1、引言

 MES系統(tǒng) 軟件的概念和應(yīng)用已經(jīng)存在20年了，隨著制造技術(shù)的進步和制造環(huán)境的變化，MES系統(tǒng)軟件無論在內(nèi)涵上或形式上都在不斷的擴大和深化，在飛機制造中起著越來越重要的作用。近來，PLM舉起了產(chǎn)品創(chuàng)新的大旗，強調(diào)了PLM與MES系統(tǒng)軟件的集成，并將MES系統(tǒng)軟件拉進到PLM疆界之內(nèi)。而數(shù)字化制造在車間現(xiàn)場的落地，又使MES系統(tǒng)軟件充當(dāng)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)從虛擬世界到現(xiàn)實世界的窗口的作用。MES系統(tǒng)軟件與PLM的這些互動和發(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系統(tǒng)軟件為軸心的、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。



2、MES系統(tǒng)軟件從單項應(yīng)用發(fā)展為企業(yè)系統(tǒng)

1990年美國的AMR打造了術(shù)語——“制造執(zhí)行系統(tǒng)MES系統(tǒng)軟件（Manufacturing Execution System）“用來定義制造現(xiàn)場作業(yè)管理的信息系統(tǒng)。AMR將MES系統(tǒng)軟件定義為：“位于上層計劃管理系統(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系統(tǒng)軟件為操作工人、管理人員提供計劃的執(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，制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(MES系統(tǒng)軟件A I)和美、國儀器和自動化協(xié)會ISA也都對MES系統(tǒng)軟件做了類似的定義。這時大家關(guān)注MES系統(tǒng)軟件，都是從企業(yè)接受客戶訂單開始，到產(chǎn)品交付的價值鏈的觀點，將“制造”作為價值鏈的一部分來定義制造現(xiàn)場的信息化需求的。這種MES系統(tǒng)軟件的核心功能是現(xiàn)場級的生產(chǎn)管理和可視化，我們稱它是“生產(chǎn)MES系統(tǒng)軟件”。

在這個時期，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)行和對產(chǎn)品制造的支持。MES系統(tǒng)軟件只是包含在ERP中、作用在價值轉(zhuǎn)換過程中的一個環(huán)節(jié)（見圖1）。大的供應(yīng)商Oracle和SAP當(dāng)時都將MES系統(tǒng)軟件納入了自己的集成企業(yè)系統(tǒng)套件的版圖。

生產(chǎn)MES系統(tǒng)軟件經(jīng)過多年的應(yīng)用和實踐，將原來在ERP系統(tǒng)但和制造關(guān)聯(lián)緊密的部分集成起來，發(fā)展成為 “將產(chǎn)品制造價值流過程透明化，并在透明化的基礎(chǔ)上，建立起不僅是垂直的（*了企業(yè)級管理到設(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)備維護的管理，技術(shù)文檔、勞動工時以及質(zhì)量和依從性的管理橫向的集中在一個平臺上） 、短周期控制的制造系統(tǒng)”。這時的MES系統(tǒng)軟件實際上已經(jīng)成為縱橫交錯的新型企業(yè)系統(tǒng)。

3、全局MES系統(tǒng)軟件的概念和與PLM的集成

從工程的角度出發(fā)，制造又是產(chǎn)品生命周期的一個階段。使“制造”處在企業(yè)價值流和產(chǎn)品生命周期過程交叉的十字路口 。

盡管產(chǎn)品生命周期管理的概念來由已久，但*以來PLM系統(tǒng)被封閉在工程領(lǐng)域，所關(guān)注的僅僅是設(shè)計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支持階段的信息和作業(yè)管理的斷層。而近幾年，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程中獲得的經(jīng)驗、知識來支持產(chǎn)品的創(chuàng)新。制造過程所發(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)品生命周期過程。這種進步必然引發(fā)了PLM從MES系統(tǒng)軟件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系統(tǒng)軟件向工程方向擴大了功能，如：

接收與產(chǎn)品訂單相符的設(shè)計和工藝的信息，傳遞給現(xiàn)場的技術(shù)人員、管理人員和作業(yè)工人和檢驗人員；
記錄和采集制造過程的狀態(tài)信息和例外信息，記錄每個產(chǎn)品的構(gòu)型、來源，作為法規(guī)依從性審計的依據(jù)；
具有一定的作業(yè)指導(dǎo)書的編輯能力，以應(yīng)對現(xiàn)場變更和例外時間的處理；
形成可以確認單個產(chǎn)品符合設(shè)計和技術(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系統(tǒng)軟件或多或少的涉及到上述的部分要求，新型的MES系統(tǒng)軟件開始出現(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系統(tǒng)軟件適應(yīng)了產(chǎn)品生命周期和企業(yè)價值鏈兩個過程的能力，我們稱它們是“全局MES系統(tǒng)軟件(Total MES系統(tǒng)軟件)”。

全局MES系統(tǒng)軟件的出現(xiàn)拉近了MES系統(tǒng)軟件與PLM的關(guān)系，制造企業(yè)和各大PLM供應(yīng)商開始重新定義PLM的疆界，PLM除包括產(chǎn)品和工藝設(shè)計之外，又將制造和維修環(huán)節(jié)一并劃入。MES系統(tǒng)軟件則成為PLM新疆界中的一部分。MES系統(tǒng)軟件和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)動作認證了這種趨勢：2009年擁有MES系統(tǒng)軟件和強大自動控制能力的西門子收購了擁有全線CAD/CAM/MPM/PLM產(chǎn)品的UGS。2010年，另一個數(shù)字制造和PLM解決方案供應(yīng)商達索(DS) 合并了工生產(chǎn)的重要MES系統(tǒng)軟件供應(yīng)商 Intercim，意圖向制造企業(yè)提供一種深度集成的PLM-MES系統(tǒng)軟件。

至此，PLM與MES系統(tǒng)軟件的關(guān)系比ERP更為緊密，驅(qū)動了企業(yè)信息架構(gòu)發(fā)生了重大的變化。MES系統(tǒng)軟件作為新型的“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PLM和MES系統(tǒng)軟件進行支持。這時制造企業(yè)的信息化架構(gòu)的如圖4所示。

4、數(shù)字制造落地和數(shù)字化MES系統(tǒng)軟件的進步

近幾年來，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階段“制造”，正面臨著產(chǎn)品數(shù)字定義在車間現(xiàn)場“落地”的急迫任務(wù)。實現(xiàn)工廠的數(shù)字化制造將*改變制造現(xiàn)場的環(huán)境。數(shù)字化工廠的初級階段，根據(jù)產(chǎn)品的三維數(shù)字模型來定義和通過仿真優(yōu)化過的制造過程設(shè)計，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。這其中重大的進步是制造現(xiàn)場信息傳遞從2D到3D的改變。這讓MES系統(tǒng)軟件又有了新的發(fā)展。其中主要的變化是：

MES系統(tǒng)軟件擔(dān)負了工程信息從虛擬世界到現(xiàn)實世界的轉(zhuǎn)換、現(xiàn)實世界的制造信息向虛擬世界回饋的窗口的作用（見圖5）；
現(xiàn)場所有信息采集和傳遞是無紙化的；
MES系統(tǒng)軟件與制造現(xiàn)場所有信息源和信息受體的*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系統(tǒng)軟件(Digitizing MES系統(tǒng)軟件)“。它們在全局MES系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上，還需要解決例外信息的數(shù)字化傳遞、實體產(chǎn)品標(biāo)識的無紙化問題、現(xiàn)場的例外工藝的編輯問題、質(zhì)量和依從性信息采集的數(shù)字化手段等問題。數(shù)字化MES系統(tǒng)軟件作為生產(chǎn)現(xiàn)場集成的信息平臺，為數(shù)字化設(shè)施的集成和互聯(lián)提供基礎(chǔ)。分布在各個作業(yè)點上的微電腦、移動終端、RFID/條碼設(shè)備、軟件PLC、數(shù)字化測量設(shè)備和無線工業(yè)以太網(wǎng)都被集成的連接在MES系統(tǒng)軟件中。數(shù)字化MES系統(tǒng)軟件成為數(shù)字化工廠的脊柱。另一方面MES系統(tǒng)軟件為進行工廠布置和流轉(zhuǎn)的模擬優(yōu)化提供訂單、計劃、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系統(tǒng)軟件又成為虛擬的數(shù)字工廠的基礎(chǔ)之一。

5、數(shù)字線和MBE及基于模型的MES系統(tǒng)軟件

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)直接輸給計算機數(shù)控(CNC)機床進行零件加工,或輸給復(fù)合材料編程系統(tǒng)(CPS)進行碳纖維布置的設(shè)計，后成品都可以追溯到原始的計算機模型。從此，自設(shè)計開始到加工乃至終裝配，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“數(shù)字線（digital thread）”來描述這種新的非常簡捷的工作方式。數(shù)據(jù)線的概念被認為是當(dāng)今航空和防務(wù)(A&D)制造的重要的進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，無論在何處的數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費者，在制造過程的任何點上，都將連接到一個共同的數(shù)字的數(shù)據(jù)源上。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將從設(shè)計階段開始，延伸到制造、繼而到后裝配。美國方提出的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，它的進展代表了數(shù)字化制造的未來。

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)對產(chǎn)品設(shè)計、制造和支持等全部技術(shù)的、業(yè)務(wù)和戰(zhàn)略管理的過程進行*的改造，構(gòu)建的無縫集成的制造企業(yè)。MBE中的模型指的是對產(chǎn)品設(shè)計和制造的數(shù)字化描述。產(chǎn)品的模型是可以用來進行制造、使用和支持的全部屬性的電子表達。一個有效的產(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)品的詳細信息。MBE保證產(chǎn)品從原理、設(shè)計、工藝到制造、到支持和報廢處理的全生命周期的開發(fā)過程更加快速、流暢和更經(jīng)濟。

NGMTI給出了MBE簡潔而深刻的3板塊的企業(yè)架構(gòu)：產(chǎn)品的實現(xiàn)和支持、資源管理和戰(zhàn)略管理，見圖6。MBE代表了未來一代的企業(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、模擬和無縫集成。MBE的核心是“集成的產(chǎn)品實現(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)品實現(xiàn)和支持過程的一部分。數(shù)字線制造理念和MBE的建立，對包括3D CAD、MPM、PLM、ERP、SCM、MES系統(tǒng)軟件等技術(shù)在制造生態(tài)系統(tǒng)中的位置產(chǎn)生重大的影響。

在MBE的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，制造執(zhí)行將直接使用產(chǎn)品及過程模型來計劃,顯示和實施過程執(zhí)行的作業(yè)、監(jiān)視和控制。相關(guān)的過程的模型緊密的鏈接在一起，并與控制系統(tǒng)*的集成，成為一個統(tǒng)一的、自動適應(yīng)需求或過程環(huán)境實時變化的互動過程。這將大大的增加整個作業(yè)的效率、快速響應(yīng)、安全、效率和質(zhì)量，同時降低的各種形式的浪費和低效率。它的重要進步是：

由產(chǎn)品模型直接驅(qū)動制造——為制造控制系統(tǒng)提供由產(chǎn)品模型直接驅(qū)動制造計劃執(zhí)行的能力。
基于模型的智能過程控制——形成智能的、自適應(yīng)的過程控制方式，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，動態(tài)適應(yīng)過程的工藝參數(shù)變化，以確保生產(chǎn)連續(xù)進行。
模型的在線驗證。提供從物理過程(通過傳感器、人機交互)向過程模型和性能指標(biāo)進行反饋的方法, 如果與期望值不相符時，則發(fā)出的警報和干預(yù)的請求。
消除獨立的質(zhì)量認證過程（Zero Post-Process Certification）。建立可靠的、科學(xué)的質(zhì)量認證模型，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)品的合格認證作為一個獨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,形成一個需要完成的工作的完整的邏輯表達，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)測執(zhí)行、自動適應(yīng)需求變化和應(yīng)對例外事件的能力。
柔性、可重構(gòu)的制造設(shè)備模型?？蓜?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)。我們將這個階段的MES系統(tǒng)軟件稱為“基于模型的MES系統(tǒng)軟件（Model-based MES系統(tǒng)軟件）“。在中國，實現(xiàn)MBE和基于模型的MES系統(tǒng)軟件不僅為建立各種與現(xiàn)實狀況相近的模型是一種挑戰(zhàn)，對中國航空工業(yè)來說，各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的補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系統(tǒng)軟件的發(fā)展和因MES系統(tǒng)軟件引發(fā)的企業(yè)信息架構(gòu)的變化給我們描繪出了以PLM—MES系統(tǒng)軟件為軸心的新的企業(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)字化制造時代的要求了；也使我們察覺出我們企業(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系統(tǒng)軟件 和MRO在內(nèi)）為主線、資源管理為支持的新型企業(yè)架構(gòu)。


原文來源于杭州匠興科技