航空制造行業MES標準化研究

張倫彥

（中航工業綜合技術研究所， 北京 100028）

從本世紀起，國內MES（Manufacture Execution System，制造執行系統）的發展十分迅速，數百萬乃至數千萬元的MES工程項目已經成為常態。由于缺少MES理論和標準的指導，許多大規模、大資金的MES工程項目遇到了大量由于功能和接口定義不清造成的重復工作問題和資源浪費問題，因此國內對MES標準化研究的呼聲越來越高。

航空制造行業MES作為最復雜的一類MES，其標準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的相關理論和標準

1990年，美國先進制造技術研究所（Advanced Manufacture Research ，AMR）第一次提出了MES的概念：MES是位于上層計劃管理系統與底層工業控制之間的、面向車間層的管理信息系統，為操作人員、管理人員提供計劃的執行、跟蹤以及所有資源（人、設備、物料、客戶需求等方面）的當前狀態的信息[1]。

不久，國際制造執行系統聯合會（Manufacture Execution System Association ，MESA）成立了，MESA為MES定義了11個功能塊：詳細計劃、生產調度、生產跟蹤、性能分析、設備管理、資源管理、過程管理、人力資源管理、現場數據采集、質量管理、文檔管理[2]。

從上世紀90年代中期起，美國自動化協會儀器儀表分會（The Instrumentation Systems and Automation Society ，ISA）組織來自AMR、MESA、主要大型自動化和軟件企業的專家，陸續編寫和發布了制造運作管理（Manufacture Operation Management，MOM）領域的3部系列標準（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）。由于這部系列標準是ISA的第95部標準，故被稱為ISA95。目前，ISA95已被接受為我國國家標準（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：認為MOM以生產控制為核心；MOM包括的功能（粗虛線范圍內）有：生產計劃、物料和能源控制、產品庫存控制、維護管理、質量保證（這些內容有部分在粗虛線范圍外，表示這些功能與企業級的很多活動是重疊的）；與MOM密切關系的功能（粗虛線范圍外）有：訂單處理、產品成本核算、產品運輸管理、采購管理、研發和工程、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，規范定義了MOM的功能活動和數據流，如圖2所示。ISA95認為MOM的功能活動包括：產品定義管理、生產資源管理、生產進度安排、生產分派、生產執行管理、生產跟蹤、生產數據采集、生產業績分析。

ISA95是業內最具影響力的MES標準，已經被包括中國在內的全球一百多個國家陸續接受為國家標準。本文將以ISA95標準作為出發點，對航空制造行業MES的標準化問題進行研究。

2 國內MES的相關航空制造行業標準

圖2 ISA95定義的MOM功能框架

航空制造行業具有離散性、復雜性的制造特點，其生產模式是典型的多品種小批量、面向定單生產的模式，生產管理的復雜程度和難度比其它行業要更大一些，對生產管理規范的需求和迫切程度也一直走在各行業的前列，與生產管理相關的標準化研究工作也一直較為領先。

中國航空綜合技術研究所是航空制造行業的標準化歸口單位，多年來組織行業專家編制了許多與MES相關的航空（制造）行業標準：HB 6725–1993《生產作業計劃管理》，HB 6726–1993 《生產調度工作管理》，HB 6727–1993《在制品管理》，HB 6728–1993《生產過程中的庫房管理》，HB 6729–1993《生產現場管理》，HB 6730–1993《航空產品試制生產管理》。

這些標準覆蓋了MES所涉及到的大部分業務對象，但是始終也沒有一部標準從系統集成的角度來定義各業務對象之前的關系。隨著航空制造行業MES項目的大量開展，航空制造行業內對行業MES標準的呼喚之聲也越來越高。

本文將分析航空制造行業MES的特點，與國外MES理論相結合，提出具有中國航空制造行業特色的MES標準化參考框架。

3 航空制造業MES的特點分析

從航空制造行業生產管理領域的標準出發，結合在航空制造行業實施MES的體會，歸納出航空制造行業MES的一些主要特點，這些特點需要在航空制造行業MES標準的研討和制訂過程中重點考慮：

需要重點考慮到航空制造行業工藝方面對MES提出的一些問題：BOM（Bill Of Material，物料清單）和構型復雜，工藝復雜且難度大、工程更改多、超越和臨時工藝多、強調版次和有效性管理、文檔記錄和跟蹤管理復雜和嚴格。

ISA95針對部分行業提出了MOM的附加功能：信息管理、構型管理、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航空制造行業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雜性和研制特色。

在生產管理活動中，需要嚴格遵循航空生產管理的要求，對實物零組件的投產、交接、加工、交付、使用的全過程進行批次乃至順序號級別的管理。其中，飛機制造企業的MES要突出批架次管理的特點，航空發動機制造企業要突出連續臺套管理的特點。這些特點是航空制造行業獨有的，且在航空制造行業內是普遍適用的。

圖3 由ISA95提出了的MOM附加功能

生產計劃和現場執行的關系較其它行業更為密切：生產計劃容易受外圍因素影響造成變化，從而影響現場執行；現場執行容易出現問題，反過來又沖擊生產計劃。

航空生產的生產資源的類別很多，管理復雜，使得生產準備管理的難度很大；生產資源的問題造成航空制造企業的現場生產變動多，對生產計劃的沖擊較大。航空制造行業的MES需要重點考慮這個特點。

航空制造行業的生命是質量，現場的質量管理嚴格遵循ISO 9001體系的要求，航空制造行業MES標準的制定一定要結合ISO 9001的質量管理思想，符合其現場質量管理的基本要求。

航空制造企業強調精益制造，其MES中的生產績效管理需要更多的借鑒精益指標管理的體系。

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

4 航空制造行業MES的企業級參考架構

航空制造企業一般都是多分廠/車間的組織模式，如果不加以標準化和統一規劃，勢必造成各分廠/車間MES孤島化的局面。提出如圖4所示的企業級MES架構，用于規范各分廠/車間MES的建設，標準化分廠/車間業務活動和流程，使得各分廠/車間的MES以統一的方式與其它系統進行集成，貫通各業務領域的數據流和信息流，降低系統集成的風險和問題。

圖4 航空制造行業的企業級MES架構

如圖4所示，將航空制造企業與MES相關的作業活動劃分為7類：生產作業管理、車間庫存管理、設備運行管理、工裝工具管理、工時與成本管理、質量作業管理、現場文檔管理。這種作業活動的劃分是依據ISA95的業務活動（詳見圖1）和功能框架（詳見圖2）提出的，并做了部分針對航空制造行業特點的改動：

將ISA95中的生產進度安排、生產分派、生產執行管理統稱為生產作業管理，主要是因為航空制造的生產計劃和現場執行較其它行業要更加密切。除了要接收ISA95定義的企業級生產計劃，航空制造行業的MES還需要接收來自裝配分廠/車間的拉式生產計劃。

車間庫存管理、設備運行管理、工裝工具管理屬于ISA95中的生產資源管理的范疇，這里將其細分為3類進行突出，主要是因為航空制造對生產資源的依賴程度高，由其造成的生產變動也非常多。這3者可以延伸為生產準備管理系統。

工時與成本管理屬于ISA95中的生產績效管理的范疇。精益制造強調消除浪費，工時與成本管理反映出航空制造行業追求精益的特點。

質量作業管理（Quality Operations Management）是ISA95的提法，突出了質量保證在生產執行范疇中的落實，即現場級的質量管理。航空制造的質量作業管理需符合ISO9001管理體系的要求。

現場文檔管理是依據ISA95建議的附加功能（見圖3）而提出的，符合航空制造行業工藝復雜和研制多的特點。可以與企業級的文檔管理一起構成完整的生產卷宗。

對于ISA95定義的數據采集活動，沒有將其直接納入MES中，而是將其歸入MDC（Machine Data Collection，設備數據采集），主要原因是航空制造屬于離散制造，對控制系統的集成是弱集成。

上述作業活動的管理既分布于各分廠/車間中，又需要在企業級做統一管理。而MES除了要直接管理這些業務活動外，還要起到連通企業級和分廠/車間級作業活動信息的作用。因此，在總體架構上做了如下設計：

將這7類作業活動處于分廠/車間中的內容劃歸MES管理，構成各自的MES系統。設計的關鍵點是：在各分廠/車間的MES中，同類的作業活動應當具有統一的功能模型，具有統一的、規范化的作業管理流程；在各分廠/車間的MES之間，同類的作業活動應當具有統一的信息交換方式，具有統一的、規范化的協同工作模式。

將各分廠中同類的作業活動歸口到統一的管理系統，供公司級專門的業務部門使用。如：完整的設備管理系統由ERP中的設備管理模塊與MES中的設備運行模塊共同構成，服務于企業級的設備管理部門。

由于行業和企業層次模型的差異，ISA95并沒有針對企業級和現場級交叉部分的活動做出詳細的定義，本文提出了這種架構為解決航空制造企業MES細致邊界的定義問題提供了參考。

5 航空制造企業的企業層次參考模型

ISA95認為MOM是處于企業活動的第3層，MOM與企業的層次模型密切相關。因此，在開展航空制造行業MES標準化研究時，需要首先定義的就是航空企業的企業層次參考模型。

ISA95提出企業的層次模型包括：企業、廠所、區域、單元、設備總共5個級別。考慮到不同類型企業的區別，ISA95又將企業細分為成批生產、重復生產和離散生產總共3種類型，提出了企業第3層活動對應的、更細分的企業層次模型，如圖5所示。其中，離散生產企業的典型層次模型是：企業、場所、區域、生產線、工作單元。

圖5 由ISA95提出的企業層次模型

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

第一類模型是企業、分廠、車間、工段、設備的5級結構。其中，車間有時也稱為單元或工段，工段有時也稱為班組。

第二類模型企業、分廠、單元、設備的4級結構。其中，分廠有時也稱為車間，單元有時也稱為車間或工段。

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

航空制造行業以第一種企業層次模型為主，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過渡到了第二種企業層次模型。

6 航空制造行業MES的參考功能框架

基于航空制造行業的企業級MES架構，結合航空制造行業的管理特點，提出了航空制造行業的MES功能框架，如圖6所示。

航空制造行業MES的主要功能如下：

系統數據和系統配置管理：是MES系統的基礎數據和基礎配置的支撐功能。

生產作業管理：包括作業計劃管理和現場作業管理，是MES的核心功能部分，覆蓋了計劃接收、分解、排程、下達、執行，即整個生產作業管理所需要的功能。

現場文檔管理：現場生產過程中的生產工藝超越、更改等的控制管理，以及文檔的電子記錄。

質量作業管理：產品生產過程中的質量檢驗、監控和貫徹的管理手段。

圖6 航空制造行業的MES功能框架

生產準備和制造資源管理：分廠/車間生產中所需要的設備、工裝工具等生產資源的準備和管理。

工時和成本管理：通過現場作業過程獲取工時和實作成本的信息。

精益指標控制和生產監控：對分廠/車間的各類精益指標進行統計和控制，及實時監控和掌握生產過程中的各種生產信息和生產狀況。

集成接口功能：與ERP（Enterprise Resource Plan，企業資源規劃）的接口，實現生產計劃、物流的信息集成；與PDM（Product Data Management，產品數據管理）的接口，實現工藝文件和工藝數據的集成；與MDC和DNC（Distributed Numeric Control，分布式數字控制）的接口，實現與生產控制層的設備實時數據的接口功能。

7 工程驗證和結束語

應用本文的研究成果，指導了某大型航空制造企業的MES企業標準制定，規范了該企業的MES系統的設計和開發，在該企業的所有分廠實施了MES，取得了較好的應用效果。

[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.