張倫彥

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所， 北京 100028）

從本世紀(jì)起，國內(nèi)MES（Manufacture Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）的發(fā)展十分迅速，數(shù)百萬乃至數(shù)千萬元的MES工程項(xiàng)目已經(jīng)成為常態(tài)。由于缺少M(fèi)ES理論和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，許多大規(guī)模、大資金的MES工程項(xiàng)目遇到了大量由于功能和接口定義不清造成的重復(fù)工作問題和資源浪費(fèi)問題，因此國內(nèi)對(duì)MES標(biāo)準(zhǔn)化研究的呼聲越來越高。

航空制造行業(yè)MES作為最復(fù)雜的一類MES，其標(biāo)準(zhǔn)化研究工作顯得尤其重要。本文將給出這方面的一些研究成果。

1 國外MES的相關(guān)理論和標(biāo)準(zhǔn)

1990年，美國先進(jìn)制造技術(shù)研究所（Advanced Manufacture Research ，AMR）第一次提出了MES的概念：MES是位于上層計(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)，為操作人員、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[1]。

不久，國際制造執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)合會(huì)（Manufacture Execution System Association ，MESA）成立了，MESA為MES定義了11個(gè)功能塊：詳細(xì)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)跟蹤、性能分析、設(shè)備管理、資源管理、過程管理、人力資源管理、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量管理、文檔管理[2]。

從上世紀(jì)90年代中期起，美國自動(dòng)化協(xié)會(huì)儀器儀表分會(huì)（The Instrumentation Systems and Automation Society ，ISA）組織來自AMR、MESA、主要大型自動(dòng)化和軟件企業(yè)的專家，陸續(xù)編寫和發(fā)布了制造運(yùn)作管理（Manufacture Operation Management，MOM）領(lǐng)域的3部系列標(biāo)準(zhǔn)（ANSI/ISA–95.00.01–2000Enterprise-Control System Integration Part 1: Models and Terminology，ANSI/ISA–95.00.02–2001Enterprise-Control System Integration Part 2: Object Model Attributes，ANSI/ISA—95.00.03—2005Enterprise-Control System Integration Part 3:Activity Models of Manufacturing Operations Management）。由于這部系列標(biāo)準(zhǔn)是ISA的第95部標(biāo)準(zhǔn)，故被稱為ISA95。目前，ISA95已被接受為我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20720.1–2006，GB/T 20720.2–2006，GB/T 20720.3–2006）。

如圖1所示，ISA95界定了MOM的邊界：認(rèn)為MOM以生產(chǎn)控制為核心；MOM包括的功能（粗虛線范圍內(nèi)）有：生產(chǎn)計(jì)劃、物料和能源控制、產(chǎn)品庫存控制、維護(hù)管理、質(zhì)量保證（這些內(nèi)容有部分在粗虛線范圍外，表示這些功能與企業(yè)級(jí)的很多活動(dòng)是重疊的）；與MOM密切關(guān)系的功能（粗虛線范圍外）有：訂單處理、產(chǎn)品成本核算、產(chǎn)品運(yùn)輸管理、采購管理、研發(fā)和工程、營銷和銷售。

圖1 ISA95定義的MOM功能范圍

ISA95提出了MOM的功能框架，規(guī)范定義了MOM的功能活動(dòng)和數(shù)據(jù)流，如圖2所示。ISA95認(rèn)為MOM的功能活動(dòng)包括：產(chǎn)品定義管理、生產(chǎn)資源管理、生產(chǎn)進(jìn)度安排、生產(chǎn)分派、生產(chǎn)執(zhí)行管理、生產(chǎn)跟蹤、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)業(yè)績分析。

ISA95是業(yè)內(nèi)最具影響力的MES標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)被包括中國在內(nèi)的全球一百多個(gè)國家陸續(xù)接受為國家標(biāo)準(zhǔn)。本文將以ISA95標(biāo)準(zhǔn)作為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)航空制造行業(yè)MES的標(biāo)準(zhǔn)化問題進(jìn)行研究。

2 國內(nèi)MES的相關(guān)航空制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

圖2 ISA95定義的MOM功能框架

航空制造行業(yè)具有離散性、復(fù)雜性的制造特點(diǎn)，其生產(chǎn)模式是典型的多品種小批量、面向定單生產(chǎn)的模式，生產(chǎn)管理的復(fù)雜程度和難度比其它行業(yè)要更大一些，對(duì)生產(chǎn)管理規(guī)范的需求和迫切程度也一直走在各行業(yè)的前列，與生產(chǎn)管理相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作也一直較為領(lǐng)先。

中國航空綜合技術(shù)研究所是航空制造行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化歸口單位，多年來組織行業(yè)專家編制了許多與MES相關(guān)的航空（制造）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：HB 6725–1993《生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃管理》，HB 6726–1993 《生產(chǎn)調(diào)度工作管理》，HB 6727–1993《在制品管理》，HB 6728–1993《生產(chǎn)過程中的庫房管理》，HB 6729–1993《生產(chǎn)現(xiàn)場管理》，HB 6730–1993《航空產(chǎn)品試制生產(chǎn)管理》。

這些標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了MES所涉及到的大部分業(yè)務(wù)對(duì)象，但是始終也沒有一部標(biāo)準(zhǔn)從系統(tǒng)集成的角度來定義各業(yè)務(wù)對(duì)象之前的關(guān)系。隨著航空制造行業(yè)MES項(xiàng)目的大量開展，航空制造行業(yè)內(nèi)對(duì)行業(yè)MES標(biāo)準(zhǔn)的呼喚之聲也越來越高。

本文將分析航空制造行業(yè)MES的特點(diǎn)，與國外MES理論相結(jié)合，提出具有中國航空制造行業(yè)特色的MES標(biāo)準(zhǔn)化參考框架。

3 航空制造業(yè)MES的特點(diǎn)分析

從航空制造行業(yè)生產(chǎn)管理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，結(jié)合在航空制造行業(yè)實(shí)施MES的體會(huì)，歸納出航空制造行業(yè)MES的一些主要特點(diǎn)，這些特點(diǎn)需要在航空制造行業(yè)MES標(biāo)準(zhǔn)的研討和制訂過程中重點(diǎn)考慮：

需要重點(diǎn)考慮到航空制造行業(yè)工藝方面對(duì)MES提出的一些問題：BOM（Bill Of Material，物料清單）和構(gòu)型復(fù)雜，工藝復(fù)雜且難度大、工程更改多、超越和臨時(shí)工藝多、強(qiáng)調(diào)版次和有效性管理、文檔記錄和跟蹤管理復(fù)雜和嚴(yán)格。

ISA95針對(duì)部分行業(yè)提出了MOM的附加功能：信息管理、構(gòu)型管理、安全管理、例外管理、文檔管理、依從管理，如圖3所示。

ISA95提出的這些附加功能對(duì)航空制造行業(yè)MES具有很好的代表性和適用性，其主要根源是航空制造工藝的復(fù)雜性和研制特色。

在生產(chǎn)管理活動(dòng)中，需要嚴(yán)格遵循航空生產(chǎn)管理的要求，對(duì)實(shí)物零組件的投產(chǎn)、交接、加工、交付、使用的全過程進(jìn)行批次乃至順序號(hào)級(jí)別的管理。其中，飛機(jī)制造企業(yè)的MES要突出批架次管理的特點(diǎn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)要突出連續(xù)臺(tái)套管理的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)是航空制造行業(yè)獨(dú)有的，且在航空制造行業(yè)內(nèi)是普遍適用的。

圖3 由ISA95提出了的MOM附加功能

生產(chǎn)計(jì)劃和現(xiàn)場執(zhí)行的關(guān)系較其它行業(yè)更為密切：生產(chǎn)計(jì)劃容易受外圍因素影響造成變化，從而影響現(xiàn)場執(zhí)行；現(xiàn)場執(zhí)行容易出現(xiàn)問題，反過來又沖擊生產(chǎn)計(jì)劃。

航空生產(chǎn)的生產(chǎn)資源的類別很多，管理復(fù)雜，使得生產(chǎn)準(zhǔn)備管理的難度很大；生產(chǎn)資源的問題造成航空制造企業(yè)的現(xiàn)場生產(chǎn)變動(dòng)多，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的沖擊較大。航空制造行業(yè)的MES需要重點(diǎn)考慮這個(gè)特點(diǎn)。

航空制造行業(yè)的生命是質(zhì)量，現(xiàn)場的質(zhì)量管理嚴(yán)格遵循ISO 9001體系的要求，航空制造行業(yè)MES標(biāo)準(zhǔn)的制定一定要結(jié)合ISO 9001的質(zhì)量管理思想，符合其現(xiàn)場質(zhì)量管理的基本要求。

航空制造企業(yè)強(qiáng)調(diào)精益制造，其MES中的生產(chǎn)績效管理需要更多的借鑒精益指標(biāo)管理的體系。

航空制造企業(yè)屬于典型的離散制造企業(yè)，不同車間的自動(dòng)化水平差異巨大，大量的車間依賴于手工的采集，自動(dòng)化程度高的車間也很難做到流水線生產(chǎn)的管控一體化（強(qiáng)集成模式），因此航空制造行業(yè)MES在數(shù)據(jù)采集方面是典型的弱集成模式。

4 航空制造行業(yè)MES的企業(yè)級(jí)參考架構(gòu)

航空制造企業(yè)一般都是多分廠/車間的組織模式，如果不加以標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一規(guī)劃，勢必造成各分廠/車間MES孤島化的局面。提出如圖4所示的企業(yè)級(jí)MES架構(gòu)，用于規(guī)范各分廠/車間MES的建設(shè)，標(biāo)準(zhǔn)化分廠/車間業(yè)務(wù)活動(dòng)和流程，使得各分廠/車間的MES以統(tǒng)一的方式與其它系統(tǒng)進(jìn)行集成，貫通各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)流和信息流，降低系統(tǒng)集成的風(fēng)險(xiǎn)和問題。

圖4 航空制造行業(yè)的企業(yè)級(jí)MES架構(gòu)

如圖4所示，將航空制造企業(yè)與MES相關(guān)的作業(yè)活動(dòng)劃分為7類：生產(chǎn)作業(yè)管理、車間庫存管理、設(shè)備運(yùn)行管理、工裝工具管理、工時(shí)與成本管理、質(zhì)量作業(yè)管理、現(xiàn)場文檔管理。這種作業(yè)活動(dòng)的劃分是依據(jù)ISA95的業(yè)務(wù)活動(dòng)（詳見圖1）和功能框架（詳見圖2）提出的，并做了部分針對(duì)航空制造行業(yè)特點(diǎn)的改動(dòng)：

將ISA95中的生產(chǎn)進(jìn)度安排、生產(chǎn)分派、生產(chǎn)執(zhí)行管理統(tǒng)稱為生產(chǎn)作業(yè)管理，主要是因?yàn)楹娇罩圃斓纳a(chǎn)計(jì)劃和現(xiàn)場執(zhí)行較其它行業(yè)要更加密切。除了要接收ISA95定義的企業(yè)級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃，航空制造行業(yè)的MES還需要接收來自裝配分廠/車間的拉式生產(chǎn)計(jì)劃。

車間庫存管理、設(shè)備運(yùn)行管理、工裝工具管理屬于ISA95中的生產(chǎn)資源管理的范疇，這里將其細(xì)分為3類進(jìn)行突出，主要是因?yàn)楹娇罩圃鞂?duì)生產(chǎn)資源的依賴程度高，由其造成的生產(chǎn)變動(dòng)也非常多。這3者可以延伸為生產(chǎn)準(zhǔn)備管理系統(tǒng)。

工時(shí)與成本管理屬于ISA95中的生產(chǎn)績效管理的范疇。精益制造強(qiáng)調(diào)消除浪費(fèi)，工時(shí)與成本管理反映出航空制造行業(yè)追求精益的特點(diǎn)。

質(zhì)量作業(yè)管理（Quality Operations Management）是ISA95的提法，突出了質(zhì)量保證在生產(chǎn)執(zhí)行范疇中的落實(shí)，即現(xiàn)場級(jí)的質(zhì)量管理。航空制造的質(zhì)量作業(yè)管理需符合ISO9001管理體系的要求。

現(xiàn)場文檔管理是依據(jù)ISA95建議的附加功能（見圖3）而提出的，符合航空制造行業(yè)工藝復(fù)雜和研制多的特點(diǎn)。可以與企業(yè)級(jí)的文檔管理一起構(gòu)成完整的生產(chǎn)卷宗。

對(duì)于ISA95定義的數(shù)據(jù)采集活動(dòng)，沒有將其直接納入MES中，而是將其歸入MDC（Machine Data Collection，設(shè)備數(shù)據(jù)采集），主要原因是航空制造屬于離散制造，對(duì)控制系統(tǒng)的集成是弱集成。

上述作業(yè)活動(dòng)的管理既分布于各分廠/車間中，又需要在企業(yè)級(jí)做統(tǒng)一管理。而MES除了要直接管理這些業(yè)務(wù)活動(dòng)外，還要起到連通企業(yè)級(jí)和分廠/車間級(jí)作業(yè)活動(dòng)信息的作用。因此，在總體架構(gòu)上做了如下設(shè)計(jì)：

將這7類作業(yè)活動(dòng)處于分廠/車間中的內(nèi)容劃歸MES管理，構(gòu)成各自的MES系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是：在各分廠/車間的MES中，同類的作業(yè)活動(dòng)應(yīng)當(dāng)具有統(tǒng)一的功能模型，具有統(tǒng)一的、規(guī)范化的作業(yè)管理流程；在各分廠/車間的MES之間，同類的作業(yè)活動(dòng)應(yīng)當(dāng)具有統(tǒng)一的信息交換方式，具有統(tǒng)一的、規(guī)范化的協(xié)同工作模式。

將各分廠中同類的作業(yè)活動(dòng)歸口到統(tǒng)一的管理系統(tǒng)，供公司級(jí)專門的業(yè)務(wù)部門使用。如：完整的設(shè)備管理系統(tǒng)由ERP中的設(shè)備管理模塊與MES中的設(shè)備運(yùn)行模塊共同構(gòu)成，服務(wù)于企業(yè)級(jí)的設(shè)備管理部門。

由于行業(yè)和企業(yè)層次模型的差異，ISA95并沒有針對(duì)企業(yè)級(jí)和現(xiàn)場級(jí)交叉部分的活動(dòng)做出詳細(xì)的定義，本文提出了這種架構(gòu)為解決航空制造企業(yè)MES細(xì)致邊界的定義問題提供了參考。

5 航空制造企業(yè)的企業(yè)層次參考模型

ISA95認(rèn)為MOM是處于企業(yè)活動(dòng)的第3層，MOM與企業(yè)的層次模型密切相關(guān)。因此，在開展航空制造行業(yè)MES標(biāo)準(zhǔn)化研究時(shí)，需要首先定義的就是航空企業(yè)的企業(yè)層次參考模型。

ISA95提出企業(yè)的層次模型包括：企業(yè)、廠所、區(qū)域、單元、設(shè)備總共5個(gè)級(jí)別。考慮到不同類型企業(yè)的區(qū)別，ISA95又將企業(yè)細(xì)分為成批生產(chǎn)、重復(fù)生產(chǎn)和離散生產(chǎn)總共3種類型，提出了企業(yè)第3層活動(dòng)對(duì)應(yīng)的、更細(xì)分的企業(yè)層次模型，如圖5所示。其中，離散生產(chǎn)企業(yè)的典型層次模型是：企業(yè)、場所、區(qū)域、生產(chǎn)線、工作單元。

圖5 由ISA95提出的企業(yè)層次模型

航空制造企業(yè)屬于典型的離散制造行業(yè)，參考ISA95的企業(yè)層次模型，提出航空制造企業(yè)的兩類典型的層次化企業(yè)參考模型：

第一類模型是企業(yè)、分廠、車間、工段、設(shè)備的5級(jí)結(jié)構(gòu)。其中，車間有時(shí)也稱為單元或工段，工段有時(shí)也稱為班組。

第二類模型企業(yè)、分廠、單元、設(shè)備的4級(jí)結(jié)構(gòu)。其中，分廠有時(shí)也稱為車間，單元有時(shí)也稱為車間或工段。

本文的企業(yè)指多個(gè)分廠/車間的集合，能夠決定制造什么產(chǎn)品、這些產(chǎn)品將在哪個(gè)分廠/車間制造、一般情況下如何制造這些產(chǎn)品。

航空制造行業(yè)以第一種企業(yè)層次模型為主，但隨著單元化和扁平化理念的推廣，越來越多的航空制造企業(yè)過渡到了第二種企業(yè)層次模型。

6 航空制造行業(yè)MES的參考功能框架

基于航空制造行業(yè)的企業(yè)級(jí)MES架構(gòu)，結(jié)合航空制造行業(yè)的管理特點(diǎn)，提出了航空制造行業(yè)的MES功能框架，如圖6所示。

航空制造行業(yè)MES的主要功能如下：

系統(tǒng)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置管理：是MES系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)配置的支撐功能。

生產(chǎn)作業(yè)管理：包括作業(yè)計(jì)劃管理和現(xiàn)場作業(yè)管理，是MES的核心功能部分，覆蓋了計(jì)劃接收、分解、排程、下達(dá)、執(zhí)行，即整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)管理所需要的功能。

現(xiàn)場文檔管理：現(xiàn)場生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)工藝超越、更改等的控制管理，以及文檔的電子記錄。

質(zhì)量作業(yè)管理：產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢驗(yàn)、監(jiān)控和貫徹的管理手段。

圖6 航空制造行業(yè)的MES功能框架

生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造資源管理：分廠/車間生產(chǎn)中所需要的設(shè)備、工裝工具等生產(chǎn)資源的準(zhǔn)備和管理。

工時(shí)和成本管理：通過現(xiàn)場作業(yè)過程獲取工時(shí)和實(shí)作成本的信息。

精益指標(biāo)控制和生產(chǎn)監(jiān)控：對(duì)分廠/車間的各類精益指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和控制，及實(shí)時(shí)監(jiān)控和掌握生產(chǎn)過程中的各種生產(chǎn)信息和生產(chǎn)狀況。

集成接口功能：與ERP（Enterprise Resource Plan，企業(yè)資源規(guī)劃）的接口，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、物流的信息集成；與PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）的接口，實(shí)現(xiàn)工藝文件和工藝數(shù)據(jù)的集成；與MDC和DNC（Distributed Numeric Control，分布式數(shù)字控制）的接口，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)控制層的設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接口功能。

7 工程驗(yàn)證和結(jié)束語

應(yīng)用本文的研究成果，指導(dǎo)了某大型航空制造企業(yè)的MES企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，規(guī)范了該企業(yè)的MES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，在該企業(yè)的所有分廠實(shí)施了MES，取得了較好的應(yīng)用效果。

[1]AMR Consulting.Next generation plant systems:The key to competitive plant operation. http://www.amrconsult-ing.com/plantsystems.pdf, 1990.

[2]MESA International.MES Explained: a high level vision. http://www.mesa.org/html/resource.htm, 1997.