汽车制造执行系统的演进与MES标准实践

其实从20世纪70年代后半期开始，就已经出现了一些解决单一问题的MES系统，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。各个企业引入的只是单一功能的软件产品或系统，而不是整体的解决方案。MES真正得到迅猛的发展还是在1990年AMR明确提出MES的概念之后开始的。

MES从一开始就是一个特定集合的总称，用来表示一些特定功能的集合以及实现这些特定功能的产品。AMR提出3层结构的信息化体系结构，将位于计划层和控制层之间的执行层叫做MES，并明确了各层的功能和重要性[2，3]。

MES处于企业管理经营管理系统ERP和过程控制系统DCS/PLC的中间位置。ERP作为经营管理系统，DCS/PLC作为控制系统，而MES则作为生产执行系统。由于以ERP为代表的经营管理层和DCS层的信息技术应用起步较早，已经形成了大量的成熟技术和成熟系统，MES与上层ERP等管理信息系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成企业的信息系统架构，一方面将业务计划的指令传达到生产现场，另一方面将生产现场的信息及时收集、上传和处理。MES不单是面向生产现场的系统，而是作为上、下两个层次之间的信息传递纽带，将车间现场和企业经营决策关联起来，以改善企业的生产经营效益。

20世纪90年代，由于MES已经成为企业实现生产现场管理的集成系统，故又称为集成MES（Integrated MES，I-MES），包括了工厂管理（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——实验室信息管理系统）4个主要功能，并由实时数据库支持。在该框架内，MES在20世纪90年代初期的重点是生产现场的信息整合。

到20世纪90年代中期，MES标准化和功能组件化、模块化的思路得到重视，许多MES软件实现了组件化，用户根据需要就可以灵活、快速地构建自己的MES，大大方便了系统的实施与集成。其中最有名的是MESA International于1997年提出的MES功能组件和集成模型，该模型包括11个功能模块。随后MESA规定，仅仅包括11个功能模块中的某一个或几个，也属MES系列的单一功能产品。AMR把按照11个功能实现的整体解决方案称为制造执行解决方案（Manufacturing Execution Solution，MES II）。

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、模型的研究和开发，其中涉及部分对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用等技术。主要成果包括：

1）MESA提出了MES对象模型。

2）标准化组织（Object Management Group，OMG）的制造分会（Manufacturing Domain Task Force，MfgDTF）发布了RFI（Request for Information）文件。

3）ISA的SP95（Enterprise Control System Integration）标准委员会发布了ERP与MES之间的接口标准模型。

4）NIIIP—SMART（National Industrial Information Infrastructure Protocols–Solution for MES Adaptable Replicable Technology）信息结构标准的发布。(https://www.xing528.com)

5）NIST—SIMA（National InstitMES of Standard and Technology–System Integration for Manufacturing Application）用IDEF0描述了通用的功能活动模型（Activity Models）。

其中，从1997年开始的国际电工技术委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）启动编制ISA SP95.01模型与术语标准、SP95.02对象模型和属性标准、SP95.03制造运作管理的活动模型标准、SP95.04制造运作管理的对象模型和属性标准。SP95.01规定了生产过程设计的所有资源信息及其数据结构和表达信息关联的方法。SP95.02对第一部分定义的内容进行了详细规定和解释，SP95.03提出了管理层与制造层间信息交换的协议和格式。其中，SP95.01已经被ISO/IEC批准为国际标准ISO 62264的第一个标准，我国也引进了该文件等同作为国家标准。

ISA SP95标准在工业界迅速得到认可，其用户包括很多世界知名公司，例如能源领域的ExxonMobil、British Gas，日用品领域的宝洁公司，食品饮料领域的雀巢公司等。SAP、西门子、霍尼韦尔、ABB、Rockwell Software、Enterprise Consultants International等一些软件提供商或咨询公司也在它们的产品或工程中应用了这个标准。不少公司正在运用SP95.03中给出的模型作为需求分析、体系结构、设计和实施的模板。许多公司依照此标准进行MES和ERP集成的实施，据统计，实施时间减少了75%以上。预计由于这个标准的应用，最终进行MES和ERP集成所花费的时间将会由现在的6～9个月减少到6～9个星期[4]。

此外，几乎所有组织和学者都倡导MES功能和接口的标准化，并强调集成（Integration）和互操作性（Inter-operability）的重要性。提倡系统之间、功能模块之间以ORB（Object Re-quest Broker）作为MES信息访问接口协议，实现MES功能组合的即插即用。分布式对象技术标准CORBA和有关平台标准也都是开发MES软件的基础，但是由于开发成本高、系统性能差以及3层模型界限不明确等原因，一直影响着MES功能的组件化。

软件提供商方面，据《Manufacturing Systems Magazine》统计，在企业管理应用软件中，除ERP产品和厂商外，MES产品及其厂商中，Invensys、西门子、Emerson Process Manage-ment、AS-PEN Tech、Indus International、Honeywell Hi-spec Solutions、Rockwell Software、ABB、Kronos Inc.、GE Fanuc Automation、Agile Software Corp.、OSI Software、SimSci、Won-derware、日立、YOKOGAWA、Technomatix Tech、Lilly Software等公司名列前茅。

20世纪90年代初期，国内就开始了对MES以及ERP的跟踪研究、宣传或试点。进入21世纪，国内仍然以提升工厂自动化水平，普及DCS、监控系统与数据采集（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）、PLC、现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）和提升管理信息化水平，由开发MIS转向推广普及ERP为主。尽管MES层仍然是断层，人们对MES的概念、MES在企业信息化的地位已不陌生，并开始达成共识[1]。

从整个MES的发展来看，它还处于一个发展期，并不能像ERP、PLM等已经形成行业标准并且已经应用得非常广泛。汽车行业作为离散制造业的典型，其发展是领先于离散制造业的其他行业的。据2009年E-WORKS的统计数据，13.98%的我国MES厂商集中在汽车行业[5]。

在汽车制造业中，基本上国外大的汽车制造商，例如福特、大众、丰田等厂商已经实现了生产过程的信息化管理，已经完成在车间生产排产、生产监控、质量管理、信息收集等领域的信息化，部分厂商的MES解决方案也已经逐步趋于相同，并发展成为行业内标准的MES解决方案。而国内汽车制造企业，例如上汽、一汽、东风、长安、广汽等也开始逐步认识并实施MES系统，令MES成为继ERP、PLM之后的又一个信息化的核心，逐步实现车间级的精细化管理，提升管理水平。