制造企业内部的纵向信息集成

由于其“承上启下”的定位，在纵向信息集成中扮演着重要角色，只有通过MES/MOM将上下层级数据链路全部打通，制造企业的数智化之路才真正步入正轨。

制造企业的数字化架构，首先根据其组织方式进行分级。

（1）H1——工厂级，包括大、中、小型生产工厂或生产基地的数字化系统

（2）H2——公司级，包括区域级公司、跨厂级联合公司、大型联合生产基地等的数字化系统

（3）H3——集团级，包括集团的数字化系统

只有单一工厂的小型企业仅包含H1级，其他中大型企业可能采用H1+H2、或H1+H3、或H1+H2+H3等分级架构。

一个典型的H1级数字化架构，可进一步根据其功能结构分为5层，如图1所示。

图1 典型的企业数字化五层架构

（1）L1——设备层：数智化生产系统的基础技术底层，包括自动化生产设备、自动化物流设备、传感器/表计、以及设备的数智化配套等；

（2）L2——过程控制层：基于生产工艺知识和工业控制技术，将L1设备层的独立设备和装置整合成能够实现各工序/工步生产或物流操作过程控制的软硬件系统，主要包括过程自动化、以及数据采集与监控两大方面功能，过程控制层的具体技术实现也与具体采用的控制方法和体系相关；

（3）L3——制造执行层：针对生产和物流运营执行过程，提供监控、预警、决策等功能的数字化系统，包括制造执行系统（MES）、高级计划排程（Advanced Planning and Scheduling，APS）、物流管理系统（LMS）、质量管理系统（QMS）、设备管理系统（EAM）、能源管理系统（EMS）等，从运营层对人机料法环等制造资源进行配置优化和效率提升，L3层需要整合多个系统与模块实现协同执行，以满足业务流程的集中管控要求，并最终在生产现场场景实现一键智能操作；

（4）L4——经营管理层：提供战略、财务、研发、供应链等管理领域的数字化系统，包括企业资源计划（ERP）、产品生命周期管理（PLM）、客户关系管理（CRM）、供应商关系管理（SRM）、办公协同（OA）等，一方面需要自上而下地贯彻决策层制定的方针、政策，另一方面需要自下而上地组织、管理及协同企业日常工作，在L3层运营管理基础上进行计划、管控和核算，L4层是企业精细化管理的指挥中枢；

（5）L5——战略决策层：通过智能控制塔和商业智能（BI）等技术，进行宏观业绩管理和综合管控。

H2级数字化架构通常包含L3、L4和L5层，其结构与功能类似但又不同于H1级的相应3层，服务于H2级的管理视角。H3级数字化架构通常也包含L3、L4和L5层，其结构与功能同样类似但又不同于H1级和H2级的相应3层，服务于H3级的管理视角。

数字化架构的纵向集成，不仅要实现某级系统各层之间（例如H1级的L1~L5层之间）的信息贯通，也要实现各级系统相应层之间（例如H1、H2和H3级的3个L4层之间）的信息贯通。纵向信息集成应满足：

（1）保证下层数据按要求及时、准确上传；

（2）保证上层数据能够及时、准备下发；

（3）统一采用标准接口，满足性能要求，具可扩展性；

（4）保证集成数据的标准性、安全性、可靠性和兼容性。

1）从MES到MOM

L3制造执行层在纵向信息集成中发挥着极其关键的作用，既在L1~L5层之间承上启下，又贯通了H1~H3级。

L3制造执行层的核心是MES/MOM。MES即制造执行系统，是制造企业负责执行层生产管理的数字化系统。MOM即制造运营管理，某种意义上可视为MES的升级版平台，在MES基础上整合高级计划排程（APS）、仓储/物流管理系统（WMS或LMS）、质量管理系统（QMS）、设备管理系统（EAM）、能源管理系统（EMS）等一系列系统，形成一套覆盖制造企业生产运营全过程的完整解决方案。MOM实际涵盖了L3层的各个系统，而MES是其中一个系统。

MES概念于1992年首次提出，位于上层计划管理系统与底层工业控制系统之间，是解决企业车间现场的生产管控问题的数字化系统。MESA协会（Manufacturing Enterprise Solutions Association）自1997年起，迭代发布多个版本的MES功能模型。ISA协会自2000年起陆续发布MES标准ISA95，由Siemens、GE、Rockwell、SAP等知名厂商参与制定，ISA95随后成为国际标准IEC/ISO 62264，共分5个部分。

MES功能模型和国际标准的制定，使早期各自为战的MES厂商开始采用统一的功能定义、数据模型、业务流程、集成接口等。随着标准制定和案例实施的推进，专家们意识到，相对于只交付MES生产管控功能，同时交付包含MES在内的一系列相互协同的生产运营数字化系统往往能够带给企业更大的业务价值，管理者得以通过生产、物流、质量、设备、能源等运营主线的数字化实现对企业的全流程精准管控。为了与传统MES区分开，MOM概念因此被提出，即通过协调管理企业的人员、设备、物料和能源等资源，把原材料或零件转化为产品的活动，在原有MES生产管控基础上衍生出更全面、更专业、更智能的计划排程、物流管控、质量管控、设备管控、能源管控等功能。

业界逐渐开始使用“MES/MOM”的组合名词统一表示MES、MOM、或其他衍生出的生产运营数字化系统。

2）MES/MOM在数字化企业的定位

MES/MOM是连接下层生产控制系统与上层管理运营系统的“信息枢纽”，其中MES/MOM是纵向集成结构的L3层，其下层生产控制系统包括设备、机器人、传感器等生产设备以及PLC、SCADA、DCS等工业自动化控制系统，即L1和L2层，上层管理运营系统包括ERP、PLM、CRM、SCM、BI等数字化系统，即L4和L5层。MES/MOM一方面管理“人-机-料-法-环”及其生产能力，从上层接收生产计划，安排生产并分配资源，向生产控制系统下发生产指令，确保生产按计划执行；另一方面从生产现场实时采集并处理生产数据，监控生产状态与生产异常，分析生产绩效并向上反馈至管理运营系统。整体架构可参考MESA的战略计划模型（图2）。

图2 MESA的MES/MOM战略计划模型

数字化企业的整体架构可从3个维度来解构，如图3所示。

图3 数字化企业整体架构的3个维度

第一维：企业流程，覆盖从生产到业务的企业管理全流程，包括物联集成、制造执行、生产运营、计划排程、业务管理等环节，核心支撑系统依次是PLC/SCADA、MES/MOM、ERP等，企业流程维度与纵向集成分层结构和MESA模型分层结构基本相似。

第二维：价值链，覆盖从供应商到客户的供需价值链全过程，包括供应商管理、采购管理、物料管理、生产运营、仓库管理、发货管理、销售管理、客户管理等环节，核心支撑系统依次是SCM、MES/MOM、CRM等。

第三维：产品全生命周期，覆盖从产品设计诞生到服务报废全过程，包括创新设计、产品研发、制造工艺、生产运营、产品监控、售后服务等环节，核心支撑系统依次是研发PLM、MES/MOM、运维PLM/MRO等。

MES/MOM在企业数字化架构中呈现出以下特点：

（1）MES/MOM与其他大多数数字化系统都需要进行数据集成，在企业各种数字化架构中通常属于中间层；

（2）MES/MOM负责管理小时级、分钟级的数据，一方面需要获取下层秒级、毫秒级的数据，一方面向上层提供数据，以计算或分析天以上级的数据，在企业各种维度的数据流中大多位于中部；

（3）制造企业的物料流、人员流和资金流的精细化管理，都需要MES/MOM的功能与数据的深度支持；

（4）MES/MOM与其他数字化系统在部分功能上存在相关性和相似性，甚至功能重叠。

综上，MES/MOM是数字化企业架构的“信息枢纽”，在企业纵向信息集成中负责“承上启下”。数字化的本质是数据的自动流动，即要求连通所有数据孤岛，MES/MOM与几乎所有数字化系统都连接，在负责生产运营整体管控同时，还扮演着“核心交换机”的关键角色。在具备一定数字化程度的企业实施MES/MOM，主要难点往往不是实现MES/MOM内部功能，而是打通企业整体数据流。

3）MES/MOM的技术架构演进

随着工业控制技术、数据通信技术、软件开发技术、数据智能技术等快速发展，MES/MOM的技术架构也不断演进。

早期的MES/MOM系统多基于C/S结构和组件技术构建，其中C/S结构指客户端/服务器结构，需要在使用MES/MOM的电脑上安装一套客户端软件。当时主流工业控制软件都基于Windows平台开发，因此微软技术栈中占据主流的C/S结构和组件技术被广泛用于开发MES/MOM系统。该技术架构能够较好地支持制造企业对MES/MOM功能性的需求，但在组件复用、跨平台、跨网络、客户端版本管理与兼容、授权成本等方面存在不足。

之后，B/S结构，即浏览器/服务器结构，逐渐成为MES/MOM系统的主要技术架构。基于B/S结构的技术架构，不再绑定微软技术栈，允许更多编程语言，支持更多操作系统，同时克服了传统C/S结构中网络和客户端管理的诸多问题。技术架构通常分为表示层、逻辑层和数据层3层，分别对应用户界面、业务逻辑和数据处理3部分，系统分层结构清晰，并支持灵活部署。B/S结构早期存在通信性能、通信安全等问题，随着服务器性能和互联网技术的高速发展而迅速消失。

SOA架构被用来构建MES/MOM系统，其本质是通过提供一套支持服务复用的技术框架，实现MES/MOM功能模块的服务化，生产资源数据和流程、生产运营知识和规则、生产智能模型和算法等内容都被抽象封装成服务，服务之间具有松耦合、粗粒度、位置和传输协议透明的特性，对服务进行组合和编排可实现复杂的业务逻辑，从而极大加快MES/MOM的构建和重构速度。SOA架构的主要技术是Web服务，可采用ESB、SOAP、WSDL等标准协议来实现，SOA架构同时支持B/S结构和C/S结构。

传统SOA架构的开发模式是分层设计、统一开发、逐层实现，服务或接口只要有一个未完成，整个系统就可能无法正常运行。微服务架构作为去中心化的SOA架构变体，去除ESB等中心化技术，强调服务的松散耦合、独立部署、轻量级接口和协议等特性，成为新一代MES/MOM平台的主流技术架构。

同时，MES/MOM的技术架构也在不断融合智能技术。零代码和低代码技术的目标是最大限度减少人工编码，未来的MES/MOM平台将允许业务人员通过拖拽和配置等方式实现MES/MOM功能的定制。数字孪生技术的3D可视化、AR互动、模拟仿真等特性将提升MES/MOM在管控模式、异常响应、决策评估等场景的体验。区块链技术的数据存证、智能合约等特性将提升MES/MOM的可信性和可溯性能力。