航空制造行业MES标准化研究

张伦彦

（中航工业综合技术研究所， 北京 100028）

从本世纪起，国内MES（Manufacture Execution System，制造执行系统）的发展十分迅速，数百万乃至数千万元的MES工程项目已经成为常态。由于缺少MES理论和标准的指导，许多大规模、大资金的MES工程项目遇到了大量由于功能和接口定义不清造成的重复工作问题和资源浪费问题，因此国内对MES标准化研究的呼声越来越高。

航空制造行业MES作为最复杂的一类MES，其标准化研究工作显得尤其重要。本文将给出这方面的一些研究成果。

1 国外MES的相关理论和标准

1990年，美国先进制造技术研究所（Advanced Manufacture Research ，AMR）第一次提出了MES的概念：MES是位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统，为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源（人、设备、物料、客户需求等方面）的当前状态的信息[1]。

不久，国际制造执行系统联合会（Manufacture Execution System Association ，MESA）成立了，MESA为MES定义了11个功能块：详细计划、生产调度、生产跟踪、性能分析、设备管理、资源管理、过程管理、人力资源管理、现场数据采集、质量管理、文档管理[2]。

从上世纪90年代中期起，美国自动化协会仪器仪表分会（The Instrumentation Systems and Automation Society ，ISA）组织来自AMR、MESA、主要大型自动化和软件企业的专家，陆续编写和发布了制造运作管理（Manufacture Operation Management，MOM）领域的3部系列标准（ANSI/ISA–95.00.01–2000Enterprise-Control System Integration Part 1: Models and Terminology，ANSI/ISA–95.00.02–2001Enterprise-Control System Integration Part 2: Object Model Attributes，ANSI/ISA—95.00.03—2005Enterprise-Control System Integration Part 3:Activity Models of Manufacturing Operations Management）。由于这部系列标准是ISA的第95部标准，故被称为ISA95。目前，ISA95已被接受为我国国家标准（GB/T 20720.1–2006，GB/T 20720.2–2006，GB/T 20720.3–2006）。

如图1所示，ISA95界定了MOM的边界：认为MOM以生产控制为核心；MOM包括的功能（粗虚线范围内）有：生产计划、物料和能源控制、产品库存控制、维护管理、质量保证（这些内容有部分在粗虚线范围外，表示这些功能与企业级的很多活动是重叠的）；与MOM密切关系的功能（粗虚线范围外）有：订单处理、产品成本核算、产品运输管理、采购管理、研发和工程、营销和销售。

图1 ISA95定义的MOM功能范围

ISA95提出了MOM的功能框架，规范定义了MOM的功能活动和数据流，如图2所示。ISA95认为MOM的功能活动包括：产品定义管理、生产资源管理、生产进度安排、生产分派、生产执行管理、生产跟踪、生产数据采集、生产业绩分析。

ISA95是业内最具影响力的MES标准，已经被包括中国在内的全球一百多个国家陆续接受为国家标准。本文将以ISA95标准作为出发点，对航空制造行业MES的标准化问题进行研究。

2 国内MES的相关航空制造行业标准

图2 ISA95定义的MOM功能框架

航空制造行业具有离散性、复杂性的制造特点，其生产模式是典型的多品种小批量、面向定单生产的模式，生产管理的复杂程度和难度比其它行业要更大一些，对生产管理规范的需求和迫切程度也一直走在各行业的前列，与生产管理相关的标准化研究工作也一直较为领先。

中国航空综合技术研究所是航空制造行业的标准化归口单位，多年来组织行业专家编制了许多与MES相关的航空（制造）行业标准：HB 6725–1993《生产作业计划管理》，HB 6726–1993 《生产调度工作管理》，HB 6727–1993《在制品管理》，HB 6728–1993《生产过程中的库房管理》，HB 6729–1993《生产现场管理》，HB 6730–1993《航空产品试制生产管理》。

这些标准覆盖了MES所涉及到的大部分业务对象，但是始终也没有一部标准从系统集成的角度来定义各业务对象之前的关系。随着航空制造行业MES项目的大量开展，航空制造行业内对行业MES标准的呼唤之声也越来越高。

本文将分析航空制造行业MES的特点，与国外MES理论相结合，提出具有中国航空制造行业特色的MES标准化参考框架。

3 航空制造业MES的特点分析

从航空制造行业生产管理领域的标准出发，结合在航空制造行业实施MES的体会，归纳出航空制造行业MES的一些主要特点，这些特点需要在航空制造行业MES标准的研讨和制订过程中重点考虑：

需要重点考虑到航空制造行业工艺方面对MES提出的一些问题：BOM（Bill Of Material，物料清单）和构型复杂，工艺复杂且难度大、工程更改多、超越和临时工艺多、强调版次和有效性管理、文档记录和跟踪管理复杂和严格。

ISA95针对部分行业提出了MOM的附加功能：信息管理、构型管理、安全管理、例外管理、文档管理、依从管理，如图3所示。

ISA95提出的这些附加功能对航空制造行业MES具有很好的代表性和适用性，其主要根源是航空制造工艺的复杂性和研制特色。

在生产管理活动中，需要严格遵循航空生产管理的要求，对实物零组件的投产、交接、加工、交付、使用的全过程进行批次乃至顺序号级别的管理。其中，飞机制造企业的MES要突出批架次管理的特点，航空发动机制造企业要突出连续台套管理的特点。这些特点是航空制造行业独有的，且在航空制造行业内是普遍适用的。

图3 由ISA95提出了的MOM附加功能

生产计划和现场执行的关系较其它行业更为密切：生产计划容易受外围因素影响造成变化，从而影响现场执行；现场执行容易出现问题，反过来又冲击生产计划。

航空生产的生产资源的类别很多，管理复杂，使得生产准备管理的难度很大；生产资源的问题造成航空制造企业的现场生产变动多，对生产计划的冲击较大。航空制造行业的MES需要重点考虑这个特点。

航空制造行业的生命是质量，现场的质量管理严格遵循ISO 9001体系的要求，航空制造行业MES标准的制定一定要结合ISO 9001的质量管理思想，符合其现场质量管理的基本要求。

航空制造企业强调精益制造，其MES中的生产绩效管理需要更多的借鉴精益指标管理的体系。

航空制造企业属于典型的离散制造企业，不同车间的自动化水平差异巨大，大量的车间依赖于手工的采集，自动化程度高的车间也很难做到流水线生产的管控一体化（强集成模式），因此航空制造行业MES在数据采集方面是典型的弱集成模式。

4 航空制造行业MES的企业级参考架构

航空制造企业一般都是多分厂/车间的组织模式，如果不加以标准化和统一规划，势必造成各分厂/车间MES孤岛化的局面。提出如图4所示的企业级MES架构，用于规范各分厂/车间MES的建设，标准化分厂/车间业务活动和流程，使得各分厂/车间的MES以统一的方式与其它系统进行集成，贯通各业务领域的数据流和信息流，降低系统集成的风险和问题。

图4 航空制造行业的企业级MES架构

如图4所示，将航空制造企业与MES相关的作业活动划分为7类：生产作业管理、车间库存管理、设备运行管理、工装工具管理、工时与成本管理、质量作业管理、现场文档管理。这种作业活动的划分是依据ISA95的业务活动（详见图1）和功能框架（详见图2）提出的，并做了部分针对航空制造行业特点的改动：

将ISA95中的生产进度安排、生产分派、生产执行管理统称为生产作业管理，主要是因为航空制造的生产计划和现场执行较其它行业要更加密切。除了要接收ISA95定义的企业级生产计划，航空制造行业的MES还需要接收来自装配分厂/车间的拉式生产计划。

车间库存管理、设备运行管理、工装工具管理属于ISA95中的生产资源管理的范畴，这里将其细分为3类进行突出，主要是因为航空制造对生产资源的依赖程度高，由其造成的生产变动也非常多。这3者可以延伸为生产准备管理系统。

工时与成本管理属于ISA95中的生产绩效管理的范畴。精益制造强调消除浪费，工时与成本管理反映出航空制造行业追求精益的特点。

质量作业管理（Quality Operations Management）是ISA95的提法，突出了质量保证在生产执行范畴中的落实，即现场级的质量管理。航空制造的质量作业管理需符合ISO9001管理体系的要求。

现场文档管理是依据ISA95建议的附加功能（见图3）而提出的，符合航空制造行业工艺复杂和研制多的特点。可以与企业级的文档管理一起构成完整的生产卷宗。

对于ISA95定义的数据采集活动，没有将其直接纳入MES中，而是将其归入MDC（Machine Data Collection，设备数据采集），主要原因是航空制造属于离散制造，对控制系统的集成是弱集成。

上述作业活动的管理既分布于各分厂/车间中，又需要在企业级做统一管理。而MES除了要直接管理这些业务活动外，还要起到连通企业级和分厂/车间级作业活动信息的作用。因此，在总体架构上做了如下设计：

将这7类作业活动处于分厂/车间中的内容划归MES管理，构成各自的MES系统。设计的关键点是：在各分厂/车间的MES中，同类的作业活动应当具有统一的功能模型，具有统一的、规范化的作业管理流程；在各分厂/车间的MES之间，同类的作业活动应当具有统一的信息交换方式，具有统一的、规范化的协同工作模式。

将各分厂中同类的作业活动归口到统一的管理系统，供公司级专门的业务部门使用。如：完整的设备管理系统由ERP中的设备管理模块与MES中的设备运行模块共同构成，服务于企业级的设备管理部门。

由于行业和企业层次模型的差异，ISA95并没有针对企业级和现场级交叉部分的活动做出详细的定义，本文提出了这种架构为解决航空制造企业MES细致边界的定义问题提供了参考。

5 航空制造企业的企业层次参考模型

ISA95认为MOM是处于企业活动的第3层，MOM与企业的层次模型密切相关。因此，在开展航空制造行业MES标准化研究时，需要首先定义的就是航空企业的企业层次参考模型。

ISA95提出企业的层次模型包括：企业、厂所、区域、单元、设备总共5个级别。考虑到不同类型企业的区别，ISA95又将企业细分为成批生产、重复生产和离散生产总共3种类型，提出了企业第3层活动对应的、更细分的企业层次模型，如图5所示。其中，离散生产企业的典型层次模型是：企业、场所、区域、生产线、工作单元。

图5 由ISA95提出的企业层次模型

航空制造企业属于典型的离散制造行业，参考ISA95的企业层次模型，提出航空制造企业的两类典型的层次化企业参考模型：

第一类模型是企业、分厂、车间、工段、设备的5级结构。其中，车间有时也称为单元或工段，工段有时也称为班组。

第二类模型企业、分厂、单元、设备的4级结构。其中，分厂有时也称为车间，单元有时也称为车间或工段。

本文的企业指多个分厂/车间的集合，能够决定制造什么产品、这些产品将在哪个分厂/车间制造、一般情况下如何制造这些产品。

航空制造行业以第一种企业层次模型为主，但随着单元化和扁平化理念的推广，越来越多的航空制造企业过渡到了第二种企业层次模型。

6 航空制造行业MES的参考功能框架

基于航空制造行业的企业级MES架构，结合航空制造行业的管理特点，提出了航空制造行业的MES功能框架，如图6所示。

航空制造行业MES的主要功能如下：

系统数据和系统配置管理：是MES系统的基础数据和基础配置的支撑功能。

生产作业管理：包括作业计划管理和现场作业管理，是MES的核心功能部分，覆盖了计划接收、分解、排程、下达、执行，即整个生产作业管理所需要的功能。

现场文档管理：现场生产过程中的生产工艺超越、更改等的控制管理，以及文档的电子记录。

质量作业管理：产品生产过程中的质量检验、监控和贯彻的管理手段。

图6 航空制造行业的MES功能框架

生产准备和制造资源管理：分厂/车间生产中所需要的设备、工装工具等生产资源的准备和管理。

工时和成本管理：通过现场作业过程获取工时和实作成本的信息。

精益指标控制和生产监控：对分厂/车间的各类精益指标进行统计和控制，及实时监控和掌握生产过程中的各种生产信息和生产状况。

集成接口功能：与ERP（Enterprise Resource Plan，企业资源规划）的接口，实现生产计划、物流的信息集成；与PDM（Product Data Management，产品数据管理）的接口，实现工艺文件和工艺数据的集成；与MDC和DNC（Distributed Numeric Control，分布式数字控制）的接口，实现与生产控制层的设备实时数据的接口功能。

7 工程验证和结束语

应用本文的研究成果，指导了某大型航空制造企业的MES企业标准制定，规范了该企业的MES系统的设计和开发，在该企业的所有分厂实施了MES，取得了较好的应用效果。

[1]AMR Consulting.Next generation plant systems:The key to competitive plant operation. http://www.amrconsult-ing.com/plantsystems.pdf, 1990.

[2]MESA International.MES Explained: a high level vision. http://www.mesa.org/html/resource.htm, 1997.