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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(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)無線電電子學(xué)系，一直在石油化工戰(zhàn)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(diào)中國石化總部，先后任中國石化總公司經(jīng)通信息公司、中國石化總公司信息中心、中國石化集團(tuán)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(tǒng)管理部副主任。被國務(wù)院授予享受國家政府津貼的有突出貢獻(xiàn)的國家工程技術(shù)專家。

    MES是舶來語。是Manufacture Execution System 的縮寫。談及MES必須先談生產(chǎn)。生產(chǎn)是個系統(tǒng)。生產(chǎn)系統(tǒng)是生產(chǎn)產(chǎn)品的制造企業(yè)的組織體系，是實現(xiàn)規(guī)定目標(biāo)的有關(guān)生產(chǎn)單位的集合。它具有設(shè)計、加工、交貨、銷售等綜合功能。生產(chǎn)體系模型如圖1所示。涉及人、財、物、信息等資源，產(chǎn)、供、銷等環(huán)節(jié)。以及供應(yīng)商、客戶、合作伙伴等。

      　

                                   圖1   生產(chǎn)體系模型

    其中，生產(chǎn)管理是通過對生產(chǎn)系統(tǒng)的戰(zhàn)略計劃、組織、指揮、實施、協(xié)調(diào)、控制等活動，實現(xiàn)系統(tǒng)的物質(zhì)變換、產(chǎn)品生產(chǎn)、價值提升的過程。要善于進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)營戰(zhàn)略的設(shè)計計劃、運(yùn)作與控制、分析與改善的P、D、C、A循環(huán)，分析問題，查找原因，制定對策，改善生產(chǎn)。生產(chǎn)管理是企業(yè)價值鏈的主要環(huán)節(jié)，是企業(yè)市場鏈的主體職能，是影響產(chǎn)品質(zhì)量、成本和交貨期的決定因素，是構(gòu)成企業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵內(nèi)容。MES是企業(yè)級的資源計劃系統(tǒng)和工廠底層的控制系統(tǒng)之間的各種工廠管理系統(tǒng)的集合。是提高企業(yè)工廠制造能力和生產(chǎn)管理能力的重要手段。主要包括生產(chǎn)計劃與調(diào)度、物料平衡及物流管理、庫存管理、工藝技術(shù)管理、過程監(jiān)控管理、質(zhì)量管理、HSE管理、設(shè)備管理、能源管理、成本管理、績效管理等。

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

                                圖2   工業(yè)過程的分類

    對于流程工業(yè)的生產(chǎn)管理，重點要考慮四個一體化。關(guān)于計劃體系，應(yīng)根據(jù)AMR Research公司提出的制造業(yè)務(wù)過程模型（REPAC： Ready, Execution, Process, Analyze, Coordinate），保證從經(jīng)營計劃、銷售計劃、訂單需求、月度生產(chǎn)計劃 、日作業(yè)計劃、班組生產(chǎn)協(xié)調(diào)的一體化；關(guān)于質(zhì)量體系，應(yīng)基于全面質(zhì)量管理的P、D、C、A循環(huán)，達(dá)到新產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、制造標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量檢測、質(zhì)量控制、持續(xù)改進(jìn)的一體化；對于成本體系，應(yīng)達(dá)到產(chǎn)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(shè)備體系，實現(xiàn)設(shè)備基礎(chǔ)管理、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、設(shè)備維修、設(shè)備監(jiān)控、突發(fā)故障其中，生產(chǎn)管理是通過對生產(chǎn)系統(tǒng)的戰(zhàn)略計劃、組織、指揮、實施、協(xié)調(diào)、控制等活動，實現(xiàn)系統(tǒng)的物質(zhì)變換、產(chǎn)品生產(chǎn)、價值提升的過程。要善于進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)營戰(zhàn)略的設(shè)計計劃、運(yùn)作與控制、分析與改善的P、D、C、A循環(huán)，分析問題，查找原因，制定對策，改善生產(chǎn)。生產(chǎn)管理是企業(yè)價值鏈的主要環(huán)節(jié)，是企業(yè)市場鏈的主體職能，是影響產(chǎn)品質(zhì)量、成本和交貨期的決定因素，是構(gòu)成企業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵內(nèi)容。MES是企業(yè)級的資源計劃系統(tǒng)和工廠底層的控制系統(tǒng)之間的各種工廠管理系統(tǒng)的集合。是提高企業(yè)工廠制造能力和生產(chǎn)管理能力的重要手段。主要包括生產(chǎn)計劃與調(diào)度、物料平衡及物流管理、庫存管理、工藝技術(shù)管理、過程監(jiān)控管理、質(zhì)量管理、HSE管理、設(shè)備管理、能源管理、成本管理、績效管理等。
根據(jù)工業(yè)的特點，一般劃分為流程工業(yè)、離散工業(yè)和界乎兩者之間的間歇工業(yè)。如圖2所示。

                                     圖3   為什么需要MES

1.2 企業(yè)管理的內(nèi)在規(guī)律

    如圖4，5，6所示，MES從時間空間角度以及業(yè)務(wù)鏈條看，是企業(yè)管理中不可或缺的領(lǐng)域和環(huán)節(jié)。

1 MES產(chǎn)生的背景

    MES一詞相對其他信息系統(tǒng)在中國流行較晚。很多企業(yè)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(guī)劃是先實施ERP，后實施MES。因此產(chǎn)生了為ERP實施MES的結(jié)論。其實不盡然。

1.1 企業(yè)生存環(huán)境的客觀需要

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

                              圖4   企業(yè)業(yè)務(wù)管理時空范圍

                                     圖5   生產(chǎn)管理的業(yè)務(wù)鏈

     

                         圖6   過程調(diào)度、運(yùn)行管理在SCM中的地位

1.3 信息技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果

    信息技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用，首先是解決生產(chǎn)過程控制的問題，而且發(fā)展迅速。接著就是提升經(jīng)營管理水平和手段，產(chǎn)生了以ERP為代表的一大批軟件。如圖7，8所示。

                        圖7   生產(chǎn)過程控制與管理技術(shù)的變遷

     

                           圖8   生產(chǎn)運(yùn)營管理信息系統(tǒng)發(fā)展變遷

m    但是，在實施ERP的過程中，人們發(fā)現(xiàn)：ERP的規(guī)模大、周期長，導(dǎo)致46%逾期完成；支出多、投入大，導(dǎo)致41%超過預(yù)算；多種原因致使49%沒有達(dá)到預(yù)期的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和目標(biāo)。其中一個重要因素是與生產(chǎn)現(xiàn)場的連接與集成被忽略了，而生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，即完美的生產(chǎn)信息是ERP的基礎(chǔ)，是集成的關(guān)鍵。由于ERP層和DCS層的工作是分別進(jìn)行的，因此產(chǎn)生了兩個問題：一是橫向系統(tǒng)之間的信息孤島（island of information），二是ERP和DCS兩層之間形成缺損環(huán)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(jīng)對ERP的期望作過調(diào)查，按期望值排隊，最高的是信息集成，實現(xiàn)一元化、一體化，以及提高經(jīng)營管理的實時性、效率和響應(yīng)速度，也說明了這個問題。

    因此，國際上公認(rèn)的信息化總體架構(gòu)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(shè)備為主，主要面向操作工人，實現(xiàn)生產(chǎn)過程操作運(yùn)轉(zhuǎn)自動化，減少操作工人編制；

    MES層為中間層，承上啟下，以生產(chǎn)運(yùn)行管理軟件為主，主要面向生產(chǎn)管理人員，實現(xiàn)生產(chǎn)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(jīng)營管理軟件為主，主要面向經(jīng)營管理和決策人員，實現(xiàn)經(jīng)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(jié)構(gòu)。突出實時制造性能監(jiān)控、實時運(yùn)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(chǎn)活動中的人力資源（Personnel resources）、生產(chǎn)設(shè)備（Equipment）、物料和能源（Material and Energy)以及工藝過程鏈（Process Segments）；在企業(yè)經(jīng)營計劃層面與生產(chǎn)過程控制層面之間，實現(xiàn)生產(chǎn)能力定義信息的交換、產(chǎn)品定義信息的交換、生產(chǎn)調(diào)度信息的交換、生產(chǎn)績效信息的交換（4P交換功能）。

    

                                圖9   MES層面實現(xiàn)的信息交換范圍

    AMR組織定義的MES11個功能主要如下：（1）生產(chǎn)資源分配與監(jiān)控；（2）作業(yè)計劃和排產(chǎn)；（3）工藝規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)管理；（4）數(shù)據(jù)采集（裝置在線連接采集實時數(shù)據(jù)和各種參數(shù)信息，控制系統(tǒng)接口，生成生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄、質(zhì)量數(shù)據(jù)、績效信息、臺帳累計）；（5）作業(yè)員工管理；（6）產(chǎn)品質(zhì)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(tǒng)接口）；（8）設(shè)備維護(hù)；（9）績效分析；（10）生產(chǎn)單元調(diào)度；（11）產(chǎn)品跟蹤。AMR組織則又稱按11個功能實現(xiàn)的整體解決方案為MESⅡ（Manufacturing Execution Solution）。

    上述功能主要針對離散業(yè)，具有中國特色的流程工業(yè)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(chǎn)計劃與調(diào)度模塊，生產(chǎn)績效信息管理模塊，質(zhì)量管理與實驗室信息系統(tǒng)模塊，技術(shù)管理、工藝指標(biāo)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(shè)備維護(hù)管理等模塊。其中技術(shù)管理功能往往是被忽略的。至于擴(kuò)展的功能模塊應(yīng)該有：罐區(qū)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(yōu)化、先進(jìn)控制與優(yōu)化、操作優(yōu)化與指導(dǎo)等。這些都是生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)層面的技術(shù)，都可劃入MES的范疇，而且只是流程工業(yè)特有的技術(shù)。

                         圖10   流程工業(yè)的MES基本功能模塊組成

3 實施MES的關(guān)鍵

3.1 對企業(yè)制造執(zhí)行能力進(jìn)行分析

    MES是制造執(zhí)行系統(tǒng)，為生產(chǎn)制造管理服務(wù)，旨在提高生產(chǎn)制造執(zhí)行能力和水平。因此，實施MES前，首要問題是對現(xiàn)有的制造執(zhí)行能力進(jìn)行評估。現(xiàn)有能力來源于人工制造管理和既有的制造執(zhí)行管理信息系統(tǒng)，當(dāng)然不是我們要討論的MES系統(tǒng)。由孫彥廣教授所著的《流程工業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)》一書介紹，MESA國際組織給出了MES成熟度模型，即制造執(zhí)行能力成熟度模型（Manufacture Execution Capability Maturity Model, ME-CMM）。它從制造戰(zhàn)略、制造質(zhì)量、供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)、信息收集、績效管理與改進(jìn)、制造基礎(chǔ)設(shè)施等角度把企業(yè)的制造執(zhí)行能力成熟程度劃分為差、尚可、有效、優(yōu)良、高級目標(biāo)等5個等級。使用成熟度模型，根據(jù)企業(yè)目前狀況和環(huán)境對企業(yè)的要求，對企業(yè)進(jìn)行評價，找出差距，定出目標(biāo)。ME-CMM如表1所示。

                           表1   制造執(zhí)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(biāo)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(yùn)行安全能力、產(chǎn)品質(zhì)量能力、裝置設(shè)備運(yùn)行能力、基礎(chǔ)設(shè)施和IT支撐能力、運(yùn)轉(zhuǎn)操作能力、制造管理和調(diào)度能力、成本控制能力、企業(yè)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(jié)的“產(chǎn)、供、銷”三環(huán)節(jié)以產(chǎn)為主，“人、財、物”三要素中以物為主，“安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)優(yōu)化生產(chǎn)”五大運(yùn)行目標(biāo)的具體化。

3.2 選好功能模塊

    就流程工業(yè)而言，MES的核心是生產(chǎn)指令的執(zhí)行和生產(chǎn)績效的分析。這也是MES系統(tǒng)中最重要的模塊─生產(chǎn)運(yùn)行管理模塊的核心，即生產(chǎn)計劃、統(tǒng)計與調(diào)度。生產(chǎn)運(yùn)行的基礎(chǔ)是設(shè)備及其運(yùn)行，因此設(shè)備管理模塊和數(shù)據(jù)采集和存儲（實時數(shù)據(jù)庫），也應(yīng)是MES的基本模塊。一般還有產(chǎn)品質(zhì)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(xì)化，又有新的需求。產(chǎn)生了新的信息技術(shù)和軟件。如模擬優(yōu)化軟件、油品移動和調(diào)和軟件、節(jié)能降耗軟件、節(jié)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(yīng)急軟件

3.3 做好集成

    隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，企業(yè)管理的空間、時間范圍在擴(kuò)大，同時管理的細(xì)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(shù)。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(yè)內(nèi)部與企業(yè)外部的集成。目前流行的理念和技術(shù)是實時績效管理服務(wù)，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(wù)集成架構(gòu)

     

                          圖13   XHQ的企業(yè)信息化全面集成解決方案

4 結(jié)論

（1）信息化普遍設(shè)計為有機(jī)相連的三層或四層架構(gòu)。

（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(xué)問的。 ERP不能代替MES，對流程行業(yè)尤其如此。

（3）以DCS為重點的控制系統(tǒng)，以ERP為代表的經(jīng)營管理系統(tǒng)，以MES為核心的生產(chǎn)運(yùn)行指揮調(diào)度系統(tǒng)，是企業(yè)信息化的三大領(lǐng)域。其中MES的效率和效益最具潛力。

（4）MES重點關(guān)注“人、財、物”的“物”，”產(chǎn)、供、銷”的“產(chǎn)”，以及生產(chǎn)運(yùn)行的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”。

（5）實施MES可先從基礎(chǔ)的、基本的模塊做起，再實施擴(kuò)充的、增強(qiáng)的、高級的模塊。

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

（7）除了選取MES應(yīng)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(guān)鍵。