荣冈、冯毅萍、赵路军编著的《流程工业组件化 生产执行系统》依据协同生产管理和控制的国际标准 ，采用过程系统工程的方法 论，以生产执行系统MES软件组件为信息化载体，实 现两化整合中所需的 统一数据集成，统一知识表达和人机协同决策。本书 首先介绍了MES的 基本原理、发展趋势及其在两化整合中的作用。结合 流程企业实际，第3、4 章提出了基于多层次工厂模型的MES设计方法，第5章 详细介绍了组件化 MES软件设计、开发和应用实施的方法和技术。第6、 7章针对质量管控和 计划优化两个应用案例，分别介绍了各类MES组件的 协同运行方法。第8 章介绍了MES信息可视化组件的应用场景，第9章介绍 了MES培训组件 对改善人机协同工作效率的作用。本书可供流程工业 企业各级生产和经营 管理人员、管理技术人员、MES实施与应用人员学习 参考，也可作为相关院 校教师、研究生的教学教参书。       

第1章绪论
1.1流程工业企业的信息化
1.1.1工业化与信息化“两化”融合的需求流程工业涵盖石油、化工、冶金、制药等多种产业，是至关重要且规模庞大的基础产业，也是国家的经济命脉之一。流程工业的生产过程通常具有大规模连续或间歇的物料转化、混合、分离等一系列复杂及动态的生产制造方式，大多是资金密集、技术密集的大型企业和企业集团。流程工业的可持续发展，不仅需要供应链层面进行宏观的合理布局和资源优化，也需要企业内部生产和经营各环节的有效控制和协同管理，通过各项技术经济指标的最优化，实现安全生产，降低成本，提高能源利用率，减少有害物排放。20世纪90年代以来，我国工业化向着更大的加工与制造规模发展，以应对更激烈的市场竞争。流程工业企业的发展也不例外，企业的生产规模不断扩大，占全国企业年总产值的比例不断攀升，2011年达66%。然而，我国流程工业企业的技术进步、企业生产经营效益等指标远未达到发达国家水平，尤其是综合能耗水平远高于全球的平均水平。电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40％，我国的能源利用效率仅为33％，比发达国家低10个百分点左右。信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。近十年来，专家学者和国家科技部等相关部门的领导，倡导以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。流程企业信息化水平不断提高，计算机、通信与软件技术在流程工业中的应用得到发展与普及，引进和自主开发了大量信息化技术与工程软件，并且以各类工业控制计算机和工业级通信网络为载体，广泛应用于企业生产营运、经营管理、设计研发的全过程。“十二五”以来，中国流程工业企业加快了转型升级步伐，由规模发展向科学发展、内涵发展转变，更加注重发展的质量和效益，也更加需要工业化与信息化的深度融合。112“两化”融合的技术路线自动化技术是实现大规模工业生产安全、平稳、优质、高效的基本条件和重要保证。工业现代化程度越高，其成套技术装备的主辅机依赖于工业自动化仪表与系统的程度越大，对工业自动化仪表与系统的要求也越高，一般来说，在工程建设中，自动化仪表的投资与工业设备的总投资之比（自动化投资率）也越高，电力工业已由20世纪60～70年代的3%～5％，提高到目前的10%～12％；钢铁工业从8％提高到12%～15％，化学工业从10％提高到15%～18％。这表明工业自动化仪表与系统在工业生产中的作用越来越大，其应用水平不断提高。自动化技术是传统产业改造升级的有效手段。应用工业自动化仪表与系统能改变技术设备和管理的落后面貌，使传统产业实现低消耗、高质量、高效益的目标，提高新产品开发能力和市场竞争能力，确立现代先进制造业新形象。流程工业生产通常是使原材料和其他物质资源在形态上发生改变，在人参与下，使原材料价值增加的一个综合过程。也就是说根据用户的需求，在企业内部管理人员和操作人员共同控制与操作下，经过一定的生产设备，把一些物资的形态转变成为用户所要求的具有使用价值的产品，如图1-1所示。在转变过程中，企业经营者希望产品价值逐步高于原材料的价值。图11流程工业企业的运作过程在这一转变过程中，流程工业企业的经营者采用综合自动化技术解决以下四方面的问题。① 安全：需要用高可靠性的控制系统、检测和执行机构对设备与装置的运行提供保证，进而对关键装置进行故障诊断与健康维护；② 低成本：通过先进的工艺及工艺参数以降低能耗和原料消耗，以及通过先进的建模技术、控制技术和实时优化技术来提高产品的合格率和转化率；③ 高效率：通过先进的计划调度与排产技术和流程模拟技术来提高设备利用率和劳动生产率；④ 提高竞争力：通过数据和信息的综合集成，如先进的管理技术（包括ERP、CRM、SCM等）、电子商务、价值链分析技术等，促进企业价值的增值，最终提高企业的综合竞争力。自20世纪90年代以来，在流程工业企业普遍沿着更大的加工与制造规模和更激烈的市场竞争趋势发展的同时，计算机、通信与软件技术在流程工业中的应用得到发展与普及，大量的新型系统理论、技术与软件被开发出来，并且以各类工业控制计算机和工业级通信网络为载体，应用于流程工业，承担起对于生产过程全局的协同控制、管理及优化。在此共识的基础上，学术界与产业界将这类技术体系化地归纳为由ERP、MES和PCS三个层面组成的管理与控制一体化系统，国际上称为计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS），如图1-2所示。该结构体系及其内部组织的指导思想本质上仍然是在长期研究中积累的过程系统工程（Process Systems Engineering，PSE）领域的系统方法论。图 1-2三层体系结构示意图最底层是以PCS（过程控制系统）为代表的基础自动化层。主要内容包括先进控制、软测量技术、实时数据库、可靠性技术、数据融合与数据处理技术、集散控制系统(DCS)、多总线网络化控制系统、基于高速以太网和无线技术的现场控制设备、传感器技术等。中间层是以MES（生产制造执行系统）为代表的生产执行及过程运行优化层。主要内容包括先进建模与流程模拟技术（Advanced Modeling Technologies，AMT）、先进计划与调度技术（Advanced Planning and Scheduling，APS）、生产实时跟踪技术、故障诊断与健康维护技术、数据挖掘与数据校正技术、动态质量控制与管理技术、物料平衡技术、产品储运与配送技术等。最上层是以ERP（企业资源管理）为代表的企业生产经营计划和优化层。主要内容包括企业资源管理（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM)、产品质量数据管理（PDM)、数据仓库技术、设备资源管理、企业电子商务平台等。三层结构在功能划分上虽有重叠，但各有侧重。如同是设备管理，PCS层注重设备监控和故障诊断，MES层注重设备管理，ERP层注重设备维修计划、备品备件、设备资产管理等。其他各个业务功能模块，如生产计划、调度、成本、物流等也与此类似。在管控一体化的体系结构中，MES起到了承上启下的作用。一方面，它对来自ERP层的生产计划进行细化分解，并会同质量、工艺、设备等信息，生成操作指令，传递给PCS层；另一方面，它对PCS层的运行状态进行监控，通过采集其物料、工艺、质量、设备状态等数据，进行分析计算与处理，得到底层的生产状态信息，并传递给ERP层，使管控一体化系统形成了一个有机的整体。由此可见，MES是实现企业综合自动化的关键。12MES发展历程〖1〗1.2.1MES的背景过去二十五年，伴随着消费者对产品的需求愈加多样化，制造业的生产方式开始由大批量的刚性生产转向多品种少批量的柔性生产，企业开始投资信息系统以提高生产率，以计算机网络和大型数据库等IT技术和先进的通信技术的发展为依托，企业的信息系统也开始从局部的、事后处理方式，转变为面向全局的、实时处理方式。这推动了企业信息系统市场的稳步增长。一些如ERP系统在市场中占据了主要地位，80%的《财富》五百强企业已经使用ERP来管理他们的企业运转，而且越来越多的中小型企业也在采用这种方法，不同程度地实现了以财务为核心的产、供、销、人、财、物集成化的企业资源综合管理。另外，在过程控制领域PLC、DCS得到大量应用，极大地提高了企业生产自动化程度，企业信息化的各个领域都有了长足的发展。但是，其中很长一段时间内，车间层的信息系统建设明显滞后。车间层的生产部门通常都采用定制应用软件来满足现场的生产操作和管理需求。例如，基于数据库或电子表格的生产数据采集系统在车间获得广泛的应用，用于实时监控生产执行过程。但是在实践过程中，由于生产过程的不确定性和复杂性导致其软件维护和数据整合变得很复杂。所以，在企业信息集成的实践过程中，仍然难以解决生产管理瓶颈带来的各种问题：一方面，上层职能部门在制订计划过程中无法准确及时地把握底层的生产实际状况;另一方面，底层的操作人员在生产过程中无法得到切实可行的作业计划做指导，并且工厂管理人员和操作人员难以在生产过程中跟踪产品的状态数据，不能有效地控制在制品库存，而用户在交货之前无法了解定单的执行状况。针对这些困难，软件供应商提出了将多个执行管理组件封装于单个应用集成软件的解决方案，提供一个通用的用户界面和数据管理系统，即制造执行系统（MES），以达到快速响应市场需求，高质量、高效率、低成本地完成生产任务的目标。20世纪70年代，各企业开始开发或引入单一功能的软件产品和软件系统，如设备状态监控系统、质量管理系统、生产管理系统等，所有这些系统可以理解为单一功能的MES。20世纪80年代，为了解决底层各集散控制系统(Distributed Control System，DCS)之间没有联系的“信息孤岛”(Island of Information)问题，即管理层的物料需求计划(Material Requirements Planning，MRP)、制造资源计划(Manufacturing Resources Planning，MRPII)与底层DCS系统之间没有联系问题，出现了MES原型，即传统的MES(Traditional MES)。传统的MES的主要功能是生产现场管理(Point of Production，POP)和车间级控制系统(Shop Floor Control，SFC)。1990年，美国咨询调查公司(Advanced Manufacturing Research，AMR)首次提出并使用了MES的概念，将企业的计划系统与控制系统之间的面向制造执行过程的管理信息系统称为MES；又于1992年提出了企业三层集成模型，指出MES位于计划层与控制层之间，任务是将业务系统生成的生产计划传递给生产现场，并将生产现场的信息及时收集、上传和处理。AMR于1993年进一步提出了MES的集成系统模型，该模型向上与公司级的计划系统相连，向下与过程控制系统相连，由围绕关系数据库和实时数据库的四组功能构成，各个功能通过关系数据库实现生产数据的共享，并通过实时数据库保证与过程控制系统的同步，如图13所示。四组功能分别是：（1） 工厂管理(Plant Management)是生产管理的核心部分，主要包括生产资源管理、计划管理和维护管理等功能；（2） 工艺管理(Plant Engineering)主要是指工厂级的生产工艺管理，包括各种文档管理和过程优化等功能；（3） 质量管理(Quality Management)以工厂制造执行过程中的质量管理为核心，主要包括统计质量控制、实验室信息管理系统等；(4) 过程管理(Process Management)主要包括设备的监测与控制、数据采集等功能。图13MES集成系统模型1.2.2MES的定义回顾历史，每一位参与者都有自己关于MES的定义。定义往往取决于他们掌握IT工具的程度，生产管理的方式，或者他们对客户需求的了解。制造执行系统国际联合会（Manufacturing Execution System Association International，MESA）于1997年开始陆续发表MES白皮书，分析了MES产品的发展及应用MES产品的作用与效益，论述了MES实现与上层计划系统和下层控制系统集成的可行性，给出了MES的描述性定义，从而有效地推动了MES的发展。MESA给出的MES的描述性定义是：MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。通过使用准确的实时数据，MES能够指导生产进程，响应计划调度指令，以及报告生产活动的状态和结果。由此可以应对生产环境变化，减少无附加值的活动，提高生产加工过程的效率。MES还可以提高准时交货率，库存周转率，从而提高经营型资产的回报率。MES通过双向通信，提供了生产活动的任务核心信息，可以贯穿企业各管理层次和供应链的各个环节。为了满足制造环境多样性的需求，MESA定义了11条MES的主要功

《信息化与工业化两化融合研究与应用》序
前言
第1章 绪论
 1.1 流程工业企业的信息化
 1.1.1 工业化与信息化“两化”融合的需求
 1.1.2 “两化”融合的技术路线
 1.2 MES发展历程
 1.2.1 MES的背景
 1.2.2 MES的定义
 1.2.3 ISA-95标准
 1.3 MES的行业化应用
 1.3.1 行业的需求差异
 1.3.2 MES的行业应用特点
 1.4 MES技术的现状
 1.4.1 MES采用的信息化技术
 1.4.2 MES采用的体系架构和数据模型
 1.4.3 互联性和网络
 1.4.4 数据处理
 1.4.5 集成模型
 1.5 当前MES的缺陷和挑战
 1.5.1 架构
 1.5.2 实时处理
 1.5.3 集成
 1.5.4 方法研究和技术开发的挑战
 1.6 本书的组织
第2章 制造运营管理与过程优化
 2.1 制造执行系统功能体系结构
 2.1.1 MES功能层次的定位
 2.1.2 制造执行层的主要活动
 2.1.3 功能层次间的生产信息交互
 2.1.4 MES功能体系结构
 2.2 从MES到制造运行管理MOM
 2.2.1 制造运行管理的提出与作用
 2.2.2 制造运行管理的概念与功能层次定位
 2.2.3 制造运行管理与制造执行系统的关系
 2.3 制造运行管理系统构架
 2.3.1 MOM整体框架合理性的分析
 2.3.2 IEC／ISO 62264标准的主要贡献
 2.4 制造运行管理系统体系结构及其实现方式
 2.4.1 工厂资源信息管理平台
 2.4.2 制造运行管理子系统
 2.5 MES与过程系统工程理论
 2.5.1 MES与PSE领域研究的关系
 2.5.2 全局生产物流模型的关键作用
 2.6 理论与实践结合的组件化MED
 2.6.1 具备在线应用可行性的理论方法
 2.6.2 面向全流程多功能集成与优化
 2.6.3 兼具多种系统特征的系统设计方法论
 2.6.4 流程工业组件化MES设计理念
第3章 工厂多层次模型
 3.1 多分辨率层次建模理论的研究现状
 3.2 模型形式化的基本方法
 3.2.1 系统模型的形式化表达
 3.2.2 系统模型特性的若干术语
 3.2.3 系统模型的离散事件形式化表达
 3.3 多节点结构模型的形式化
 3.3.1 有向图结构模型
 3.3.2 分布式结构模型的有向图描述
 3.3.3 多节点结构模型形式化
 3.4 MNSM的时间基
 3.4.1 模型生命周期时间基
 3.4.2 连续动态模型的时间基
 3.4.3 离散动态模型的时间基
 3.4.4 模型管控周期与时间基的关系
 3.5 多分辨率层次结构模型
 3.5.1 模型分辨率
 3.5.2 多分辨率层次模型框架
 3.5.3 多分辨率层次模型形式化表达
 3.5.4 多分辨率层次模型的映射
 3.5.5 几种形式化模型的比较
 3.6 多分辨率层次模型的评价指标
 3.6.1 多分辨率层次模型的一致性
 3.6.2 多分辨率层次模型I／O一致
 3.6.3 多分辨率层次模型状态一致
 3.6.4 多分辨率层次模型结构一致
 3.6.5 多分辨率层次模型描述一致
 3.7 多分辨率层次模型的准确性
 3.7.1 传统模型的准确性
 3.7.2 多分辨率层次模型的准确度
 3.8 多分辨率层次模型完备性
 3.8.1 复杂系统模型的信息需求
 3.8.2 模型静态属性的完备性
 3.8.3 单层次模型状态可观测性
 3.8.4 多层次模型状态可观测性
第4章 基于多层次工厂模型的眦S设计
第5章 组件化MES设计
第6章 MES质量跟踪与管理
第7章 产率评估组件与生产计划优化组件的集成
第8章 流程工业信息可视化组件
第9章 MES业务培训组件
参考文献
缩略语一览表
索引