张志檩（1945－）
男，河北衡水安平人，教授级高级工程师。毕业于中国科学技术大学无线电电子学系，一直在石油化工战线工作。曾任大庆石油化工总厂自动化处车间副主任、自动化研究室主任、信息中心主任，后调中国石化总部，先后任中国石化总公司经通信息公司、中国石化总公司信息中心、中国石化集团公司信息中心副主任兼总工程师、中国石化股份有限公司信息系统管理部副主任。被国务院授予享受国家政府津贴的有突出贡献的国家工程技术专家。

    MES是舶来语。是Manufacture Execution System 的缩写。谈及MES必须先谈生产。生产是个系统。生产系统是生产产品的制造企业的组织体系，是实现规定目标的有关生产单位的集合。它具有设计、加工、交货、销售等综合功能。生产体系模型如图1所示。涉及人、财、物、信息等资源，产、供、销等环节。以及供应商、客户、合作伙伴等。

　      　

                                   图1   生产体系模型

    其中，生产管理是通过对生产系统的战略计划、组织、指挥、实施、协调、控制等活动，实现系统的物质变换、产品生产、价值提升的过程。要善于进行生产运营战略的设计计划、运作与控制、分析与改善的P、D、C、A循环，分析问题，查找原因，制定对策，改善生产。生产管理是企业价值链的主要环节，是企业市场链的主体职能，是影响产品质量、成本和交货期的决定因素，是构成企业核心竞争力的关键内容。MES是企业级的资源计划系统和工厂底层的控制系统之间的各种工厂管理系统的集合。是提高企业工厂制造能力和生产管理能力的重要手段。主要包括生产计划与调度、物料平衡及物流管理、库存管理、工艺技术管理、过程监控管理、质量管理、HSE管理、设备管理、能源管理、成本管理、绩效管理等。

    根据工业的特点，一般划分为流程工业、离散工业和界乎两者之间的间歇工业。如图2所示。

                                图2   工业过程的分类

    对于流程工业的生产管理，重点要考虑四个一体化。关于计划体系，应根据AMR Research公司提出的制造业务过程模型（REPAC： Ready, Execution, Process, Analyze, Coordinate），保证从经营计划、销售计划、订单需求、月度生产计划 、日作业计划、班组生产协调的一体化；关于质量体系，应基于全面质量管理的P、D、C、A循环，达到新产品研发、产品标准、制造标准、质量检测、质量控制、持续改进的一体化；对于成本体系，应达到产品成本模拟、计划成本、实际成本、成本差异分析、成本核算、成本控制的一体化；对于设备体系，实现设备基础管理、设备维护保养、设备维修、设备监控、突发故障其中，生产管理是通过对生产系统的战略计划、组织、指挥、实施、协调、控制等活动，实现系统的物质变换、产品生产、价值提升的过程。要善于进行生产运营战略的设计计划、运作与控制、分析与改善的P、D、C、A循环，分析问题，查找原因，制定对策，改善生产。生产管理是企业价值链的主要环节，是企业市场链的主体职能，是影响产品质量、成本和交货期的决定因素，是构成企业核心竞争力的关键内容。MES是企业级的资源计划系统和工厂底层的控制系统之间的各种工厂管理系统的集合。是提高企业工厂制造能力和生产管理能力的重要手段。主要包括生产计划与调度、物料平衡及物流管理、库存管理、工艺技术管理、过程监控管理、质量管理、HSE管理、设备管理、能源管理、成本管理、绩效管理等。
根据工业的特点，一般划分为流程工业、离散工业和界乎两者之间的间歇工业。如图2所示。

                                     图3   为什么需要MES

1.2 企业管理的内在规律

    如图4，5，6所示，MES从时间空间角度以及业务链条看，是企业管理中不可或缺的领域和环节。

1 MES产生的背景

    MES一词相对其他信息系统在中国流行较晚。很多企业决策者开始常提到：为何需要MES？外国也有同论：Why MES (Manufactory Execution System)？因为许多规划是先实施ERP，后实施MES。因此产生了为ERP实施MES的结论。其实不尽然。

1.1 企业生存环境的客观需要

    因为工厂级、车间级管理面临着新的挑战：需要上下游车间的高效沟通，信息的及时性、准确性，随时面临的计划变动，越来越细的任务单元，越来越高的质量追溯要求，管理人员成本的不断升高，但管理越发集约化和精细化等。如图3所示。

                              图4   企业业务管理时空范围

                                     图5   生产管理的业务链

     

                         图6   过程调度、运行管理在SCM中的地位

1.3 信息技术发展的必然结果

    信息技术在企业中的应用，首先是解决生产过程控制的问题，而且发展迅速。接着就是提升经营管理水平和手段，产生了以ERP为代表的一大批软件。如图7，8所示。

                        图7   生产过程控制与管理技术的变迁

     

                           图8   生产运营管理信息系统发展变迁

m    但是，在实施ERP的过程中，人们发现：ERP的规模大、周期长，导致46%逾期完成；支出多、投入大，导致41%超过预算；多种原因致使49%没有达到预期的社会效益、经济效益和目标。其中一个重要因素是与生产现场的连接与集成被忽略了，而生产现场的数据，即完美的生产信息是ERP的基础，是集成的关键。由于ERP层和DCS层的工作是分别进行的，因此产生了两个问题：一是横向系统之间的信息孤岛（island of information），二是ERP和DCS两层之间形成缺损环或断缺链接(missing ring or Link)。这也是催生MES的重要原因。日本近期曾经对ERP的期望作过调查，按期望值排队，最高的是信息集成，实现一元化、一体化，以及提高经营管理的实时性、效率和响应速度，也说明了这个问题。

    因此，国际上公认的信息化总体架构是：原则上将框架划分为三层，即PCS层、MES层、ERP层。

    PCS层为底层，以硬设备为主，主要面向操作工人，实现生产过程操作运转自动化，减少操作工人编制；

    MES层为中间层，承上启下，以生产运行管理软件为主，主要面向生产管理人员，实现生产管理信息化，以及管理组织的扁平化和紧密化；

    ERP层为最高层，以经营管理软件为主，主要面向经营管理和决策人员，实现经营决策管理信息化以及管理组织的扁平化和集约化 。

    近期从最上层分离出决策层，演变成四层结构。突出实时制造性能监控、实时运营智能等管理理念。

2 MES的功能地位

    国外提出4R（resources）模型和4P(Process, Product, & Production )模型，4P模型如图9所示。MES主要管理四种资源，包括生产活动中的人力资源（Personnel resources）、生产设备（Equipment）、物料和能源（Material and Energy)以及工艺过程链（Process Segments）；在企业经营计划层面与生产过程控制层面之间，实现生产能力定义信息的交换、产品定义信息的交换、生产调度信息的交换、生产绩效信息的交换（4P交换功能）。

    

                                图9   MES层面实现的信息交换范围

    AMR组织定义的MES11个功能主要如下：（1）生产资源分配与监控；（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，控制系统接口，生成生产数据记录、质量数据、绩效信息、台帐累计）；（5）作业员工管理；（6）产品质量管理；（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。AMR组织则又称按11个功能实现的整体解决方案为MESⅡ（Manufacturing Execution Solution）。

    上述功能主要针对离散业，具有中国特色的流程工业的MES功能模块组成建议如图10所示。图中看出，MES的基本模块包括连接SCM的生产计划与调度模块，生产绩效信息管理模块，质量管理与实验室信息系统模块，技术管理、工艺指标管理、电子文档管理模块，连接ERP的物料管理、库存管理、成本管理、设备维护管理等模块。其中技术管理功能往往是被忽略的。至于扩展的功能模块应该有：罐区流体移动管理、平衡管理模块，能源平衡管理模块，HSE管理模块等。甚至还有流程模拟与优化、先进控制与优化、操作优化与指导等。这些都是生产运转层面的技术，都可划入MES的范畴，而且只是流程工业特有的技术。

                         图10   流程工业的MES基本功能模块组成

3 实施MES的关键

3.1 对企业制造执行能力进行分析

    MES是制造执行系统，为生产制造管理服务，旨在提高生产制造执行能力和水平。因此，实施MES前，首要问题是对现有的制造执行能力进行评估。现有能力来源于人工制造管理和既有的制造执行管理信息系统，当然不是我们要讨论的MES系统。由孙彦广教授所著的《流程工业制造执行系统》一书介绍，MESA国际组织给出了MES成熟度模型，即制造执行能力成熟度模型（Manufacture Execution Capability Maturity Model, ME-CMM）。它从制造战略、制造质量、供应链协调、信息收集、绩效管理与改进、制造基础设施等角度把企业的制造执行能力成熟程度划分为差、尚可、有效、优良、高级目标等5个等级。使用成熟度模型，根据企业目前状况和环境对企业的要求，对企业进行评价，找出差距，定出目标。ME-CMM如表1所示。

                           表1   制造执行能力成熟度模型（ME-CMM）

    如果仿照软件能力、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。也可对照表1分级分为CMM0,1,2,3,4五级。0级最差，4级最好。

    上述指标毕竟是西方的理念与文化，与中国有些差距。MES-CMM可以定义成适合中国的制造运行安全能力、产品质量能力、装置设备运行能力、基础设施和IT支撑能力、运转操作能力、制造管理和调度能力、成本控制能力、企业盈利能力和制造竞争能力等。这是MES的核心，也就是中国总结的“产、供、销”三环节以产为主，“人、财、物”三要素中以物为主，“安全、稳定、长周期、满负荷、优质优化生产”五大运行目标的具体化。

3.2 选好功能模块

    就流程工业而言，MES的核心是生产指令的执行和生产绩效的分析。这也是MES系统中最重要的模块─生产运行管理模块的核心，即生产计划、统计与调度。生产运行的基础是设备及其运行，因此设备管理模块和数据采集和存储（实时数据库），也应是MES的基本模块。一般还有产品质量管理模块，成本管理模块，物料平衡与仓储管理模块等。目前，随着管理的集约化和精细化，又有新的需求。产生了新的信息技术和软件。如模拟优化软件、油品移动和调和软件、节能降耗软件、节水减排软件、HSE软件等，增加了MES的功能。安全软件如图11所示。

                          图11   SAFER Real-Time 实时安全应急软件

3.3 做好集成

    随着信息技术的进步，企业管理的空间、时间范围在扩大，同时管理的细度或粒度又在缩小。从宏观和微观上都要求可视化和实时化，这就需要集成技术。一是MES各模块的集成，二是MES和PCS层面、ERP层面的集成，三是企业内部与企业外部的集成。目前流行的理念和技术是实时绩效管理服务，如图12所示。另外列举西门子的集成软件XHQ，如图13所示。

                              图12   制造绩效服务集成架构

     

                          图13   XHQ的企业信息化全面集成解决方案

4 结论

（1）信息化普遍设计为有机相连的三层或四层架构。

（2）ERP与MES的界限是模糊的，有些功能有重叠。所以，其模块边界的划分是有学问的。 ERP不能代替MES，对流程行业尤其如此。

（3）以DCS为重点的控制系统，以ERP为代表的经营管理系统，以MES为核心的生产运行指挥调度系统，是企业信息化的三大领域。其中MES的效率和效益最具潜力。

（4）MES重点关注“人、财、物”的“物”，”产、供、销”的“产”，以及生产运行的“安、稳、长、满、优”。

（5）实施MES可先从基础的、基本的模块做起，再实施扩充的、增强的、高级的模块。

（6）没有一家的产品能包打天下。MES模块应优中选优，再通过第三方集成平台软件进行综合集成是上策。

（7）除了选取MES应用模块、软件外，选取集成商或主承包商提供整体解决方案和集成最关键。