1 引 言

　　作为CIMS的中心环节，生产执行系统MES在整个CIMS中起到承上启下的作用，是生产活动与管理活动信息的桥梁，是CIMS技术发展的关键。近年来国外很重视MES的结构与技术研究，譬如半导体、汽车、电子等行业，许多公司开发了相应的产品，但遗憾的是MES在流程工业还未得到足够重视，尤其鉴十国内流程行业对CIM哲理的理解不够深入，对MES的研究尚处断层状态，可以说流程工业CIMS发展的关键就是MES。

　　2 MES的一般功能模型

　　近年来随着CIMS理论与技术的发展，国外许多CIMS工程将MES视为CIMS中的重要桥梁和纽带，将牛产活动和管理活动的信息集成集中于MES，如汽车、平导体、电子、航空等行业。MES注重知识的提取和相关信息的集成，目的是降低生产周期、改善产品质量、缩短WIP(Work-In-Progress)，减少或消除移动中的纸上工作、缩短订货至交货的时间、提高操作人员能力，从而提高企业效益和竞争力。图1是国际MES协会(MESA International)提出的MES功能模型及其与其它系统的关系，其中MES由资源配置与状态、操作/详细调度、派遣生产单元、文档控制、数据收集/获取、劳工管理、质量管理、过程管理、维护管理、产品跟踪生产单元、文档控制、数据收集/获取、劳工管理、质量管理、过程管理、维护管理、产品跟踪与系谱、性能分析等11个功能模型组成，各功能模型的作用简述如下：

　　图1 MES的一般功能模块

　　(1)资源配置与状态(Resource Allocation and Status)：管理机器、上具、劳工技能、材料、设备和其它实体，使其在操作前按顺序可得，同时提供资源的具体历史信息，保证设备正确安装并提供实时状态。

　　(2)操作/详细调度(Operations/Detailed Schcduling)：提供基于优先权、属性、特性、工艺等的合适顺序，从而缩短安装过程。

　　(3)派遣生产单元(Dispatching Porduction Untis)：管理以工件、订单、批量、时序等为形式的生产单元流程，提供派遣信息，并可改变预先的调度方案和通过缓冲区管理来控制加工数量。

　　(4)文档控制(Document Control)：控制与生产单元相关的记录，具有编辑和指令下达等功能。

　　(5)数据收集/获取(Data Collection/Acquisition)：提供获取内部数据的接口，构成相应的表格和记录，数据的收集可以是自动或手动方式。

　　(6)劳工管理(Labor Management)：提供职员有关状态，并与资源配置关联来决定最优分配。

　　(7)质量管理(Quality Management)：提供度量的实时分析来保证产品质量控制并鉴定需注意的问题，建议更正的建议，也包括SPC/SQC的跟踪和离线检查操作的管理以及LIMS的分析等。

　　(8)过程管理(Porcess Management)：监视生产或自动纠正或提供决策支持来改善操作中的活动，也包括报警管理，提供智能设备和MES的接口等。

　　(9)维护管理(Maintenance Management)：跟踪和指导设备和工具维护的活动来保证生产和调度的进程，也提供紧急问题的反应，如报警，并维护历史信息来支持问题的诊断。

　　(10)产品跟踪和系谱(Product Tracking and Genealogy)：提供工作的可见度和相关的状态信息，在线跟踪功能可产生历史记录。

　　(11)性能分析(Performance Analysis)：通过分析不同功能的汇总信息，提供实际生产操作与历史记录和期望结果的报告。

　　作为CIMS的中心和“大脑”，MES在CIMS中起到信息“集线器”(Information hub)的作用，分别与供应链管理(SCAI)、销售/服务管理(SSM)、企业资源管理(ERP)、产品/过程工程(P/PE)、控制(Controls)相关联，从而构成了整个企业的现代集成生产系统。当然，也可对上述模块进行组合或修改来满足企业的不同实际需要。总之，MES技术及其方法论为企业实施CIMS提供了可行的框架，有助于加深对发展生产过程建模的理解。

　　3 流程工业MES的体系结构

　　流程工业主要是指化工、炼油、冶金、造纸、电力等原材料加工和能源工业行业，其特点是对生产原料伴有化学、物理、相变等反应、变化过程的连续加工。作为描述构成CIMS的宏观框架，体系结构是系统运行的总体结构。近年来ERP/MES/PCS已成为国外流程工业CIMS理论和产品的主流框架，大有替代Pudue五层结构(决策-管理-调度-监控-直接控制)的趋势。流程工业CIMS中，PCS层的信息集成技术已相当成熟，ERP层的理论与技术与离散工业大同小异，下层生产过程的实时信息和上层企业资源管理等的各类信息都在MES层中融合与贯通，并通过信息集成形成优化控制、优化调度和优化决策等的判断或指令可以说，流程工业企业生产过程的安全、稳定、均衡、优质、高产、低耗和少污染目标的实现，企业内部物流的控制与管理、生产过程成本的控制与管理等生产管理活动都在MES层完成，因此MES层的信息集成至关重要，它是流程工业CIMS研究与发展的关键，而实施MES的关键又在于体系结构和关键技术的解决。最近，清华大学、东北大学、浙江大学、上海交通大学、中南工业大学和宝钢自动化所联合提出《基于知识的先进生产过程信息集成技术与应用》的“十五”863/CIMS重大项目建议书，MES体系结构和关键技术的研究以及软件产品的开发和应用示范是项目的重点。针对流程工业的特点和目前CIMS技术的发展，MES可采用开放性的、柔性的、可扩展的、模块化的、面向对象和应用的基于知识的体系结构，如图2所示。其各主要功能模块的作用简述如下：

　　图2 流程工业MES的体系结构

　　(1)生产过程模型化：是流程MES的核心，根据与该模块相连的其它模块所提供的信息与知识，构造这此模块所代表的流程工业企业生产控制与管理活动所需要的各种类型的模型。

　　(2)生产过程管理：包括物流控制与管理、生产成本控制与管理、数据统计/生产调度等功能，是与企业资源管理层的生产计划相对应的功能模块。

　　(3)生产过程支待系统：提供基于知识和基于信息的支持，将其它模块送来的数据、信息和知识进行加工处理，形成相应的方法、算法或软件，对MES中各功能模块提供支持。

　　(4)基于工艺目标与技术经济指标的过程优化：对流程生产过程中常见的难以用传统意义下的模型来描述的过程参数与工艺目标或技术经济指标之间关系的情况，提供以保证工艺目标或技术经济指标为前提的过程参数优化支持。

　　(5)高级控制：包括用于过程优化控制的多变量先进控制(MAPC)、智能控制方法和算法，支持其它模块的控制活动。

　　(6)控制接口与信息界面：与过程控制层的各个软硬件相连接，调用DCS或其它过程控制装备中的过程信息，并发出MES层根据生产计划和生产过程的实际状况作出的控制信息。

　　(7)实时调度：包括基于模型、基于数据和基于知识的多种动态调度算法，支持生产管理模块发出的实时调度请求。

　　(8)质量管理：管理生产过程中所有与质量有关的信息，包括从过程控制系统获取的实时过程信息和质检部门的化验质检信息;对生产过程的全程进行质量监侧、预报。

　　(9)e安全控制与管理：提供基于数据、模型和知识的生产过程故障诊断和预报、过程故障状态下运行模式的调整组态以及基丁远程网络支持的安全事故处理等支持。

　　(10)e运行操作支持：提供流程生产过程中频繁发生的设备、过程启停操作支持，包括基于远程网络咨询的支持。

　　(11)e设备维护管理：提供重要设各的实时状态监控、设备故障预测、基于远程网络的设备技术咨询和备品采购等支持。

　　(12)流程模拟：以生产过程模型化模块提供的各类模型为基础，提供MES中各个功能模块运行的可视化流程模拟支持。

　　(13)资产动态管理：与企业资源管理中静态的资产管理相连接，对生产过程的中间库存和中问产品动态信息进行管理，提供成木和物流控制与管理的信息支持。

　　这种模块化的结构有利于简化MES的实施，简化不同供应商所提供软件的集成，并使用户化更加面向企业的需要。需要指出的是，上述体系结构仅是一个雏形，我们将进一步围绕以下指导思想进行完善：

　　(1)MES作为ERP/MES/PCS框架的流程工业CIMS体系中的关键层，其本身的体系必须体现它在CIMS中的重要性和纽带作用，包括与上下层的关系。

　　(2)MES的体系结构必须是合理性的模块化结构，如对象分布式模型，并体现出具有开放性、柔性以及能够与应用方便联接的集成平台的新思想，各模块通过信息集成形成优化控制、优化调度、优化决策等判断或指令。

　　(3)MES的体系结构必须以知识为主线，采用数据或信息驱动或执行驱动的思想，实现生产和管理等不同信息集成的功能，并可通过集成的数据提取提高生产效益的竞争能力所需的知识。

　　(4)MES的体系结构应适当与参考模型相联系，以指导设计与实施，建议采用CIMOSA的分解思想和PURDUE的阶段性设计思想，同时应适当体现管理环和控制环，并在不同的层次和模块上休现不同的时间尺度。

　　(5)MES的体系结构应采用面向对象的思想，并考虑到人为因素的集成。

　　(6)MES的体系结构应体现流程工业的特色，如模块的设置、数据流、接口的设置与关键技术的呼应等。

　　4 流程工业MES的关键技术

　　MES是以知识为主线，对不同类M和属性的信息进行融合和贯通，为了实现上述MES体系结构中的各功能模块下列关键技术的解决尤为重要：

　　(1)生产过程数据挖掘与知识获取技术：包括统计分析方法、基于规则和决策树算法、基于人工神经元网络方法、基于Rough set理论的方法、遗传算法、模糊逻辑方法等。

　　(2)复杂工业系统的智能建模技术。

　　(3)高级控制技术：包括多变量APC、状态推断控制、非定常状态控制等。

　　(4)生产过程成本控制技术：包括成本指标与分解、监控、模型、预报等。

　　(5)生产过程计划、调度、调优的流程模拟技术。

　　(6)物流仿真、控制与管理技术。

　　(7)基于知识的生产过程支持技术。

　　(8)异常生产过程运行智能体技术：包括生产过程安全运行智能体、故障诊断与预报智能体、异常工况过程重组智能体等。

　　(9)基于工艺目标和经济指标的在线智能优化技术。

　　(10)重大设备在线故障诊断、预报与维护支持技术。

　　(11)统计过程/质量控制(SPC/SQC)技术。

　　(12)基于事例的推理技术。

　　(13)智能实时调度技术。

　　(14)演化计算技术。

　　此外，作为上述体系结构及其关键技术的载体下列流程工业MES的软件产品的原型系统开发也很重要。包括：支持模块化结构的信息集成平台软件、模块化物流控制与管理软件、模块化实时调度软件、模块化成本控制与管理软件、模块化统计数据与生产调度软件、模块化过程模型化软件、模块化流程模拟软件、模块化高级控制软件、模块化运行操作支持软件、模块化质量管理软件、模块化控制接口与信息界面软件、模块化安全控制与管理软件、模块化设备维护管理软件、模块化过程运行性能监督分析软件、模块化资产动态管理软件等。

　　5 小 结

　　本文介绍了MES方法论及其一般功能模型，进而基于流程工业特点探讨了流程工业MES的体系结构及其功能模块，并对其关键技术进行了探讨。可以预台，作为流程工业CIMS的核心，MES必将对流程工业CIMS的发展起到关键作用，从而提高流程工业企业的生产效益和竞争力同时，随着MES技术的应用与推广，MES本身也将不断得到完善与发展。

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