制造执行系统（MES）标准的综述 - 文章

制造执行系统（MES）标准的综述

作者：刘诏书李刚炎

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在以ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）为代表的企业信息化深入发展中，许多企业特别是商业企业受益匪浅。然而众多的制造企业却没有那么圭运，甚至遭遇不同程度的失败。这一现象并非我国独有，在工业发达国家也是如此美国ARC公司调查结果显示，53%的客户反映ERP在企业生产中存在以下问题：重复投入、高成本、信息冗余、“信息孤岛”、各系统的信息无法相互理解。仔细分析这些现象的原因，可以发现：以ERP为代表的企业管理信息系统缺乏车间生产现场实时数据的支持，从车问底层到企业上层信息是脱节旅部分企业甚至没有生产现场的信息，即使有其信息也是滞后或失真的；并且上下层系统的信息数据结构不同，描述方法小一致，各系统之间数据无法相互理解，不适应企业信息系统集成的需要。应此需要将信息化工程向生产车间推进，实现企业管控系统集成，制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的实施为解决这一问题提供了可能。

1 MES简介

MES在1990年由AMR（Advanced Manufacturing Research）组织提出并使用，是将制造业管理系统（例如MRPⅡ/ERP/SCM等）和控制系统（例如DCS、SCADA、PLC等）集成在一起的中间层，是位于管理层与控制层之间的执行系统。MES是一个特定集合的总称包括些特定功能的集合以及实现这些特定功能的产品。MES也不是一个特定行业的概念，而且应用于各种制造业的重要信息系统。MES的任务是把管理系统的指令传达到生产现场，并将生产现场的信息及时收集、上传和处理，是上下两层之间信息的传递系统。

根据标准化、功能组件化、模块化的原则，MESA（Manufacturing Execution System Association International，制造执行系统国际联盟组织）于1997年提出了著名的MES功能组件和集成模型。该模型主要为11个功能模块：（1）生产资源分配与监控；（2）作业计划和排产；（3）上艺规格标准管理；（4）数据采集；（5）作业员工管理；（6）产品质量管理；（7）过程管理；（8）设备维护；（9）绩效分析；（10）生产单元调度；（11）产品跟踪。AMR组织把遵照这11个功能模块的整体解决方案称为MESⅡ（Manufacturing Execution Scrlution）。

MES是一个庞大的系统，在实施过程中难度大，成本高，成功率低，没有成熟的基木理论支持，主要表现在：没有统一的管控系统集成技术术语、信息对象模型、活动对象模型和信息流的基本使用方法，用户、设各供应商、系统集成商三者间的需求交流困难，不同的硬件、软件系统集成困难，集成后的维护困难。针对这些问题，还需要在MESA功能模型的基础上，研究和开发相应的MES应用技术标准，用于描述和标准化这类软件系统。

2 OAGIS标准

OAGIS是由OAG（Open Applications Group）为企业信息系统集成而提出的商务语言标准：OAG是一个由企业应用软件开发商和用户所组成的开放式非盈利性组织，其成员包括Oracle，PeopleSoft，Boeing等公司。OAGIS定义了一系列业务对象及应用场景，满足OAGIS标准的企业应用系统之间可以方便地实现集成和互操作，提高了软件的即插即用能力。OAGIS是世界上应用最多的商务语言标准，它也包含了MES与ERP、PDM等系统之间集成的相关标准。因此在MES系统的开发中可以遵守OAGIS标准，以提高制造业信息系统的集成能力。

OAGIS基于XML语言，它的基本思想是将企业信息系统之间的集成看作系统之间业务对象文档（XML文档）的传递，例如装饰布生产企业CAD系统与MES系统之间传递的产品设计单。OAGIS对业务对象作出了规定，业务对象文档巾封装了系统之间传递的数据以及对数据的处理要求，其数据结构由应用区和数据X_组成。应用X,包含系统发送业务对象文档所需要的信息，如创建业务对象文档系统的标示符、逻辑位置、创建时间、身份认证等信息；数据区包含业务处理所需的数据以及对数据的处理要求。OAGIS针对各种集成场景共定义了近200种业务对象文档，并提供了一种扩展机制，用户可根据需要对业务对象文档的内容进行扩展。

OAGIS定义了一系列业务对象集成场景，集成场景是对企业信息系统进行集成的一个参照模型，海个集成场景都描述了集成的目标，参与集成的系统以及系统之间交换的信息以下是几个MES与ERP等企业管理信息系统集成的部分场景。

（1）ERP与车间计划集成场景。该场景是ERP系统、车间级生产计划制定系统、生产过程管理系统、车间级生产能力分析系统之间的集成场景。在该场景中，生产能力分析模块根据ERP系统下达的生产指令进行生产能力分析，车间级生产计划制定系统根据生产指令和生产能力分析结果，制定生产计划并发往生产过程管理系统。
（2）设计变化集成场景。该场景是PDM、ERP和MES之间的集成场景，PDM中的产品数据发生变化时，ERP和MES中的产品数据也进行相应调整。
（3）工艺数据同步集成场景。在该场景中，制造工艺数据发生变化时，MES中的数也相应更新。
（4）生产同步集成场景。对MES以及其它系统中的生产指令数据进行同步和更新。
（5）在制品统计集成场景。对ERP、MES以及其它系统中的在制品数量进行确认
（6）人力资源集成场景。在该场景中，ERP系统中的人力资源管理模块从MES中获取工人的工作时间和工作日程安排等信息，MES从人力资源管理模块获取工人的个人信息
（7）设备维护集成场景。在设备维护模块与其它模块之间传递设备维护信息。

3 S95标准

3.1 S95标准概述

应用OAGIS可以实现MES与上层管理信息系统的集成，但并不能用于MES与车间底层控制系统之间的集成，而S95标准的目标就是实现MES与上层管理信息系统、下层车间控制系统之间的集成。S95是ISA（美国仪器、系统、自动化协会）制定的“企业－控制系统集成”标准的简称。包括以下六个部分：模型和术语、对象模型属性、制造业务管理活动模型、制造业务管理对象模型和属性、商务到制造的事务处理、制造业务管理的事务处理其中第一、二部分已成为ANSI（美国国家标准局）和IEC/ISO（国际电工委员会/国际标准化组织）标准，第三、四、五部分正在制定过程中，第六部分尚处于构思阶段。S95的最大贡献在于统一了管控系统集成的术语、信息对象模型及其数据结构、活动对象模型。

参加S95起草和讨论的工作组成员共有190人，其中独立专家、应用机构和开发机构各占约1/3。在应用机构和开发机构名单中，大部分是国际土著名的制造业、过程业和自动控制系统公司代表，如DoPont, HP，IB，ABB，Siemens，Honeywell，SAP，Rockwell，Ernerson，Invensys，GE，UC，Microsoft，Nestle，Shell，Yokogawa等等，具有相当的代表性和权威性。特别是国际上众多的自动化控制系统公司参加了S95工作组，说明了当前控制界对企业信息化和系统集成的关注程度。

3.2 S95标准的基础

S95以美国普度大学的企业参考结构（PERA）为基础，将企业功能结构分为五层，即：第4层的商业计划和后勤系统，第3层的制造操作和控制系统，第2、1、0层的控制系统，S95主要是解决第4层与第3层的接口和第3层中的制造业务活动，它包括对信息系统任务、制造任务、人的任务以及这三者之间相互关系的建模。S95采用了普度大学CIM数据流模型，以PERA中的功能模型作为研究起点。

ISA在1988年为批量生产制定了术语、模型和数据结构标准，即S88标准。S95标准参考了S88标准中的物理结构模型和产品定义、生产能力、生产计划、生产能力四种信息流。将物理结构模型分级为：企业、地点、区域、生产线/设备单元（或过程单元/零部件，或生产单位）。其中企业、地点级对应第4层的活动范围，区域、生产设备对应第3层的活动范围。

S95标准中的第二部分，即制造业务管理活动模型，是MESA的制造功能模型的进一步发展。

3.3 S95标准中的信息流和对象模型

S95将企业和控制系统所需交换的31种信息流归为4类：产品定义信息，描述如何制造一个产品；生产能力信息，说明需要的和可获得的生产资源的容量和能力；生产计划信息，说明何时何地生产何物以及需要何种资源；生产性能信息，说明生产了什么，消耗了什么资源，也包括了所有商业系统所需要的生产产品的反馈信息。

S95采用UML（Unified Modeling Language）建立了4类9大对象模型，分别是：资源信息中的人员模型、设备模型、材料模型、过程段模型；能力信息巾的生产能力模型、过程段能力模型；产品定义信息的产品定义模型；生产信息中的生产调度模型和实绩模型。

S95的第三、四部分定义了制造车间（第3层）中的8类活动模型：定义管理、资源管理、详细计划、调度、执行、数据收集、分析与追踪，以及这些活动模型之间的数据流。这些活动模型主要用于生产控制、设备维护、质最保证、库存管理等业务管理。从原材料、能源和信息到产品的转换过程中，这些活动对成本、数量、安全和时间等参数进行协调、指导和追踪。图1是生产控制业务的管理活动模型。

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图1 生产业务管理活动模型

S95的第五部分定义了从商务到制造的信息交换，包括请求/应答式和发布/订阅式两种数据传输模型；确定了数据传输模型中的信息内容，如图2所示；定义了各名词对象与动词的对应关系。

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图2 典型的交换数据设置

3.4 S95标准的应用

目前S95标准面临的困难是它必须满足多种制造企业管控系统集成的需要，它必须是一个可用于食品工业、化学工业，以及电子工业等不同类型的工业的跨行业的定义集合，保证S95成为覆盖离散型制造业、连续流程制造业和批处理流程制造业的MES的标准。

S95系列标准目前尚未完成，国外应用工具的开发尚处于起步阶段。World Batch Forum（WBF）应用XML为流程企业开发了基于S95标准的Business To Manufacturing Markup Language（B2MML）。

西门子公司遵照S95标准，为MES的实施开发了核心产品——SIMATIC IT Production Suite。由于该产品符合S95标准，从根本卜能满足企业管理控制系统集成的需要，又由于它能够动态组织以满足企业变化的需求，因此它成为MES的主角。

SIMATIC IT Production Suite由SIMATIC IT Framework和SIMATIC IT Components组成SIMATIC IT Components提供可以满足业务墓本需要的功能组件，预置了大量只要经过初始化就可以使用的对象，这些对象都是针对具体的制造问题而设计的（例如订单管理、物料管理等）。SIMATIC IT Framework是一个建模环境，可以在图形化的环境中对企业业务流程进行建模，将制造系统的功能进行细化；通过图形方式将小同的SIMATIC IT Components功能组合在一起来定义执行逻辑，根据物理对象（实际的装置和设备）和逻辑对象（软件包及应用程序）来创建工厂模型。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，需要根据实际的生产作业来确定。SIMATIC IT Production Suite提供了第二方组件和已有应用程序集成的功能，用户不需要进行复杂的技术封装就可以拿来使用，并按照SIM ATIC IT Framework中定义的逻辑进行协调和调用。

通用电气公司所开发的MES应用工具GE Proficy，从架构设计到应用模块均参照S95标准。其主要模块（包括质量、生产、设备总体效率、消耗跟踪和生产统计）均与S95标准一致。Proficy的各个模块中贯穿了生产计划、设备、生产过程、资源等S95对象模型，通过各种标准的事件实现S95的标准功能，S95中的各种对象、信息流和功能描述在Proficy中得到了统一和完整的体现。在与ERP系统的连接上，Proficy采取了S95标准的XML接口，从而直接连接符合标准的各大ERP厂家，如与SAP的连接，以前的做祛是各应用程序编写各自的SAP接口且需要SAP的认证，而Proficy的做法则是遵循S95标准与SAP相连，从而无需认证而达到比认证程序更为有效的连接功能和效率。

4 MES的其它标准

为了进一步规范MES，许多团体、政府机构、组织也正在参与研究和制定制造执行系统的标准和模型。这些研究涉及制造、控制、管理等技术和分布式对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用等技术。这些工作主要包括：欧洲技术委员会CEN TC310WG1正在为制造业制订高级信息集成解决方案；Aachen Information Systems在为化学工业开发数据库和元数据库信息集成；ISO开发了生产数据交换标准STEP（Standard for Exchange of Product Data）；标准化组织OMG（Object Management Group）的制造分会（MfgDTF，Manufacturing Domain Task Force）发布了RFI（Reques for Information）文件；NIIIP-SMART（National Industrial Information Infrastructure Protocols-Solution for MES Adaptable Replicable Technology）信息结构标准；半导体制造技术协会（SEMATECH，Semiconductor Manufacturing Technology）发表了SEMATECHISEMI CIM平台标准；NIST-SIMA（National Institute of Standard and Technology-System Integration of Manufacturing Applications）用IDEFO描述了通用业务活动模型（Activity Models）；霍尼韦尔公司的工厂信息化的基础结构Uniformance（一个用于生产管理的统一的信息化数据库）；日木标准化与制造科技中心发布了Open MES，Open MES涉及面向对象、平台、功能模块、计算机网络、CORBA等。

5 结语

上述各标准都倡导MES功能和接口的标准化，以及系统的集成和互操作性。但是人多针对一种特定的工业门类或类似的几种工业门类，或是针对管控系统集成中的不同应用层次，创门各有优缺点和适用性。为了发挥各自优势，减少各组织之间的重复工作和冲突，切实推进MES的更好发展，各组织的广泛联盟和合作势在必行。目前ISA. OPC基金会、WBF、OAG、OMAC（Open Modular Architecture Control Group，开放模型体系控制组）和MIMOSA（制造企业运行和维护开放信息标准协会）等著名的制造业标准组织正在联盟组成虚拟的OpenO&M（Open for Operations and Maintenance）组织，来领导和协调发展制造业信息系统的技术标准。

相对来说，S95是最全面、最基本、影响最厂泛的制造执行系统的技术标准。应此遵照S95标准，结合我国制造企业生产车间的特点，深入研究车间生产控制中各具休活动对象，用UML建立活动对象模型（例如生产调度管理），将活动对象下的常用功能模块开发为组件，开发二层架构（浏览器、Web服务器、数据库服务器）下的管控系统集成框架和平台，推动我国制造业信息化向上向下得到延伸。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/10/2008)


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