1.1 研究背景的提出
隨著企業計算機應用的不斷推廣，企業信息化應用水平逐漸提高，制造型企業越來越需要車間執行層的管理信息系統。因此，如何深刻理解MES 內涵，把握發展趨勢，在我國企業中開發和應用好MES，對于提高企業競爭力，縮小與發達國家企業差距是迫在眉睫的事情，也是將企業信息化水平向深層次推進的需要。
MES 是制造執行系統（ Manufacturer Execution System ） 的簡稱， MESAInternational（MES 國際聯合會）對MES 的定義是：MES 能通過信息傳遞對從訂單下達至產品完成的整個生產過程進行優化管理。當工廠發生實時事件時，MES 能對其做出及時反應、報告，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。這種對狀態變化的迅速響應使MES 能夠減少企業內部沒有附加值的活動，有效地指導工廠的生產運作過程，從而既能提高工廠及時交貨能力，改善物料的流通性能，又能提高生產回報率。MES 還能通過雙向的直接通訊在企業內部和整個產品供應鏈中，提供有關產品行為的關鍵任務信息。
在MES 的應用中，由于一些國際廠商集中掌握了底層設備通信的主要專利，這樣就使得后進入該領域的一些廠商和工廠十分的被動，一方面需要支付大量的專利費用，另一方面廠商選擇的排他性也剝奪了企業擇優選擇的權利。如何利用現有的開放的協議，發出一套可以解決底層通信問題的協議框架，成為我國在這個領域首要解決的問題之一。
1.2 國內外MES 發展情況
20 世紀80 年代中期以后，伴隨著客戶對產品需求的多樣化，制造企業的生產模式開始由大量的剛性生產向多品種少批量的柔性生產轉變；伴隨著計算機網絡和大型數據庫等信息技術的發展，企業的信息系統也開始從局部的、時段性處理方式轉向全局的、實時處理方式。期間出現了精良生產、敏捷制造等新的理念和方法；在管理系統軟件領域從MRP（Materials Requirements Planning，物料需求計劃），到MRPⅡ（Manufacturing Resource Planning ，制造資源計劃），直至ERP （ EntERPriseResource Planning，企業資源計劃）系統的迅速普及；在過程控制領域，PLC（Programmable Logic Controllers，可編程邏輯控制器）、DCS（Distributed ControlSystem，分布式控制系統）得到廣泛應用[1]。
1.2.1 MES 歷史
MES 概念的明確提出是在1990 年，由AMR 組織(美國的咨詢調查公司AdvancedManufacturing Research-AMR)首次提出并開始采用。但是在AMR 提出MES 概念之前，20 世紀70 年代后半期開始，就已經有了一些設備狀態監控、工序數據采集的簡單系統，這些系統通常只是單一功能的系統或者軟件產品，有些甚至只是一些規范和流程，但是這些系統已經具備了MES 的基本特征，有些已經具有產品質量管理和生產進度回溯等分析功能。
AMR 提出了基于三層結構的企業信息化體系，處于最高層的是計劃層，主要使用ERP、EBS 等企業經營管理系統。中間是MES 所在的執行層，起到連接計劃層和控制層的連接作用。底層為與設備緊密聯系的控制層，主要由單臺設備自身所帶的控制系統構成。
此后，國際上有關組織意識到MES 需要更加詳細明確的定義，美國的MESA 協會(Manufacturing Execution System Association International)成立于1992 年，是繼AMR 組織之后，為促進MES 的普及和標準化的團體，該協會經常發布關于MES白皮書，還有客戶使用MES 后的效果調查報告。他們提出了MES 的11 個主要功能：(1)生產資源分配與監控；(2)作業計劃和排產；(3)工藝規格標準管理；(4)數據采集；(5)作業員工管理；(6)產品質量管理；(7)過程管理；(8)設備維護；(9)績效分析；(10)生產單元調度；(11)產品跟蹤。ARM 把這11 個功能實現生產控制的整體方案稱為MESⅡ（Manufacturing Execution Solution，制造執行解決方案）。
20 世紀90 年代，由于MES 已經成為企業的各種生產設備和現場管理的綜合性系統，集成了現場管理所需要的各種功能，所以又被冠名為Integrated MES（I-MES，集成MES），全面覆蓋生產計劃優化、滾動調度、實時數據庫、數據校正、稅率計算、成本控制、生產統計、KPI 指標實時監控、績效分析、流程模擬、質量控制、在線優化、先進控制、資產管理、設備診斷維護、庫存管理自動化、在線調優和優化控制、質量控制、比率控制，并且下聯DCS、PLC、ESD(緊急停車系統)和ASM(異常事件管理系統)，上聯ERP、SCM、HSE、E-Business、E-Cooperation 和DSS(決策支持系統)，成為名副其實的生產企業信息管理系統[20]。
1.2.2 國內MES 發展情況
盡管在國外MES 和ERP 的概念同一年提出，但是ERP 卻比MES 的發展勢頭迅猛。在國內，盡管關于MES 的研究、開發和應用只是近年來的事情，但與國外的差距還是不大。
20 世紀90 年代初期，中國就開始對MES 以及ERP 的跟蹤研究、宣傳或試點，而且曾經提出了“管控一體化”，“人、才、物、產、供、銷”等頗具中國特色的CIMS、MES、ERP、SCM 等概念，只是總結、歸納、宣傳、堅持或者提煉、提升不夠，發展勢頭不快。
據稱，中國最早的MES 是20 世紀80 年代寶鋼建設初期從SIEMENS 公司引進的。中國工業信息化基本上是沿著西方工業國家的軌跡前進，只是慢半拍而已。70-80 年代以工廠自動化為主，80-90 年代以管理信息化為主。進入21 世紀初，仍然以提升工廠自動化水平，普及DCS、SCADA、PLC、FCS 和提升管理信息化水平，由開發MIS轉向推廣普及ERP 為主。但是，盡管MES 層仍然是斷層、殘缺環和狹縫，人們對MES的概念、MES 在企業信息化的地位已不陌生，并開始形成共識。幾乎絕大多數大學和工業自動化研究單位，甚至于國家、省、市級政府主管部門都開始跟蹤、研究MES，具體表現為開設MES 課程，培養MES 研究生，成立工程技術研究、先進制造技術、制造業信息化工程等相關研究中心和實驗室，開設MES 網站、論壇和專欄，籌辦、主辦MES 國際研討會，將MES 納入國家、省、市科技發展規劃，成立MES 公司和事業部，封閉開發MES 產品，借助國內外產品實施MES 工程等等。真可謂是從中央到地方，從學會到協會，從IT 公司到制造生產廠，從綜合網站到專業網站，從綜合大學到專科院校，都卷入了MES 熱潮之中。
但是，從總體上看，相對于應用來說，仍以研究居多，而且仍處于淺層研究；就產品來講，自主研發才剛剛開始，盡管有少數國內IT 公司一方面模仿國外的模式，同時也總結提煉中國工業企業MES 層面的經驗(know-how)，但是仍以實驗室產品居多，離商品化還有一段路程；就應用來說，像冶金、石化、煙草、食品等行業雖已有應用，但仍屬拓荒者或先行者。 具備I/O 的 Servers 支持OPC、DDE 等多種通訊接口協議，可連接到由和利時、橫河、霍尼韋爾、西門子、羅克韋爾、ABB、費希爾羅斯蒙特、日立、三菱、歐姆龍等工業自動化廠家生產的DCS、PLC、RTU 等設備。并提供ODBC 接口，可與ERP 等企業經營管理系統集成，實現企業生產的管理控制一體化。
國內知名的產品是浙大中控的ESP-Suite——企業綜合自動化整體解決方案。浙大中控也是由從硬件單機到DCS 系統，從硬件系統到軟件系統，由DCS 層、ERP 層到MES 層的模式發展起來的。ESP-Suite 是面向流程工業企業的綜合自動化整體解決方案，包括企業資源規劃(ERP)、生產執行系統(MES)和過程控制系統(PCS)三個層次的軟件產品、工程與技術服務。ESP-Suite 企業綜合自動化整體解決方案包括以綜合信息集成軟件平臺(基于關系數據庫)和實時監控軟件平臺(基于實時數據庫)為核心的一系列應用軟件。
國內還有一些接近T-MES、I-MES 和MES-Ⅱ的產品，不一一列舉。當然，產品只是一個平臺，目前更加寬泛的定義是能夠實現MES 功能并能夠靈活應用于不同的生產線上都可以稱之為MES 產品，更多的大型企業傾向于邊引進邊消化，從知道“做什么”（Know-what）到“如何去做”（Know-how），最后力圖達到一個知道“為什么要這么做”（Know-why）的最終目的。
綜上所述，在國內，雖然MES 起步較早，但是現在仍然沒有一個統一的平臺和嚴格規范各行業的標準。要推進MES 的推廣和普及，任重而道遠。
1.3 課題來源及研究目標
本文研究的課題來源于上海廣電NEC 液晶顯示器有限公司（或簡稱“廣電NEC”）的制造信息化建設項目，是一條以工業以太網為基礎的MES 生產線控制管理系統。上海廣電NEC 液晶顯示器有限公司 (Shanghai SVA NEC Liquid Crystal DisplayCo.,Ltd，以下簡稱“廣電NEC”)注冊成立于2003 年11 月，擁有中國內地第一條五代TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)生產線，也是目前內地產量最大的TFT-LCD 生產商，現在由上海廣電(集團)有限公司下屬上海廣電光電子有限公司(SVAO)、日本電氣株式會社(NEC)、大和證券SMBC 日本電氣株式會社(NEC)、大和證券SMBC 株式會社合資經營項目總投資1586 億日元，(約13.79 億美元)，注冊資金714.08 億日元(約6.21億美元)上海廣電光電子有限公司占75%股份，其他股東共占25%股份。經營范圍為“TFT-LCD 及其模塊的設計、開發、制造、銷售及售后服務”。公司地處上海閔行莘莊工業區，占地20 萬平方米，由辦公樓、陣列廠房、成盒廠房、模塊廠房、動力廠房、廢水處理廠房和中央變電站等組成，總建筑面積約16 萬平方米。截至2007 年8月，公司現有員工3455 人，其中管理人員、工藝人員和技術開發人員約700 人。董事會為公司的最高權力機構，公司實行董事會領導下的總經理負責制。
2005 年11 月以廣電NEC 為核心規劃的“上海平板顯示產業基地” 揭牌成立，2007 年5 月被批準為國家（上海）平板顯示器件產業園，總用地面積220 萬平方米。規劃建設投資60 億美元，形成年銷售額100 億美元的生產研發園區。主要建設上中下游配套的TFT-LCD 液晶顯示器產業鏈，即以廣電集團為主體，將建立液晶研究所，建設玻璃基板、彩色濾色膜、偏光片、特種化學材料等上游企業，液晶電視、液晶顯示器、筆記本電腦等下游企業。國家（上海）平板顯示器件產業園的成立填補了國內在這一領域的產業空白[2]。
上海廣電NEC 液晶顯示器有限公司創建之初所面對的是幾乎完全空白的國內液晶制造經驗，背負著打破國外壟斷、建立液晶產業鏈的使命，管理高層在工廠設計之初就清醒的認識到：需要建立一套能夠將底層設備狀態納入管理體系的現場生產線控制系統，掌握生產線上的數據變動，使得任何生產工藝流程的變化都能夠通過生產線管理系統記錄觀察。因為生產工藝全部來自進口，對任何工藝上的變化調整，都需要進行分析，這樣也可以達到自己吸收成長的目的。在決定進行MES 項目實施之前，廣電NEC 已經實施了ERP 系統，但是BOM 和MRP模塊明顯不能滿足液晶行業的巨大數據量和復雜工藝的要求，因此由工場長帶頭的管理層希望能夠在車間實施MES 系統，要求能夠將各種來自不通廠商的復雜的生產設備和設備集群的控制系統相連接，使得整個公司的信息系統能夠實現以訂單為基礎，通過ERP 制定出生產計劃，MES 以生產計劃為基本輸入來進行生產線控制并生產出產品，最后將結果（產品入庫）提交給ERP。
1.4 論文組織結構及章節編排
本文從MES 在液晶生產線的應用入手，研究了MES 和下層通訊在整個信息系統中的應用方式和應用功能，其中著重對工業以太網進行了重新設計，使得整個MES系統繞開了很多專利的束縛，同時將會開發一套簡潔實用的通信方式，可以適應不同環境下的通信要求，更加符合制造業的行業特點，驗證MES 在復雜工藝的制造型企業內所發揮的作用。
全文共分為五章，論文的組織結構安排如下：
第一章：引言，簡要介紹MES 發展變革歷史，課題研究的背景，本次論文的課題來源等，并給出了本篇論文的整體結構；
第二章：對國內外通信的發展情況進行了分析，簡述通信系統在工業領域的發展歷史，詳細描述了工業總線和工業以太網的發展情況，并結合實際情況比較兩者的優劣。同時介紹了制造行業的基本情況，著重介紹了液晶行業的生產工藝，通過工藝流程來了解液晶生產線的行業特點，分析制造行業信息化中所可能碰到的部分問題；
第三章：在工業以太網的基礎上設計開發出高級通信引擎消息管理機制（ACE-MD），并描述MES 在液晶企業信息系統中的地位，分析MES 實施中碰到的通信問題，根據之前介紹的知識背景提出兩種解決方案，根據實際情況，選擇基于ACE-MD的解決方案并詳述具體的實施步驟，分析并用到其他知識的創新點；
第四章：根據設計出的ACE-MD 機制，延伸開發出MES 與設備層通信的模塊，并簡述實施后具體的應用效果，基于工業以太網的設備集成層的分析說明，同時解決了應用服務器之間大批量數據傳輸的問題，最后給出了開發出的系統界面；第五章：總結與展望，進行全文總結，說明了本論文對其他領域的借鑒和推廣意義。同時指出本論文開發出來的通信機制所存在的一些問題，提出該領域以后的研究方向。
第二章 國內外工業通信發展及其在制造行業的應用
近年來制造行業的發展突飛猛進，從精益制造到“零庫存”概念的提出，可以說，對于信息化的制造系統來說，已經沒有任何一個現成的生產線能代表所有制造行業的特點。因而分析研究制造行業的特點將成為關鍵的一步。隨著工業系統走向分布化和網絡化，通信技術和網絡技術成為工業自動化技術的核心內容之一。工廠生產管理系統和生產控制單元之間、控制器與各種生產設備之間、工廠管理系統與企業管理系統之間的信息流通已成為制造型企業的命脈。尤其是在MES 出現以后，MES 作為工業自動化和信息化融合過程中的產物，其對通信技術和網絡技術的要求更是體現了這一特點。
論文將以液晶企業的生產線為主要研究對象，剖析制造信息化過程中對務求的考慮和解決需求的一個思路。介紹國外工業通信化的發展情況，分析國外廠商壟斷這個領域內專利的一些原因，提出打破這種技術壟斷缺口的希望，并將對工業以太網在制造企業中應用的優缺點作進一步闡述。
2.1 工業通信網絡的特點和要求
現代工業對通信系統有很多要求，綜合工業生產的需求特點，主要可以歸納為以下幾點：
·在功能上，需要可靠的、以合理的成本滿足系統通信功能需求；l 開放性。系統盡可能的使用世界上已經接受的標準并有廣泛可用的產品；l 集成。從辦公領域到控制和自動化層（企業信息化從上而下）的縱向集成；l 保護投資。集成已有的通信和自動化系統結構；
·用戶得益。在機器和成套系統的配置和運行期間，可提高生產率并降低成本。
同時，為了滿足用戶的需求，在工業自動控制網絡通信設計的時候需要考慮以下特殊問題：
第一，數據傳輸的及時性和系統相應的實時性。通常，制造自動化系統的響應時間要求在0.01～0.5s，過程控制系統的響應時間級別在0.5～2s。而信息網絡的響應時間則是2～6s。顯然，工業通信網絡的實時性要求高。
第二，高可靠性。工業通信網絡強調在工業環境下數據傳輸的完整性，對于工作在環境惡劣的工業生產現場的通信網絡，必須解決環境適應性問題，它包括電磁環境適應性活電磁兼容性（EMC）、氣候環境適應性（耐溫、防水、防塵）、機械環境適應性（耐沖擊、耐振動）。在易爆或可燃的場合，它應具有本質安全的性能。第三，工業通信網絡需要解決不同廠商的產品和系統在網絡上相互兼容的問題，強調互操作性，因此它在現在通信系統所基于ISO/OSI（ InternationalOrganization for Standardization/Open System Interconnection，國際標準化組織/開放系統互連）的“開放系統互連的參考模型”上，加了用戶層，通過標準功能塊和裝置描述（DD）功能來解決這種完整的開放性通信。
第四，現場控制層設備間傳輸的信息長度都比較小，通常僅為幾位比特或幾個、十幾、幾十個字節，對網絡傳輸的帶寬要求不高。這些信息包括生產裝置運行參數的測量值、空置量、開關與閥門的工作位置、報警狀態、設備的資源與維護信息、系統組態、參數修改、零點與量程調校信息等。不過，現在隨著工業現場傳輸多媒體信息的需求在增加，網絡傳輸的帶寬要求也在增加。
第五，工業現場設備向網絡上發送數據都遵循嚴格的時序。如圖2-1 所示，工序B 必須在上一道工序（工序A）完成之后的某段時間內進行，否則半成品可能由于化學反應時間過長而成為廢品，也就是說，工序B 的等待操作時間必須控制在一個范圍內。同時，周期信息與非周期信息同時存在，正常工作狀態下，周期性信息（如過程測量與控制信息、監控信息等）較多，而非周期信息（如突發時間報警、程序上傳下載等）較少。
圖2-1 現場工藝流程的時間要求
第六，信息流向的單一性較強，如測量信息由被測量設備向控制器傳送，控制信息由控制器向執行機構傳送，過程監控與突發信息由現場儀表向操作站傳送，程序下載有工程師所在的站點向儀表現場傳輸等。
2.2 工業通信系統發展歷程
早期的工業通信通過連線在測控設備之間傳遞信息，把傳感器、按鈕、執行機構等連接到控制器上。最初的測控設備主要是氣動、電動單元組合式儀表和集中控制室，全模擬式儀表將傳感器信號進行調整放大后，經過V/I 電路轉換，輸出4～20mA 或者0～5V 的模擬信號。19 世紀中期已經出現了基于5～13psi 氣動信號標準的氣動控制系統（Pneumatic Control System，PCS），20 世紀50 年代，基于0～10mA 或4～20mA 的電流模擬信號的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應用，標志著電氣自動控制時代的到來。
20 世紀70 年代，隨著數字計算機的介入，產生了“集中控制”的中央控制計算機系統，而信號傳輸系統大部分依然沿用了4～20mA 的模擬信號，集中控制系統很快發展為分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）。數字傳輸信號逐步取代模擬傳輸信號，數字通信網絡延伸到工業過程現場。
20 世紀70 年代中期，工業控制領域出現了分布式控制系統（DCS），可以看作是工業計算機網絡的雛形。早期的分布式控制系統DCS 是在無統一網絡標準的情況下完成的。當時的網絡規模節點大約有幾十個，通信距離約在1000m 以內，主要節點為控制站和操作站，拓撲結構以環型和總線型為主，通信介質多為同軸電纜，也有采用雙絞線的，通信速率在1Mb/s 以內，節點內有“通信卡”等專用網絡部件。這時的現場儀表大部分還是模擬儀表，少數專用設備有RS-232/RS-422/RS485 等串口，可與之相連接。這期間通信規程中有IBM 等提出的同步數據鏈路規程（SDLC）、高級數據鏈路規程（HDLC）和國際電報電話咨詢委員會的CCITTX.25 等。
1983 年，Honeywell 公司推出了智能化儀表—Smar 變壓器，這些儀表帶有微處理器芯片，在模擬儀表的基礎上增加了復雜的計算功能，還在輸出的4～20mA 直流信號上疊加了數字信號，使現場與控制室之間由模擬信號過渡到了數字信號。此后，各大公司都相繼推出了各有特色的智能儀表，過程變量經調整放大、A/D 采樣，轉換為數字信號，并經過微處理器的運算、補償等處理后，再通過D/A、V/I 等電路，仍然以4～20mA 或者0～5V 的模擬信號輸出，由于采用標準的可以從模擬信號中除去的過濾技術，數字信號并不會影響模擬量信號的數字，這就是HART 協議能夠傳送數字信息的基礎。
20 世界80 年代中期，美國Rosemount 公司的HART 協議已經是現場總線的雛形。隨著時間的推移，世界逐漸形成了兩個針鋒相對互相競爭的現場總線集團：一個是以Siemens、Rosemount、橫河為首的ISP 集團；另一個是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WordFIP（Factory Instrumentation Protocol）集團。1994 年，兩大集團宣布合并，融合成現場總線基金會（Fieldbus Foundation），簡稱FF。1998 年以后，各個廠商在不同的行業推出眾多的總線標準，他們大都在公司標準的基礎上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至于國際組織的支持。如德國的BOSCH 公司推出的CAN、美國ECHELON 公司推出的LonWorks 等。目前國際上影響較大的現場總線有40 多種，主要有FF、Profibus、CAN、LonWorks 等。圍繞著現場總線技術的標準化，世界上各大廠商展開了激烈競爭。
傳統的現場總線產品主要是低速總線產品，應用于運行速率較低的領域，對網絡的性能要求不是很高。從應用狀況看，無論是FF 和Profibus，還是其他一些現場總線，都能較好的實現速率要求較慢的過程控制。而現場總線的關鍵技術之一是互操作性，實現現場總線技術的統一是所有用戶的愿望。現場總線技術如何發展、如何統一，是所有生產廠商和用戶十分關心的問題。
就國內情況而言，國內廠商的規模相對較小，研發能力有限，更多的是依賴技術供應商的支持，比較容易受現場總線技術供應商（芯片制造商等）對國內的支持和市場推廣力度的影響。FF 雖然全球影響力日益增加，但在中國市場份額不是很高。LonWorks 在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產品等方面具有獨特的優勢，在國內有一些實質性的進展。在離散制造加工領域，Profibus 和CAN 有自己的優勢，具有較強的競爭力。
另一方面，我國現在自己開發的工業通信技術和系統也逐漸成熟，開始在國內和國際市場上占據越來越多的份額。
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工業以太網在MES系統中的應用（一）下
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96197.htm
工業以太網在MES系統中的應用（二）
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工業以太網在MES系統中的應用（三）
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工業以太網在MES系統中的應用（四）
http://articles.e-works.net.cn/NetWork/Article96262.htm
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