作者：薛鵬

導讀：MES已經處于制造生產企業的核心地位，在生產中作為生產管理層，兼具便捷性、靈活性以及先進性等特點，匯聚生產運行中的所有元素，成為綜合性的生產管理系統。

本文會以生產制造為主線，其他流程為輔，以管理理念為主，具體功能為輔，介紹MES生產制造執行系統，期待能讓各位制造業的同仁對MES有更深刻的理解，跳出系統本身，跳出固有思維，回歸生產管理的本質。

什么是MES

制造執行系統MES是一套工具，旨在支持產品達到預期的質量、安全和合規水平，以及生產的預期性能水平。MES是支持工廠質量標準和企業卓越運營計劃的關鍵要素。在工廠層面，MES不是通過“最后一天結果報告”來控制生產線，而是通過向操作員和生產管理人員提供實時的生產和質量信息，使人們能夠“主動”地進行生產控制。MES是制造業務的核心，支持業務流程和生產流程。

1. 業務連續性支持

MES將持續向ERP系統提供生產完成信息，以確保優化業務供應鏈和流程規劃

MES將為設備及生產人員提供生產準備信息，以確保設備保質、保量，按需作業

2. 生產支持

MES將向生產團隊提供實時信息，以確保以下活動和利益：

監控生產績效

提供運營主動支持

對設備故障做出適當反應

確保質量一致性

通過平穩運行幫助增加產量

減少或消除數據輸入時間和文書工作

縮短交付周期

談到MES，ISA-95早已對系統的范圍和目標作出了清晰的定義，但是由于目前沒有一個成熟的商業產品能夠覆蓋所有的生產制造流程和管理需求，導致大家對MES的理解，范圍不一、功能不一、用途不一，無謂對錯，都是從本身工廠需求出發，但是如何建立更高效的、更簡潔的、更有擴展性的工廠執行層面的信息系統，沒有理論基礎是不可實現的。 站在巨人的肩膀上，登高望遠。

上圖是ISA-95定義的企業信息系統邊界，無數實踐證明，在做系統規劃時，我們必須要考慮系統的邊界。為什么要這么做？很多人考慮是技術壁壘，這不是根本原因，而是下面最基本的戰略思想。一個復雜的事物，沒有先進的思想引導，是無法理清并發揮作用的。 我們要用戰略思想來武裝自己。

獨立自主，自力更生。我們把系統分級的目的就是讓每一層級的系統都要自主運行的能力，而且是各司其職，發揮最大主動性

實事求是。數據的真實性和實時性是做系統交互的關鍵，也是能夠利用數據幫助決策的根本

群眾路線。每一級系統對應不同的用戶，符合用戶的習慣，滿足用戶的需求，從用戶中來，到用戶中去

從最底層(0,1,2級系統)開始分析，制造業按生產特性可以分為連續生產，離散生產，以及批次生產。MES之所以定制性很強，與不同的生產控制方式是密切相關的。我們會在后續介紹所有的業務模型建模實踐。讓大家徹底了解其不同和相同之處。 連續生產特征

原材料會通過各種專用設備，其形狀和性能都可能會發生改變

每臺設備以一種標準的方式運行

每個設備執行一個特定的任務

最終的結果是產品的連續流動

離散生產

產品批量生產，原材料經過加工后，會生成獨立的個體，稱之為零件

有限數量的零件作為一個單位在工作站之間移動

每一部分都可以保持著自己獨特的身份

每個零件都可以單獨進行質量測試

批次生產

產品可以批量生產，也可以一批生產

批次的一個特點是它們有相同的原材料和相同的生產歷史

如果批存儲在一起，則很難維護批標識

一臺設備可以執行多個任務

MES將會覆蓋生產管理，質量管理，物流管理以及維修管理四大方面，那么不同的流程，在建模方面也會有所不同。每一個企業的管理細度，設備的自動化程度都是不一樣的，統一模型需要不同部門，不同技術背景人員的積極參與和協同。這也是MES項目的難點之一。 這幾節我們來關注下各級系統的交互的技術細節，目的是來回答目前很多人感到困惑的話題——IT和OT的融合。 工業互聯網，大數據分析，智慧決策等等風口上的概念充滿了這個制造業的時候，讓企業的決策層產生了很多誤判。好像沒有“智慧”二字的項目，怎么還有臉上馬，我的企業豈不是會落下十萬八千里。

當大量項目和資本從互聯網涌入制造業，關注制造設備聯網，一個不可逾越的鴻溝出現了。從互聯網穿越過來的IT人不能理解自動化工程師的工作，覺得寫PLC程序的人，像是寫匯編程序，心里暗暗想，我都在玩JAVA，Python，數據倉庫，高可用，多并發的高級程序，什么年代了，自動化工程師們還在寫匯編級別的程序；而自動化工程師看IT人也是橫豎都不對，天天口頭大數據，云里霧里的，連基本的串口通訊都不知道是啥。

合作還是要有的，聰明的工程師們找到了一個救命稻草——OPC(OLE for process control)，號稱可以和一切硬件設備互聯，包括各種PLC或底層設備，于是大量的MES設計方案出爐，一個個高度集成的MES誕生了。 但是OPC不是神仙，潛在的問題就是數據采集不準，不及時，更有甚者在下發數據時，出現錯誤，出現大面積設備停機，產品報廢的情況。這時大家再回想起自動化工程師哪去了，你為什么不能保證設備通訊正常。本身設計方案已定，自動化工程師也很難去找到問題所在。大量互相扯皮的現象就出現了。 決策層很自然地想到，不如成立一個部門，把自動化和IT工程師放到一起，匯報給一個老板，不就解決了，有問題大家一起扛。其實當中的一個關鍵問題，大家忽略掉了，那就是系統的架構設計，沒有了層級的概念，一套系統打天下，必然會帶來上面的問題。

1,2級系統就是設備控制級的系統，1級是指PLC控制，2級系統是指設備的上位機系統。這方面很多企業都很薄弱，很多都是設備供應商提供的，自己沒有設計和運維能力。而這一層級，是不可或缺的，自動化工程師或者是專業的上位機系統運維團隊需要確保這層級的系統穩定運行，設備才可以做出合格或高質量的產品。我們在頂層設計時，切不可忽略這層級的重要性。 制造業的核心競爭力是保質，保量，按時完成生產任務，而這一層級的系統就是最基礎的保證。這方面需要專業人才不斷地知識積淀，將工藝和設備控制完美結合，成為一個能打硬仗，能打贏硬仗的先鋒連隊。 咱們繼續說1級系統和2級系統，學過自動化的同學們肯定都了解過 PLC(Programmed Logic Controller)——可編程邏輯處理器。PLC經過50多年的發展，在性能上有了巨大的進步。遺憾的是國產PLC，一直難登大雅之堂。

PLC的幾個關鍵特性

穩定，很多PLC用于軍事領域，10年，20年穩定運行

快速，毫秒或微秒級的信號處理速度

可以連接工業現場各種信號源，數字量，模擬量，開關信號

設備能在復雜的環境中，能夠穩定安全地運行，PLC功不可沒。工業自動化工程師們用幾代人的智慧搭起目前成熟工業控制體系。 PLC發展的同時，計算機的進步也是日新月異。1級系統的劣勢也很明顯，數據展現不是很方便，特別是在生產現場，工人們需要快速換型，需要方便查看設備狀態，工藝工程師需要分析設備數據，工藝工程參數，維修人員也要大量的實時或歷史報警用來分析設備故障。于是2級系統應運而生。這些理念在20世紀八九十年代就已經存在，至今也沒有過時。反倒是現在，有些年輕的工程師們，覺得只有大數據，只有人工智能才可以做。 在此，我們一定要強調，只有2級系統穩定，可靠的運行，單體設備才能發揮其最大效能。有了2級系統的基礎，MES才能沒有后顧之憂。也沒有必要去糾結與PLC通訊的復雜和不確定性。很多工廠在2級系統層面投入太少，而期望MES采集和控制設備的所有數據，導致MES的投入巨大，效果卻不如人意。 還是重復強調，我們制造業信息系統架構設計，要從頂層開始，逐層規劃，同步數據，分步實施。

下一節，MES正式登場。

當設備上位機系統日趨完美的時候，當ERP系統越來越完善的時候，人們對車間管理的期望越來越高。如果我們有了單兵作戰能力超強的士兵，有了高瞻遠矚的元帥，那么整體的戰斗力將取決于士兵如何能得到正確的指令。我們急需要能夠正確理解元帥命令的將軍，并傳令給各級士兵，協調各種兵種，調動各類資源，并將戰場的實時信息反饋給元帥。

MES就是將軍。 為什么我們說MES是智能制造的核心？因為MES能夠充分整合和調動人、機、料、法、環五大生產要素，它是黃沙百戰穿金甲，不破樓蘭終不還的霸氣將軍。 當前中國的制造業，其實很多人都在質疑MES有什么用？或者說投資二三百萬，更有甚者一二千萬的費用建設是不是值得。 企業有這樣的顧慮是正常的，現在市場上或供應商做出來的MES水平參差不齊。各式各樣的“將軍”履職了。

把單體設備的數據集中到一個中央數據庫，將軍變成了車間秘書

一堆堆的防錯，出現在各道工序，將軍變成了監工

控制單體的設備運行，將軍變成了士兵。

期望讀到這篇文章的企業家們和MES供應商們，都仔細地思考MES的用途和前景，當前企業的現狀需求，真正通過MES系統的建設，提升企業的核心競爭力(質量，產量和交期)。

沒有單兵作戰能力的，只能提高單兵作戰能力

元帥統籌能力不夠的，提高統籌能力

沒有將軍上傳下達，指揮戰役的，找到合適的將軍

什么四級系統？ERP——企業資源規劃系統是這層的典型代表。目前ERP軟件可謂相當成熟了，很多企業也意識到其重要性。作為元帥，我們只提其一個關鍵字——"全"。

ERP系統是從全局出發，從全流程入手，支持業務流程優化

ERP是為了保證全局利益

ERP保證了全部流程之間的關聯性

ERP以物料信息集成開始，將各項業務和財務集成到一起，最大地實現客戶價值和企業價值的共贏。 ERP具備了很多前人的管理思想，如TQM——全面質量管理，JIT——準時生產，LP——精益生產，BPR——業務流程重組。在ERP建設或使用當中，一定要多去理解操作層面背后的管理思想，才會有助于企業的經營，才能夠真正實現“管理以人為本”。 通過上面的介紹，企業信息化的分級是比較清晰的。這背后的思想值得借鑒，任何組織都應該有層次。管理就是要把層次理清，統一思想，上令下達。 講了很多理論思路，我們一點點從功能上剖析MES應該是什么樣子。我們可以從生產主流程出發。 生產管理——第一步：定義產品制造流程

物料清單

工藝參數，工藝路線

輔助工具或輔料

所需設備，人員，能源

這些基礎信息在設計時，各級系統要通盤考慮。做到來源統一，管理細度分明，下級系統有獨立運行的能力，上傳或下載要保證準確無誤。這些基礎數據在不同行業的生產流程叫法不一，數據的組織方式也會有所不同。所以設計時要求同存異，考慮周全。
生產管理——第二步：制定詳細生產計劃

這里我我們要強調優化的概念，如何利用最小的資源(設備、人員、能源），最少的設備清潔或調整時間，最合理的設備組合和拆分，來實現生產任務。這是MES作為將軍的最核心指標。 在現實的MES項目中，卻從來不夠受重視，大家忙于采集數據，忙于防錯，卻忘記了核心。如同很多企業在上了ERP以后，MRP從來沒有跑起來過，大家用excel，玩得不亦樂乎。雖說需求來源于工廠，工廠覺得現在excel已經很好了，何必去了解玩不懂，看不明白的復雜邏輯。 歷史上，著名的戰役有很多，總會有勝利和失敗的一方，雙方都有將軍，能力有高有低。孰好孰壞，戰場上自然見分曉。 回到MES的核心功能，詳細生產計劃，沒有此功能的MES，如何談MES是智能制造的核心，失去了指揮能力的將軍，與士卒有何分別！ 希望大家談MES的時候，不要大談萬物互聯、掃碼追溯、系統集成，雖是重要，但不是立命之根基，不是取勝之法寶。

生產管理——第二步：制定詳細生產計劃，如何制定？

所有的決策都是在擁有足夠信息的情況下制定的，知己知彼，百戰不殆。都需要哪些信息呢？ 1. 生產計劃達成率。獲取生產產量是MES必備的功能之一，而這在實際生產當中，往往不是一件容易的事情，很多時候人們會綜合管理細度，平衡數據的采集方式。特別是連續生產行業往往帶一些預估量。我們要盡量保證產量數據的準確性和實時性。這樣MES才能及時調整生產計劃 2. 資源可用性，包括人，機，料，輔助工具，輔料，能源等 3. 生產支持部門的情況。如質量，維修和物流部。計劃是否統一，相關資源是否同步協調 那么有了這么多信息MES應該做到什么地步呢？ 胸有成竹，運籌如虎踞，決策似鷹揚，在計劃未實施之前，通過模擬運行，準確的預估生產時間或結束時間，能夠找到瓶頸工序和保證按計劃完成的關鍵點。 所以MES項目必須是強勢的一把手工程，讓決策更加科學，不要拆東墻補西墻，一直處于救火狀態。

生產管理——第三步：調度管理

有了詳細的作戰計劃，各級單位要做到令則行，禁必止。 1. 按進度計劃發出生產工作指令。

根據生產計劃生成工位級別的工單

根據進度更新更新計劃工單

進度有變化時，實時通知

所有人隨時可以監控到完成情況

2. 各級單位收到指令后，根據目標任務，系統列出所有所需資源，工作人員提前檢查資源可用條件，確保根據班次/工作單/工作日開始時的正確條件，在正確的時間、正確的地點，按照計劃安排所有所需的資源。 3. 所有條件滿足后，工單啟動。戰斗一旦打響，戰果必須實時更新。

生產數據和日期的自動記錄

根據商定的業務需求，生成的對應的工單報告

當工單未根據預期完成時，實時通知上級單位，立即重新安排工廠資源和產品的計劃

工單執行過程中，資源的任何變化都可能會影響執行的效果

質量部門實時監測產品質量

未來資源可能發生的變化實時通知到各級單位。

當然，不可否認這是一套非常復雜的業務邏輯，MES如何能夠幫助決策，如何能夠更準確的預測變化，將會是未來MES拔得頭籌，成為MES界的“SAP”。

生產管理——第四步：生產執行

生產執行我們可以理解為是2級系統的主要功能。當單體設備知道要生產什么的時候，下一步最主要的功能是要知道怎么生產。 一般來說，主要分下面幾步： 1. 來料驗證 2. 單體設備中工序的定義 3.定義加工參數和上下限 4.啟動生產菜單 5.收集過程參數和產品質量參數 MES作為3級系統和2級系統主要的交互， 1.MES告訴設備的2級系統工單號及生產產品 2.MES告訴2級系統，來料是否可用 3.MES提供給2級系統加工參數和上下限 4.2級系統通知MES工單啟動和最終產品的質量 5. 關于過程參數，一般會單獨按時間序列存于實時數據庫當中，當然為了比對，工單號，菜單號，或者是產品ID都會是其中一列數據。 當前的很多工廠，把這部分的功能完全設計在MES當中，并看成是MES的主要功能，直接和設備PLC交互，導致大家理解MES出現偏差。對MES的發展也是不利，因為設備能夠獨立運行是生產的最基本要求。技術應該去解決問題，而不是完完全全地理想化。當然很多客戶在數據追溯方面有硬性要求，我們在設計應該去考慮緩存，考慮事后救補的方式。這種思路不僅是在MES和2級系統之間，2級系統和1級系統同樣應該如此。

生產管理——第五步：生產追溯

生產追溯是指總結實際用于生產產品的人員和設備、消耗的材料、能源，生產的材料以及其他相關生產數據（如成本和性能分析結果）的信息。這些信息會匯報給4級系統，用于更新總體計劃。 1. 跟蹤物料在工廠中的移動。保持對每個工位在特定時間內的內容的描述，并跟蹤生產領域內物料經過的所有路徑。這里面的難點是如何定義追溯的條件，按批次，還是按單個追溯，這部分主要是由生產工藝和客戶要求而定。特別是流程行業中，使用物料和成品物料不能一一對應的時候，按時間，最大程度的匹配是必要的。 2. 將過程事件（包括生產和移動事件）附加在產品信息上，比如設備的開始和結束時間，中間的過程參數和設備報警、操作員的姓名和資質、質量的檢查、當時的工廠環境，溫度，濕度、物料的批次或單個追溯碼。 3. 生成與生產過程相關的記錄。這包括監管或質量管理所需的記錄。這個功能非常重要，是產品質量的有效證據。 MES作為生產追溯和數據統計的集合，是MES的重要功能。業務需要明確自己的需求，才能發揮數據的最大作用。

生產人員時間管理集成

作為生產現場員工，直接影響產品質量或者產品產量。MES從下面幾個方面集成到生產流程里。 1.考勤管理

使用條形碼、RFID閱讀器識別員工出勤情況

準確、實時地跟蹤和監控員工出勤情況

自動生成員工考勤報表

2.勞動生產率管理

生產員工需要登錄工作站才可以開始生產

將分配的員工人數、員工身份、員工角色和勞動時間與生產和質量結果相關聯

提供有關人員狀態、勞動力分配（已承諾、可用或不可用）和生產結果的實時信息

生成有關勞動力能力和生產力的信息，以實現持續改進和動態勞動力分配

3.維護人員技能圖譜

生產人員技能需要與設備和產品匹配，保證員工持證上崗

培訓流程和技能圖譜集合，保證系統和員工真實狀態同步

設備管理集成

MES主要關注設備的狀態管理，狀態管理的目的是提供給決策者準確的人員，設備能力信息，以確認計劃的有效性。 首先要定義停機標標準，如故障停機，計劃停機，設備點檢，操作工休息，缺少原材料…，其次是這些狀態的切換要盡量要與設備集成，避免操作工太多的人為操作。最后系統要提供靈活的數據統計分析，比如按設備，按停機原因，按時間，按車間等多維度，幫助管理人員提升生產效率循環時間管理集成循環時間是生產計劃的的最基本要素，如何定義每一個操作的循環時間是IE人員的基本要求。我們在系統里要清晰的定義出每一步的循環時間，還要盡量能夠從設備反饋出實際使用時間，這樣IE人員可以方便的對比理論和實際的區別，從而思考整條生產線的瓶頸工序，找出哪些方面可以提高。

質量管理流程集成 質量管理的廣義范圍包括質量操作和對這些操作的管理，以確保中間產品和最終產品的質量。 質量運營管理可包括：

測試和驗證材料的質量（原材料、最終產品和半成品）

測量和校準設備和工具，確保測量結果正常

產品質量合格證明

制定質量標準

制定質量人員認證和培訓標準

制定質量控制標準

質量是產品制造過程里不可或缺的一部分。所以最新的ISA-95把MES更名為MOM（制造運營管理），就是期望在實施過程中，不要把思路固定在產品的制造過程，還要把相關的活動（質量，維修，物流）數字化，流程化。 對于質量管理，事先預防是關鍵，這就要求我們在設計系統時，必須考慮質量相關流程的集成，特別是與生產現場直接相關的流程，比如生產前，質量相關的設備校準，生產中的物料防錯，不合格品處理，巡檢和抽檢，生產后的合格確認。 往往是現實打敗了理想，或者是對MES的理解差異。很多企業從質量的角度看，MES就是一個追溯工具，只有在客戶投訴的時候，才會在系統去找相關產品信息。

審核編輯：黃飛