制造执行系统功能体系结构构建

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在总结了现有的制造执行系统体系结构的发展、特点和问题的基础上，给出了适合我国制造企业的MES 功能层次定义，提出了面向我国制造企业的MES 功能体系结构。该功能体系结构以生产管理模型为中心，对制造执行层进行了功能结构的划分，并定义了其内部的主要功能及各功能之间传递的信息流。最后为该功能体系结构的应用提供了一个参考实例。

引言

在全球商业竞争日益激烈的今天，制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)已经成为国内外学术界和产业界的研究与应用热点。它能够打破企业内部纵向的信息断层，实现业务系统与控制系统之间信息及时、准确的交互；同时，也可打破企业内部横向的“信息孤岛”，使企业内各种信息化软件系统得以集成，从而充分地利用企业的制造资源，提高企业的竞争力。

MES 的概念由美国的咨询调查公司AMR(Advanced Manufacturing Research)于1990 年首次提出并使用。AMR 提出了企业3 层体系结构，并指出MES 位于计划层与控制层之间，任务是将业务系统生成的生产计划传递给生产现场，并将生产现场的信息及时收集、上传和处理。该结构目前已成为国内外制造企业层次划分的主要依据。制造执行系统国际联合会（Manufacturing Execution System Association International, MESA）于1997 年提出了MES 功能模型。包括11 个功能模块：资源配置和状态、运作/详细调度、分派生产单元、文档管理、数据采集/获取、劳动力管理、质量管理、过程管理、维护管理、产品跟踪和谱系、绩效分析。MESA 规定，只具备11 个之中的某一个或几个，也属MES 系列的单一功能产品。

美国仪器、系统和自动化协会（Instrumentation,Systems, and Automation Society，ISA）于2000 年开始发布ISA-SP95 标准，即“企业控制系统集成”标准，为制造运行层与其它层次间的集成提供了依据，现在也被用做规范MES 的标准框架。该标准共分6 个部分，其中第一、二、三部分已正式发布，并被IEC/ISO（国际电工委员会/国际标准化组织）采用为国际标准；也被我国等同采标为国家标准。其第四、五部分正在制定过程中，第六部分尚处于构思阶段。该标准第一部分是以美国普度大学企业参考体系结构（PERA）为基础，将企业功能划分为五个层次；同时，又参考普度大学CIM参考模型，定义了企业功能数据流模型；并将业务系统与控制系统之间交互的31 种信息流归为4 类；最后用UML（Unified Modeling Language）建立了9 种对象模型作为描述企业的基本工具。该标准第二部分则为上述对象模型详细定义了模型属性。该标准第三部分将企业的制造运行管理划分为4 个典型区域：生产运行、维护运行、质量运行和库存运行；并定义了包含8 项子功能的通用活动模型，用以描述这4 类典型的制造运行区域。

以上研究成果为MES 的发展提供了强有力的支撑，但针对我国MES 的实际问题还存在着一些不足。AMR提出了MES的概念和企业的3 层架构，但缺乏对MES 具体功能的详细描述。MESA 定义了MES 的11 个功能模块，但并未定义这些功能模块的组织方式，各功能模块之间缺少明确的联系。

ISA-SP95 标准应该说定义得比较深入和完整，但是其采用的普度5 层参考体系结构相对较为复杂，而实际生产控制过程中最下面3 层功能通常又是密不可分的，因此现阶段我国企业信息化构建中，还是偏向于使用AMR 提出的3 层体系结构。同时，ISA-SP95 标准中的活动模型是针对制造运行管理（Manufacturing Operations Management，MOM）定义的，将生产运行、维护运行、质量运行和库存运行相互独立，并希望用一个统一的通用活动模型模板来描述，然而制造执行系统（MES）的设计通常是以生产管理为核心，其它几部分则处于辅助生产管理的位置，而且针对维护、质量和库存的管理通常是集成现有成形的软件或独立设计，并未采用与生产管理平行的统一框架来描述。另外，ISA-SP95标准针对这4 部分运行管理之间相交互的信息并未详细定义，使得这几部分之间的联系不够紧密。

针对上述问题，本文提出了面向我国制造企业的MES 功能体系结构，并将在以下的章节中具体介绍这一功能体系结构的相关内容，包括：MES功能层次的定义；MES 功能体系结构模型的介绍；以及MES 解决方案的参考实例。

1 MES 功能层次的定义

图1 制造企业功能层次模型

正如本文引言所述，AMR 和ISA-SP95 标准对企业层次的划分都有各自的优点与不足。本文结合这两种结构划分的优点和相关描述，给出了如图1 所示的制造企业功能层次模型。将制造企业划分为三个功能层次：业务计划层、制造执行层，以及过程控制层。

（1）过程控制层定义了感知、监测和控制实际物理生产过程的活动。按照实际生产方式的不同，可细分为：连续控制、批控制，以及离散控制。过程控制层通常选用的控制系统包括：DCS (分布式控制系统) 、DNC(分布式数控系统) 、PLC、SCADA 等。过程控制层的活动运行时限通常是：小时、分钟、秒、几分之几秒。

（2）制造执行层定义了为实现最终期望产品生产的工作流活动，包括生产记录的维护和生产过程的协调与优化等。主要面向制造企业工厂管理的生产调度、设备管理、质量管理、物料跟踪、库存管理等。可通过MES 实现这些功能。制造执行层的活动运行时限通常是：日、轮班、小时和分钟。

（3）业务计划层定义了制造企业管理所需的相关业务类活动。包括管理企业的各种资源、管理企业的销售和服务、制定生产计划、确定库存水平，以及确保物料能按时传送到正确的地点进行生产等。通常会选用ERP（或MRP II）、SCM、CRM等系统。业务计划层的活动运行时限通常是：季度、月、旬、周、日。

2 MES 功能体系结构

图2 MES 功能体系结构模型

正如本文引言所述，目前几种常用的MES 体系结构都存在着一定的问题。针对上述问题，本文提出了如图2 所示的制造执行系统功能体系结构模型。该模型定义了MES 的基本功能体系结构，以“生产管理模型”为中心，对制造执行层进行了功能结构的划分，并给出了制造执行层内部的主要功能及各功能间的信息流。具体划分为三部分模型来详细描述，分别是：生产管理模型（图2 中左侧虚线框内表示部分）、影响生产的主要功能模型（图2 中右侧虚线框表示部分），以及影响生产的其它功能模型（图2 中右下脚椭圆表示部分）。

2.1 生产管理模型

“生产管理”定义为一组协调、指导、管理和跟踪原材料、中间物料、能源、设备、人员和信息等资源来制造产品的活动集合。

图3 生产管理模型

本文在参考ISA-SP95 标准[8-10]的基础上，结合我国实际情况，给出如图3 所示的“生产管理模型”，它是制造执行系统的核心部分，对应图2 中左侧虚线框内表示部分。该模型可进一步细分为9 个相对独立的子功能，分别是：产品定义管理、资源管理、生产调度、生产分派、操作管理、数据收集、生产跟踪、绩效分析、生产统计。图3 中的实线框代表了这些子功能；带箭头的实线则表示了各个子功能之间的信息交互，以及特定功能模块与上层业务计划层和下层过程控制层之间传递的信息流。图3 中的三个虚线框表示了三个不同性质的区域。通过这三个区域的划分，使生产管理模型形成一个完整的逻辑闭环，从而可以有效地控制整个生产运行过程。这三个区域分别是：

（1）基础静态信息定义区域包括：产品定义管理模块和资源管理模块，主要功能是管理企业生产运行中必备的产品定义类信息和基础资源类信息。如：产品生产规则（SOP、SOC 等）的确定与维护；生产方案、资源清单及物料清单的定义与维护；人员、设备和物料等基础信息的定义与维护；企业资源信息的控制和产能利用情况的管理等。

（2）生产调度指令下达区域包括：生产调度模块、生产分派模块和操作管理模块等。主要功能是将业务计划层传递下来的生产计划调度信息通过生产调度模块细化为详细生产调度信息，再经生产分派模块转化为生产分派清单，最后经过操作管理模块转化为操作命令下达给过程控制层，从而指导实际的生产运行过程。

（3）生产绩效统计反馈区域包括：数据收集模块、生产跟踪模块、绩效分析模块，以及生产统计模块。主要功能是将过程控制层中的生产和资源过程数据通过数据收集模块采集上来，然后传递给生产跟踪模块和绩效分析模块进行跟踪、处理和分析，再将处理好的数据传递给生产统计模块，最终整理成为生产绩效统计信息反馈给业务计划层。

2.2 影响生产的主要功能模型

“维护管理”、“质量管理”、“库存管理”对于制造企业是必不可少的组成部分，它们对生产将会产生极为重要的影响，有时甚至是决定性的影响。例如，在制药行业，“质量管理”可能指导其它的活动过程；又如在配送中心，“库存管理”可指导其它的活动过程。本节将给出“维护管理”、“质量管理”、“库存管理”的功能定义；并给出它们与“生产管理”之间主要传递的信息流。

2.2.1 维护管理

维护管理定义为协调、指导和跟踪设备、工具及相关资产的维护功能的活动集合。该功能保证了设备、工具及相关资产的可用性，并保证反应性的、周期性的、预防性的，以及基于状态的维护调度得以顺利执行。同时，维护问题和维护事件的相关历史信息，也可用于支持故障诊断。

2.2.2 质量管理

质量管理定义为协调、指导和跟踪质量测量和报告等功能的活动集合。广义的质量管理同时包括质量操作和那些以保证中间产品或最终产品质量为目的的操作管理。它提供对测量数据的实时分析，以保证正确的产品质量控制，并识别需要注意的问题。它还包括了统计过程控制/统计质量控制、离线检测操作的跟踪和管理，以及实验室信息管理系统（LIMS）中的分析等。

2.2.3 库存管理

库存管理定义为在企业生产运行过程中协调、指导、管理和跟踪库存和物料移动的活动集合。它通常包括：基于需求的库存量控制；计算和报告期间的库存平衡；出入库物料的数量确认；库存运行的指示、报警与控制；与库存相关联的活动请求；质量保证测试请求；库存质量报告；库存存储条件的测量与控制；以及与其它管理活动的协同等。

3.2.4 各模型间的信息交互

图4“生产、维护、质量、库存”间的信息交互

图4 给出了“维护管理”、“质量管理”、“库存管理”与“生产管理”之间主要传递的信息流。这里所定义的信息流只是各模型之间最通用的信息交互，由于行业间差异较大，具体企业应用该模型时，需要根据实际情况，对信息流进行细化、扩展或删减。

2.3 影响生产的其它功能模型

除2.2 节所定义的影响生产的主要功能以外，还有些业务功能可能会对制造企业产生一定程度的影响，它们并不是对于所有制造企业都是必须的，但有时它们对生产的影响也非常重要，或可对生产管理提供非常有益的帮助。同时，对不同行业而言，所需这样的业务功能扩展也将会有所区别。本文将给出“能源管理”、“生产安全管理”、“文档管理”、“系统仿真”这几个功能的定义作为参考，它们对大多数制造企业将会产生较为重要影响。

2.3.1 能源管理

能源管理主要功能包括能耗统计和能源优化。能耗统计是以能源介质为基本对象，构建能源拓扑网络，进行能源核算和能源平衡管理。能源优化是基于生产计划和能源产耗预测数据，利用优化技术，实现能源的优化利用和控制，从而降低消耗；减少损失和污染物排放；有效、合理地利用能源。

2.3.2 生产安全管理

生产安全管理基于业务流程和安全生产规范，针对资产、人员、边界的安全需求，构建包括安全评估、安全检查、教育培训、上岗管理、风险源管理、作业管理、应急响应等在内的生产安全管理体系；并通过生产过程、消防、安防以及环保、气象监测等实时信息，构建综合预警、防灾系统。

2.3.3 文档管理

文档管理的功能是管理企业生产运行中所需的各种文档，如标准操作程序（SOP）、工作说明、控制系统程序、图表、批记录、工程变更通知、警报日志，以及突发事件报告；有时还包括了对环境、健康、安全等方面的规定，以及与ISO 标准信息的控制和整合。对这些信息的管理通常是企业能够更好运转所必需的。

2.3.4 系统仿真

系统仿真常用于生产装置的物流建模和过程变化响应评价。其主要功能是模拟过程中的变化，产品线的变化，或者制造流程的变化；还可以基于当前运行过程状况来预测物料特性。仿真可在装置的生命周期中用于性能的跟踪，过程变化的跟踪，以及操作员的训练。

3 应用实例

该软件产品的整体框架与主要功能基本符合本文所定义的MES 功能体系结构，可作为该功能体系结构在流程工业中应用的一个参考实例。

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