一文詳解MES/MOM系統基礎知識

01信息化三駕馬車之MES

MES（ManufacturingExecutionSystem）即制造執行系統， 是實現智能制造的核心統之一。

與PLM、ERP并稱為信息化三駕馬車的MES。上接ERP、PLM、CAPP等系統，下接SCADA、PLC以及各類物理生產設備，主要負責生產管理和調度執行。

數據來源：《機智 從數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行與跟蹤、質量控制、生產調度、物料投入產出管理等功能的統一系統平臺，實現ERP系統無法實現的實時生產管理報表功能。

相較于ERP，MES獲取生產數據的實時性高，對底層生產的數據把握細；而ERP是一個功能更廣，但對車間生產執行層了解不細致的系統。

目前就國內信息化而言，大部分制造型企業已經完成了ERP等的建設，隨著智能制造的提出，技術的不斷進步以及IT與OT的不斷深度融合，根據傳統的ISA-95架構，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運營軟件服務和應用下沉至以車間級別的設備工藝制造流程、設備管理與機臺動作等，MES成為了其中至關重要的一環~

02MES：離散工業 VS 流程工業

根據生產方式的不同，制造型企業一般分為三類：

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

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

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

下面我們從生產計劃，數據采集，自動化水平等方面來對離散和流程工業進行橫向對比：

正因為在產品品質和批 量、產品結構和生產模型要求、生產計劃管理、設備管理等方面離散工業與流程工業存在著巨大的差異，因此諸多MES廠商針對于流程工業和離散工業都有對應的解決方案套件



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產品體系，名為Opcenter EX DS和Opcenter EX PR，詳細內容可以參看：最全解讀西門子MES/MOM平臺Opcenter，100多億美金的數字化之路） 除了離散制造與流程制造的本質不同之外，不同行業之間在管理方法論、工藝、生產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解決方案套件，比如西門子半導體套件、高科技電子套件~

?

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

來源：羅克韋爾

再比如，在國內鋼鐵行業MES龍頭企業寶信軟件，也逐步向醫藥行業滲透。目前已經推出了“制藥MES V2.0”和“制藥LIMS V1.0”，并在上藥東英藥業等企業成功實施上線~

來源：寶武集團官網，信達證券

當然，國內制造業的自動化水平極不均衡。整體上看流程工業自動化水平高于離散工業，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前列~

來源：億歐智庫

不過就大方向來說，離散工業是未來智能化改造的主戰場。目前，國內不足半數的企業應用了MES系統，但其中仍有半數企業無法實現上層管理系統和下層執行系統的集成，未來MES系統的普及與升級改造需求有望帶來較大的發展空間。

MES靠近設備層，但每個行業的設備差異度大，故難以標準化，同時MES側重管理細節化，

需要軟件設計貼合生產，導致MES軟件設計需要大量所在行業生產經驗，這些特點使得MES

軟件市場難出現幾家獨大的局面。

03系統認識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、系統和自動化協會的ISA-95最為知名（當然也有德國的VDI 5600等，以及國內信息產業部搞出的的MES規范，不過相比較前兩大標準，知名度不高）

來源：MPDV

經過多年發展之后的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、企業制造智能，報表、計劃調度、工單等子系統，整體是一個完整的平臺層（如下圖）?，F實中大部分公司因為歷史原因，其產品名一直被叫做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解決如何生產的問題，例如，幫助企業提高設備利用率、降低交貨周期、實現質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運營管理、產品質量管理、生產實時管控、生產動態調度等，對 生產現場的“人、機、料、法、環、測”均實現了有效管理，緊扣質量管理理論中的六要素。

下面為國內數字化工廠解決方案提供商銳制軟件的MOM制造運營系統功能清單

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：網絡

ISA-95標準下的MES功能

來源：網絡

VDI5600標準下的MES功能

來源：網絡

不論參照哪一個標準，MES作為一個重要的生產過程管理與監控者，承接了上層管理系統和下層執行系統的集成。在數據越來越重要的今天，起著極其關鍵的作用。下圖為《機·智：從數字化車間走向智能制造》叢書中總結的MES功能框架：

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

04MES實施之殤

我們知道，MES能夠幫助制造企業解決如何生產的問題，例如，幫助企業提高設備利用率、降低交貨周期、實現質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，因此導致國內MES的成功率并不是太高，我總結了以下幾個在MES實施過程中的重點與難點：

1）工藝建模

2）工廠建模

3）數據采集與解析

4）行業know-how

5）管理模式

MES貫穿了整個生產流程，從制造業信息化的角度，需要對整個生產流程建模。為了讓不了解制造業的朋友有一個比較具象化的了解，我們以GE這份制造業生產過程的整體業務流程(如下圖）為例來講解，MES系統主要負責其中從原材料到產成品的全過程，包括生產調度、工單協調與 執行、現場生產控制與監控、設備管理、質量監控等過程。

MES整體業務流程

來源：GE

那如何實現上面所謂的生產流程的建模呢？為實現生產流程的建模與后續分析，需要進行數據采集與解析、工藝建模、工廠建模。

1.數據采集與解析

如今談及各種數字化工廠、信息化改造或是智慧工廠，自動化的數據采集都是其中及其關鍵的一環。但是由于工業場景的復雜性，對于有些場景而言，數據采集難度極高（如下圖某國內發動機工廠數據采集流程）~

實現自動化的數據采集與解析需要MES廠商對各類硬件設備所支持的通訊協議（數據采集）以及設備輸出數據的含義（數據解析）有較深入的了解，而這需要對各類通訊協議以及行業Know-How有持續的研究。（如下圖）

現實中，不少OEM設備廠商并不會對外開放其數據接口或通過收費的方式開放部分數據接口，使得第三方MES廠 商無法直接獲取數據，又或者現場設備過于老舊，無法獲得理想的高質量有效數據，前面我們談過的工業當中的各種協議、工業以太網無不說明了這一點：

技術解讀PROFINET、Ethernet/IP等7種主流工業以太網

最全整理工業通訊上的領域各種總線+協議+規范+接口—數據采集與控制

前面我們通過文章最詳細的工業網絡通訊技術與協議總結解讀（現場總線、工業以太網、工業無線）詳細描述了工業領域當中的各種五花八門的協議（如下圖）

并從現場總線、工業以太網、工業無線等各個方面進行了詳細的描述，無論是基于RS485類網絡和FieldBUS現場總線網絡，PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII、MODBUS TCP、CC-LINK IE等工業以太網，又或者802.11.x Wi-Fi、藍牙、蜂窩網絡、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 的協議，都做了詳細的介紹和對比分析~

2.工藝建模

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

MES工藝建模示意圖

國內某汽車發動機工廠羅克韋爾FTPC工藝路徑配置界面

如，根據《機械行業標準：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成的不同企業的制造工藝流程。

因此，標準化的、同時適用于多個企業的MES系統基本不存在，需要MES廠商為每個企業量身定制符合其自身工藝流程的MES系統，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成品的變化路徑，而推動原材料質變或形變需要企業人員的干預，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品時，需要對當前生產任務進行中斷，這就需要各級生產管理人員的審批。

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組織方式（例如車間各級人員架構、管理與從屬關系、不同崗位工作職責）、生產流程進行建模，其中需要考慮的是企業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，生產類似產品的制造企業的生產流程建模也不會完全一樣， 因為各企業生產組織方式、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向企業確認其生產流程、不同崗位人員職責等個性化特點，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，是精益管理理念與IT工具的結合。前面說到的數據采集與分析、工藝建模、工廠建模等更多是使用IT技術對業務與流程進行梳理與實現，但MES系統涉及多個部門，橫跨多個領域，業務復雜且多變，挑戰更大的反而是管理理念。

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

就闡述了工業數字化轉型不是一蹴而就前期需要根據自身現狀規劃建立一個靈活度高、可擴展性強、集成性好、適合公司未來發展的頂層設計，然后再分步實施

對于MES而言，也只有自身的管理思維與執行跟得上，才能得到最終期待的結果，關于MES系統的規劃與實施，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系統規劃及實施原則

5.行業Know-How

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

只有通過對行業生產工藝、工廠崗位設定、生產設備數據以及生產管理體系等多方面的深入理解，并結合精益管理念與IT工具，才能真正使MES的作用發揮出來，使其與公司的、生產、工藝與管理等更加匹配~

05 主流的MES廠商有哪些？

MES位于數字化廠體系架構中間位置，主要負責生產管理和調度執行。從MES供應商的初始業務角度看，MES廠商可分為5類：

(1)初始為企業層軟件（ERP、PLM等）供應商，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，例如專注于食品飲料、消費包裝等行業的MountainSystem（后被GEFanuc收購）；專注于食品行 業的CompexITplantsolution（后被西門子收購）；

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

(4)初始業務主要為硬件設備數據采集與展示，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品為InTouch，一款HMI軟件；

(5)由硬件設備廠商發展而來，典型如西門子、施耐德等，這類廠商一般有較長的發展歷史，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勢的巨頭，前面在文章：

工業軟件：一文講透國內外MES/MOM市場格局，主流廠商及其優勢行業

當中列舉了一些國內外比較知名廠商，但MES這樣的行業，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、GE、ABB、羅克韋爾等國際大廠商，或許國內MES廠商的知名度并不算高，但是國內眾多MES廠商通過多年的深耕，在部分行業和市場卻具有更大的靈活性與優勢，MES和CAD/CAE/CAM等工業軟件不一樣，外國的月亮還真不一定比國內圓，比如寶信軟件靠著多年積累就在鋼鐵行業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，最后也是落得一地雞毛~

06 MES未來：ISA-95架構的重構？

一直以來，制造業企業信息系統建設普遍遵循以ISA-95為代表的金字塔體系架構，其核心是打通企業商業系統與生產控制系統，由上至下將訂單逐步分解為企業資源計劃、生產計劃、直至生產硬件設備的具體指令，主要通過ERP、MES、SCADA等一系列軟件系統的協同來驅動制造企業數字化和信息化發展。

大家經常所聽說的IT與OT融合，其實也就源于此。隨著智能化的不斷發展，現有體系架構的問題也逐漸暴露，主要問題有兩點：

一是信息孤島問題仍然存在，無法形成對海量數據的統一管理與處理，而這也阻礙了大數據、人工智能等技術在工業領域的應用；

二是靈活性欠缺，ERP、MES系統均屬于重應用，即若企業業務發生變化時，需再次定制化開發，無法動態組裝及時響應。

因此，從更長的周期看，或許工業互聯網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，具體或將有兩大的演進趨勢：

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

(2)數據成為制造企業智能化發展的核心驅動，大數據、人工智能等新興技術 將在更大程度上賦能制造企業，而這需要以數據采集與管理平臺為底座。

工業互聯網的出現，可以重構企業傳統IT架構，打通IT系統和OT系統，推動企業架構的扁平化。

一方面，平臺從OT系統和IT系統采集數據，實現了設備數據和業務系統數據的匯聚集成，形成數據湖，基于統一數據源開發應用服務，消除了數據孤島。另一方面，基于數據建模和分析構建的工業APP，推動裝備/產品和生產從“功能機”演進為“智能機”，構建起了狀態感知-實時分析-科學決策-精準執行的閉環智能。

審核編輯：劉清