浅谈MES在生产中的应用建设及智能制造下的新理解

张安平 李永华 张晓华 史晶 段平虎 吴志刚

1.陕西渭河彬州化工有限公司；2.浙江中控技术股份有限公司

智能制造工程作为《中国制造2025》五大工程之一，对企业提质增效，降耗降本，提高核心竞争力和可持续发展能力起着积极作用。本文介绍了制造执行系统(MES)在企业信息化建设中的地位、系统架构以及在智能制造政策背景下其功能的新理解；论述了工厂制造执行系统在企业管理中的意义及作用。

随着第四次工业革命的到来，世界主要发达国家政府及组织高度重视，积极制定了相关的战略规划，大力提升工业智能化水平已经成为全球的共识与未来的趋势。与此同时，世界工业强国的制造业战略核心也均指向智能制造，伴随着上一轮科技革命传统动能的规律性减弱，同时以物联网、大数据、人工智能等为代表的新一代信息技术创新发展正加速向实体经济渗透、沉淀和融合。

《中国制造2025》，这是中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。实现制造强国的方法就是坚持信息化与工业化深度融合，加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，把智能制造作为两化深度融合的主攻方向，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。

以新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用思路智能工程是建设智能制造工程的新方法，而MES作为智能工厂中承上启下的关键环节，对企业降低工作强度、降低物耗能耗、提高生产经营效率、降低企业成本、提升科学决策水平起着积极并且重要的作用。在智能制造的大背景下，传统MES越来越无法满足企业的需求，此时我们必须重新理解MES的定位与作用，使其能承担智能制造赋予的使命。

1 MES定义与作用

MES是Manufacturing Execution System的首字母缩写，中文为制造执行系统，一套面向制造企业生产执行层的生产信息化管理系统。MES在企业信息化建设层次中处于经营管理层与底层控制系统之间，起着承上启下作用（如图1所示），通过获取底层控制层的数据及MES系统本身功能体现生产运行状态的数据，为管理人员、操作人员提供生产运行状态数据以及在生产运行过程中的人、设备、物料、工艺、流转流程状态数据，从而为上层经营管理层科学决策提供数据支撑，对企业提质增效，降耗降本，提高核心竞争力和可持续发展能力起着积极作用。

图 1 MES在企业信息化建设中的层级Fig.1 Hierarchy of MES in enterprise informatization construction

2 MES系统架构

按照MESA（国际MES协会）给出的定义，MES应该包含：资源分配和状态管理、工序详细调度、文档控制、数据采集、过程管理、生产计划和调度、质量管理、性能分析、产品跟踪和记录、维护管理、人力资源管理11个模块。

根据本人十年MES项目经验来讲，实际建设过程中MES架构主要包含3个层次（如图2所示）：

（1）基础数据层：包括实时数据库、数据集成或数采方式，实现企业底层控制系统实时数据进入MES中，数据是一切应用和功能的基础；

（2）业务应用层：包括系统管理、工厂基础信息、调度管理等应用管理（详细如图2所示），这是MES的功能核心也是实现为管理人员、操作人员提供生产运行状态数据以及在生产运行过程中的人、设备、物料、工艺、流转流程状态数据的手段；

图2 传统MES系统架构Fig.2 Traditional MES system architecture

（3）决策支撑层，也叫展示层：包括生产运营综合展示、统计报表、移动App、集成，这一层次主要是解决MES数据汇总数据展示数据共享的问题。MES各业务模块是分开的，不同的业务模块对应不同类型的生产运行数据，数据不够汇总，不能集中展示，不能导入导出更无法有效集成，综合展示页面和报表能很好的汇总并集中展示数据，移动App解决了数据在厂内与厂外共享的问题（MES几乎都是B/S架构，也就是服务器+PC浏览器模式，通常为了数据安全MES只能与企业办公网相连）同时也解决了数据时效性问题，可以移动端看流程图，也可以通过移动端处理待办查询消息通知等，集成是为了勾通经营管理层系统，例如很常见的MES收发货数据集成至SAP(ERP系统的一种)单据中。

3 传统MES功能

我们总说MES 6大要素：人、机、料、法、环、测，也总说MES提供生产运行状态数据以及在生产运行过程中的人、设备、物料、工艺、流转流程状态数据，下面就介绍一下MES功能是如何提供这些数据的。

3.1 计划管理

经营管理层利用SCM（供应链系统）、EAM（资产管理系统）等系统，在综合考虑市场、供应链、战略目标等各种因素情况下制定出年度生产计划、月度计划，MES作为定位执行层的系统，管理计划跟踪计划是MES的计划管理模块的主要功能，主要包括计划拆分、计划变更、计划跟踪。

（1）计划拆分：MES提供因素模型与系数指标，供月、日计划拆分，减轻计划拆分工作量，以达到计划更细更符合实际情况更容易完成的目标。

（2）计划变更：实际生产过程中会存在计划外停车、原料短缺等不定因素会造成生产计划变动，MES提供计划变更功能，包含计划变更申请、审核、确认、追溯等环节形成完整闭环管理，方便企业留存记录与追溯。

（3）计划跟踪：MES利用自身数采与物料管理模块，每天（也可以细到班粒度）生产投入产出数据（详细见物料管理模块），同时基于报表模块形成生产日报、周报、月报。基于投入产出数据得出计划完成情况数据，为经营管理层提供决策数据支撑。

3.2 工艺管理

MES提供基于装置下的工艺方案管理，提供基于工艺方案下的工艺参数管理、工艺参数监控、工艺分析、工艺台账、自控投用率、联锁管理功能，全面反应工艺运行数据。

（1）工艺参数监控：利用可视化展示技术把工艺人员、管理层关心的关键工艺参数集中监控，实时展示参数数据和运行趋势。

（2）工艺分析：利用趋势图对比的方式为工艺人员、管人员提供关联工艺参数对比功能，方便总结工艺参数直接的关联关系和运行规律，指定工艺参数调整。

（3）联锁管理：利用可视化页面监控联锁投用状态，统计联锁投用率。联锁的存在是为了针对极端情况包括安全联锁、工艺联锁等，但在实际生产过程中企业出于各种原因可能存在联锁未投用的情况，此时管理人员和工艺人员需要了解联锁投用情况，做到心中有底。在其他变动因素制约下如工艺方案、设备状态联锁数据存在变更的情况，MES提供联锁新增、变更、投用、切除等场景下闭环管理功能。

（4）工艺台账：基于MES数采条件，每小时或者半小时自动记录工艺数据。

3.3 调度管理

调度岗位在企业中是一个比较重要的岗位，它主要的作用是全厂生产监控、生产调度（物料调拨、生产活动安排，确保生产有序运行），信息上传下达。MES提供指令管理、调度日志管理、调度监控功能。

（1）指令管理：调度指令功能提供调度令、指标指令、作业指令的编制、审核、下达、反馈、浏览等功能。实现调度指令在系统的全流程闭环管理，辅助调度人员进行指令执行情况的动态跟踪、事后的问题追溯。

（2）调度日志管理：MES提供交接班日志，由调度人员记录当班生产情况、接班信息、交班信息。调度岗位人员可以进行交接班操作，以及历史交接班数据查询。

（3）调度监控：MES提供流程图功能，建立覆盖生产过程的信息展示模型实现原料到货及使用情况、库存、产品产量及出厂、能耗、生产预警预报等各个专业角度全面监测生产过程情况。

3.4 物料管理（公用工程）

MES物料管理、公用工程管理最终目标是要得出物耗数据和能耗数据，为企业成本核算提供数据支撑。MES物料管理、公用工程管理模块最终结果其实就是简单的原料、半成品、成品收拨存平衡表以及能源分摊表，形式虽然简单但是包含的内容和数据确是不简单。依托工厂模型（装置模型、侧线模型、计量点模型、罐区模型、进出厂模型）结合实时数据库实时数据生成装置投入产出数据、储罐库存变化数据、进出厂数据，我们称之为底层数据，但是这些数据还不足以计算物耗数据、能耗数据，因为物料平衡是站在收拨存的角度，也就是说物料平衡需要的是物料移动数据（可以简单理解为统计平衡模型）。下面着重介绍底层数据是如何转化为物料移动数据的。

（1）底层数据：装置投入产出数据是单站在装置界区角度，统计出这个装置界区段时间内（天/班）消耗的原料量、产出的产品量、消耗的公用工程介质量、副产的公用工程介质量。库存变化数据是单站在罐或者罐区界区角度，统计出罐或者罐区段时间内每一个物料的库存变化量，能源介质消耗量。进出厂数据是站在全厂角度统计段时间内进厂、出厂的物料量。

（2）物料移动数据：先说一个自己总结的概念，物料移动数据是物料在全厂的移动量，这个移动量是需要仲裁的。举个例子，装置消耗的数据（一般场景是原料从原料罐通过管线进入装置消耗掉）是通过装置界区计量点计量的，罐区供出的数据是通过罐存变化量来统计，假设本次物料移动比较单一，就是原料从原料罐到装置，那么装置消耗数据和罐变化数据会存在数量不一致的情况，此时就需要仲裁（如图3所示），仲裁量就是真实的代表原料在原料罐与装置之间的移动量，仲裁有仲裁标准，也就是平衡规则。当我们把全厂的各界区都关联起来，物料移动的关系就复杂了，此时仲裁也变的更加复杂，需要更复杂的平衡规则和算法（这里涉及核心机密就不详细介绍），此处只以进出厂结算量第一，以储罐库存变化第二，以装置节点精度为系数第三的准则进行仲裁，全厂仲裁后的物料移动量就是物料移动数据，也是统计平衡（物料平衡表、能源分摊表）的数据基础，相同物料相同移动关系经过逻辑汇总就形成物料收拨存数据，如图4所示。

图3 单一物料移动平衡 Fig.3 Movement balance of single material

3.5 操作管理

通过交接班管理、平稳率模块对生产过程中的人的状态进行监控，以及对人工操作的平稳率数据进行监控，从而为劳动竞赛提供数据支撑。

3.6 设备管理

MES设备管理目前只是停留在设备运行状态监控及简单的设备检维修管理，这里就不多做描述。

4 智能工厂下MES新理解

现代制造业正向市场全球化、制造全球化、产品多样化、个性化的方向发展，传统的MES灵活度、范围、智能化方面都暴露出不少缺陷，在满足企业数字制造、智能制造方面越来越感觉到无力，特别是在中国制造2025政策大背景下，智能工厂工程强调要能为企业提质增效，降耗降本，提高核心竞争力和可持续发展能力，这就对MES提出了更高的要求，因此我们也必须重新思考MES如何迈出智能的步伐。

4.1 物料监控

MES目前只是做到从统计的角度核算物料的收拨存为成本核算提供数据支撑，没有充分发挥生产执行层角度对物料从进厂（甚至进厂前，进厂前下面供应链整合会讲到）到出厂后全流程的监控。统计数据的周期一般都比较长，生产过程中需要的是物料进厂、移动、消耗、产出、库存、出厂全流程状态和数量。通过集成汽车衡、轨道衡、卸车卸船流量计实时数据获取进厂量和出厂量，进厂量和库存量对比可以监控途耗储耗，对比装置计量和库存数据可以监控是否存在跑冒滴漏等物料损失问题，对比物料在装置移动前后的量可以监控装置的转换率、加工损失问题，通过监控实时库存数据为物料调拨等操作提供数据支撑切实提高企业的管理效率。

4.2 大数据分析

MES目前是数据制造者，能提供物耗、能耗数据，能提供工艺运行数据，能提供设备运行数据，能提供人员绩效数据，但是MES无法对这些数据进行深度整理和分析，在数字经济的时代，MES并没有充分挖掘这些数据的价值，如何充分利用这些数据挖掘出生产运行背后的规律，为管理层优化决策从而给企业带来提质增效提高核心竞争力，是我们需要着重考虑的问题。

（1）最佳工艺参数：我们都知道企业购买的工艺包里面包含的关键参数范围一定是个范围，关键参数最核心的范围方案供应商肯定不会提供。对应企业来讲谁掌握了关键参数的最佳参数值，哪怕缩小它的范围也能提质增效降低成本掌握核心竞争力。通过对MES工艺台账的小时级数据，或者对实时数据库秒级数据进行大数据分析，对过对关联参数数据的关联分析，找到影响产品产量、质量，影响物耗、能耗，影响装置平稳运行的最大参数，找到各参数的最佳参数值，让每一个参数都保持在它最佳的状态，从而让整个生产装置在最佳的状态运行。

（2）人员绩效数据：企业运行管理中很重要的一个问题是人员的管理问题，目前MES中的操作平稳率是人员绩效数据中很重要的一部分，如果通过大数据分析手段进行班次、班组之间数据的对比，分析影响人员状态的因素，为提升管理提供更多的参考。举例来讲，企业基本都是倒班制，可以分析白班、夜班收率、平稳率数据，总结人的作息习惯对工作状态的影响，对应的在管理上可以在夜间为班组人员提供醒神的饮料等方式，保持人员的良好状态。

（3）设备运行数据：利用设备运行数据可以总结出设备运行规律指导检维修计划的指定，利用设备组件更换的频率可以找出不同供应商不同型号组件的质量和对成本的影响，让数据成为将本增效的利器。

4.3 供应链整合

供应链是指生产及流通过程中，涉及将产品或服务提供给最终用户活动的上游与下游企业所形成的网链结构[1]。企业一般都使用供应链管理系统（SCM）解决上下游复杂的业务，它解决了供应商分散不集中、产品品种太多问题降低采购成本，解决了订单问题缩短订单处理时间提高订单处理效率和订单满足率，解决了库存周转率资金积压的问题，好处很多，但是个人认为智能制造下MES与供应链还存在很大的整合空间。

（1）生产方案制定、调整和跟踪：通过订单的规模和优先级进行生产计划制定，结合供应商的物流信息分析原料是否充足及时调整生产计划和负荷；依据MES产出数据跟踪生产计划完成度，实时监控订单完成率，确保订单能按时按量交付。

（2）提高库存周转：依据MES原料消耗数据、库存数据、装置负荷数据合理给出采购建议，降低原料库存；依据MES产成品库存数据及时为销售策略调整提供依据，降低成品库存，提高库存周转率进而提高资金运转效率。

（3）效益预算：依据MES物耗、能耗数据，结合供应链中的价格数据推演不同生产方案下的效益，为企业经营决策提供数据支撑使企业效益最大化。

（4）制定作业活动计划：依托MES负荷、库存数据，结合采购、销售订单物流数据，安排装卸货、倒罐等物料调拨活动计划，为科学调度提供数据支撑，提高企业生产活动效率。

4.4 生产方案一键切换

其实说到底，MES现在只是企业底层控制系统数据的使用者，停留在数据采集加工层次，没有实现制造执行系统中“执行”的作用，离真正的智能制造差距还很大，并且现在反写控制系统数据也不是什么困难的技术，例如APC（先进控制系统）可以通过OPC服务器接口反写数据调整工艺参数，油品调和系统也可以通过调和头和自动化阀门实现按计划油品调和，如果MES能利用这些技术真正做到去控制去执行，那么经营管理层的策略可以更好的落实，生产效率也将大大提高。

前文我们讲过，我们可以结合供应链数据进行生产计划的制定和调整，也可以做出负荷调整的决定，但是我们知道企业在实际运行期间生产方案切换、负荷调整都是需要一个漫长过程，如果利用计划数据和负荷调整指令数据，通过先进的技术手段做到一键切换生产方案一键调整负荷就能大大提高生产效率，做到生产灵活变动以应对多样化、个性化灵活变动的市场需要。

5 结论

在市场全球化、制造全球化、产品多样化、个性化的趋势下，在智能制造大政策背景下对MES更高要求的情况下，MES一定要做到对决策的快速响应和执行，做到帮助企业提质增效，降耗降本，提高核心竞争力和可持续发展能力。国家发布《智能制造2025》战略，我们也能看到国家层面对制造大国到智造大国升级的决心，相关利好政策也在逐步出台，这是利好的一面。我相信随着更多的业内人士、更多的企业对MES智能化理解的加深，对MES智能化更多创造性的想法和尝试，MES智能化发展的脚本一定会加快，我期待在不远处与大家一起迎接MES智能化的黄金时代。