浅谈MES制造执行系统 PLC的几个关键特性

作者：薛鹏  

导读：MES已经处于制造生产企业的核心地位，在生产中作为生产管理层，兼具便捷性、灵活性以及先进性等特点，汇聚生产运行中的所有元素，成为综合性的生产管理系统。

本文会以生产制造为主线，其他流程为辅，以管理理念为主，具体功能为辅，介绍MES生产制造执行系统，期待能让各位制造业的同仁对MES有更深刻的理解，跳出系统本身，跳出固有思维，回归生产管理的本质。

什么是MES

制造执行系统MES是一套工具，旨在支持产品达到预期的质量、安全和合规水平，以及生产的预期性能水平。MES是支持工厂质量标准和企业卓越运营计划的关键要素。在工厂层面，MES不是通过“最后一天结果报告”来控制生产线，而是通过向操作员和生产管理人员提供实时的生产和质量信息，使人们能够“主动”地进行生产控制。MES是制造业务的核心，支持业务流程和生产流程。

1.  业务连续性支持

MES将持续向ERP系统提供生产完成信息，以确保优化业务供应链和流程规划

MES将为设备及生产人员提供生产准备信息，以确保设备保质、保量，按需作业  

2.  生产支持

MES将向生产团队提供实时信息，以确保以下活动和利益：

监控生产绩效

提供运营主动支持

对设备故障做出适当反应

确保质量一致性

通过平稳运行帮助增加产量

减少或消除数据输入时间和文书工作

缩短交付周期

谈到MES，ISA-95早已对系统的范围和目标作出了清晰的定义，但是由于目前没有一个成熟的商业产品能够覆盖所有的生产制造流程和管理需求，导致大家对MES的理解，范围不一、功能不一、用途不一，无谓对错，都是从本身工厂需求出发，但是如何建立更高效的、更简洁的、更有扩展性的工厂执行层面的信息系统，没有理论基础是不可实现的。 站在巨人的肩膀上，登高望远。

上图是ISA-95定义的企业信息系统边界，无数实践证明，在做系统规划时，我们必须要考虑系统的边界。为什么要这么做？很多人考虑是技术壁垒，这不是根本原因，而是下面最基本的战略思想。一个复杂的事物，没有先进的思想引导，是无法理清并发挥作用的。 我们要用战略思想来武装自己。

独立自主，自力更生。我们把系统分级的目的就是让每一层级的系统都要自主运行的能力，而且是各司其职，发挥最大主动性

实事求是。数据的真实性和实时性是做系统交互的关键，也是能够利用数据帮助决策的根本

群众路线。每一级系统对应不同的用户，符合用户的习惯，满足用户的需求，从用户中来，到用户中去

从最底层(0,1,2级系统)开始分析，制造业按生产特性可以分为连续生产，离散生产，以及批次生产。MES之所以定制性很强，与不同的生产控制方式是密切相关的。我们会在后续介绍所有的业务模型建模实践。让大家彻底了解其不同和相同之处。 连续生产特征

原材料会通过各种专用设备，其形状和性能都可能会发生改变

每台设备以一种标准的方式运行

每个设备执行一个特定的任务

最终的结果是产品的连续流动

离散生产

产品批量生产，原材料经过加工后，会生成独立的个体，称之为零件

有限数量的零件作为一个单位在工作站之间移动

每一部分都可以保持着自己独特的身份

每个零件都可以单独进行质量测试

批次生产

产品可以批量生产，也可以一批生产

批次的一个特点是它们有相同的原材料和相同的生产历史

如果批存储在一起，则很难维护批标识

一台设备可以执行多个任务

MES将会覆盖生产管理，质量管理，物流管理以及维修管理四大方面，那么不同的流程，在建模方面也会有所不同。每一个企业的管理细度，设备的自动化程度都是不一样的，统一模型需要不同部门，不同技术背景人员的积极参与和协同。这也是MES项目的难点之一。 这几节我们来关注下各级系统的交互的技术细节，目的是来回答目前很多人感到困惑的话题——IT和OT的融合。 工业互联网，大数据分析，智慧决策等等风口上的概念充满了这个制造业的时候，让企业的决策层产生了很多误判。好像没有“智慧”二字的项目，怎么还有脸上马，我的企业岂不是会落下十万八千里。

当大量项目和资本从互联网涌入制造业，关注制造设备联网，一个不可逾越的鸿沟出现了。从互联网穿越过来的IT人不能理解自动化工程师的工作，觉得写PLC程序的人，像是写汇编程序，心里暗暗想，我都在玩JAVA，Python，数据仓库，高可用，多并发的高级程序，什么年代了，自动化工程师们还在写汇编级别的程序；而自动化工程师看IT人也是横竖都不对，天天口头大数据，云里雾里的，连基本的串口通讯都不知道是啥。

合作还是要有的，聪明的工程师们找到了一个救命稻草——OPC(OLE for process control)，号称可以和一切硬件设备互联，包括各种PLC或底层设备，于是大量的MES设计方案出炉，一个个高度集成的MES诞生了。 但是OPC不是神仙，潜在的问题就是数据采集不准，不及时，更有甚者在下发数据时，出现错误，出现大面积设备停机，产品报废的情况。这时大家再回想起自动化工程师哪去了，你为什么不能保证设备通讯正常。本身设计方案已定，自动化工程师也很难去找到问题所在。大量互相扯皮的现象就出现了。 决策层很自然地想到，不如成立一个部门，把自动化和IT工程师放到一起，汇报给一个老板，不就解决了，有问题大家一起扛。其实当中的一个关键问题，大家忽略掉了，那就是系统的架构设计，没有了层级的概念，一套系统打天下，必然会带来上面的问题。

1,2级系统就是设备控制级的系统，1级是指PLC控制，2级系统是指设备的上位机系统。这方面很多企业都很薄弱，很多都是设备供应商提供的，自己没有设计和运维能力。而这一层级，是不可或缺的，自动化工程师或者是专业的上位机系统运维团队需要确保这层级的系统稳定运行，设备才可以做出合格或高质量的产品。我们在顶层设计时，切不可忽略这层级的重要性。 制造业的核心竞争力是保质，保量，按时完成生产任务，而这一层级的系统就是最基础的保证。这方面需要专业人才不断地知识积淀，将工艺和设备控制完美结合，成为一个能打硬仗，能打赢硬仗的先锋连队。 咱们继续说1级系统和2级系统，学过自动化的同学们肯定都了解过 PLC(Programmed Logic Controller)——可编程逻辑处理器。PLC经过50多年的发展，在性能上有了巨大的进步。遗憾的是国产PLC，一直难登大雅之堂。

PLC的几个关键特性

稳定，很多PLC用于军事领域，10年，20年稳定运行

快速，毫秒或微秒级的信号处理速度

可以连接工业现场各种信号源，数字量，模拟量，开关信号

设备能在复杂的环境中，能够稳定安全地运行，PLC功不可没。工业自动化工程师们用几代人的智慧搭起目前成熟工业控制体系。 PLC发展的同时，计算机的进步也是日新月异。1级系统的劣势也很明显，数据展现不是很方便，特别是在生产现场，工人们需要快速换型，需要方便查看设备状态，工艺工程师需要分析设备数据，工艺工程参数，维修人员也要大量的实时或历史报警用来分析设备故障。于是2级系统应运而生。这些理念在20世纪八九十年代就已经存在，至今也没有过时。反倒是现在，有些年轻的工程师们，觉得只有大数据，只有人工智能才可以做。 在此，我们一定要强调，只有2级系统稳定，可靠的运行，单体设备才能发挥其最大效能。有了2级系统的基础，MES才能没有后顾之忧。也没有必要去纠结与PLC通讯的复杂和不确定性。很多工厂在2级系统层面投入太少，而期望MES采集和控制设备的所有数据，导致MES的投入巨大，效果却不如人意。 还是重复强调，我们制造业信息系统架构设计，要从顶层开始，逐层规划，同步数据，分步实施。

下一节，MES正式登场。

当设备上位机系统日趋完美的时候，当ERP系统越来越完善的时候，人们对车间管理的期望越来越高。如果我们有了单兵作战能力超强的士兵，有了高瞻远瞩的元帅，那么整体的战斗力将取决于士兵如何能得到正确的指令。我们急需要能够正确理解元帅命令的将军，并传令给各级士兵，协调各种兵种，调动各类资源，并将战场的实时信息反馈给元帅。

MES就是将军。 为什么我们说MES是智能制造的核心？因为MES能够充分整合和调动人、机、料、法、环五大生产要素，它是黄沙百战穿金甲，不破楼兰终不还的霸气将军。 当前中国的制造业，其实很多人都在质疑MES有什么用？或者说投资二三百万，更有甚者一二千万的费用建设是不是值得。 企业有这样的顾虑是正常的，现在市场上或供应商做出来的MES水平参差不齐。各式各样的“将军”履职了。

把单体设备的数据集中到一个中央数据库，将军变成了车间秘书

一堆堆的防错，出现在各道工序，将军变成了监工

控制单体的设备运行，将军变成了士兵。

期望读到这篇文章的企业家们和MES供应商们，都仔细地思考MES的用途和前景，当前企业的现状需求，真正通过MES系统的建设，提升企业的核心竞争力(质量，产量和交期)。

没有单兵作战能力的，只能提高单兵作战能力

元帅统筹能力不够的，提高统筹能力

没有将军上传下达，指挥战役的，找到合适的将军

什么四级系统？ERP——企业资源规划系统是这层的典型代表。目前ERP软件可谓相当成熟了，很多企业也意识到其重要性。作为元帅，我们只提其一个关键字——"全"。

ERP系统是从全局出发，从全流程入手，支持业务流程优化

ERP是为了保证全局利益

ERP保证了全部流程之间的关联性

ERP以物料信息集成开始，将各项业务和财务集成到一起，最大地实现客户价值和企业价值的共赢。 ERP具备了很多前人的管理思想，如TQM——全面质量管理，JIT——准时生产，LP——精益生产，BPR——业务流程重组。在ERP建设或使用当中，一定要多去理解操作层面背后的管理思想，才会有助于企业的经营，才能够真正实现“管理以人为本”。 通过上面的介绍，企业信息化的分级是比较清晰的。这背后的思想值得借鉴，任何组织都应该有层次。管理就是要把层次理清，统一思想，上令下达。 讲了很多理论思路，我们一点点从功能上剖析MES应该是什么样子。我们可以从生产主流程出发。 生产管理——第一步：定义产品制造流程

物料清单

工艺参数，工艺路线

辅助工具或辅料

所需设备，人员，能源

这些基础信息在设计时，各级系统要通盘考虑。做到来源统一，管理细度分明，下级系统有独立运行的能力，上传或下载要保证准确无误。这些基础数据在不同行业的生产流程叫法不一，数据的组织方式也会有所不同。所以设计时要求同存异，考虑周全。
生产管理——第二步：制定详细生产计划

这里我我们要强调优化的概念，如何利用最小的资源(设备、人员、能源），最少的设备清洁或调整时间，最合理的设备组合和拆分，来实现生产任务。这是MES作为将军的最核心指标。 在现实的MES项目中，却从来不够受重视，大家忙于采集数据，忙于防错，却忘记了核心。如同很多企业在上了ERP以后，MRP从来没有跑起来过，大家用excel，玩得不亦乐乎。虽说需求来源于工厂，工厂觉得现在excel已经很好了，何必去了解玩不懂，看不明白的复杂逻辑。 历史上，著名的战役有很多，总会有胜利和失败的一方，双方都有将军，能力有高有低。孰好孰坏，战场上自然见分晓。 回到MES的核心功能，详细生产计划，没有此功能的MES，如何谈MES是智能制造的核心，失去了指挥能力的将军，与士卒有何分别！ 希望大家谈MES的时候，不要大谈万物互联、扫码追溯、系统集成，虽是重要，但不是立命之根基，不是取胜之法宝。

生产管理——第二步：制定详细生产计划，如何制定？

所有的决策都是在拥有足够信息的情况下制定的，知己知彼，百战不殆。都需要哪些信息呢？ 1. 生产计划达成率。获取生产产量是MES必备的功能之一，而这在实际生产当中，往往不是一件容易的事情，很多时候人们会综合管理细度，平衡数据的采集方式。特别是连续生产行业往往带一些预估量。我们要尽量保证产量数据的准确性和实时性。这样MES才能及时调整生产计划 2. 资源可用性，包括人，机，料，辅助工具，辅料，能源等 3. 生产支持部门的情况。如质量，维修和物流部。计划是否统一，相关资源是否同步协调 那么有了这么多信息MES应该做到什么地步呢？ 胸有成竹，运筹如虎踞，决策似鹰扬，在计划未实施之前，通过模拟运行，准确的预估生产时间或结束时间，能够找到瓶颈工序和保证按计划完成的关键点。 所以MES项目必须是强势的一把手工程，让决策更加科学，不要拆东墙补西墙，一直处于救火状态。

生产管理——第三步：调度管理

有了详细的作战计划，各级单位要做到令则行，禁必止。 1. 按进度计划发出生产工作指令。

根据生产计划生成工位级别的工单

根据进度更新更新计划工单

进度有变化时，实时通知

所有人随时可以监控到完成情况

2. 各级单位收到指令后，根据目标任务，系统列出所有所需资源，工作人员提前检查资源可用条件，确保根据班次/工作单/工作日开始时的正确条件，在正确的时间、正确的地点，按照计划安排所有所需的资源。 3. 所有条件满足后，工单启动。战斗一旦打响，战果必须实时更新。

生产数据和日期的自动记录

根据商定的业务需求，生成的对应的工单报告

当工单未根据预期完成时，实时通知上级单位，立即重新安排工厂资源和产品的计划

工单执行过程中，资源的任何变化都可能会影响执行的效果

质量部门实时监测产品质量

未来资源可能发生的变化实时通知到各级单位。

当然，不可否认这是一套非常复杂的业务逻辑，MES如何能够帮助决策，如何能够更准确的预测变化，将会是未来MES拔得头筹，成为MES界的“SAP”。

生产管理——第四步：生产执行

生产执行我们可以理解为是2级系统的主要功能。当单体设备知道要生产什么的时候，下一步最主要的功能是要知道怎么生产。 一般来说，主要分下面几步： 1. 来料验证 2. 单体设备中工序的定义 3. 定义加工参数和上下限 4. 启动生产菜单 5. 收集过程参数和产品质量参数 MES作为3级系统和2级系统主要的交互， 1. MES告诉设备的2级系统工单号及生产产品 2. MES告诉2级系统，来料是否可用 3. MES提供给2级系统加工参数和上下限 4. 2级系统通知MES工单启动和最终产品的质量 5. 关于过程参数，一般会单独按时间序列存于实时数据库当中，当然为了比对，工单号，菜单号，或者是产品ID都会是其中一列数据。 当前的很多工厂，把这部分的功能完全设计在MES当中，并看成是MES的主要功能，直接和设备PLC交互，导致大家理解MES出现偏差。对MES的发展也是不利，因为设备能够独立运行是生产的最基本要求。技术应该去解决问题，而不是完完全全地理想化。当然很多客户在数据追溯方面有硬性要求，我们在设计应该去考虑缓存，考虑事后救补的方式。这种思路不仅是在MES和2级系统之间，2级系统和1级系统同样应该如此。

生产管理——第五步：生产追溯

生产追溯是指总结实际用于生产产品的人员和设备、消耗的材料、能源，生产的材料以及其他相关生产数据（如成本和性能分析结果）的信息。这些信息会汇报给4级系统，用于更新总体计划。 1. 跟踪物料在工厂中的移动。保持对每个工位在特定时间内的内容的描述，并跟踪生产领域内物料经过的所有路径。这里面的难点是如何定义追溯的条件，按批次，还是按单个追溯，这部分主要是由生产工艺和客户要求而定。特别是流程行业中，使用物料和成品物料不能一一对应的时候，按时间，最大程度的匹配是必要的。 2. 将过程事件（包括生产和移动事件）附加在产品信息上，比如设备的开始和结束时间，中间的过程参数和设备报警、操作员的姓名和资质、质量的检查、当时的工厂环境，温度，湿度、物料的批次或单个追溯码。 3. 生成与生产过程相关的记录。这包括监管或质量管理所需的记录。这个功能非常重要，是产品质量的有效证据。 MES作为生产追溯和数据统计的集合，是MES的重要功能。业务需要明确自己的需求，才能发挥数据的最大作用。

生产人员时间管理集成

作为生产现场员工，直接影响产品质量或者产品产量。MES从下面几个方面集成到生产流程里。 1. 考勤管理

使用条形码、RFID阅读器识别员工出勤情况

准确、实时地跟踪和监控员工出勤情况

自动生成员工考勤报表

2. 劳动生产率管理

生产员工需要登录工作站才可以开始生产

将分配的员工人数、员工身份、员工角色和劳动时间与生产和质量结果相关联

提供有关人员状态、劳动力分配（已承诺、可用或不可用）和生产结果的实时信息

生成有关劳动力能力和生产力的信息，以实现持续改进和动态劳动力分配

3. 维护人员技能图谱

生产人员技能需要与设备和产品匹配，保证员工持证上岗

培训流程和技能图谱集合，保证系统和员工真实状态同步

设备管理集成

MES主要关注设备的状态管理，状态管理的目的是提供给决策者准确的人员，设备能力信息，以确认计划的有效性。 首先要定义停机标标准，如故障停机，计划停机，设备点检，操作工休息，缺少原材料…，其次是这些状态的切换要尽量要与设备集成，避免操作工太多的人为操作。最后系统要提供灵活的数据统计分析，比如按设备，按停机原因，按时间，按车间等多维度，帮助管理人员提升生产效率循环时间管理集成循环时间是生产计划的的最基本要素，如何定义每一个操作的循环时间是IE人员的基本要求。我们在系统里要清晰的定义出每一步的循环时间，还要尽量能够从设备反馈出实际使用时间，这样IE人员可以方便的对比理论和实际的区别，从而思考整条生产线的瓶颈工序，找出哪些方面可以提高。

质量管理流程集成 质量管理的广义范围包括质量操作和对这些操作的管理，以确保中间产品和最终产品的质量。 质量运营管理可包括：

测试和验证材料的质量（原材料、最终产品和半成品）

测量和校准设备和工具，确保测量结果正常

产品质量合格证明

制定质量标准

制定质量人员认证和培训标准

制定质量控制标准

质量是产品制造过程里不可或缺的一部分。所以最新的ISA-95把MES更名为MOM（制造运营管理），就是期望在实施过程中，不要把思路固定在产品的制造过程，还要把相关的活动（质量，维修，物流）数字化，流程化。 对于质量管理，事先预防是关键，这就要求我们在设计系统时，必须考虑质量相关流程的集成，特别是与生产现场直接相关的流程，比如生产前，质量相关的设备校准，生产中的物料防错，不合格品处理，巡检和抽检，生产后的合格确认。 往往是现实打败了理想，或者是对MES的理解差异。很多企业从质量的角度看，MES就是一个追溯工具，只有在客户投诉的时候，才会在系统去找相关产品信息。

审核编辑：黄飞