一文詳解MES/MOM系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

01信息化三駕馬車之MES

MES（ManufacturingExecutionSystem）即制造執(zhí)行系統(tǒng)， 是實現(xiàn)智能制造的核心統(tǒng)之一。

與PLM、ERP并稱為信息化三駕馬車的MES。上接ERP、PLM、CAPP等系統(tǒng)，下接SCADA、PLC以及各類物理生產(chǎn)設(shè)備，主要負責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。

數(shù)據(jù)來源：《機智 從數(shù)字化車間走向智能制造》朱鐸先等著

MES提供一個能夠集成諸如訂單執(zhí)行與跟蹤、質(zhì)量控制、生產(chǎn)調(diào)度、物料投入產(chǎn)出管理等功能的統(tǒng)一系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)ERP系統(tǒng)無法實現(xiàn)的實時生產(chǎn)管理報表功能。

相較于ERP，MES獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時性高，對底層生產(chǎn)的數(shù)據(jù)把握細；而ERP是一個功能更廣，但對車間生產(chǎn)執(zhí)行層了解不細致的系統(tǒng)。

目前就國內(nèi)信息化而言，大部分制造型企業(yè)已經(jīng)完成了ERP等的建設(shè)，隨著智能制造的提出，技術(shù)的不斷進步以及IT與OT的不斷深度融合，根據(jù)傳統(tǒng)的ISA-95架構(gòu)，MES作為IT與OT融合的重頭戲，來自ERP、PLM等為代表的上層企業(yè)運營軟件服務(wù)和應(yīng)用下沉至以車間級別的設(shè)備工藝制造流程、設(shè)備管理與機臺動作等，MES成為了其中至關(guān)重要的一環(huán)~

02MES：離散工業(yè) VS 流程工業(yè)

根據(jù)生產(chǎn)方式的不同，制造型企業(yè)一般分為三類：

一是離散工業(yè)（Discrete Industry），主要特征為生產(chǎn)過程中基本沒有發(fā)生物質(zhì)改變，只是物料的形狀和組合發(fā)生改變，典型包括汽車制造、機器人、機械制造等；

二是流程工業(yè)（ProcessIndustry），即生產(chǎn)過程中被加工對象不間斷地通過各類生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過混合、分里、粉碎、加熱等物理或化學(xué)方法使原材料進行增值，得到最終產(chǎn)品，典型包括石油化工、化工、鋼鐵制造等；

三是混合工業(yè)（HybridIndustry），如果流程型制造企業(yè)的最終輸出產(chǎn)物不是通過管道直接運輸走，一般就需要包裝等環(huán)節(jié)，且包裝環(huán)節(jié)價值在產(chǎn)品中價值占比較高，即為混合型制造企業(yè)。前期生產(chǎn)是流程、后期包裝是離散、例如制藥、造紙等。

下面我們從生產(chǎn)計劃，數(shù)據(jù)采集，自動化水平等方面來對離散和流程工業(yè)進行橫向?qū)Ρ龋?/p>

正因為在產(chǎn)品品質(zhì)和批 量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)模型要求、生產(chǎn)計劃管理、設(shè)備管理等方面離散工業(yè)與流程工業(yè)存在著巨大的差異，因此諸多MES廠商針對于流程工業(yè)和離散工業(yè)都有對應(yīng)的解決方案套件



來源：西門子

如上圖所示為西門子針對于離散和流程制造的不同解決方案套件SIMATIC IT UADM和SIMATIC IT UAPI（目前均以改名，劃為西門子Opcenter產(chǎn)品體系，名為Opcenter EX DS和Opcenter EX PR，詳細內(nèi)容可以參看：最全解讀西門子MES/MOM平臺Opcenter，100多億美金的數(shù)字化之路） 除了離散制造與流程制造的本質(zhì)不同之外，不同行業(yè)之間在管理方法論、工藝、生產(chǎn)流程之間也存在巨大的差異，因此也誕生了各種各樣的行業(yè)解決方案套件，比如西門子半導(dǎo)體套件、高科技電子套件~

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又比如另一工業(yè)巨頭羅克韋爾的汽車行業(yè)套件（AutoSuite）、制藥行業(yè)套件(PharmaSuite)、快消行業(yè)行業(yè)套件(CPGSuite)等（如下圖）：

來源：羅克韋爾

再比如，在國內(nèi)鋼鐵行業(yè)MES龍頭企業(yè)寶信軟件，也逐步向醫(yī)藥行業(yè)滲透。目前已經(jīng)推出了“制藥MES V2.0”和“制藥LIMS V1.0”，并在上藥東英藥業(yè)等企業(yè)成功實施上線~

來源：寶武集團官網(wǎng)，信達證券

當然，國內(nèi)制造業(yè)的自動化水平極不均衡。整體上看流程工業(yè)自動化水平高于離散工業(yè)，不過比如離散制造中國的汽車制造，卻也是離散制造制造之中的標桿，其自動化和信息化水準均走在制造業(yè)前列~

來源：億歐智庫

不過就大方向來說，離散工業(yè)是未來智能化改造的主戰(zhàn)場。目前，國內(nèi)不足半數(shù)的企業(yè)應(yīng)用了MES系統(tǒng)，但其中仍有半數(shù)企業(yè)無法實現(xiàn)上層管理系統(tǒng)和下層執(zhí)行系統(tǒng)的集成，未來MES系統(tǒng)的普及與升級改造需求有望帶來較大的發(fā)展空間。

MES靠近設(shè)備層，但每個行業(yè)的設(shè)備差異度大，故難以標準化，同時MES側(cè)重管理細節(jié)化，

需要軟件設(shè)計貼合生產(chǎn)，導(dǎo)致MES軟件設(shè)計需要大量所在行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗，這些特點使得MES

軟件市場難出現(xiàn)幾家獨大的局面。

03系統(tǒng)認識MES/MOM與其功能

對于MES的定義與標準，前面我們就介紹過，按照時間順序，大致是下圖所示這樣的。其中以MESA International提出的MESA標準和儀表、系統(tǒng)和自動化協(xié)會的ISA-95最為知名（當然也有德國的VDI 5600等，以及國內(nèi)信息產(chǎn)業(yè)部搞出的的MES規(guī)范，不過相比較前兩大標準，知名度不高）

來源：MPDV

經(jīng)過多年發(fā)展之后的MES，MOM（ManufacturingOperationsManagement）概念在ISA-95中被首次提出，MOM覆蓋了其中的LEVEL 3包括文檔管理、配置，模 型、企業(yè)制造智能，報表、計劃調(diào)度、工單等子系統(tǒng)，整體是一個完整的平臺層（如下圖）?，F(xiàn)實中大部分公司因為歷史原因，其產(chǎn)品名一直被叫做MES，即使功能已接近或與MOM的定義完全一致。

MES主要能夠幫助制造企業(yè)解決如何生產(chǎn)的問題，例如，幫助企業(yè)提高設(shè)備利用率、降低交貨周期、實現(xiàn)質(zhì)量保障與追溯等目標。具體而言，如下圖所示，MES的主要功能包括生產(chǎn)運營管理、產(chǎn)品質(zhì)量管理、生產(chǎn)實時管控、生產(chǎn)動態(tài)調(diào)度等，對 生產(chǎn)現(xiàn)場的“人、機、料、法、環(huán)、測”均實現(xiàn)了有效管理，緊扣質(zhì)量管理理論中的六要素。

下面為國內(nèi)數(shù)字化工廠解決方案提供商銳制軟件的MOM制造運營系統(tǒng)功能清單

來源：銳制軟件

當然無論是遵照MESA、ISA-95還是VDI5600，對于MES的功能描述框架描述差異均不是太大（如下圖分別列出了MESA、ISA-95和VDI5600對MES功能的描述）

MESA標準下的MES功能

來源：網(wǎng)絡(luò)

ISA-95標準下的MES功能

來源：網(wǎng)絡(luò)

VDI5600標準下的MES功能

來源：網(wǎng)絡(luò)

不論參照哪一個標準，MES作為一個重要的生產(chǎn)過程管理與監(jiān)控者，承接了上層管理系統(tǒng)和下層執(zhí)行系統(tǒng)的集成。在數(shù)據(jù)越來越重要的今天，起著極其關(guān)鍵的作用。下圖為《機·智：從數(shù)字化車間走向智能制造》叢書中總結(jié)的MES功能框架：

很多人可能注意到了，從功能上看，ERP和MES中確實是有重復(fù)的功能模塊，比如設(shè)備管理、計劃管理等。但在ERP和MES中的角色卻不一樣，對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的顆粒度，MES更細、更實時，而ERP更粗、更滯后。

04MES實施之殤

我們知道，MES能夠幫助制造企業(yè)解決如何生產(chǎn)的問題，例如，幫助企業(yè)提高設(shè)備利用率、降低交貨周期、實現(xiàn)質(zhì)量保障與追溯等目標。但是在MES實施過程中，會有各種各樣的難點與痛點，因此導(dǎo)致國內(nèi)MES的成功率并不是太高，我總結(jié)了以下幾個在MES實施過程中的重點與難點：

1）工藝建模

2）工廠建模

3）數(shù)據(jù)采集與解析

4）行業(yè)know-how

5）管理模式

MES貫穿了整個生產(chǎn)流程，從制造業(yè)信息化的角度，需要對整個生產(chǎn)流程建模。為了讓不了解制造業(yè)的朋友有一個比較具象化的了解，我們以GE這份制造業(yè)生產(chǎn)過程的整體業(yè)務(wù)流程(如下圖）為例來講解，MES系統(tǒng)主要負責(zé)其中從原材料到產(chǎn)成品的全過程，包括生產(chǎn)調(diào)度、工單協(xié)調(diào)與 執(zhí)行、現(xiàn)場生產(chǎn)控制與監(jiān)控、設(shè)備管理、質(zhì)量監(jiān)控等過程。

MES整體業(yè)務(wù)流程

來源：GE

那如何實現(xiàn)上面所謂的生產(chǎn)流程的建模呢？為實現(xiàn)生產(chǎn)流程的建模與后續(xù)分析，需要進行數(shù)據(jù)采集與解析、工藝建模、工廠建模。

1.數(shù)據(jù)采集與解析

如今談及各種數(shù)字化工廠、信息化改造或是智慧工廠，自動化的數(shù)據(jù)采集都是其中及其關(guān)鍵的一環(huán)。但是由于工業(yè)場景的復(fù)雜性，對于有些場景而言，數(shù)據(jù)采集難度極高（如下圖某國內(nèi)發(fā)動機工廠數(shù)據(jù)采集流程）~

實現(xiàn)自動化的數(shù)據(jù)采集與解析需要MES廠商對各類硬件設(shè)備所支持的通訊協(xié)議（數(shù)據(jù)采集）以及設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的含義（數(shù)據(jù)解析）有較深入的了解，而這需要對各類通訊協(xié)議以及行業(yè)Know-How有持續(xù)的研究。（如下圖）

現(xiàn)實中，不少OEM設(shè)備廠商并不會對外開放其數(shù)據(jù)接口或通過收費的方式開放部分數(shù)據(jù)接口，使得第三方MES廠 商無法直接獲取數(shù)據(jù)，又或者現(xiàn)場設(shè)備過于老舊，無法獲得理想的高質(zhì)量有效數(shù)據(jù)，前面我們談過的工業(yè)當中的各種協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)無不說明了這一點：

技術(shù)解讀PROFINET、Ethernet/IP等7種主流工業(yè)以太網(wǎng)

最全整理工業(yè)通訊上的領(lǐng)域各種總線+協(xié)議+規(guī)范+接口—數(shù)據(jù)采集與控制

前面我們通過文章最詳細的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與協(xié)議總結(jié)解讀（現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線）詳細描述了工業(yè)領(lǐng)域當中的各種五花八門的協(xié)議（如下圖）

并從現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線等各個方面進行了詳細的描述，無論是基于RS485類網(wǎng)絡(luò)和FieldBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII、MODBUS TCP、CC-LINK IE等工業(yè)以太網(wǎng)，又或者802.11.x Wi-Fi、藍牙、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無需許可證的私有 ISM 頻段無線電以及 WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA 以及 ZigBee 等基于802.15.4 的協(xié)議，都做了詳細的介紹和對比分析~

2.工藝建模

不同行業(yè)、不同工廠產(chǎn)品生產(chǎn)流程不一致的原因主要在于車間的生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)， 這些環(huán)節(jié)與工藝有關(guān)。制造企業(yè)的核心競爭力之一即為其生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)工藝在較大程度上決定了產(chǎn)品的質(zhì)量與價格。因此，由不同廠商生產(chǎn)的同一種產(chǎn)品因生產(chǎn)工藝不同，其工藝建模也會大相徑庭。

MES工藝建模示意圖

國內(nèi)某汽車發(fā)動機工廠羅克韋爾FTPC工藝路徑配置界面

如，根據(jù)《機械行業(yè)標準：機械制造工藝方法分類與代碼》，機械制造工藝共有9大類，共710細分種類。不同細分工藝的組合就構(gòu)成的不同企業(yè)的制造工藝流程。

因此，標準化的、同時適用于多個企業(yè)的MES系統(tǒng)基本不存在，需要MES廠商為每個企業(yè)量身定制符合其自身工藝流程的MES系統(tǒng)，這對MES廠商的工藝流程理解能力提出了較高要求，同時也延長了MES的實施周期。

3.工廠建模

工藝建模僅是建立從原材料到產(chǎn)成品的變化路徑，而推動原材料質(zhì)變或形變需要企業(yè)人員的干預(yù)，即使在自動化、智能化程度較高的階段。例如，緊急加工一批短缺產(chǎn)品時，需要對當前生產(chǎn)任務(wù)進行中斷，這就需要各級生產(chǎn)管理人員的審批。

因此，工廠建模就必不可少。簡單理解，工廠建模即對工廠管理中的生產(chǎn)組織方式（例如車間各級人員架構(gòu)、管理與從屬關(guān)系、不同崗位工作職責(zé)）、生產(chǎn)流程進行建模，其中需要考慮的是企業(yè)本身自動化和信息化水平、員工技能等多個因素。

即使工藝完全一樣，生產(chǎn)類似產(chǎn)品的制造企業(yè)的生產(chǎn)流程建模也不會完全一樣， 因為各企業(yè)生產(chǎn)組織方式、自動化和信息化水平等方面可能都不一樣。這就使得MES廠商在實施過程中需要反復(fù)向企業(yè)確認其生產(chǎn)流程、不同崗位人員職責(zé)等個性化特點，并且，項目實施周期也將隨之延長。

MES工廠建模示意圖

4.管理模式~

MES是將很多管理理念（如JIT、精益等）提煉出來，并用IT工具來實現(xiàn)，是精益管理理念與IT工具的結(jié)合。前面說到的數(shù)據(jù)采集與分析、工藝建模、工廠建模等更多是使用IT技術(shù)對業(yè)務(wù)與流程進行梳理與實現(xiàn)，但MES系統(tǒng)涉及多個部門，橫跨多個領(lǐng)域，業(yè)務(wù)復(fù)雜且多變，挑戰(zhàn)更大的反而是管理理念。

對企業(yè)調(diào)研與需求分析不是為了確定用哪種IT手段，而是尋找分析企業(yè)的痛點、弊端，構(gòu)思企業(yè)管理的藍圖。所以MES很大程度是一種管理思路的咨詢。北京航空航天大學(xué)劉強教授曾提出“三不要理論”：不要在落后的工藝基礎(chǔ)上搞自動化，不要在落后的管理基礎(chǔ)上搞信息化，不要在不具備數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)時搞智能化”。闡明了如今制造與數(shù)字化轉(zhuǎn)型底層邏輯，前面我們在介紹西門子數(shù)字化工廠架構(gòu)的時候：

就闡述了工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不是一蹴而就前期需要根據(jù)自身現(xiàn)狀規(guī)劃建立一個靈活度高、可擴展性強、集成性好、適合公司未來發(fā)展的頂層設(shè)計，然后再分步實施

對于MES而言，也只有自身的管理思維與執(zhí)行跟得上，才能得到最終期待的結(jié)果，關(guān)于MES系統(tǒng)的規(guī)劃與實施，更多可以參見我們前面的文章：MES從來不止是乙方的事：淺談MES系統(tǒng)規(guī)劃及實施原則

5.行業(yè)Know-How

行業(yè)Know-How在MES的搭建過程中至關(guān)重要。就像前面我們說到的西門子、羅克韋爾的工業(yè)巨頭MES的不同行業(yè)套件一樣，MES本質(zhì)還是依靠IT工具實現(xiàn)的一套濃縮了精益理念的管理系統(tǒng)，幫助客戶進行管理上的升級。在缺乏行業(yè)Know-How時，即使完成了工藝建模、工廠建模、數(shù)據(jù)采集與解析， 客戶也很可能并不認可最終搭建完成的MES。

只有通過對行業(yè)生產(chǎn)工藝、工廠崗位設(shè)定、生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)管理體系等多方面的深入理解，并結(jié)合精益管理念與IT工具，才能真正使MES的作用發(fā)揮出來，使其與公司的、生產(chǎn)、工藝與管理等更加匹配~

05 主流的MES廠商有哪些？

MES位于數(shù)字化廠體系架構(gòu)中間位置，主要負責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。從MES供應(yīng)商的初始業(yè)務(wù)角度看，MES廠商可分為5類：

(1)初始為企業(yè)層軟件（ERP、PLM等）供應(yīng)商，后通過收購或自研等方式逐 步由上至下拓展至MES，典型如SAP、Oracle以及國內(nèi)的鼎捷、用友等；

(2)成立之初即為MES廠商，專注于部分細分行業(yè)，例如專注于食品飲料、消費包裝等行業(yè)的MountainSystem（后被GEFanuc收購）；專注于食品行 業(yè)的CompexITplantsolution（后被西門子收購）；

(3)初始為行業(yè)頭部廠商產(chǎn)品的實施服務(wù)商。在實施的過程中，隨著經(jīng)驗及技術(shù)的積累，這些廠商通常會從較邊緣的功能模塊開始，嘗試自主開發(fā)，甚至最終推出自主全套MES產(chǎn)品。典型公司包括賽意信息、漢得信息等。

(4)初始業(yè)務(wù)主要為硬件設(shè)備數(shù)據(jù)采集與展示，后逐步向MES拓展，典型即為Wonderware（后并入施耐德，目前屬于AVEVA），其成立之初的核心產(chǎn)品為InTouch，一款HMI軟件；

(5)由硬件設(shè)備廠商發(fā)展而來，典型如西門子、施耐德等，這類廠商一般有較長的發(fā)展歷史，且硬件基因較重，往往傾向于通過并購補強其MES能力。

整體而言，MES市場依然及其分散，并沒有真正的具有絕對優(yōu)勢的巨頭，前面在文章：

工業(yè)軟件：一文講透國內(nèi)外MES/MOM市場格局，主流廠商及其優(yōu)勢行業(yè)

當中列舉了一些國內(nèi)外比較知名廠商，但MES這樣的行業(yè)，只有合適的才是最好的，不要過度迷信于其外在宣傳和知名度，相比于霍尼韋爾、西門子、達索系統(tǒng)、GE、ABB、羅克韋爾等國際大廠商，或許國內(nèi)MES廠商的知名度并不算高，但是國內(nèi)眾多MES廠商通過多年的深耕，在部分行業(yè)和市場卻具有更大的靈活性與優(yōu)勢，MES和CAD/CAE/CAM等工業(yè)軟件不一樣，外國的月亮還真不一定比國內(nèi)圓，比如寶信軟件靠著多年積累就在鋼鐵行業(yè)占有極高的市場份額，某些國外大牌廠商看著再高大上的平臺，忽悠得多么牛逼的技術(shù)，最后也是落得一地雞毛~

06 MES未來：ISA-95架構(gòu)的重構(gòu)？

一直以來，制造業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)建設(shè)普遍遵循以ISA-95為代表的金字塔體系架構(gòu)，其核心是打通企業(yè)商業(yè)系統(tǒng)與生產(chǎn)控制系統(tǒng)，由上至下將訂單逐步分解為企業(yè)資源計劃、生產(chǎn)計劃、直至生產(chǎn)硬件設(shè)備的具體指令，主要通過ERP、MES、SCADA等一系列軟件系統(tǒng)的協(xié)同來驅(qū)動制造企業(yè)數(shù)字化和信息化發(fā)展。

大家經(jīng)常所聽說的IT與OT融合，其實也就源于此。隨著智能化的不斷發(fā)展，現(xiàn)有體系架構(gòu)的問題也逐漸暴露，主要問題有兩點：

一是信息孤島問題仍然存在，無法形成對海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與處理，而這也阻礙了大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用；

二是靈活性欠缺，ERP、MES系統(tǒng)均屬于重應(yīng)用，即若企業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)生變化時，需再次定制化開發(fā)，無法動態(tài)組裝及時響應(yīng)。

因此，從更長的周期看，或許工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺將逐步取代或部分取代以ISA-95為代表的金字塔體系架構(gòu)，具體或?qū)⒂袃纱蟮难葸M趨勢：

(1)傳統(tǒng)ERP、MES、PLM等信息化產(chǎn)品的邊界將被打破，平臺化架構(gòu)+更輕量級更靈活的工業(yè)APP將成為主流，支持企業(yè)快速適應(yīng)市場變化、滿足客 戶個性化需求；

(2)數(shù)據(jù)成為制造企業(yè)智能化發(fā)展的核心驅(qū)動，大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù) 將在更大程度上賦能制造企業(yè)，而這需要以數(shù)據(jù)采集與管理平臺為底座。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，可以重構(gòu)企業(yè)傳統(tǒng)IT架構(gòu)，打通IT系統(tǒng)和OT系統(tǒng)，推動企業(yè)架構(gòu)的扁平化。

一方面，平臺從OT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯聚集成，形成數(shù)據(jù)湖，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源開發(fā)應(yīng)用服務(wù)，消除了數(shù)據(jù)孤島。另一方面，基于數(shù)據(jù)建模和分析構(gòu)建的工業(yè)APP，推動裝備/產(chǎn)品和生產(chǎn)從“功能機”演進為“智能機”，構(gòu)建起了狀態(tài)感知-實時分析-科學(xué)決策-精準執(zhí)行的閉環(huán)智能。

審核編輯：劉清