淺談MES在生產中的應用建設及智能制造下的新理解

張安平 李永華 張曉華 史晶 段平虎 吳志剛

1.陜西渭河彬州化工有限公司；2.浙江中控技術股份有限公司

智能制造工程作為《中國制造2025》五大工程之一，對企業提質增效，降耗降本，提高核心競爭力和可持續發展能力起著積極作用。本文介紹了制造執行系統(MES)在企業信息化建設中的地位、系統架構以及在智能制造政策背景下其功能的新理解；論述了工廠制造執行系統在企業管理中的意義及作用。

隨著第四次工業革命的到來，世界主要發達國家政府及組織高度重視，積極制定了相關的戰略規劃，大力提升工業智能化水平已經成為全球的共識與未來的趨勢。與此同時，世界工業強國的制造業戰略核心也均指向智能制造，伴隨著上一輪科技革命傳統動能的規律性減弱，同時以物聯網、大數據、人工智能等為代表的新一代信息技術創新發展正加速向實體經濟滲透、沉淀和融合。

《中國制造2025》，這是中國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。實現制造強國的方法就是堅持信息化與工業化深度融合，加快推動新一代信息技術與制造技術融合發展，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，著力發展智能裝備和智能產品，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平。

以新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用思路智能工程是建設智能制造工程的新方法，而MES作為智能工廠中承上啟下的關鍵環節，對企業降低工作強度、降低物耗能耗、提高生產經營效率、降低企業成本、提升科學決策水平起著積極并且重要的作用。在智能制造的大背景下，傳統MES越來越無法滿足企業的需求，此時我們必須重新理解MES的定位與作用，使其能承擔智能制造賦予的使命。

1 MES定義與作用

MES是Manufacturing Execution System的首字母縮寫，中文為制造執行系統，一套面向制造企業生產執行層的生產信息化管理系統。MES在企業信息化建設層次中處于經營管理層與底層控制系統之間，起著承上啟下作用（如圖1所示），通過獲取底層控制層的數據及MES系統本身功能體現生產運行狀態的數據，為管理人員、操作人員提供生產運行狀態數據以及在生產運行過程中的人、設備、物料、工藝、流轉流程狀態數據，從而為上層經營管理層科學決策提供數據支撐，對企業提質增效，降耗降本，提高核心競爭力和可持續發展能力起著積極作用。

圖 1 MES在企業信息化建設中的層級Fig.1 Hierarchy of MES in enterprise informatization construction

2 MES系統架構

按照MESA（國際MES協會）給出的定義，MES應該包含：資源分配和狀態管理、工序詳細調度、文檔控制、數據采集、過程管理、生產計劃和調度、質量管理、性能分析、產品跟蹤和記錄、維護管理、人力資源管理11個模塊。

根據本人十年MES項目經驗來講，實際建設過程中MES架構主要包含3個層次（如圖2所示）：

（1）基礎數據層：包括實時數據庫、數據集成或數采方式，實現企業底層控制系統實時數據進入MES中，數據是一切應用和功能的基礎；

（2）業務應用層：包括系統管理、工廠基礎信息、調度管理等應用管理（詳細如圖2所示），這是MES的功能核心也是實現為管理人員、操作人員提供生產運行狀態數據以及在生產運行過程中的人、設備、物料、工藝、流轉流程狀態數據的手段；

圖2 傳統MES系統架構Fig.2 Traditional MES system architecture

（3）決策支撐層，也叫展示層：包括生產運營綜合展示、統計報表、移動App、集成，這一層次主要是解決MES數據匯總數據展示數據共享的問題。MES各業務模塊是分開的，不同的業務模塊對應不同類型的生產運行數據，數據不夠匯總，不能集中展示，不能導入導出更無法有效集成，綜合展示頁面和報表能很好的匯總并集中展示數據，移動App解決了數據在廠內與廠外共享的問題（MES幾乎都是B/S架構，也就是服務器+PC瀏覽器模式，通常為了數據安全MES只能與企業辦公網相連）同時也解決了數據時效性問題，可以移動端看流程圖，也可以通過移動端處理待辦查詢消息通知等，集成是為了勾通經營管理層系統，例如很常見的MES收發貨數據集成至SAP(ERP系統的一種)單據中。

3 傳統MES功能

我們總說MES 6大要素：人、機、料、法、環、測，也總說MES提供生產運行狀態數據以及在生產運行過程中的人、設備、物料、工藝、流轉流程狀態數據，下面就介紹一下MES功能是如何提供這些數據的。

3.1 計劃管理

經營管理層利用SCM（供應鏈系統）、EAM（資產管理系統）等系統，在綜合考慮市場、供應鏈、戰略目標等各種因素情況下制定出年度生產計劃、月度計劃，MES作為定位執行層的系統，管理計劃跟蹤計劃是MES的計劃管理模塊的主要功能，主要包括計劃拆分、計劃變更、計劃跟蹤。

（1）計劃拆分：MES提供因素模型與系數指標，供月、日計劃拆分，減輕計劃拆分工作量，以達到計劃更細更符合實際情況更容易完成的目標。

（2）計劃變更：實際生產過程中會存在計劃外停車、原料短缺等不定因素會造成生產計劃變動，MES提供計劃變更功能，包含計劃變更申請、審核、確認、追溯等環節形成完整閉環管理，方便企業留存記錄與追溯。

（3）計劃跟蹤：MES利用自身數采與物料管理模塊，每天（也可以細到班粒度）生產投入產出數據（詳細見物料管理模塊），同時基于報表模塊形成生產日報、周報、月報。基于投入產出數據得出計劃完成情況數據，為經營管理層提供決策數據支撐。

3.2 工藝管理

MES提供基于裝置下的工藝方案管理，提供基于工藝方案下的工藝參數管理、工藝參數監控、工藝分析、工藝臺賬、自控投用率、聯鎖管理功能，全面反應工藝運行數據。

（1）工藝參數監控：利用可視化展示技術把工藝人員、管理層關心的關鍵工藝參數集中監控，實時展示參數數據和運行趨勢。

（2）工藝分析：利用趨勢圖對比的方式為工藝人員、管人員提供關聯工藝參數對比功能，方便總結工藝參數直接的關聯關系和運行規律，指定工藝參數調整。

（3）聯鎖管理：利用可視化頁面監控聯鎖投用狀態，統計聯鎖投用率。聯鎖的存在是為了針對極端情況包括安全聯鎖、工藝聯鎖等，但在實際生產過程中企業出于各種原因可能存在聯鎖未投用的情況，此時管理人員和工藝人員需要了解聯鎖投用情況，做到心中有底。在其他變動因素制約下如工藝方案、設備狀態聯鎖數據存在變更的情況，MES提供聯鎖新增、變更、投用、切除等場景下閉環管理功能。

（4）工藝臺賬：基于MES數采條件，每小時或者半小時自動記錄工藝數據。

3.3 調度管理

調度崗位在企業中是一個比較重要的崗位，它主要的作用是全廠生產監控、生產調度（物料調撥、生產活動安排，確保生產有序運行），信息上傳下達。MES提供指令管理、調度日志管理、調度監控功能。

（1）指令管理：調度指令功能提供調度令、指標指令、作業指令的編制、審核、下達、反饋、瀏覽等功能。實現調度指令在系統的全流程閉環管理，輔助調度人員進行指令執行情況的動態跟蹤、事后的問題追溯。

（2）調度日志管理：MES提供交接班日志，由調度人員記錄當班生產情況、接班信息、交班信息。調度崗位人員可以進行交接班操作，以及歷史交接班數據查詢。

（3）調度監控：MES提供流程圖功能，建立覆蓋生產過程的信息展示模型實現原料到貨及使用情況、庫存、產品產量及出廠、能耗、生產預警預報等各個專業角度全面監測生產過程情況。

3.4 物料管理（公用工程）

MES物料管理、公用工程管理最終目標是要得出物耗數據和能耗數據，為企業成本核算提供數據支撐。MES物料管理、公用工程管理模塊最終結果其實就是簡單的原料、半成品、成品收撥存平衡表以及能源分攤表，形式雖然簡單但是包含的內容和數據確是不簡單。依托工廠模型（裝置模型、側線模型、計量點模型、罐區模型、進出廠模型）結合實時數據庫實時數據生成裝置投入產出數據、儲罐庫存變化數據、進出廠數據，我們稱之為底層數據，但是這些數據還不足以計算物耗數據、能耗數據，因為物料平衡是站在收撥存的角度，也就是說物料平衡需要的是物料移動數據（可以簡單理解為統計平衡模型）。下面著重介紹底層數據是如何轉化為物料移動數據的。

（1）底層數據：裝置投入產出數據是單站在裝置界區角度，統計出這個裝置界區段時間內（天/班）消耗的原料量、產出的產品量、消耗的公用工程介質量、副產的公用工程介質量。庫存變化數據是單站在罐或者罐區界區角度，統計出罐或者罐區段時間內每一個物料的庫存變化量，能源介質消耗量。進出廠數據是站在全廠角度統計段時間內進廠、出廠的物料量。

（2）物料移動數據：先說一個自己總結的概念，物料移動數據是物料在全廠的移動量，這個移動量是需要仲裁的。舉個例子，裝置消耗的數據（一般場景是原料從原料罐通過管線進入裝置消耗掉）是通過裝置界區計量點計量的，罐區供出的數據是通過罐存變化量來統計，假設本次物料移動比較單一，就是原料從原料罐到裝置，那么裝置消耗數據和罐變化數據會存在數量不一致的情況，此時就需要仲裁（如圖3所示），仲裁量就是真實的代表原料在原料罐與裝置之間的移動量，仲裁有仲裁標準，也就是平衡規則。當我們把全廠的各界區都關聯起來，物料移動的關系就復雜了，此時仲裁也變的更加復雜，需要更復雜的平衡規則和算法（這里涉及核心機密就不詳細介紹），此處只以進出廠結算量第一，以儲罐庫存變化第二，以裝置節點精度為系數第三的準則進行仲裁，全廠仲裁后的物料移動量就是物料移動數據，也是統計平衡（物料平衡表、能源分攤表）的數據基礎，相同物料相同移動關系經過邏輯匯總就形成物料收撥存數據，如圖4所示。

圖3 單一物料移動平衡 Fig.3 Movement balance of single material

3.5 操作管理

通過交接班管理、平穩率模塊對生產過程中的人的狀態進行監控，以及對人工操作的平穩率數據進行監控，從而為勞動競賽提供數據支撐。

3.6 設備管理

MES設備管理目前只是停留在設備運行狀態監控及簡單的設備檢維修管理，這里就不多做描述。

4 智能工廠下MES新理解

現代制造業正向市場全球化、制造全球化、產品多樣化、個性化的方向發展，傳統的MES靈活度、范圍、智能化方面都暴露出不少缺陷，在滿足企業數字制造、智能制造方面越來越感覺到無力，特別是在中國制造2025政策大背景下，智能工廠工程強調要能為企業提質增效，降耗降本，提高核心競爭力和可持續發展能力，這就對MES提出了更高的要求，因此我們也必須重新思考MES如何邁出智能的步伐。

4.1 物料監控

MES目前只是做到從統計的角度核算物料的收撥存為成本核算提供數據支撐，沒有充分發揮生產執行層角度對物料從進廠（甚至進廠前，進廠前下面供應鏈整合會講到）到出廠后全流程的監控。統計數據的周期一般都比較長，生產過程中需要的是物料進廠、移動、消耗、產出、庫存、出廠全流程狀態和數量。通過集成汽車衡、軌道衡、卸車卸船流量計實時數據獲取進廠量和出廠量，進廠量和庫存量對比可以監控途耗儲耗，對比裝置計量和庫存數據可以監控是否存在跑冒滴漏等物料損失問題，對比物料在裝置移動前后的量可以監控裝置的轉換率、加工損失問題，通過監控實時庫存數據為物料調撥等操作提供數據支撐切實提高企業的管理效率。

4.2 大數據分析

MES目前是數據制造者，能提供物耗、能耗數據，能提供工藝運行數據，能提供設備運行數據，能提供人員績效數據，但是MES無法對這些數據進行深度整理和分析，在數字經濟的時代，MES并沒有充分挖掘這些數據的價值，如何充分利用這些數據挖掘出生產運行背后的規律，為管理層優化決策從而給企業帶來提質增效提高核心競爭力，是我們需要著重考慮的問題。

（1）最佳工藝參數：我們都知道企業購買的工藝包里面包含的關鍵參數范圍一定是個范圍，關鍵參數最核心的范圍方案供應商肯定不會提供。對應企業來講誰掌握了關鍵參數的最佳參數值，哪怕縮小它的范圍也能提質增效降低成本掌握核心競爭力。通過對MES工藝臺賬的小時級數據，或者對實時數據庫秒級數據進行大數據分析，對過對關聯參數數據的關聯分析，找到影響產品產量、質量，影響物耗、能耗，影響裝置平穩運行的最大參數，找到各參數的最佳參數值，讓每一個參數都保持在它最佳的狀態，從而讓整個生產裝置在最佳的狀態運行。

（2）人員績效數據：企業運行管理中很重要的一個問題是人員的管理問題，目前MES中的操作平穩率是人員績效數據中很重要的一部分，如果通過大數據分析手段進行班次、班組之間數據的對比，分析影響人員狀態的因素，為提升管理提供更多的參考。舉例來講，企業基本都是倒班制，可以分析白班、夜班收率、平穩率數據，總結人的作息習慣對工作狀態的影響，對應的在管理上可以在夜間為班組人員提供醒神的飲料等方式，保持人員的良好狀態。

（3）設備運行數據：利用設備運行數據可以總結出設備運行規律指導檢維修計劃的指定，利用設備組件更換的頻率可以找出不同供應商不同型號組件的質量和對成本的影響，讓數據成為將本增效的利器。

4.3 供應鏈整合

供應鏈是指生產及流通過程中，涉及將產品或服務提供給最終用戶活動的上游與下游企業所形成的網鏈結構[1]。企業一般都使用供應鏈管理系統（SCM）解決上下游復雜的業務，它解決了供應商分散不集中、產品品種太多問題降低采購成本，解決了訂單問題縮短訂單處理時間提高訂單處理效率和訂單滿足率，解決了庫存周轉率資金積壓的問題，好處很多，但是個人認為智能制造下MES與供應鏈還存在很大的整合空間。

（1）生產方案制定、調整和跟蹤：通過訂單的規模和優先級進行生產計劃制定，結合供應商的物流信息分析原料是否充足及時調整生產計劃和負荷；依據MES產出數據跟蹤生產計劃完成度，實時監控訂單完成率，確保訂單能按時按量交付。

（2）提高庫存周轉：依據MES原料消耗數據、庫存數據、裝置負荷數據合理給出采購建議，降低原料庫存；依據MES產成品庫存數據及時為銷售策略調整提供依據，降低成品庫存，提高庫存周轉率進而提高資金運轉效率。

（3）效益預算：依據MES物耗、能耗數據，結合供應鏈中的價格數據推演不同生產方案下的效益，為企業經營決策提供數據支撐使企業效益最大化。

（4）制定作業活動計劃：依托MES負荷、庫存數據，結合采購、銷售訂單物流數據，安排裝卸貨、倒罐等物料調撥活動計劃，為科學調度提供數據支撐，提高企業生產活動效率。

4.4 生產方案一鍵切換

其實說到底，MES現在只是企業底層控制系統數據的使用者，停留在數據采集加工層次，沒有實現制造執行系統中“執行”的作用，離真正的智能制造差距還很大，并且現在反寫控制系統數據也不是什么困難的技術，例如APC（先進控制系統）可以通過OPC服務器接口反寫數據調整工藝參數，油品調和系統也可以通過調和頭和自動化閥門實現按計劃油品調和，如果MES能利用這些技術真正做到去控制去執行，那么經營管理層的策略可以更好的落實，生產效率也將大大提高。

前文我們講過，我們可以結合供應鏈數據進行生產計劃的制定和調整，也可以做出負荷調整的決定，但是我們知道企業在實際運行期間生產方案切換、負荷調整都是需要一個漫長過程，如果利用計劃數據和負荷調整指令數據，通過先進的技術手段做到一鍵切換生產方案一鍵調整負荷就能大大提高生產效率，做到生產靈活變動以應對多樣化、個性化靈活變動的市場需要。

5 結論

在市場全球化、制造全球化、產品多樣化、個性化的趨勢下，在智能制造大政策背景下對MES更高要求的情況下，MES一定要做到對決策的快速響應和執行，做到幫助企業提質增效，降耗降本，提高核心競爭力和可持續發展能力。國家發布《智能制造2025》戰略，我們也能看到國家層面對制造大國到智造大國升級的決心，相關利好政策也在逐步出臺，這是利好的一面。我相信隨著更多的業內人士、更多的企業對MES智能化理解的加深，對MES智能化更多創造性的想法和嘗試，MES智能化發展的腳本一定會加快，我期待在不遠處與大家一起迎接MES智能化的黃金時代。