定义，整合，实施MES与控制，ERP

在过去20年里，战略性企业整合一直在酝酿之中。虽然实现这种集成的技术很多都是可用的，但真正声称实现了大规模集成的公司数量很少。第一代制造执行系统(MES)实现是第一批技术类别之一，其任务是提供集成企业所有部分的粘合剂，并建立了这一类别的潜力。然而，他们的成功是有限的，部分原因是对MES范围和功能的定义狭窄且经常相互冲突。如今，新一代更开放、更灵活的系统使制造商能够以最适合其运营的方式定义MES。

MES的定义

MES是驱动制造操作有效执行的动态信息系统。使用当前和准确的数据，MES在事件发生时指导、触发和报告工厂活动。理想情况下，MES由一组功能组成，这些功能管理从订单发布点到制造再到产品交付点的生产操作，描绘了整个生产过程的所有阶段。

定义MES技术及其在提高制造卓越性方面的作用的最重要的项目之一是由国际自动化学会(ISA)与制造业社区和系统供应商(包括控制、企业资源规划(ERP)和MES供应商)联合开发的ISA-95标准。(请参阅本文末尾的侧栏:ISA-95企业控制系统集成，第1至6部分。)ISA-95使用更广泛的术语来处理MES概念制造运营管理(MOM)，但两者都试图建模业务物流软件和制造操作软件之间的信息交换。他们还建模软件可以进行哪些活动，以及制造操作系统内的信息交换。

图1显示了ISA-95制造决策级别的功能层次结构。第4级是业务计划和物流决策，由ERP和供应链管理(SCM)系统支持。第3级一直是传统MES存在的地方，提供跟踪和趋势信息，以支持工作流、配方控制和维护等领域的决策。级别0、1和2是与实时生产事件相关的决策，例如过程感知、监督控制操作和过程自动化技术。这是分布式控制、监控和数据采集(SCADA)以及可编程逻辑控制器(PLC)系统的领域。

除了制定制造操作的层次结构外，ISA-95还旨在提高它们之间的互操作性，特别是ERP和MES系统之间的互操作性。图2是映射到普渡参考模型的ISA-95标准的紧凑系统视图。虚线表示ERP和控制系统之间可能的边界。在最典型的流程中，预定的订单传递到控制层，然后控制层返回生产响应和能力信息。该标准描述了有效调度模型所需的材料、人员、设备和其他信息。但需要注意的是，该标准并不打算明确规定在何种情况下使用哪种系统。它只提供中立的指导方针和数据交换结构，希望公司根据自己的情况进行调整。

ISA-95标准还为定义制造运营管理活动的功能范围提供了指南。这包括定义管理、资源管理、详细调度、调度、执行管理、数据收集、跟踪和分析，因为它们应用于生产、维护、质量和库存领域。传统上，MES被视为ERP(级别4)和控制和自动化层(级别2)之间的转换层。在这个角色中，MES系统的目的是几乎实时地登记和控制来自ERP级别的所有生产订单。它通过与控制层连接来收集和提供实时生产数据，并将所有必要的物流和财务相关数据返回给ERP。但是，仅以这种方式定义MES的功能，并不能充分发挥其在提高制造业生产率、质量和灵活性方面的巨大潜力。它处理实时数据、执行业务规则并将其与工程、质量和生产工作流集成的能力使其成为持续改进的理想平台。

放宽分类

实现MES的真正潜力需要将重点从试图定义类别中的任何东西转移到寻找为最终用户最大化生产价值所需的东西。自从制造企业解决方案协会(MESA)创建了第一个模型以来，MESA和整个行业都承认，在制造公司中共存的不同系统之间的边界是流动的，而不是刚性的。例如，当观察ERP和MES软件之间的障碍时，许多功能之间有明显的重叠，例如计划、订单控制、人力资源(HR)和维护管理等等。同样，在MES级别和监督控制级别(第2级)可能构成的活动之间存在重叠。

现代的分析框架可以帮助我们确定在企业的各个级别上部署系统的可行性、工作量和成本、灵活性和可维护性。例如，由CGI/Logica创建的框架将15个问题分类，可以帮助制造商确定他们的软件需求(点击这里查看更多信息)。

以下是可以在部署中使用的标准示例:

• 解决方法:跟踪和跟踪需要什么样的数据分辨率?
• 回应:操作是否需要实时数据，或者是否可以批处理?
• 可配置性:可以通过开箱即用的产品特性进行配置，还是需要自定义开发?
• 可变性:生产过程在一段时间内是稳定的，还是需要频繁的变化和适应?

回答这些问题可以指导确定正确的系统来实现每个MES功能。虽然ISA-95标准明确规定，此类3级功能适用于整体MOM范围，但它并没有规定所有功能都必须由给定的MES解决方案实现。事实上，对于某些部门和某些工业环境，其中一些功能甚至可能由ERP更好地实现。

了解更多关于模块化MES的案例和ISA-95企业控制系统集成的六个部分的信息。

模块化MES的理由

实现最佳生产力需要ERP或MES软件选择性地执行多种功能。ISA-95标准通过对业务物流系统和制造操作系统之间的信息交换建模，以及对制造操作系统第3级内的信息交换建模，帮助定义这样的解决方案。然而，这种实现策略取决于一个关键因素:真正模块化MES的存在。更准确地说，必须能够在不实现整个应用程序的情况下运行特定的模块。而且必须能够轻松地将这些模块与驻留在不同应用程序(包括ERP软件)中的功能模块集成在一起。

MES不能作为覆盖所有可能功能的整体，而必须是一组模块化的构建模块，特定工厂可以根据其业务情况选择是否实施。除了使最终用户能够构建理想的解决方案外，这种模块化还在以下方面提供了帮助:

• 缩放:制造商希望逐步实现功能，出于方法论的原因或根据他们的人力或财务资源能力。
• 迁移:与扩展类似，需要逐步引入功能模块，同时与遗留解决方案进行强有力的交互。
• 域专门化:尽管MES提供了广泛的功能集，但它可能不包括某些行业所需的非常专业的需求。

然而，模块化并不是可以添加到现有软件产品中的东西。解决方案必须在一开始就通过架构或基于解决方案的框架进行模块化设计，该框架对以后添加的各种解决方案保持开放。

这种更加模块化和系统化的软件开发方法的另一个优点是更通用的系统，更广泛地适用于一系列不同行业的制造挑战。它还意味着能够对包含非常不同的过程的更复杂的场景进行建模。

模块化MES实践

针对某大型集成电路衬底制造企业，实现了ERP与MES的接口。虽然该项目包括大规模设施的全范围MES和自动化方面，但关键领域之一是SAP ERP软件的接口。公司使用SAP R/3进行规划，SAP APO-Advanced planning Optimization进行中长期规划。

首先要考虑的是接口的可靠性。该接口是双向的，由同步和异步调用组成。然而，考虑到集成系统的不同性质，特别是在实时性和关键性方面，安装需要先进的缓冲和错误管理技术。

缓冲是必不可少的，因为两个系统在与正常运行时间相关的服务水平协议(sla)方面存在显著差异。如果ERP由于任何原因处于离线状态，MES也不会停滞，因为它通过缓冲调用，然后在ERP系统重新联机时执行调用，从而帮助保护所需的24/7操作。高级错误管理也是必须的，因为这些系统由组织内的不同小组控制，并且在地理上分散。

可以在ERP级别进行更改，有时不能完全考虑到不同制造设施的所有影响，因此先进的错误管理程序也是至关重要的。

在功能上，数据集成在不同的领域进行，以下是最关键的:

1. 从ERP同步物料主数据:客户ERP系统维护了产品信息、物料清单、流程、设备、生产步骤等主文件。目标是使它成为此类信息的唯一来源，以便所做的所有更改都能立即与MES同步。
2. 生产订单:同样，生产订单也从ERP同步到MES, MES应用程序将影响订单状态的任何事情的基于事件的定期更新报告给ERP系统。
3. 工程订单:工程订单在MES级别创建，并与ERP系统共享。
4. 维护订单:由于MES应用程序密切跟踪制造设备的实际使用情况，因此在MES级别执行维护管理功能(包括基于时间和使用情况的事件)是最有效的。维护相关信息发送至ERP。
5. 材料清单:物料库存定期从MES更新到ERP。
6. 仓库管理:仓库管理在ERP级别实现，但来自车间的影响仓库库存的请求与MES同步。
7. 人力资源:一些MES功能需要最新的人力资源信息。这包括员工培训、认证、角色和授权等潜在的关键信息，这些信息必须定期与ERP和MES的HR数据同步。

ISA-95指定的最常用的功能领域是将生产计划从ERP系统发送到MES，并将实际生产状态和性能信息同步回ERP。这使得公司级别的计划和调度之间能够双向沟通，以增加生产车间的可见性。

除上述接口外，还为该客户端实现了调度接口。在这个模型中，计划和调度在不同的级别上完成，在ERP和MES，支持战术和操作级别调度功能的组合。ERP系统根据船舶和开始日期提供无限容量计划。然后将其发送到SAP Advanced Planning and Optimizer (APO)， APO根据容量和发货日期进行有限计划，不是在资源/设备级别，而是在工作中心级别。

然后将这个高级粗略计划发送给MES, MES将其转换为运营计划，并考虑其他运营因素。这些包括资源可用性和能力、配方和持久依赖关系、轮班管理(员工可用性、资格和认证)、库存水平、设置时间、消耗品的准备和适应时间，以及产品和消耗品的时间限制，这些都超出了手工的优先级。

MES级别的操作计划具有更高的粒度，并且基于额外的信息，对先前由ERP级别的更高级别计划确定的序列进行微调。此外，由于车间层面的情况可能会发生变化，系统重新安排操作计划的频率要比战术计划高得多。

战略性企业整合仍然很重要

将MES/MOM空间视为不仅仅是一个简单的转换层，这将使战略企业管理重新回到桌面上。作为一个控制和持续改进的平台，它能够提高生产力、质量和灵活性，这对于在当今高度动态的全球市场中竞争生存至关重要，至少可以实现以下功能:

1. 供应链内的同步制造操作;
2. 提高生产计划对运营方和所有其他利益相关者的可见性;
3. 增加决策信心，帮助每个人知道当情况发生变化时该做什么。

这些对于提高生产力、质量和响应能力是必不可少的。MES可以通过提高产量、降低维护和人工成本来提高生产率。它通过监视和控制生产过程和适当管理制造异常过程来提高质量，同时提供已建立的规范和指导方针的系统执行。它可以更快地对市场变化和突发事件做出反应，也可以更快地推出新产品。

- Francisco Almada-Lobo是Critical Manufacturing的首席执行官和创始人;由主编埃里克·艾斯勒编辑石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com．

ISA-95企业控制系统集成，第1至6部分

ANSI/ISA-95 (IEC 62264)标准由六个部分组成:

ANSI/ISA-95.00.01-2010 (IEC 62264-1 Mod) .企业控制系统集成第1部分:模型和术语

ANSI/ISA-95.00.02-2010 (IEC 62264-2 Mod) .企业控制系统集成。第2部分:对象模型属性

ANSI/ISA-95.00.03-2013 (IEC 62264-3修订)-企业控制系统集成-第3部分:制造操作管理的活动模型

ANSI/ISA-95.00.04-2012 (IEC 6xxxxx[?]) -企业控制系统集成-第4部分:制造操作管理集成的对象和属性

ANSI/ISA-95.00.05-2013 - (IEC 6xxxxx[?]) -企业控制系统集成第5部分:企业到制造业交易

企业控制系统集成。第6部分:消息传递服务模型

ISA提供了关于这里的每个标准．

另请参阅制造IT专栏，“工程和IT洞察”和制造IT MES页面．

关键概念

• 同步供应链中的制造操作。
• 专攻你所在行业的领域。
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关于作者

Francisco Almada-Lobo是Critical Manufacturing的创始人兼首席执行官，在那里他推动cmNavigo MES系统的开发。他的职业生涯始于CIM研发机构，后来加入西门子半导体。在西门子、英飞凌和奇梦达任职期间，他曾担任多个制造职位，包括领导一家大批量工厂的MES首次迁移。自2010年以来，他一直担任Critical Manufacturing的首席执行官。他拥有葡萄牙波尔图大学的电气工程和工商管理硕士学位。

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MES还是批量生产:最好的答案是什么?

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