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張志檁（1945－）
男，河北衡水安平人，教授級高級工程師。畢業于中國科學技術大學無線電電子學系，一直在石油化工戰線工作。曾任大慶石油化工總廠自動化處車間副主任、自動化研究室主任、信息中心主任，后調中國石化總部，先后任中國石化總公司經通信息公司、中國石化總公司信息中心、中國石化集團公司信息中心副主任兼總工程師、中國石化股份有限公司信息系統管理部副主任。被國務院授予享受國家政府津貼的有突出貢獻的國家工程技術專家。

    MES是舶來語。是Manufacture Execution System 的縮寫。談及MES必須先談生產。生產是個系統。生產系統是生產產品的制造企業的組織體系，是實現規定目標的有關生產單位的集合。它具有設計、加工、交貨、銷售等綜合功能。生產體系模型如圖1所示。涉及人、財、物、信息等資源，產、供、銷等環節。以及供應商、客戶、合作伙伴等。

      　

                                   圖1   生產體系模型

    其中，生產管理是通過對生產系統的戰略計劃、組織、指揮、實施、協調、控制等活動，實現系統的物質變換、產品生產、價值提升的過程。要善于進行生產運營戰略的設計計劃、運作與控制、分析與改善的P、D、C、A循環，分析問題，查找原因，制定對策，改善生產。生產管理是企業價值鏈的主要環節，是企業市場鏈的主體職能，是影響產品質量、成本和交貨期的決定因素，是構成企業核心競爭力的關鍵內容。MES是企業級的資源計劃系統和工廠底層的控制系統之間的各種工廠管理系統的集合。是提高企業工廠制造能力和生產管理能力的重要手段。主要包括生產計劃與調度、物料平衡及物流管理、庫存管理、工藝技術管理、過程監控管理、質量管理、HSE管理、設備管理、能源管理、成本管理、績效管理等。

    根據工業的特點，一般劃分為流程工業、離散工業和界乎兩者之間的間歇工業。如圖2所示。

                                圖2   工業過程的分類

    對于流程工業的生產管理，重點要考慮四個一體化。關于計劃體系，應根據AMR Research公司提出的制造業務過程模型（REPAC： Ready, Execution, Process, Analyze, Coordinate），保證從經營計劃、銷售計劃、訂單需求、月度生產計劃 、日作業計劃、班組生產協調的一體化；關于質量體系，應基于全面質量管理的P、D、C、A循環，達到新產品研發、產品標準、制造標準、質量檢測、質量控制、持續改進的一體化；對于成本體系，應達到產品成本模擬、計劃成本、實際成本、成本差異分析、成本核算、成本控制的一體化；對于設備體系，實現設備基礎管理、設備維護保養、設備維修、設備監控、突發故障其中，生產管理是通過對生產系統的戰略計劃、組織、指揮、實施、協調、控制等活動，實現系統的物質變換、產品生產、價值提升的過程。要善于進行生產運營戰略的設計計劃、運作與控制、分析與改善的P、D、C、A循環，分析問題，查找原因，制定對策，改善生產。生產管理是企業價值鏈的主要環節，是企業市場鏈的主體職能，是影響產品質量、成本和交貨期的決定因素，是構成企業核心競爭力的關鍵內容。MES是企業級的資源計劃系統和工廠底層的控制系統之間的各種工廠管理系統的集合。是提高企業工廠制造能力和生產管理能力的重要手段。主要包括生產計劃與調度、物料平衡及物流管理、庫存管理、工藝技術管理、過程監控管理、質量管理、HSE管理、設備管理、能源管理、成本管理、績效管理等。
根據工業的特點，一般劃分為流程工業、離散工業和界乎兩者之間的間歇工業。如圖2所示。

                                     圖3   為什么需要MES

1.2 企業管理的內在規律

    如圖4，5，6所示，MES從時間空間角度以及業務鏈條看，是企業管理中不可或缺的領域和環節。

1 MES產生的背景

    MES一詞相對其他信息系統在中國流行較晚。很多企業決策者開始常提到：為何需要MES？外國也有同論：Why MES (Manufactory Execution System)？因為許多規劃是先實施ERP，后實施MES。因此產生了為ERP實施MES的結論。其實不盡然。

1.1 企業生存環境的客觀需要

    因為工廠級、車間級管理面臨著新的挑戰：需要上下游車間的高效溝通，信息的及時性、準確性，隨時面臨的計劃變動，越來越細的任務單元，越來越高的質量追溯要求，管理人員成本的不斷升高，但管理越發集約化和精細化等。如圖3所示。

                              圖4   企業業務管理時空范圍

                                     圖5   生產管理的業務鏈

     

                         圖6   過程調度、運行管理在SCM中的地位

1.3 信息技術發展的必然結果

    信息技術在企業中的應用，首先是解決生產過程控制的問題，而且發展迅速。接著就是提升經營管理水平和手段，產生了以ERP為代表的一大批軟件。如圖7，8所示。

                        圖7   生產過程控制與管理技術的變遷

     

                           圖8   生產運營管理信息系統發展變遷

m    但是，在實施ERP的過程中，人們發現：ERP的規模大、周期長，導致46%逾期完成；支出多、投入大，導致41%超過預算；多種原因致使49%沒有達到預期的社會效益、經濟效益和目標。其中一個重要因素是與生產現場的連接與集成被忽略了，而生產現場的數據，即完美的生產信息是ERP的基礎，是集成的關鍵。由于ERP層和DCS層的工作是分別進行的，因此產生了兩個問題：一是橫向系統之間的信息孤島（island of information），二是ERP和DCS兩層之間形成缺損環或斷缺鏈接(missing ring or Link)。這也是催生MES的重要原因。日本近期曾經對ERP的期望作過調查，按期望值排隊，最高的是信息集成，實現一元化、一體化，以及提高經營管理的實時性、效率和響應速度，也說明了這個問題。

    因此，國際上公認的信息化總體架構是：原則上將框架劃分為三層，即PCS層、MES層、ERP層。

    PCS層為底層，以硬設備為主，主要面向操作工人，實現生產過程操作運轉自動化，減少操作工人編制；

    MES層為中間層，承上啟下，以生產運行管理軟件為主，主要面向生產管理人員，實現生產管理信息化，以及管理組織的扁平化和緊密化；

    ERP層為最高層，以經營管理軟件為主，主要面向經營管理和決策人員，實現經營決策管理信息化以及管理組織的扁平化和集約化 。

    近期從最上層分離出決策層，演變成四層結構。突出實時制造性能監控、實時運營智能等管理理念。

2 MES的功能地位

    國外提出4R（resources）模型和4P(Process, Product, & Production )模型，4P模型如圖9所示。MES主要管理四種資源，包括生產活動中的人力資源（Personnel resources）、生產設備（Equipment）、物料和能源（Material and Energy)以及工藝過程鏈（Process Segments）；在企業經營計劃層面與生產過程控制層面之間，實現生產能力定義信息的交換、產品定義信息的交換、生產調度信息的交換、生產績效信息的交換（4P交換功能）。

    

                                圖9   MES層面實現的信息交換范圍

    AMR組織定義的MES11個功能主要如下：（1）生產資源分配與監控；（2）作業計劃和排產；（3）工藝規格標準管理；（4）數據采集（裝置在線連接采集實時數據和各種參數信息，控制系統接口，生成生產數據記錄、質量數據、績效信息、臺帳累計）；（5）作業員工管理；（6）產品質量管理；（7）過程管理（過程控制、APC、基于模型的分析與模擬、與外部解析系統接口）；（8）設備維護；（9）績效分析；（10）生產單元調度；（11）產品跟蹤。AMR組織則又稱按11個功能實現的整體解決方案為MESⅡ（Manufacturing Execution Solution）。

    上述功能主要針對離散業，具有中國特色的流程工業的MES功能模塊組成建議如圖10所示。圖中看出，MES的基本模塊包括連接SCM的生產計劃與調度模塊，生產績效信息管理模塊，質量管理與實驗室信息系統模塊，技術管理、工藝指標管理、電子文檔管理模塊，連接ERP的物料管理、庫存管理、成本管理、設備維護管理等模塊。其中技術管理功能往往是被忽略的。至于擴展的功能模塊應該有：罐區流體移動管理、平衡管理模塊，能源平衡管理模塊，HSE管理模塊等。甚至還有流程模擬與優化、先進控制與優化、操作優化與指導等。這些都是生產運轉層面的技術，都可劃入MES的范疇，而且只是流程工業特有的技術。

                         圖10   流程工業的MES基本功能模塊組成

3 實施MES的關鍵

3.1 對企業制造執行能力進行分析

    MES是制造執行系統，為生產制造管理服務，旨在提高生產制造執行能力和水平。因此，實施MES前，首要問題是對現有的制造執行能力進行評估?，F有能力來源于人工制造管理和既有的制造執行管理信息系統，當然不是我們要討論的MES系統。由孫彥廣教授所著的《流程工業制造執行系統》一書介紹，MESA國際組織給出了MES成熟度模型，即制造執行能力成熟度模型（Manufacture Execution Capability Maturity Model, ME-CMM）。它從制造戰略、制造質量、供應鏈協調、信息收集、績效管理與改進、制造基礎設施等角度把企業的制造執行能力成熟程度劃分為差、尚可、有效、優良、高級目標等5個等級。使用成熟度模型，根據企業目前狀況和環境對企業的要求，對企業進行評價，找出差距，定出目標。ME-CMM如表1所示。

                           表1   制造執行能力成熟度模型（ME-CMM）

    如果仿照軟件能力、信息化能力或IT能力成熟度模型，也可建立MES能力成熟度模型，即MES-CMM。也可對照表1分級分為CMM0,1,2,3,4五級。0級最差，4級最好。

    上述指標畢竟是西方的理念與文化，與中國有些差距。MES-CMM可以定義成適合中國的制造運行安全能力、產品質量能力、裝置設備運行能力、基礎設施和IT支撐能力、運轉操作能力、制造管理和調度能力、成本控制能力、企業盈利能力和制造競爭能力等。這是MES的核心，也就是中國總結的“產、供、銷”三環節以產為主，“人、財、物”三要素中以物為主，“安全、穩定、長周期、滿負荷、優質優化生產”五大運行目標的具體化。

3.2 選好功能模塊

    就流程工業而言，MES的核心是生產指令的執行和生產績效的分析。這也是MES系統中最重要的模塊─生產運行管理模塊的核心，即生產計劃、統計與調度。生產運行的基礎是設備及其運行，因此設備管理模塊和數據采集和存儲（實時數據庫），也應是MES的基本模塊。一般還有產品質量管理模塊，成本管理模塊，物料平衡與倉儲管理模塊等。目前，隨著管理的集約化和精細化，又有新的需求。產生了新的信息技術和軟件。如模擬優化軟件、油品移動和調和軟件、節能降耗軟件、節水減排軟件、HSE軟件等，增加了MES的功能。安全軟件如圖11所示。

                          圖11   SAFER Real-Time 實時安全應急軟件

3.3 做好集成

    隨著信息技術的進步，企業管理的空間、時間范圍在擴大，同時管理的細度或粒度又在縮小。從宏觀和微觀上都要求可視化和實時化，這就需要集成技術。一是MES各模塊的集成，二是MES和PCS層面、ERP層面的集成，三是企業內部與企業外部的集成。目前流行的理念和技術是實時績效管理服務，如圖12所示。另外列舉西門子的集成軟件XHQ，如圖13所示。

                              圖12   制造績效服務集成架構

     

                          圖13   XHQ的企業信息化全面集成解決方案

4 結論

（1）信息化普遍設計為有機相連的三層或四層架構。

（2）ERP與MES的界限是模糊的，有些功能有重疊。所以，其模塊邊界的劃分是有學問的。 ERP不能代替MES，對流程行業尤其如此。

（3）以DCS為重點的控制系統，以ERP為代表的經營管理系統，以MES為核心的生產運行指揮調度系統，是企業信息化的三大領域。其中MES的效率和效益最具潛力。

（4）MES重點關注“人、財、物”的“物”，”產、供、銷”的“產”，以及生產運行的“安、穩、長、滿、優”。

（5）實施MES可先從基礎的、基本的模塊做起，再實施擴充的、增強的、高級的模塊。

（6）沒有一家的產品能包打天下。MES模塊應優中選優，再通過第三方集成平臺軟件進行綜合集成是上策。

（7）除了選取MES應用模塊、軟件外，選取集成商或主承包商提供整體解決方案和集成最關鍵。