或引入单一功能的软件产品和软件系统，如设备状态监控系统、质量管理系统、生产管理系统等，所有这些系统可以理解为单一功能的MES系统。20世纪80年代为了解决底层各集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)之间没有联系的信息孤岛(islandofinformation)问题和管理层的物料需求计划MRP(MaterialRequirementsPlanning)、制造资源计划MRPII(MRPII:ManufacturingResourcesPlanning)与底层DCS系统之间没有联系问题，而出现了MES原型，即传统的MES(TraditionalMES)。传统的MES的主要功能是生产现场管理POP(PointofProduction)和车间级控制系统SFC(ShopFloorControl)。20世纪90年代1990年，AMR公司第一次提出并使用了MES概念,AMR倡导用三层模型(3rdlayermodel)表示制造业信息化。将位于中间位置的执行层叫做MES，MES处于企业信息系统ERP/SCM和过程控制系统DCS/PLC的中间位置。1993年AMR公司提出了MES集成模型，该模型可以概括为实时数据库支持下的4个主要功能：（1）工厂管理（资源管理、调度管理、维护管理）；（2）工厂工艺设计（文档管理、标准管理、过程优化）；（3）过程管理（回路监督控制、数据采集）；（4）质量管理（SQC-统计质量管理、LIMS-实验室信息管理系统）。1997年MESA提出的MES功能组件和集成模型,包括11个功能，如图2所示，同时规定，只要具备11个功能之中的某一个或几个，也属MES系列的单一功能产品。MES的11个功能主要如下：（1）资源分配与状态；（2）作业计划和排产；（3）工艺规格标准管理；（4）数据采集（装置在线连接采集实时数据和各种参数信息，控制系统接口，生成生数据记录、质量数据、绩效信息、台帐累计）；（5）人力管理；（6）质量管理；（7）过程管理（过程控制、APC、基于模型的分析与模拟、与外部解析系统接口）；（8）设备维护；（9）绩效分析；（10）生产单元调度；（11）产品跟踪。1997年美国仪表学会ISA（TheInstrumentation,Systems,andAutomationSociety）启动编制ISASP95企业控制系统集成标准和ISASP98批量控制标准。图2MESA提出的MES功能模块图21世纪从2000年开始，以图1所示的Purdue模型为基础，美国仪表协会(ISA)启动编制了第95个标准，即ISA95标准，也就是现在所说的MES标准，具体时间进程如下：2000年美国仪表学会(ISA)发布了SP95.01模型与术语标准；2001年美国仪表学会(ISA)发布了SP95.02对象模型属性标准；2002年美国仪表学会(ISA)发布了SP95.03制造信息活动模型(ActivityModels)标准；2003年美国仪表学会(ISA)发布了SP95.04制造操作对象模型标准。ISA95标准逐渐成为指导MES开发、实施及解决ERP与MES接口问题的一个重要参考依据，并先后被法国、德国、意大利、日本、英国、肯尼亚等接受为国家标准。从2003年开始，ISA95标准正式被IEC采用，分别在2003年、2004年和2007年作为IEC62264标准发布。分别为：（1）2003年的模型与术语（IEC62264-1:2003EnterpriseControlSystemIntegration-Part1:ModelsandTerminology）；（2）2004年的对象模型属性（IEC62264-2:2004EnterpriseControlSystemIntegration-Part2:ObjectModelAttributes）；（3）2007年的制造操作管理活动模式（IEC62264-3:2007EnterpriseControlSystemIntegration-Part3:ActivityModelsofManufacturingOperationsManagement）。四、MES的现状MES产业政策中共十六大明确提出“建设节约型社会，走新型工业化道路”，信息化作为节能减排的重要手段得到了快速发展，而MES作为信息化的重要组成部分，也在此背景下得到了前所未有的重视与关注。国家科技部目前主要依靠实施国家高技术研究发展计划（863计划）先进制造技术领域“面向行业应用的可配置MES平台及产品”项目计划达到以下目标[6]：（1）开发一批面向典型行业、具有自主知识产权的MES工具集及软硬件系统平台。（2）在航空、航天、汽车、船舶、装备、冶金、石化、烟草等典型行业的超过25家企业推广应用（其中在离散行业应用12家以上，在流程行业应用8家以上，在混合型行业应用5家以上）；（3）在MES平台开发与实施的基础上，形成3－6个具有自主知识产权、符合ISO-95标准、相关指标达到国外同类水平、具有市场活力的MES软件产品（其中面向离散行业的软件产品1－3个，面向流程行业的软件产品1－2个，面向混合型行业的软件产品1个）；取得不少于10项具有原始创新的多项代表性成果（发明专利、软件著作版权等）。（4）培育5家以上盈利模式清晰的MES软件供应商，促进MES产品的产业化（其中面向离散行业与流程行业的软件产品各2家以上，面向混合型行业的软件产品1家以上）。行业会议每年国内有关主题涉及MES技术的会议不计其数，主要的会议有：由中国仪器仪表学会生产执行系统分会(MES分会)主办的“中国MES年会”和863计划先进制造系统技术主题专家组主办的“中国制造业信息化MES产业技术论坛”。（1）中国MES年会中国MES年会由中国仪器仪表学会生产执行系统分会(MES分会)主办，每年举办一次，已举办了两届。第一届(2006)中国MES年会暨2006中国(杭州)MES技术高峰论坛于2006年11月18日在杭州举办。年会由浙江大学褚健教授和苏宏业教授主持，并由9位行业专家做了9个精彩的大会报告，分别为：国际自动控制联合会前主席吕勇哉的《二十一世纪自动化产业的机遇和创新技术》；中国工程院孙优贤院士的《我国节能降耗的现状和工业控制面临的任务》；北京机械工业自动化所软件工程中心首席专家蒋明炜教授的《离散制造业的MES与ERP》；中石化信息系统管理部李德芳主任的《石化MES应用研究》；石化盈科MES事业部蒋白桦总经理的《石化物料平衡系统应用研究》；浙江大学荣冈教授的《企业多分辨率建模理论与应用》；中国石油规划总院王华副处长的《中国石油MES框架与实施策略》；华北制药集团刘文富总经理的《医药行业MES的应用研究》和宝信软件股份有限公司毕英杰的《冶金工业MES的现状与发展》。第二届(2007)中国MES年会于2007年10月25日-10月27日在北京举办，共有来自石化、化工、钢铁、烟草等行业的50余家企业、10余家高校及科研院所的150余位会议代表参加了此届年会。以“优化操作，疏导流程，实现节能减排、精细化管理”为主题的第二届(2007)中国MES年会邀请了业内权威嘉宾并做主题报告，包括中石化信息系统管理部副主任齐学忠先生的《制造业MES发展与展望》；浙江大学王树青教授的《节能减排与MES技术》；石化盈科MES事业部总经理蒋白桦先生的《石化行业MES系统解决方案》；浙江大学荣冈教授的《MES系统与智能工厂》；首钢集团强伟先生的《钢铁制造业信息化建设的实践与思考》；中国科学院软件研究所王宏安先生的《实时数据库系统及应用》；中国科学院沈阳自动化研究所史海波研究员的《卷烟企业MES技术与应用研讨》；华中科技大学张国军教授的《离散制造业MES关键技术与产业化对策》。八个主题报告虽然涉及不同的行业及背景，但是各位专家对MES的前景都同样充满信心，对MES能帮助企业提高生产效率、提高产品质量、降低消耗等作用都有一致的认识，同时也都意识到MES的任重道远。业内专家的权威讲述、听众的积极参与，热烈的会场气氛贯穿始终。大会最后由中国仪器仪表学会生产执行系统分会副理事长、中石化信息系统管理部主任李德芳先生作会议总结报告。（2）中国制造业信息化MES产业技术论坛2005年7月23日，由科技部高技术中心和863计划先进制造系统技术主题专家组联合主办的“2005中国制造业信息化MES产业技术论坛”在北京成功召开。科技部高新司冯记春司长出席论坛并致辞，柴天佑院士、褚健教授分别结合国内外MES技术、产品与应用的发展需求和现状和趋势做了主题演