MES标准

以前写的关于ISA95标准的一些启蒙性信息，重新发出来给关心的人看看。ISA 95 越来越多为广大的用户所接受，我看到过国外的用户参照此标准的一些规定写招标书，且不论是否真正在国内可行，这一标准确实可以帮助我们从广度上认识 MES 应用的功能和如何去做等问题。

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1. 什么是 ISA95?

ISA 95 简称 S95，国外也有称作 SP95。 SP95是仪表、系统和自动化协会 (ISA) 的一个委员会。 我们用SP95代表这个委员会， SP 标示标准项目(Standard Project)，而95代表是ISA 的地 95个标准项目，而且最巧合的是委员会的第一次会议在 1995年召开。委员会标准的通过过程是所有委员会的投票代表必须在标准通过前同意，而标准的开发过程是由 ANSI(美国国家标准协会) 监督并保证其过程是正确的。 此委员会开发一系列标准称作 SP-95“企业系统与控制系统集成 Enterprise - Control System Integration”标准。

2. 为什么要 S95?

S95 企业控制集成标准的产生是来源于实际应用集成的需要。 在实际应用集成中，不管是最终用户还是集成商都面临着一些问题， 如集成没有公共模型、 集成不同厂商的产品十分困难、与最终用户的需求之间沟通有问题，人们将时间化在统一技术术语上而不是解决问题上、集成的系统难于维护等。

为了解决相应的问题，国际上前几年不同的组织和用户一起做了大量的工作， 80 年代末期， 一些用户、厂商和学术机构的团体在 Purdue 大学开发了计算机集成制造即著名的 CIM 标准， 它包括了几个描述制造业公司的模型， 它的一部分内容被包括在 ANSI/ISA - 95.00.01标准中。 1992 年由领先的 MES 软件供货商组成的 MESA International 则是非盈利性组织， 旨在提供一个制造业技术的论坛，关注于 现代制造业的MES 和相应产品及服务。而 1988 年发起的 SP88 委员会则负责批次控制部分的标准建立。

3. S95 模型概述

S95 标准定义了企业商业系统和控制系统之间的集成，主要可以分成三个层次， 即企业功能部分，信息流部分和控制功能部分。企业功能基于 Purdue 大学当初建立的 CIM 功能模型；信息流部分基于 Purdue 大学的数据流模型图和S88 批次标准，包括产品定义、生产能力、生产计划和生产性能 4 种信息流；而其控制功能则基于 Purdue 和 MESA 的功能模型。

SP95 的不同部分对不同的层次的功能分别定义， 第一层企业级的控制域定义在 S95 的第一部分， 第二层次信息交换方面， 4种信息流交换的分类和对象模型也定义在第一部分，而对象模型的属性定义在第二部分，而底层的生产制造和控制层的域也定义在第一部分。 而 S95 的第三部分则对相应的生产活动做出定义。S95 的第

三部分定义了企业生产质量、生产和维护方面的常规活动，从高度上指出了各活动之间的数据流，同时定义了8种基本生产活动：定义管理，资源管理，生产详细计划，生产部署，生产执行，跟踪，分析和数据采集。

4. S95 模型与S88 的定义关系

以上定义与 S88 的批次规范标准的内容也有很好的结合，在以上的 4 各方面均各司其职，互相融合。 总体来说， S88 仅对批次过程进行定义，范围较小， 而 S95 中定义的标准同时适用于批次、离散和连续过程，具有广泛实用性。

-产品定义：S88 批次配方管理包括通用配方管理和现场配方管理均融合在产品生命周期管理部分， 其主配方和控制配方的管理由上图的定义管理部分实现，而两者之间的信息交换则遵循 S95的生产规则标准。

- 资源管理：S88 中的批次材料的存储和移动位于上图中的资源管理部分， 而 S95 则描述了资源的可用性，确认的资源能力和无法达到的能力，以及对上层商业系统关于资源能力的信息交换定义。 -生产计划：S88 的批次计划着重于批次列表的执行， 位于上图最底层的执行部分， 而 S95 则对三方面的活动进行定义： 与商业

系统生产信息的交换， 生产厂和生产区域的细化的生产能力计划以及在生产部署部分定义的生产流程定义。

-生产执行：生产执行在不同的标准中侧重面不一样， S88 着眼于批次过程管理和单位设备的监督， 偏重于过程和批次单元设备资源的管理。 S95 则关注于生产部署的工作列表的执行情况。 -生产信息：S88 只定义批次历史，需要批次的事件记录。S95 则广泛的定义了以下4个方面的内容： 生产性能的信息；产品和资源跟踪， 跟踪生产的产品和消耗的资源，分析成本和生产性能，材料移动和产品谱系跟踪；产品和过程分析， 包括生产约束分析，生产关键指标分析， SPC/SQC以及质量测试；数据采集，包括对所有生产相关的数据的搜集，存储。

-物理模型： 在 S88中必须定义的最高层是过程单元(Process Cell)，然后下层是设备单元Unit，而 S95 的物理模型则包含更全面的内容： 从最上层的企业开始，到下一层的生产厂-〉生产区域-〉制造线-〉工作单元，其中的制造线对应于 S88 中的 过程单元，工作单元或称生产单元对应于 S88 中的设备单元 Unit，而在此之下，双方均根据不同的流程特点定义相应的设备对象。

5. S95 中的信息流

S95 中的信息流如前图中显示分为 4 种：

产品定义信息：通过交换产品的全周期管理信息描述如何制造一个产品。

生产能力信息：通过信息交换说明需要的和可获得的生产资源的容量和能力。

生产计划信息：通过信息交换说明何时何地生产何物以及需要何种资源。

生产性能信息：通过信息交换说明生产了什么， 消耗了什么资源，也包括了所有商业系统所需要的生产产品的反馈信息。 具体的讲： 产品定义信息：产品定义信息包括有产品的生产规则， 资源清单， 材料表，制造清单和产品段(Product Segment)。产品的生产规则信息指特定产品在实际生产中的详细定义信息，如配方，工作指令等。 资源清单指的是生产特定产品的计划信息，包括和生产无关的信息，如材料订单时间。材料表指的是生产特定产品的材料信息，包括和生产无关的信息，如发货的材料。 而制造清单则包括配方公式等。 产品段指的是为了完成一个生产步骤所需要的资源组（人，设备和材料），它是资源计划和生产特定产品之间的共享信息。  生产能力信息：生产能力信息包括下列内容： 维护信息，生产设备状态，定义生产系统何时何地能够做何事，计划产量信息， 计划可用生产资源， 预估/预防维护信息， 生产容量。而过程段（Process Segment）的能力是其中一个重要的部分， 而这里的过程段指的是某生产段所需资源的总和，资源可以是材料/能源，人员和设备。过程段的定义是根据商业活动的细化要求，例如计划和关键生产指标 KPI 的分析。 过程段的能力综合了材料能力，人员能力，综合能力。

生产计划信息：生产计划信息包括当前生产信息， 生产库存信息， 生产计划信息， 生产材料信息， 生产计划，库存控制和生产段信息。 其主要内容由当前生产信息， 生产库存信息， 生产计划信息组成，其中包括当前的材料信息和预估的材料信息， 生产库存控制

和预期的产品产量。

生产性能信息：生产性能信息实际上是生产状况的实际反馈信息， 包括了生产，库存，计划的相关实际情况，以及生产历史和总体生产性能的评估，实际的产量，原材料消耗， 实际的生产执行情况。 整个信息流的内容则包括生产计划、计划产量、生产能力、输入订单确认、长期和短期的材料和能源需求、材料和能源的库存、目标生产成本、实际生产性能和成本、质量保证结果、生产标准和客户需求、请求放弃在制品、成品库存、过程数据、产品和过程知识、维护请求、维护响应、维护标准和方法、维护反馈等 

6. S95 对象模型

S95 中描述的生产对象模型根据功能分为 4 类 9 大模型， 资源、能力、产品定义和生产计划。资源包括人员，设备，材料和过程段对象。 能力包括生产能力，过程段能力。产品定义包括产品定义信息。生产计划包括生产计划和生产性能。

-人力资源模型：此模型专门定义人员和人员的等级，定义个人或成员组的技能和培训， 定义个人的资质测试，结果和结果的有效时间段。

-设备资源模型：设备资源模型用于定义设备或设备等级，定义设备的描述，定义设备的能力， 定义设备能力测试，测试结果和结果的

有效时间段。 定义和跟踪维护请求。

-材料资源模型：此模型专门定义材料或材料等级属性，对材料进行描述， 定义和跟踪材料批量和子批量信息，定义和跟踪材料位置信息， 定义材料的质量保证测试标准，结果和结果的有效时间段 -过程段(Process Segment)模型（包括过程段模型和过程段能力模型）：专门定义了过程段， 提供过程段的描述，定义过程段使用的资源（个人，设备和材料），定义过程段的能力，定义过程段的执行顺序。

-生产能力模型：此模型对生产能力或其他信息进行描述， 独一无二地对设备模型的特定生产单元定义生产能力， 提供当前能力的状态（可用性，确认能力和超出能力），定义生产能力的位置， 定义生产能力的物理层次(企业，生产厂，生产区域， 生产单元……)，定义生产能力的生命周期（起始时间，结束时间），对生产能力的发生日期归档。

-产品定义模型：产品定义模型用于专门定义产品的生产规则（配方，生产指令），并对此规则提供一个发布日期和版本， 指定生产规则的时间段，提供生产规则及其他信息的描述， 指定使用的材料表和材料路由， 为生产规则指定产品段的需求（人员，设备和材料）， 指定产品段的执行顺序。

-生产计划模型：生产计划模型用于对特定产品的生产发出生产请求，并对请求提出一个唯一的标识， 提供对生产计划以及相关信息的描述， 提供生产计划请求的开始和结束时间，对生产计划发布的

时间和日期归档，指出生产计划请求的位置和设备类型（生产厂，生产区域， 过程单元，生产线……）

-生产性能模型：生产性能模型根据生产计划请求的执行或某一个生产事件报告生产结果，唯一地标识生产性能， 包括版本和修订号，提供生产性能的描述和其他附加信息， 识别相关的生产计划， 提供实际的生产开始和结束时间， 提供实际的资源使用情况，提供生产的位置信息，对生产性能发布的时间日期归档，提供生产产品设备的物理模型定义（生产厂，生产区域， 过程单元，生产线……）

7. S95 与MES解决方案

MES解决方案的应用架构从设计到应用模块上均参照 S95 标准的要求，其主要模块质量，生产和效率（包括设备总体效率计算，消耗跟踪和生产统计）均与S95标准一致。MES的各个模块中贯穿了生产计划， 设备，生产过程，资源等 S95 对象模型，通过各种标准的生产事件实现 S95 的标准功能，S95中的各种对象，信息流，功能描述在 MES中得到了空前的统一和完整的体现。 在于 ERP 系统连接上， MES 采取了 S95 的标准 XML 接口，从而直接连接符合标准的各大 ERP 厂家， 如与 SAP 的连接，以前的做法是各应用程序编写各自的 SAP 接口且需要 SAP 的认证， 而 MES的做法则是遵循S95 标准与 SAP 相连，从而无需认证而达到比认证程序更为有效的连接功能和效率。

S95 为信息交换提供了标准， 减少了 MES – ERP 集成的费用， 与产品的生命周期管理协同工作， 提供生产能力和状态，提高了生产制造的灵活性， 提供了一套信息集成的架构和标准模型，定义了 ERP 和 MES 的界限和信息流。它定义了 4 种信息流和9大对象模型，同时适用于批次、连续和离散过程，在很多用户项目的全周期中得到广泛应用。

谈到MES标准，必然会联想到设备模型，我看到的所有产品化的MES平台均具备工厂和工艺建模的能力。但是在不同行业其模型定义有所区别。那么在国际标准中有些什么描述呢？首先谈到设备模型的是 ISA88，下面是国外一些资料中对其定义以及MES标准ISA95设备模型的关系描述。同时也加上了我的理解，以供参考。

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在国际标准 ISA 88（简称S88） 中讨论的模型包括物理模型 Physical Model，配方模型 Recipe Model以及工序指令模型 Procedural Module，而对于本规范而言，设备模型将基于物理模型的概念。在 S88 中对整个生产企业进行物理模型的层次划分，自上

而下分成如下几个级别：

其中从 Process Cell 过程单元以下的部分在 S88 中进行讨论。下面是对上述几个概念的定义：

Process Cell： 一组逻辑组合的设备组，包括完成一个批次所需的设备。

Unit： 一组相关的控制模型和设备组件以及其它的过程设备，在这里执行一项或多项重要的工艺过程活动。

Equipment Module：一个功能设备组合，在这里完成特定的有限的较小工艺活动

Control Module：物理模型中的最低级别，可以执行最基本的控制活动。

对上述标准概念结合工艺现场可以作以下解释。对于某一个特定的工艺点控制如阀门的开关状态，温度点可以作为一个 Control Module。而对于一组辅料添加控制回路可以视为一个 Equipment Module，这里的Equipment Module是 S88的狭义设备组件单元，指的是一组控制设备，而非本标准的广义设备模型定义。

上述定义只是针对于Batch 批量特性十分明显的过程，在烟草生产中，存在大量非纯 Batch 过程，如卷接包具备很多离散特性，而物料处理具备其自己的特性，因此根据与 ISA 95 设备模型的结合和一些国际组织的研究，比较全面的工厂设备层次见下：

根据上述工厂物理结构定义，我以连续生产线形式的生产为例进行分解：

Enterprise – 某企业集团

Site – 某生产厂

Area – 某生产车间

Process Cell – 某生产线

Unit – 某工艺工段

而 Equipment Module 可视为工艺工段的某一主要工艺设备或工艺回路，Control Module 可视为具体的工艺回路或点。

在例如烟草和食品饮料生产中，可能存在上述不同类型的生产模式，故而需要考虑Process Cell、Production Line 和StorageZone等的综合定义。

年中在帮助某集团公司制定监控系统标准时曾试着将ISA95的对象模型概念引入系统设计，下面是ISA95中关于设备和工艺对象的部分简单描述。

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这里的设备对象定义根据S95 标准中所述的模型，描述了设备及其属性之间的关系，如下图为取自 S95 第三部分的设备模型

Equipment Model 图。

图中灰色的部分为面向生产的设备模型定义，而右边的资产维护功能与生产有密切关系，不过应该在处于商业层的资产维护系统中应用，上述资产维护功能例如维护请求的产生，维护请求响应和工单生成等功能。

这里的设备 Equipment 是广义的，可以是一个在整个前面描述中的设备结构图中的某个设备或设备的组合。设备模型主要分为设备类别Equipment Class 和特定的设备 Equipment，而设备 Equipment 又可以由多个子设备组成。设备是属于某一个设备类别，而设备类别和独立的设备均有自己的属性，设备的属性对应于设备类别属性。

设备能力测试规格和某一个设备属性相关，它的目的是确定设备是否有标定的生产能力，它可以对一个或多个设备属性进行测试。设备能力测试结果通常包括何时对设备进行的测试，是否通过或其数值是多少，测试结果的有效期等内容。

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这里的生产工艺对象模型的目的是讨论在各标准生产工艺段需要采集和分析哪些关键的质量和工艺点及其规格。在国际标准S95 中讨论的工艺段 Process Segment 模型如下。

在上述 Process Segment 模型中，一个 Process Segment 是组合了人员需求、设备需求和物料需求的可以执行产品生产的一个主要步骤。