制造执行系统

定义

制造执行系统是一套面向车间执行层的计算机辅助生产管理系统，其功能定位位于企业资源计划等上层计划系统与可编程逻辑控制器等底层控制系统之间。美国先进制造研究协会(AMR)将它定义为处于计划管理系统和工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统，为操作人员与管理人员提供计划的执行、跟踪，以及人、设备、物料、客户需求等资源的当前状态^[1]。

制造执行系统协会(MESA)则从功能角度给出定义：它能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理；当工厂发生实时事件时，系统能够及时作出反应和报告，并用当前的准确数据对其进行指导与处理^[2]。中国国家标准 GB/T 25485—2010《工业自动化系统与集成 制造执行系统功能体系结构》明确了制造执行系统在制造类企业集成系统中的定义、主要功能、层次划分和通用功能体系结构^[3]。

原理

制造执行系统的基本工作方式是承接与分解生产计划，再对执行过程进行实时监控与反馈。在离散制造中，它接受上层系统下达的产品生产计划，将其分解为零部件物料清单与零件加工工序订单，结合实际生产资源作出详细加工计划，并根据现场反馈滚动调整计划，使计划与生产保持同步^[4]。

从信息流角度看，计划层处理的是中长期生产计划，执行层处理的是近期生产任务的协调安排，控制层则实时接收生产指令使设备正常运转，三层相互关联、互为补充，共同构成企业的连续信息流^[5]。制造执行系统通过数据采集接口从可编程逻辑控制器、数据采集器、条码、计量与检测仪器等现场装置获取实时数据，经汇总后形成整个工厂的生产现场数据^[1]。

在国际自动化协会发布的 ANSI/ISA-95 标准中，企业控制系统被划分为若干层级：第 0 层是实际生产过程，第 1 层是基本控制，第 2 层是从多台控制器采集数据的监控与数据采集系统，第 3 层是集成多来源数据的制造执行系统，第 4 层是业务规划与管理功能^[6]。制造执行系统的活动分布在第 3 层，主要覆盖生产、质量、物流与维护 4 类作业，这一层有时也被称为制造运营管理(MOM)^[7]。

发展历程

制造执行系统的概念由美国先进制造研究协会(AMR)于 1990 年提出，目的是加强物料需求计划(MRP)的执行功能，把计划通过执行系统与车间作业现场控制联系起来^[1]。1992 年，一批 MES 软件供应商联合相关公司成立了国际制造执行系统联合会(MESA)，以宣传 MES 思想和产品为宗旨；1997 年 MESA 发布白皮书，定义了 MES 的功能组件与集成模型，共包含 11 项功能，并规定只要具备其中一项或几项，也属于 MES 系列产品。

从体系结构看，MES 的演进大致分为若干阶段。20 世纪 70 年代末至 90 年代末是传统 MES 时期，其中专用 MES 针对某一特定生产问题或特定行业环境提供有限功能，实施快、投入少，但通用性与可集成性差；集成 MES 起初面向航空、装配、半导体等特定规范化环境设计，实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成，但依赖特定车间环境、柔性差。

2000 年前后，可集成 MES 将模块化应用组件技术引入系统开发，兼具可重用组件与上下两层集成能力，能够实现客户化、可重构、可扩展和互操作。此后 MES 进入智能化时期，借助工业大数据平台整合核心信息化数据、工业物联网数据与外部跨界数据，向决策分析智能化和生产最优化方向发展。在标准层面，2000 年美国国家标准协会(ANSI)开始推进 MES 标准化工作，陆续发布 ISA-95 系列标准；中国则在 2010 年 12 月 1 日发布 GB/T 25485—2010，并于 2011 年 5 月 1 日实施^[8]。

应用

制造执行系统最早在自动化程度较高的行业得到应用，包括汽车、半导体电子、烟草、食品饮料、工程机械、大型离散装配和家电等行业^[9]。在发动机制造等机械装配领域，MES 用于减少上市时间、提高流程可视性与生产灵活性、优化预测和规划，并降低废料、库存级别与误工期^[10]。

从功能覆盖看，MES 对生产现场的“人、机、料、法、环、测”进行管理：人对应生产排班、工时管理与人员信息维护；机对应设备保养、设备数据采集与模具管理；料对应车间与仓库的物料管理；法对应生产工艺与操作规程；环对应温度、湿度、卫生等生产环境管理；测对应测试标准与方法管理，用于质量改进与缺陷追踪^[11]。

MES 还与上层系统协同形成分工。其获取生产数据的实时性较高，对底层生产数据的把握较细，能够实现企业资源计划难以提供的实时生产管理报表；而企业资源计划覆盖功能更广，但对车间执行层的了解不如 MES 细致^[11]。在钢铁、烟草等行业也形成了针对性的 MES 应用。

局限

传统 MES 存在多方面的能力不足。其通用性较差，针对特定行业开发的系统在别的行业基本无法借鉴使用；可集成性较弱，由于不同企业采用的其他软件环境存在差别，MES 与它们集成时往往需要分别定制；在异构软硬件环境中还缺乏互操作性，无法通过裁剪功能来满足特定任务需要；重构能力与敏捷性也不足，难以随业务过程的变化进行功能配置和动态调整。

MES 的行业性需求与通用型产品之间的矛盾长期存在，产品化程度不够。它从产生起就是为解决通用型 ERP 难以处理的工厂管控问题，因此始终难以摆脱行业性对其形成的局限；同时集成难度是另一道门槛，纵向集成不仅要求 MES 与企业资源计划集成，还要求与控制系统集成，既要做数据采集，还希望实现控制参数与工艺标准的下达^[9]。

在定义和范围划分上，MES 也缺乏简单清晰的边界。由于企业现场职责的划分方式众多，运营人员与后台人员之间的界限并不绝对，存在数百种有效的活动组合，这使 MES 层很难有一个统一而干净的定义^[12]。此外，现有 MES 的智能化程度不高，大多只是替代经验管理方式的系统平台，通常需要大量人工干预。

参见

• 企业资源计划 —— 处于制造执行系统上层、负责企业整体资源与业务规划的管理系统。

• 物料需求计划 —— 制造执行系统最初提出时意在加强其执行功能的计划方法。

• 可编程逻辑控制器 —— 处于制造执行系统下层、直接控制生产设备的工业控制器。

• 监控与数据采集系统 —— 位于制造执行系统下层、负责从控制器采集数据的系统。

• 制造运营管理 —— ISA-95 标准中涵盖生产、质量、物流与维护作业的概念。

• 智能制造 —— 制造执行系统被视为其核心系统之一。