1、一、前言流程工业企业综合自动化系统研究的核心技术问题是企业综合自动化系统的定义以及如何设计构架企业综合自动化系统。自动化在 20 世纪 90 年代以前仍是自动化孤岛模式，进入 20 世纪 90 年代以后，国内外企业在国际市场剧烈竞争的刺激下，特别过程工业还受到环境保护的巨大社会压力。节能降耗，少投入多产出的高效生产和减少污染的洁净生产成为企业的生产模式，企业把提高综合自动化水平作为挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的 CIPS 成了当前自动化技术发展的趋势。从 1973 年计算机集成制造的概念提出开始，经过 30 多年的研
2、究与发展，CIPS开始在石化、化工、食品、制药、炼钢和造纸等行业得到了实施与应用，并已逐步由五层Purdue 模型演变为两库(实时数据库、关系数据库 )三层(ERP 、MES 、PCS)的体系结构，如图 1 所示，该三层架构已成为西方先进工业国家流程工业 CIPS 理论和产品的主流框架。也就是说 CIPS 的主流框架为：以实时数据库、关系数据库为核心，由过程控制系统层(Process Control SystemPCS) 、生产执行系统层(Manufacturing Execution SystemMES) 和企业资源规划层(Enterprise Resource PlanningERP)组成
3、的两库三层体系架构。图 1 企业综合自动化系统架构模型二、MES 的定义MES 是英文 Manufacturing Execution System 的缩写，它所对应的中文名称一般有两种翻译方式，在制造行业，MES 翻译成“制造执行系统”，俗称生产管理系统。在流程工业，MES 翻译成“生产执行系统”。对于 MES 的定义，不同的机构有自己不同的定义。国际 MES 联合会 MESA(Manufacturing Execution System Association International)对 MES 给出的定义：MES 提供从接受订货到制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信息。它采用当前
4、的和精确的数据，对生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变化的生产状态和条件作出快速反应，重点削减不会产生附加值的活动，从而推动有效的工厂运行和过程。美国的咨询调查公司 AMR(Advanced Manufacturing Research)对 MES 给出的定义：MES 是一个常驻工厂层的信息系统，介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间。它以当前视角向操作人员/管理人员提供生产过程的全部资源(人员、设备、材料、工具和客户要求) 的数据和信息。其着重点是将信息技术运用于改善制造过程。美国的国家标准研究所 NIST(National Institu
5、te of Standard and Technology)对MES 给出的定义：为使从接受订货到制成最终产品全过程的管理活动得以优化，采集硬件/软件的各种数据和状态信息。虽然不同机构对 MES 的定义存在一些不同的描述，但是有几点共识是普遍认可：（1） MES 在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。 （2） MES 采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管理活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。（3） 从对实时的要求而言，如果说控制层要求的实时时间系数为 1，那么，MES 的时间系数为 10，ERP 的时间系数为 100。三、
6、MES 的发展历史20 世纪 70 年代各企业开始开发或引入单一功能的软件产品和软件系统，如设备状态监控系统、质量管理系统、生产管理系统等，所有这些系统可以理解为单一功能的 MES 系统。20 世纪 80 年代为了解决底层各集散控制系统 DCS(Distributed Control System)之间没有联系的信息孤岛(island of information)问题和管理层的物料需求计划 MRP(Material Requirements Planning)、制造资源计划 MRPII(MRPII: Manufacturing Resources Planning)与底层 DCS系统之间没有
7、联系问题，而出现了 MES 原型，即传统的 MES(Traditional MES)。传统的MES 的主要功能是生产现场管理 POP(Point of Production)和车间级控制系统 SFC(Shop Floor Control)。20 世纪 90 年代1990 年，AMR 公司第一次提出并使用了 MES 概念,AMR 倡导用三层模型(3rd layer model)表示制造业信息化。将位于中间位置的执行层叫做 MES，MES 处于企业信息系统 ERP/SCM 和过程控制系统 DCS/PLC 的中间位置。1993 年 AMR 公司提出了 MES 集成模型，该模型可以概括为实时数据库支持
8、下的 4 个主要功能：（1） 工厂管理（资源管理、调度管理、维护管理）；（2） 工厂工艺设计（文档管理、标准管理、过程优化）；（3） 过程管理（回路监督控制、数据采集）；（4） 质量管理（SQC-统计质量管理、LIMS-实验室信息管理系统）。1997 年 MESA 提出的 MES 功能组件和集成模型,包括 11 个功能，如图 2 所示，同时规定，只要具备 11 个功能之中的某一个或几个，也属 MES 系列的单一功能产品。MES 的 11 个功能主要如下：（1） 资源分配与状态；（2） 作业计划和排产；（3） 工艺规格标准管理；（4） 数据采集（装置在线连接采集实时数据和各种参数信息，控制系统接
9、口，生成生数据记录、质量数据、绩效信息、台帐累计）；（5） 人力管理；（6） 质量管理；（7） 过程管理（过程控制、 APC、基于模型的分析与模拟、与外部解析系统接口）；（8） 设备维护；（9） 绩效分析；（10） 生产单元调度；（11） 产品跟踪。1997 年美国仪表学会 ISA（The Instrumentation, Systems, and Automation Society）启动编制 ISA SP95 企业控制系统集成标准和 ISA SP98 批量控制标准。图 2 MESA 提出的 MES 功能模块图21 世纪从 2000 年开始，以图 1 所示的 Purdue 模型为基础，美国仪
10、表协会(ISA)启动编制了第 95 个标准，即 ISA 95 标准，也就是现在所说的 MES 标准，具体时间进程如下：2000 年美国仪表学会(ISA)发布了 SP95.01 模型与术语标准；2001 年美国仪表学会(ISA)发布了 SP95.02 对象模型属性标准；2002 年美国仪表学会(ISA)发布了 SP95.03 制造信息活动模型(Activity Models)标准；2003 年美国仪表学会(ISA)发布了 SP95.04 制造操作对象模型标准。ISA 95 标准逐渐成为指导 MES 开发、实施及解决 ERP 与 MES 接口问题的一个重要参考依据，并先后被法国、德国、意大利、日本
11、、英国、肯尼亚等接受为国家标准。从2003 年开始，ISA 95 标准正式被 IEC 采用，分别在 2003 年、2004 年和 2007 年作为IEC62264 标准发布。分别为：（1）2003 年的模型与术语（IEC 62264-1:2003 Enterprise Control System Integration - Part 1 : Models and Terminology）；（2）2004 年的对象模型属性（IEC 62264-2:2004 Enterprise Control System Integration - Part 2 : Object Model Attribu
12、tes）；（3）2007 年的制造操作管理活动模式（IEC 62264-3:2007 Enterprise Control System Integration - Part 3 : Activity Models of Manufacturing Operations Management）。四、MES 的现状MES 产业政策中共十六大明确提出“建设节约型社会，走新型工业化道路”，信息化作为节能减排的重要手段得到了快速发展，而 MES 作为信息化的重要组成部分，也在此背景下得到了前所未有的重视与关注。国家科技部目前主要依靠实施国家高技术研究发展计划（863 计划）先进制造技术领域“ 面向行业
13、应用的可配置 MES 平台及产品”项目计划达到以下目标6 ：（1）开发一批面向典型行业、具有自主知识产权的 MES 工具集及软硬件系统平台。（2）在航空、航天、汽车、船舶、装备、冶金、石化、烟草等典型行业的超过25 家企业推广应用（其中在离散行业应用 12 家以上，在流程行业应用 8 家以上，在混合型行业应用 5 家以上）；（3）在 MES 平台开发与实施的基础上，形成 36 个具有自主知识产权、符合ISO-95 标准、相关指标达到国外同类水平、具有市场活力的 MES 软件产品（其中面向离散行业的软件产品 13 个，面向流程行业的软件产品 12 个，面向混合型行业的软件产品 1 个）；取得不少
14、于 10 项具有原始创新的多项代表性成果（发明专利、软件著作版权等）。（4）培育 5 家以上盈利模式清晰的 MES 软件供应商，促进 MES 产品的产业化（其中面向离散行业与流程行业的软件产品各 2 家以上，面向混合型行业的软件产品 1 家以上）。行业会议每年国内有关主题涉及 MES 技术的会议不计其数，主要的会议有：由中国仪器仪表学会生产执行系统分会(MES 分会)主办的“ 中国 MES 年会” 和 863 计划先进制造系统技术主题专家组主办的“中国制造业信息化 MES 产业技术论坛”。（1）中国 MES 年会中国 MES 年会由中国仪器仪表学会生产执行系统分会(MES 分会)主办，每年举办
15、一次，已举办了两届。第一届(2006)中国 MES 年会暨 2006 中国( 杭州)MES 技术高峰论坛于 2006 年11 月 18 日在杭州举办。年会由浙江大学褚健教授和苏宏业教授主持，并由 9 位行业专家做了 9 个精彩的大会报告，分别为：国际自动控制联合会前主席吕勇哉的二十一世纪自动化产业的机遇和创新技术；中国工程院孙优贤院士的我国节能降耗的现状和工业控制面临的任务；北京机械工业自动化所软件工程中心首席专家蒋明炜教授的离散制造业的 MES 与 ERP；中石化信息系统管理部李德芳主任的 石化 MES 应用研究；石化盈科 MES 事业部蒋白桦总经理的 石化物料平衡系统应用研究；浙江大学荣冈
16、教授的企业多分辨率建模理论与应用；中国石油规划总院王华副处长的中国石油 MES框架与实施策略；华北制药集团刘文富总经理的医药行业 MES 的应用研究和宝信软件股份有限公司毕英杰的冶金工业 MES 的现状与发展 。第二届(2007)中国 MES 年会于 2007 年 10 月 25 日 -10 月 27 日在北京举办，共有来自石化、化工、钢铁、烟草等行业的 50 余家企业、 10 余家高校及科研院所的 150 余位会议代表参加了此届年会。以“优化操作，疏导流程，实现节能减排、精细化管理” 为主题的第二届(2007) 中国 MES 年会邀请了业内权威嘉宾并做主题报告，包括中石化信息系统管理部副主任
17、齐学忠先生的制造业 MES 发展与展望 ；浙江大学王树青教授的节能减排与 MES 技术；石化盈科 MES 事业部总经理蒋白桦先生的 石化行业 MES 系统解决方案；浙江大学荣冈教授的MES 系统与智能工厂 ；首钢集团强伟先生的 钢铁制造业信息化建设的实践与思考；中国科学院软件研究所王宏安先生的实时数据库系统及应用；中国科学院沈阳自动化研究所史海波研究员的卷烟企业 MES 技术与应用研讨；华中科技大学张国军教授的离散制造业 MES 关键技术与产业化对策。八个主题报告虽然涉及不同的行业及背景，但是各位专家对 MES 的前景都同样充满信心，对 MES 能帮助企业提高生产效率、提高产品质量、降低消耗等
18、作用都有一致的认识，同时也都意识到 MES 的任重道远。业内专家的权威讲述、听众的积极参与，热烈的会场气氛贯穿始终。大会最后由中国仪器仪表学会生产执行系统分会副理事长、中石化信息系统管理部主任李德芳先生作会议总结报告。（2）中国制造业信息化 MES 产业技术论坛2005 年 7 月 23 日，由科技部高技术中心和 863 计划先进制造系统技术主题专家组联合主办的“2005 中国制造业信息化 MES 产业技术论坛”在北京成功召开。科技部高新司冯记春司长出席论坛并致辞，柴天佑院士、褚健教授分别结合国内外 MES 技术、产品与应用的发展需求和现状和趋势做了主题演讲；“十五”863 计划重点支持的钢铁
19、和石化MES 课题承担单位介绍了研究开发及应用示范成果，来自西门子、HP、IBM 、美国埃施朗、英国博纳冶金系统公司的代表也分别从不同方面介绍了 MES 研究开发与应用实施的技术与经验。2007 年 8 月 25 日，第二届中国制造业信息化 MES 产业技术论坛在北京举行，业内专家分析了 MES 在我国制造业，特别是离散制造业应用中存在的难题及应对办法，提出了加强国内制造领域自主研发与使用 MES 系统对行业节能与产业升级的重要性。4.3 MES 解决方案4.3.1 Honeywell 的 Business.FLEX MES（1）系统特点Honeywell 针对炼油化工行业推出了 MES 解决
20、方案 Business.FLEX MES 系统。系统的主要特点为：* 一体化的数据集成平台基于 ORACLE 关系数据库和 PHD 实时数据库，Honeywell 的 MES 系统构架了数据集成平台，为全厂范围数据采集、存储和管理建立了一体化的应用平台；数据集成平台集成工厂的过程数据、商业管理数据并支持相关应用，可保障工厂的管理部门使用一致的数据，从而用户可方便地建立 MES 应用的全厂参考数据模型。* 统一的用户交互及信息发布界面在用户界面呈现方面，Honeywell 的 MES 产品提供了一个全厂统一的信息界面WorkCenter PKS。WPKS 是一个可组态的、基于 WEB 服务的企业
21、信息浏览中心，无论是工厂底层操作人员还是高层管理者，都可以使用 WEB 页面进行 MES 应用信息的交互及浏览：输入生产数据或监视生产状况。（2）系统的主要功能Honeywell 的 Business.FLEX MES 主要功能包括五大块内容，分别为：* 实时数据采集（Uniformance）* 先进计划及调度优化套件(Advanced Planning & Scheduling Suit)* 装置的操作管理套件（Operation Management Suit）* 油品调合及储运自动化套件（Blending & Movement Automation Suit）* 生产管理套件（Produ
22、ction Management Suit）（3）系统应用现状Honeywell 的 MES 系统在全球近 100 个国家得到了广泛的应用，许多国际知名的石油、化工等大公司都采用此解决方案。目前，中国石油下属的 10 多家企业正在实施Honeywell 的 MES 系统。4.3.2 西门子的 SIMATIC IT MES 解决方案西门子的 SIMATIC IT MES 解决方案主要特点如下：（1）图形化建模（SIMATIC IT Framework）SIMATIC IT Framework 是所有产品组合的核心组件，它提供了一个建模环境，通过图形化方式将不同的 SIMATIC IT 组件（不同
23、于产品组合）的功能组合在一起定义执行逻辑（显式规则法，explicit rules approach）。SIMATIC IT Framework 是根据物理对象（实际的装置和设备）和逻辑对象（产品组合及应用程序）来完成对工厂模型的创建。这些对生产执行逻辑的显式定义，以及对工厂模型中不同对象之间相互作用的定义，都是根据实际的生产作业来实现的。（2）全集成自动化（TIA）SIMATIC IT 作为西门子 TIA 体系中的 MES 解决方案部分，充分利用了 TIA 体系的开放性，SIMATIC IT 能与西门子其他产品进行集成。（3）通用行业库SIMATIC IT 通用行业库是在通用的产品平台上开发
24、的，它提供了一组基础构件，包括图形界面、WEB 方式界面以及报表，这些构件可以在真实环境中快速开发出符合用户需求的解决方案，以及更准确的估算项目事件和成本。4.3.3 中控软件的 MES-Suite 流程工业 MES 解决方案中控软件凭借多年流程工业 MES 项目的开发与实施经验以及对流程工业的深刻理解，为石化、化工、冶金、造纸等流程工业企业提供了完整的流程工业 MES 解决方案MES-Suite。MES-Suite，采用先进的计算机技术、网络技术、信息技术、软件技术和监控技术，帮助用户实现对企业“人、机、料、法、环”的跟踪、计量、调度、分析、核算管理，通过建立物料流、信息流、资金流“三流合一
25、” 的信息集成平台，做到现场监控可视化、业务调度最优化、能量使用有序化的目标。MES-Suite 对提高企业生产效率、提高产品质量、降低消耗具有重要的作用。作为遵循 ISA-95 标准的 MES 供应商之一，中控软件分别针对石化、化工、炼钢、造纸这四个行业开发了行业应用组件包，使得 MES-Suite 可以满足不同行业的需求。（1）石化行业应用组件包石化行业应用组件包主要内容包括：操作指令管理、进出厂管理、罐区管理、物流平衡、油品移动、调度优化、公用工程管理及统计报表等功能模块。（2）化工行业应用组件包化工行业应用组件包主要内容包括：生产操作监控、生产工艺管理、班组考核、质量统计分析、流程模拟
26、、能源管理、设备管理及领导辅助决策等功能模块。（3）冶金行业应用组件包冶金行业应用组件包主要内容包括：优化排产、产线排序、物流与工艺跟踪、生产调度、质量一贯设计、能源管理、设备资产管理、仓库管理、炉料与合金计算及数据挖掘等功能模块。（4）造纸行业应用组件包造纸行业应用组件包主要内容包括：生产操作监控、浆纸平衡、碱平衡、白水平衡、生产方案管理、切纸优化、卡帕值软测量、仓库管理、化验室信息管理及运行绩效管理等功能模块。 目前中控软件与中石化、中石油建立了 MES 建设的长期策略联盟，并承担了其旗下近百余家分子公司的 MES 建设项目。同时 MES-Suite 在石化、化工、冶金、造纸、化纤、水泥、
27、制药、电力等行业中得到了 120 多个成功的应用，主要客户包括：中石化、中石油、山东海化股份有限公司、天脊煤化工集团有限公司、柳州化工股份有限公司、宜宾天原股份有限公司、湖南泰格林纸集团有限责任公司、广西柳州钢铁(集团) 公司、山西新临钢钢铁有限公司等。4.3.4 石化盈科的石化企业生产执行系统（MES）解决方案2003 年，石化盈科、中控软件、中科院软件所、北京时林等单位联合承担了“863”计划主题“石化企业 MES 关键技术攻关及应用研究” 课题。其研究目标是以大型石化、化工企业为背景，突破制约综合自动化的重大关键技术，形成适合石油、化工行业的石化生产执行系统（SMES）关键技术及应用系统
28、。SMES 系统为石油化工行业提供了一套面向生产过程实时和智能管理 MES 解决方案。SMES 建立以生产物流管理为核心，以数据集成平台和核心数据库为支撑，集物料移动信息管理、罐区及仓储操作信息管理、物料平衡、生产调度、统计信息管理和公用工程信息管理等业务功能为一体的炼化企业 SMES 系统。 SMES 主要内容包括：操作指令管理、进出厂管理、物料移动、罐区管理、仓储管理、装置校正、调度平衡、统计平衡、化工辅料、公用工程管理等的 11 个主要业务功能模块。目前 SMES 系统在茂名石化、安庆石化、荆门石化等 9 家企业得到了成功应用，并正在中国石化进行全面推广。SMES 系统的实施为企业带来了
29、巨大的经济效益和社会效益。SMES 系统在茂名、安庆、荆门分公司 3 家示范企业应用以来，取得了良好的经济效益。通过 MES 系统物料跟踪及物料平衡，监控物料数据的准确性，做到“ 及时发现问题、及时处理”，降低了加工损失率；通过 MES 公用工程平衡，监控能耗数据，以准确的能耗平衡数据为依据，在满足生产需求的情况下，调整蒸汽等能耗的产量，降低自用率，实现了节能；依据 MES 提供的及时准确的平衡数据，及时调整原料及加工方案，优化装置的运行，提升了精细化管理，降低加工损失率和自用率，增加了商品产量，提高综合商品率；通过 MES 为炼油的 PIMS 计划优化、调度优化系统提供及时准确的生产数据，实
30、现了资源优化利用，提高了高附加值产品。4通过以上途径，SMES 为 3 家企业共实现直接经济效益约 4755 万元，间接经济效益约 3897 万元。 44.3.5 宝信软件的 MES 解决方案宝信软件的 MES 的设计基于国外现有的信息系统软件的分析，采用了中间件技术、三层结构技术等先进技术，同时，又兼顾了目前我国冶金企业信息化水平发展的现状和业务特点以及对企业信息系统的具体需求所开发的系统。宝信软件的 MES 解决方案主要功能模块包括：订单管理、生产管理、质量管理、作业计划管理、物料跟踪与实绩管理、工器具与轧辊管理、仓库管理、发货管理、历史数据管理。宝信软件的 MES 解决方案的主要客户包括：宝钢、上海益昌薄板公司、马钢、涟钢、邯郸钢铁、包头钢铁、吉林通钢及梅山公司等。五、总结本文对 MES 的定义、发展历史、 MES 的现状进行了详细的描述与分析，从中可以看出：以 Honeywell、西门子等企业为代表的国外提供的 MES 解决方案在国内外处于领先地位。以中控软件、石化盈科、宝信软件等企业为代表的少数几家国产企业所推出有特色的 MES 行业解决方案已经在国内取得了一定的业绩，但没有形成完整的、通用的和权威的 MES 实施方法论，但随着人们对 MES 认识的逐步加深， MES 在企业中的应用必将会逐步深入，广泛推广。
