1 引言

    MES的概念和應(yīng)用已經(jīng)存在20年了，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和制造環(huán)境的變化，MES無(wú)論在內(nèi)涵上或形式上都在不斷的擴(kuò)大和深化，在飛機(jī)制造中起著越來(lái)越重要的作用。近來(lái)，PLM舉起了產(chǎn)品創(chuàng)新的大旗，強(qiáng)調(diào)了PLM與MES的集成，并將MES拉進(jìn)到PLM疆界之內(nèi)。而數(shù)字化制造在車間現(xiàn)場(chǎng)的落地，又使MES充當(dāng)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)從虛擬世界到現(xiàn)實(shí)世界的窗口的作用。MES與PLM的這些互動(dòng)和發(fā)展，引起了航空工業(yè)企業(yè)的信息架構(gòu)的變化。一種以PLM-MES為軸心的、新型的、適應(yīng)數(shù)字制造環(huán)境的企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)顯現(xiàn)和發(fā)展起來(lái)。

2 MES從單項(xiàng)應(yīng)用發(fā)展為企業(yè)系統(tǒng)

    1990年美國(guó)的AMR打造了術(shù)語(yǔ)——“制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）“用來(lái)定義制造現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理的信息系統(tǒng)。AMR將MES定義為：“位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)”。MES為操作工人、管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源(人、設(shè)備、物料、客戶需求等方面)的當(dāng)前狀態(tài)的信息。隨后，國(guó)際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)(MESA I)和美國(guó)儀器和自動(dòng)化協(xié)會(huì)ISA也都對(duì)MES做了類似的定義。這時(shí)大家關(guān)注MES，都是從企業(yè)接受客戶訂單開(kāi)始，到產(chǎn)品交付的價(jià)值鏈的觀點(diǎn)，將“制造”作為價(jià)值鏈的一部分來(lái)定義制造現(xiàn)場(chǎng)的信息化需求的。這種MES的核心功能是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的生產(chǎn)管理和可視化，我們稱它是“生產(chǎn)MES”。

    在這個(gè)時(shí)期，企業(yè)信息系統(tǒng)架構(gòu)是以PDM(PLM)與ERP的集成為核心的。PLM貫穿了產(chǎn)品的創(chuàng)新與工程，ERP則是企業(yè)業(yè)務(wù)的執(zhí)行和對(duì)產(chǎn)品制造的支持。MES只是包含在ERP中、作用在價(jià)值轉(zhuǎn)換過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié)（見(jiàn)圖1）。大的供應(yīng)商Oracle和SAP當(dāng)時(shí)都將MES納入了自己的集成企業(yè)系統(tǒng)套件的版圖。

    圖1 以PLM與ERP集成為核心的企業(yè)架構(gòu)

    生產(chǎn)MES經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用和實(shí)踐，將原來(lái)在ERP系統(tǒng)但和制造關(guān)聯(lián)緊密的部分集成起來(lái)，發(fā)展成為 “將產(chǎn)品制造價(jià)值流過(guò)程透明化，并在透明化的基礎(chǔ)上，建立起不僅是垂直的（填補(bǔ)了企業(yè)級(jí)管理到設(shè)備控制組件的間隙），而且是水平集成的（將制造資源如工具工裝、設(shè)備維護(hù)的管理，技術(shù)文檔、勞動(dòng)工時(shí)以及質(zhì)量和依從性的管理橫向的集中在一個(gè)平臺(tái)上） 、短周期控制的制造系統(tǒng)”。這時(shí)的MES實(shí)際上已經(jīng)成為縱橫交錯(cuò)的新型企業(yè)系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

    圖2 MES成為以制造為核心的新的企業(yè)系統(tǒng)

3 全局MES的概念和與PLM的集成

    從工程的角度出發(fā)，制造又是產(chǎn)品生命周期的一個(gè)階段。使“制造”處在企業(yè)價(jià)值流和產(chǎn)品生命周期過(guò)程交叉的十字路口（見(jiàn)圖3） 。

    圖3 制造在企業(yè)價(jià)值流和產(chǎn)品生命周期過(guò)程交叉的十字路口

    盡管產(chǎn)品生命周期管理的概念來(lái)由已久，但長(zhǎng)期以來(lái)PLM系統(tǒng)被封閉在工程領(lǐng)域，所關(guān)注的僅僅是設(shè)計(jì)和工藝信息的管理和傳遞。在產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)中，存在著制造階段和維護(hù)支持階段的信息和作業(yè)管理的斷層。而最近幾年，產(chǎn)品生命周期管理的應(yīng)用有所回歸。PLM需要用制造和維修過(guò)程中獲得的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)來(lái)支持產(chǎn)品的創(chuàng)新。制造過(guò)程所發(fā)生的故障、例外事件分析、處理的數(shù)據(jù)等信息向工程領(lǐng)域反饋，形成閉環(huán)產(chǎn)品生命周期過(guò)程。這種進(jìn)步必然引發(fā)了PLM從MES中獲取信息要求的提升。按照工程即產(chǎn)品生命周期管理的要求，MES向工程方向擴(kuò)大了功能，如：

    ●接收與產(chǎn)品訂單相符的設(shè)計(jì)和工藝的信息，傳遞給現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員、管理人員和作業(yè)工人和檢驗(yàn)人員；

    ●記錄和采集制造過(guò)程的狀態(tài)信息和例外信息，記錄每個(gè)產(chǎn)品的構(gòu)型、來(lái)源，作為法規(guī)依從性審計(jì)的依據(jù)；

    ●具有一定的作業(yè)指導(dǎo)書的編輯能力，以應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變更和例外時(shí)間的處理；

    ●形成可以確認(rèn)單個(gè)產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)和技術(shù)條件規(guī)定的文件或數(shù)據(jù)包，并和產(chǎn)品同時(shí)交付，作為維修使用階段的基線等。

    盡管某些傳統(tǒng)的生產(chǎn)MES或多或少的涉及到上述的部分要求，新型的MES開(kāi)始出現(xiàn)、它在保持生產(chǎn)管理基本功能的基礎(chǔ)上，增加了PLM需要的功能。新型的MES適應(yīng)了產(chǎn)品生命周期和企業(yè)價(jià)值鏈兩個(gè)過(guò)程的能力，我們稱它們是“全局MES(Total MES)”。

    全局MES的出現(xiàn)拉近了MES與PLM的關(guān)系，制造企業(yè)和各大PLM供應(yīng)商開(kāi)始重新定義PLM的疆界，PLM除包括產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)之外，又將制造和維修環(huán)節(jié)一并劃入。MES則成為PLM新疆界中的一部分。MES和PLM的緊密集成，形成了產(chǎn)品生命周期的真正閉環(huán)。

    引人注目的兩大商務(wù)動(dòng)作認(rèn)證了這種趨勢(shì)：2009年擁有MES系統(tǒng)和強(qiáng)大自動(dòng)控制能力的西門子收購(gòu)了擁有全線CAD/CAM/MPM/PLM產(chǎn)品的UGS。2010年，另一個(gè)數(shù)字制造和PLM解決方案供應(yīng)商達(dá)索(DS) 合并了軍工生產(chǎn)的重要MES供應(yīng)商 Intercim，意圖向高端制造企業(yè)提供一種深度集成的PLM-MES系統(tǒng)。

    至此，PLM與MES的關(guān)系比ERP更為緊密，驅(qū)動(dòng)了企業(yè)信息架構(gòu)發(fā)生了重大的變化。MES作為新型的“作業(yè)執(zhí)行”在企業(yè)系統(tǒng)中取代了ERP的位置。而ERP則以“業(yè)務(wù)執(zhí)行”的角色對(duì)PLM和MES進(jìn)行支持。這時(shí)制造企業(yè)的信息化架構(gòu)的如圖4所示。

    圖4 在企業(yè)架構(gòu)中MES取代了ERP的位置

4 數(shù)字制造落地和數(shù)字化MES的進(jìn)步

    近幾年來(lái)，數(shù)字化制造Digitizing Manufacturing迅猛發(fā)展。目前航空制造產(chǎn)品生命周期前半程的產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)以及仿真的數(shù)字化再造已接近成熟。不可避免，產(chǎn)品生命周期的下一個(gè)階段“制造”，正面臨著產(chǎn)品數(shù)字定義在車間現(xiàn)場(chǎng)“落地”的急迫任務(wù)。實(shí)現(xiàn)工廠的數(shù)字化制造將徹底改變制造現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境。數(shù)字化工廠的初級(jí)階段，根據(jù)產(chǎn)品的三維數(shù)字模型來(lái)定義和通過(guò)仿真優(yōu)化過(guò)的制造過(guò)程設(shè)計(jì)，向制造作業(yè)的操作者提供基于三維模型的數(shù)字化制造指令和作業(yè)指導(dǎo)信息；在制造作業(yè)中，操作者也用數(shù)字化的手段和裝置向上層業(yè)務(wù)過(guò)程(PLM和ERP)反饋數(shù)字化的作業(yè)狀態(tài)信息。數(shù)字化工廠成為一種全新的制造能力或制造模式。這其中最重大的進(jìn)步是制造現(xiàn)場(chǎng)信息傳遞從2D到3D的改變。這讓MES又有了新的發(fā)展。其中主要的變化是：

    ●MES擔(dān)負(fù)了工程信息從虛擬世界到現(xiàn)實(shí)世界的轉(zhuǎn)換、現(xiàn)實(shí)世界的制造信息向虛擬世界回饋的窗口的作用（見(jiàn)圖5）；

    ●現(xiàn)場(chǎng)所有信息采集和傳遞是無(wú)紙化的；

    ●MES與制造現(xiàn)場(chǎng)所有信息源和信息受體的完全集成。

    于是出現(xiàn)了新的、適應(yīng)數(shù)字化環(huán)境下的“數(shù)字化MES(Digitizing MES)“。它們?cè)谌�局MES的基礎(chǔ)上，還需要解決例外信息的數(shù)字化傳遞、實(shí)體產(chǎn)品標(biāo)識(shí)的無(wú)紙化問(wèn)題、現(xiàn)場(chǎng)的例外工藝的編輯問(wèn)題、質(zhì)量和依從性信息采集的數(shù)字化手段等問(wèn)題。數(shù)字化MES作為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)集成的信息平臺(tái)，為數(shù)字化設(shè)施的集成和互聯(lián)提供基礎(chǔ)。分布在各個(gè)作業(yè)點(diǎn)上的微電腦、移動(dòng)終端、RFID/條碼設(shè)備、軟件PLC、數(shù)字化測(cè)量設(shè)備和無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)都被集成的連接在MES系統(tǒng)中。數(shù)字化MES成為數(shù)字化工廠的脊柱。另一方面MES為進(jìn)行工廠布置和流轉(zhuǎn)的模擬優(yōu)化提供訂單、計(jì)劃、設(shè)備、控制、生產(chǎn)狀態(tài)的數(shù)字模型和數(shù)據(jù)。數(shù)字化MES又成為虛擬的數(shù)字工廠的基礎(chǔ)之一。

    圖5 數(shù)字化MES成為虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界3D信息交互的窗口

5 數(shù)字線和MBE及基于模型的MES

    洛克希德•馬丁公司在F35制造中，成功的利用三維CAD數(shù)據(jù)直接輸給計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)機(jī)床進(jìn)行零件加工,或輸給復(fù)合材料編程系統(tǒng)(CPS)進(jìn)行碳纖維布置的設(shè)計(jì)，最后成品都可以追溯到原始的計(jì)算機(jī)模型。從此，自設(shè)計(jì)開(kāi)始到加工乃至最終裝配，形成了不間斷的數(shù)字化數(shù)據(jù)的鏈路。洛克希德•馬丁打造了術(shù)語(yǔ)“數(shù)字線（digital thread）”來(lái)描述這種新的非常簡(jiǎn)捷的工作方式。數(shù)據(jù)線的概念被認(rèn)為是當(dāng)今航空和防務(wù)(A&D)制造的最重要的進(jìn)步而得到迅速的推廣。

    為了建立數(shù)字線，需要形成一種以3D模型定義為基礎(chǔ)，為整個(gè)企業(yè)所共享的、全面集成和協(xié)同制造的環(huán)境。在企業(yè)或供應(yīng)鏈中，無(wú)論在何處的數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費(fèi)者，在制造過(guò)程的任何點(diǎn)上，都將連接到一個(gè)共同的數(shù)字的數(shù)據(jù)源上。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，延伸到制造、繼而到最后裝配。美國(guó)軍方提出的JDMTP和NGMTI，分別將這種制造環(huán)境稱之為“基于模型的企業(yè)Model-based Enterprise，MBE”。MBE將于2016年階段完成，它的進(jìn)展代表了數(shù)字化制造的未來(lái)。

    NGMTI將基于模型的制造企業(yè)MBE描述為：應(yīng)用建模和模擬(M&S)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和支持等全部技術(shù)的、業(yè)務(wù)和戰(zhàn)略管理的過(guò)程進(jìn)行徹底的改造，構(gòu)建的無(wú)縫集成的制造企業(yè)。MBE中的模型指的是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的數(shù)字化描述。產(chǎn)品的模型是可以用來(lái)進(jìn)行制造、使用和支持的全部屬性的電子表達(dá)。一個(gè)有效的產(chǎn)品模型包括定義產(chǎn)品所必須的全部要素，并能夠提供產(chǎn)品的詳細(xì)信息。MBE保證產(chǎn)品從原理、設(shè)計(jì)、工藝到制造、到支持和報(bào)廢處理的全生命周期的開(kāi)發(fā)過(guò)程更加快速、流暢和更經(jīng)濟(jì)。

    NGMTI給出了MBE簡(jiǎn)潔而深刻的3板塊的企業(yè)架構(gòu)：產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)和支持、資源管理和戰(zhàn)略管理，見(jiàn)圖6。MBE代表了未來(lái)一代的企業(yè)架構(gòu)。它與傳統(tǒng)的企業(yè)架構(gòu)的重要區(qū)別是基于模型、模擬和無(wú)縫集成。MBE的核心是“集成的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)Integrated product realization”。它超越了傳統(tǒng)的僅僅只有產(chǎn)品和工藝集成的生命周期管理，形成概念-工程-執(zhí)行-支持一攬子集成的原則。MBE要求用新的軟件工具支持全數(shù)字化產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)。因而，制造執(zhí)行系統(tǒng)鮮明的成為產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和支持過(guò)程的一部分。數(shù)字線制造理念和MBE的建立，對(duì)包括3D CAD、MPM、PLM、ERP、SCM、MES等技術(shù)在制造生態(tài)系統(tǒng)中的位置產(chǎn)生重大的影響。

    圖6 MBE形成了新的企業(yè)系統(tǒng)構(gòu)架

    在MBE的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，制造執(zhí)行將直接使用產(chǎn)品及過(guò)程模型來(lái)計(jì)劃,顯示和實(shí)施過(guò)程執(zhí)行的作業(yè)、監(jiān)視和控制。相關(guān)的過(guò)程的模型緊密的鏈接在一起，并與控制系統(tǒng)徹底的集成，成為一個(gè)統(tǒng)一的、自動(dòng)適應(yīng)需求或過(guò)程環(huán)境實(shí)時(shí)變化的互動(dòng)過(guò)程。這將大大的增加整個(gè)作業(yè)的效率、快速響應(yīng)、安全、效率和質(zhì)量，同時(shí)降低的各種形式的浪費(fèi)和低效率。它的重要進(jìn)步是：

    ●由產(chǎn)品模型直接驅(qū)動(dòng)制造——為制造控制系統(tǒng)提供由產(chǎn)品模型直接驅(qū)動(dòng)制造計(jì)劃執(zhí)行的能力。

    ●基于模型的智能過(guò)程控制——形成智能的、自適應(yīng)的過(guò)程控制方式，能夠感應(yīng)在制零件的材料及其幾何特征/物理/化學(xué)性能，動(dòng)態(tài)適應(yīng)過(guò)程的工藝參數(shù)變化，以確保生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行。

    ●模型的在線驗(yàn)證。提供從物理過(guò)程(通過(guò)傳感器、人機(jī)交互)向過(guò)程模型和性能指標(biāo)進(jìn)行反饋的方法, 如果與期望值不相符時(shí)，則發(fā)出的警報(bào)和干預(yù)的請(qǐng)求。

    ●消除獨(dú)立的質(zhì)量認(rèn)證過(guò)程（Zero Post-Process Certification）。建立可靠的、科學(xué)的質(zhì)量認(rèn)證模型，與具有在線信息采集的基于模型的控制系統(tǒng)向配合，消除將產(chǎn)品的合格認(rèn)證作為一個(gè)獨(dú)立的工藝步驟的傳統(tǒng)做法。

    ●智能、自行配置的制造執(zhí)行模型，結(jié)合產(chǎn)品模型和所有的應(yīng)用程序、系統(tǒng)、設(shè)備和工藝指導(dǎo)書,形成一個(gè)需要完成的工作的完整的邏輯表達(dá)，能方便地滿足生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的所有的要求，并具有監(jiān)測(cè)執(zhí)行、自動(dòng)適應(yīng)需求變化和應(yīng)對(duì)例外事件的能力。

    ●柔性、可重構(gòu)的制造設(shè)備模型。可創(chuàng)建快速可重組的生產(chǎn)線和資源流resource streams的技術(shù)和方法——能夠利用能力、需求和單元過(guò)程模型,迅速適應(yīng)產(chǎn)品和工藝的要求的不斷變化。

    在MBE中，制造執(zhí)行將作為數(shù)字線（digital thread）的末梢直接完成加工和裝配的作業(yè)。我們將這個(gè)階段的MES稱為“基于模型的MES（Model-based MES）“。在中國(guó)，實(shí)現(xiàn)MBE和基于模型的MES不僅為建立各種與現(xiàn)實(shí)狀況相近的模型是一種挑戰(zhàn)，對(duì)中國(guó)航空工業(yè)來(lái)說(shuō)，各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的補(bǔ)課可能要求付出更艱苦的努力。

6 數(shù)字化制造環(huán)境下的企業(yè)信息構(gòu)架的研究迫在眉睫

    MES的發(fā)展和因MES引發(fā)的企業(yè)信息架構(gòu)的變化給我們描繪出了以PLM—MES為軸心的新的企業(yè)架構(gòu)的愿景。了解當(dāng)前制造企業(yè)架構(gòu)的發(fā)展趨向，給我們以嚴(yán)重的啟示：舊的信息架構(gòu)和信息化規(guī)劃的方式已經(jīng)不能適應(yīng)數(shù)字化制造時(shí)代的要求了；也使我們察覺(jué)出我們企業(yè)差距之大。當(dāng)前，幾乎所有的航空制造企業(yè)必須盡快的跳出部門的和傳統(tǒng)的觀念，以數(shù)字線的貫通為目標(biāo)，及早構(gòu)建以產(chǎn)品全生命周期（包括MES和MRO在內(nèi)）為主線、資源管理為支持的新型企業(yè)架構(gòu)。

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本文標(biāo)題：數(shù)字制造環(huán)境中MES的發(fā)展和對(duì)企業(yè)架構(gòu)的影響

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