制造执行系统MES介绍

制造执行系统(Manufacturing    Execution    System,MES) 是 AMR公司(AdvancedManufacturing Research,Inc.)在1990年11月提出的，旨在加强计划与执行控制的功能。

1)MES 的定义

企业内部运营管理中的 MES是用于管理生产制造的计算机信息系统，它是位于上层的 计划管理系统与下层的工业控制系统之间的面向车间层的信息管理系统。它为操作人员/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)的当前状态信息。

美国国家标准与技术研究院 (NationalInstituteofStandardsandTechnology, NIST)将MES 定义为：“MES 是使用网络计算技术实现生产控制和过程自动化的系统。MES通过下载工艺配方和工作排程并上传生产结果，弥合了企业业务与工厂制造现场或过程控制系统之间的断点与脱节。”321世纪初， NIST对MES  的功能模块进行了划分，明确了MES 主要的标准功能包含资源调配及跟踪、作业(详细)进度计划、生产单元级调度、规范管理、数据汇集/采集、人工管理、质量管理、物料管理、产品追溯等。其中 物料管理是指管理物料(原料、零部件)、工具和辅料的移动、缓冲和存储，该处所说的“移动”直接支持加工作业及设备的维护和准备。

2)MES的功能和工作原理

(1)MES的功能

不同行业的生产和流通过程不同，因此对MES的要求和着重点存在差异。例如电子工业通常要求MES 着重于建立动态环境下的精确产品流动记录，而纺织和食品等流程制造业使用 MES 是为了提高设备利用率，获取详尽连续的批量记录，进行配方管理和加速生产。同一个行业中不同企业的关注点也不尽相同，所以 MES总是有针对性地对一个行业或企业的特定需求进行深度理解、挖掘与开发，这也是为什么MES 在不同的行业中会存在不同的专业服务商。但是，即便制造模式和行业不同，总的来讲，MES 都具有以下主要功能。

全面制造数据管理。管理全面制造数据，如产品结构、物料清单、工艺路线和工时定额等数据。

生产计划管理。全面管理企业生产制造过程，了解实时生产信息，掌握生产任务执行状况，制订最优的生产计划和排程，合理利用资源，缩短生产周期。

生产执行过程管理。通过详细的数据逐级查询和分析，帮助进行任务的协调与平准，优化生产计划与排程，动态响应生产现场的状态变化。

成品、在制品、工装器具的库存管理。通过库存检索功能，支持随时掌控与观测当 前库房情况及追溯历史记录；通过条码扫描操作管控整个流程，车间各工作中心接到加工任务时，工装器具库房可根据该制造工单及时准备，大大缩短等待时间。

资源分配和状态管理。管理工作中心、车间产线、机台设备、工装工具、物料与备 件、工艺文件、人员班次等，用以保证生产的正常进行。资源分配功能具有变更车间已制订的生产计划的能力。

人力资源管理。提供按照时长设定而定时更新的内部人员状态，作为作业成本核算 的基础，包括出勤报告、人员的资格跟踪。人力资源管理的劳务管理与资源分配功能相互作用，共同确定最佳分配比例。

文档管理。管理与生产制造各单元有关的记录和表单，包括工作指令、配方、工程 图纸、标准工艺规程、零件的数控加工程序、批量加工记录、工程更改通知，以及班次间的通信记录，并提供了按计划编辑信息的功能。

数据采集。通过数据采集接口获取生产制造单元的各种作业生产数据、记录和参数。

质量管理。对生产制造过程中获得的测量值进行实时分析，以保证产品质量得到良好控制，质量问题得到确切关注。该功能可针对具体质量问题给出相关纠正措施。

维护管理。观测、追踪和指导作业活动，执行为确保设备和工具正常运转的维护工作，安排定期检修，保障产线系统的正常运转。MES 的维护管理功能还能保留过往维护管理的历史问题和记录，帮助进行问题诊断。

产品跟踪。产品跟踪功能可以提供工件的位置和状态等信息，并创建历史记录，使得零件和每个末端产品的使用具有可追溯性。

绩效分析。提供按照时长设定且定时更新的实际生产运行结果报告，对过往实际记记录和运行结果进行比较。运行性能结果包括资源利用率、资源可获取性、生产周期、实际排程与计划排程对比、结果与标准的一致性等指标。性能的评估结果以报告或在线可视化的形式呈现

系统集成。MES拥有多个数据集成接口模块，能够与企业的BI/PLM/ERP/APS等上下游信息化、数字化系统实现有效的集成，在动态环境下为各类决策和计划工作提供获得最优解的可能。

(2)MES的工作原理

MES的核心逻辑与流程卡管理有类似之处。传统的生产制造企业通常采用流程卡来 进行生产的跟踪控制，即通过流水号控制生产进程。MES 通过创建产品的序列号来取代 传统的流水号，生产过程中的相关工序通过序列号与数据库进行交互，得到相关的控制信 息。序列号保存在企业的数据库中，作为产品今后的跟踪、追溯、查询依据，为达成各种 管理目的提供依据。最终产品和子件的实时跟踪结果是 MES 的数据基础，唯一的序列号可用于跟踪每个产品在工厂中的行程。

MES通过信息传递对从生产订单下达到产品制成的整个制造过程进行优化管理。当工厂发生突发事件时，MES能通过观测机制迅速察觉，并对此做出反应、分析、报告，用准确的数据对它们进行指导和处理。这种对动态状况的迅速响应使得MES 能够减少企业内部处理的时延和多余的行动，高效地指导工厂的生产运营过程，从而使其既能提高生产效率和及时交付能力，提高库存信息的使用价值，改善物料的流通性能，又能提升生产回报率，并通过双向的直接交互在企业内部和整个端到端的供应链中提供有关制造过程的关键信息。

MES利用多种信息技术工具进行交互。它通过传感技术、无线通信技术、计算机网络技术、智能数字技术、物联网应用服务平台技术等多种现代技术，通过信息共享，快速、准确地把握各种生产资源的使用情况，提高企业的生产资源利用率，增强企业的生产应对能力。

MES 对企业生产过程中的所有信息进行整合并实时更新。这利于实现各生产步骤之 间的交互与联通，在企业整体的生产过程中建立紧密的链条。同时，由于企业数据实时动 态更新，也减少了企业在工作中交互的烦琐与时延，提高了企业的工作效率和精度。

MES的运算能力可以帮助企业处理复杂工作。在传统企业中，计划人员经常需要 确认能够满足同时生产多种产品的总体能力，对于这类复杂问题的计算，就可以使用MES。MES具有基于计算机的数字化功能，在任何时候、任何情况下都能随时了解生产过程的状态和性能，为改进生产过程甚至分配工作订单提供了便利。

3)MES 的输入信息和输出信息

MES提供的数据是基于精确执行时间而获取的，这有助于精确表达生产过程的实时行为并为企业做出控制决策提供快速支持；而ERP 是以具体事务为基础的，其数据交换是对供应计划、生产计划、作业调度、运输安排要求的响应，无法满足生产过程控制决策必须在很短的时间内完成的要求。MES和ERP系统、APS系统、SRM 系统、CRM系统、产品和制造工艺管理系统、制造过程控制系统之间进行数据交互，为企业的多层面决策提供精准的数据依据.

一般来讲，ERP 系统向 MES 提供工作任务信息、库存信息和调度计划，以确定工厂 生产活动的时间表；产品和制造工艺管理系统向MES 发出工作指令、配方、工艺规程和运行参数；来自制造过程控制系统的数据用于测量实际绩效。

作为输出时，MES  向 ERP 系统提供实际生产数据，如成本、周期时间、产出、生产 能力、约束等；向产品和制造工艺管理系统提供在一定时间内使整个生产设备以优化的方 式进行生产的工艺规程、配方和指令等；向制造过程控制系统提供有关产品的产出和质量等实际数据。

2.MES  的实施

MES具有很强的行业特征，不同行业企业的MES的实施与应用会有很大的差异，

其关注的问题也多有不同。流程制造业企业以大批量生产为主，如化工、水泥、食品、制 药等行业都属于典型的流程制造业，这些行业中的企业主要采用按库存计划、批量性、连 续性的生产方式。因此，将各种不同的自控系统联网，使其自动采集生产过程的数据，实 现企业的生产信息集成，建立实时和历史数据库并构建产品追溯能力，是流程制造业企业 实施 MES  的重要和基础的任务。典型的离散制造业主要包括机械、电子、航空、汽车等 行业。离散制造业企业既有按订单生产的，也有按库存生产的，既有批量生产的，也有单件小批生产的，所以生产计划的制订、生产的快速响应、产品追溯是离散制造业企业实施MES的关键。

1)实施 MES的优势和劣势

MES 的实施给企业的制造运营管理带来很多便利，使得生产运营管理能力成为企业的核心竞争力之一。实施MES的优势如下。

资源整合的优势。实施 MES 后，企业物流、信息流高度集成，从而提高生产管理效率和决策水平。

标准化流程的优势。MES 的核心思想是面向生产制造过程进行管理。MES的导入和实施，使得企业生产制造过程的规范化和标准化水平得到了显著的提升，增强了企业运营管理水平。

控制能力强化的优势。MES 为企业制造运营管理提供有效的、一体化的控制手段。MES 通过提升柔性制造能力、动态计划排程能力、全面质量追溯能力、生产过程跟踪能力、多重物料拉动能力等来强化企业对生产制造过程的控制能力。

但是MES 在某些方面存在局限性，对比上、下游专业工具，MES 具有一些劣势，例如在应用市场上，很多MES 的生产调度管理使用的是推式生产计划，但实际应用环境是复杂的。MES 的生产过程管理是从生产现场采集信息，对生产过程加以监控，达到自动修正生产错误的效果，但是这种方式是一种被动的监控，其等待错误发生，然后进行补救，缺乏防患于未然的特点。MES 的排程算法能力相对高级计划和排程 (APS) 系统而言较弱，这也是制造模式相对复杂的企业使用APS 系统的原因。还有就是MES 中的计划功能，并不具备其他供应链计划软件的某些功能，例如需求预测等。

2)实施 MES的收益和风险

MES 实现了企业的流程固化、生产过程的检测和可视化、产品过程的可追溯，能够准确地采集成本信息，对产品的质量管控提供了有效的手段，这些措施提高了企业的生产效率及产品品质、降低了制造与管理成本、提高了交付水平、减少了废料和浪费、缩短了正常运行时间、增加了库存信息的使用价值、提高了企业生产计划的制订和调整能力、提升了生产绩效分析的效率和生产决策的准确性。

但同时，实施MES 也会给企业带来相应的风险，例如不菲的成本和实施失败造成 的损失。但总的来讲，确实需要实施MES 的企业在充分调研后，寻找合适的 MES 实施 方案，做出适当的选择，完善实施过程，也能使得利大于弊，为企业制造能力的提升提 供动力。

3)实施 MES 的条件

在引入MES 的过程中，实施是一个重要的进程。要将MES 导入企业的运营体系之中，企业需要先完善管理基础，根据现状、需求和发展规划，选择最优的MES软件和实施团队，而后采用科学的实施方法充分准备，才能促使MES 正式运行、发挥效用。以下几点是实施MES的重要条件。 

选择对应企业需求且在相关领域已经广泛应用的MES软件十分重要。

经验丰富的实施团队。

实施过程分工明确，职责清晰。

建立专业的人才架构和推动组织。实施 MES需要最高管理层选择得力的 MES项目经理，并搭建跨部门的项目内部实施团队，选择优秀和具有丰富职能经验的人员。

重视培训，提高全体员工对于MES 的认知，相关人员熟悉MES的操作与运行逻辑。

重视数据治理体系。建立数据准确、及时、完整的保证制度。

推进业务流程再造。充分利用MES实施过程，推动企业业务流程再造，建立专业的管理流程。

推进生产流程优化，以流程管理保障生产流、信息流的通畅。

进行 MES模块的统一规划，关注实施进程的科学管理。

4)国内主流 MES 软件与方案提供商的发展与现状

随着国际 MES 软件与方案提供商如雨后春笋般出现，国内 MES 软件与方案提供商 也进入快速发展阶段，这些以国内制造企业的需求与实践为主的软件与方案提供商，借鉴 国外自动化方案厂商的成功经验，结合本地制造模式和供应链弹性策略的特点快速发展。国外成熟的MES 软件与方案提供商多以制造业企业起家，熟悉本行业的制造特征，而国内的 MES 软件与方案提供商则大多以软件开发与实施公司为主。

从目前我国 MES的业务规模和行业分布来看，流程制造行业实施MES的需求占比较大；离散制造行业的需求还处于起步阶段，未来潜力大。虽然国内MES软件与方案提供商市场集中度低，目前还没有出现市场垄断者，但随着国内MES行业逐渐成熟及国内MES软件与方案提供商逐渐熟悉本地用户需求的特点，未来一批头部企业将会逐渐出现。从当前的发展状况来看，国内某流程制造行业龙头MES软件企业已经可与国外流程制造行业龙头MES企业对标，而且未来有望成为钢铁行业龙头MES软件企业；而国内离散制造行业MES 软件企业多在加强与国外企业的合作与学习，快速地追赶，在汽车船舶、电子制造、航空航天等领域广泛地开展实践应用。

3.MES  应用案例

位于浙江的某上市公司，主要从事半导体用超高纯金属溅射靶材和半导体用精密零部件的研发与生产服务，是国内半导体上游产业链的重要参与者。

2011年，由于企业生产规模的不断扩大及其采用的典型的多品种小批量生产管理 模式，光使用 ERP 系统无法做好生产加工过程追踪及与品质过程管控。由于行业的特殊 性，工艺流程管控复杂，该企业的每一款产品都要根据加工需要，设计定制、指定的工艺 流程，工艺流程因产品不同而不同，差异化大，因此企业具有对工艺流程的变更及监控执 行要求高，产品价值高，生产过程管控对成本和品质影响大，精加工、粗加工设备参数复 杂，生产过程中对设备依赖性高，设备保养、维修、辅材管控、数据管控要求高等行业特点，急需实施 MES 来弥补 ERP 系统的不足。

通过3个月的调研、建模、测试， MES 彻底取代了以前的手工填写流程卡，使得 1,000多种不同产品有条不紊地制造并实时反馈加工信息。2011年10月， MES 项目顺利 上线，并取得了预期效果，MES 已经成为该企业提升执行力的得力工具。该项目功能包 括电子文档化流程卡管理、原材料批次管理、焊接/粗加/精加/组装测试及包装管理、 提供所有的流程指导与报警、提供完全的“人机料法环”的追溯、提供生产线滞留产品的电子看板警示、提供与三坐标等测试仪器的联机集成、与 SCP 实时交换数据等。

该企业是国内首家实施 MES 的靶材制造商，通过实施MES, 该企业已经成功实现 产品生产过程的实时控制、物料防错、成本管控、品质分析、工单排程，并与 ERP 信息 系统进行数据交互。MES 的实施为企业开展精益制造管理和提升整体运营能力提供了充足的动能。图8-4展现了该企业 MES 制造任务管理模块的部分内容。