一些自動化程度較高的連續型生產企業已經達到了管控一體化的水平，實現了無紙化生產，而離散型生產企業由于管理的復雜性、工藝和自動化水平的限制，距離無紙化生產有很大的差距。隨著數字化設計和制造水平的提升，在離散型車間實現無紙化工藝也逐漸成為可能，國外的一些離散型車間已經在局部實現了無紙化生產。這種無紙化生產的趨勢也使得MES發生著改變，本文在下面將就離散型車間的無紙化MES給出一些最新的研究成果。

　　無紙化生產是一種新的生產模式

　　連續型生產實現無紙化生產主要是依賴自動化的流水線；離散型生產實現無紙化生產主要是依賴工人，需要工人能夠在無紙化環境中順利工作，其難度要大得多。在這種模式下，勢必需要改變工人在車間生產中的角色：工人是車間中唯一增值活動（即生產）的主體，這點與醫院的外科大夫是相似的；增值最大化的結果是將大部分的生產管理者都逐步轉變為生產輔助人員，這點與醫院的護士是相似的。

　　無紙化生產不僅是消除了“紙”，更重要的是形成了一種新的生產模式（角色和工作方式的轉變）。國外無紙化工作者說的“讓工人多擰幾下扳手，少錄一些數據”就十分形象的表達出了無紙化生產帶來的變化。

　　無紙化生產正在改變MES的概念

　　一般認為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]。

　　制造在PLM應用中定位的變化，改變了PLM應用所關注的不僅僅是單純提供產品數據的PDM與ERP的集成[3]，而促成了更有機的PLM與MES的集成[4]。

　　如圖2所示，制造活動同時存在于價值鏈和生命周期鏈條的交叉點上，其中前者是傳統MES的需求，后者是無紙化MES的新需求。考慮到同一個制造現場只能有一個執行管理系統，因此現有的MES 概念勢必需要擴大。

　　MES的信息集成對于企業的信息集成是具有決定性的。“紙”是信息交互的最傳統媒介，也是各孤島信息系統之間交換信息的主要途徑，因此可以認為，無紙化MES不僅意味著生產模式的根本變革，還體現了整個企業信息系統集成的最高水平。

　　目前，Dassault旗下的InterCIM在波音和巴西航空，SAP旗下的Visiprise在洛克希德·馬丁，都已經按照這種思路實施了新一代的航空MES，在某些車間實現了現場可視化工藝，取得了不錯的應用效果。

　　無紙化MES的功能框架

　　提出無紙化MES功能框架（圖3），將無紙化MES劃分為9部分：車間計劃管理、生產準備管理、工人現場作業管理、設備運行管理、質量作業管理、可視化看板管理、工時管理、生產履歷管理和例外管理。

　　從設計上看，該無紙化MES功能框架做出了如下考慮：

　　（1）突出了工人門戶的地位。工人門戶不僅能夠顯示可視化工藝，更重要的是使得工人能夠在門戶上獲得所有需要的信息，避免工人登陸不同系統查找信息。工人門戶使信息能夠自動推送到工人的面前，讓工人能夠快速的工作和記錄，從而帶來了無紙化生產環境下的新生產模式。

　　（2）提出了PDM與CAPP一體化的要求。無紙化生產模式下，工人在工人門戶上使用的電子工作指導書（EWI）是集為作業指令、工藝規程、圖紙和模型一體的數據包（EWI的概念由ISA95提出），這種需求極大地推動了PDM與CAPP一體化。在PDM與CAPP一體化尚不成熟的情況下，MES與CAPP一體化也成為一種過渡情況下的選擇，如Visiprise在洛克希德·馬丁公司實施的MES中就包括CAPP的模塊。

　　（3）提高了現場采集的效率，擴大了現場數據采集的信息量。MES在現場不僅扮演報開完工的作用，還需要按照EWI的要求記錄制造過程的各類相關信息：制造環境及其相關參數、所用工具工裝和設備運行狀態、原材料毛坯的來源和質量信息、裝入件的批次和質量信息、檢驗檢測結果數據，以及對不合格品的處理信息，從而獲得完整生產過程履歷。

　　（4）現場例外管理，尤其是工藝方面的現場例外管理顯得尤其突出。為提高生產效率，對工藝超越和臨時工藝等，往往由工藝人員直接在生產現場完成，在無紙化后這些信息需要在MES 中進行現場編輯、修改和版本的管理，并能與PDM/CAPP的工藝數據對應起來。在工程實施中，對于某些使用非結構化CAPP的離散車間，甚至可以效仿SAP/Visiprise的做法，將傳統CAPP中的工藝編制功能也暫時納入MES中。

　　（5）突出了生產準備的地位。將生產準備分為企業級配送和現場級配送兩個層次，其中由MES 負責后者。現場級配送強調中短周期的生產準備，致力于達到JIT 式的配送效果，從而使得工人能夠充分適應無紙化生產下的“外科大夫”角色，將更多的精力直接投入到生產環節中。

　　（6）更加強調了各類生產要素和業務活動的集成。無紙化生產環境下使人與人的工作變得更加緊密，現場生產所有需要的信息都需要也只能在計算機里進行管理，大大提高了信息集成的要求。

　　無紙化MES各部分具體功能：

　　（1）車間計劃管理：接收ERP下達的車間訂單，將其分解為工序作業計劃，將作業任務派工到現場。這是傳統MES 應當具備的功能。

　　（2）生產準備管理：對工裝工具、車間二級庫存和在制品進行管理，根據工序作業計劃和派工的要求，將這些生產資源配送到現場。

　　（3）工人現場作業管理：圍繞著工人門戶開展現場作業，工人在工人門戶上接收工作指導書，報工序開完工，填寫加工和檢測記錄。從國外無紙化生產的應用來看，工人門戶和電子工作指導書是離散車間實現無紙化MES的最關鍵因素。

　　（4）設備運行管理：管理設備維修和保養過程，完整記錄設備運行狀態，掌握設備可用性以支持排產。

　　（5）質量作業管理：管理現場檢驗過程，檢驗數據的采集，以及不合格品處理過程。

　　（6）可視化看板管理：用于生產現場的各類大屏幕看板，以及為管理提供可視化查詢功能。

　　（7）工時管理：管理定額工時和工人的實際加工工時，以及工時報表的自動生成。其中，工時數據的采集有現場作業模塊完成，工時數據的確認由質量作業模塊完成。

　　（8）生產履歷管理：在上述模塊的支持下，形成加工過程“人機料法環”的完整履歷。

　　（9）例外管理：處理各類例外事件，及其對生產計劃造成的影響，提高系統對生產例外事件的適應能力和處理能力。

　　無紙化MES的實施不單純是一個軟件系統的實施，還需要包括工藝和硬件水平的提升作為基礎，有時候一種新的產品型號就代表著一種全新的設計和制造模式。因此，建設無紙化MES需要考慮不同產品型號和不同應用階段的問題。

　　車間一般存在多型號的產品混線生產，使用同一套MES適應不同成熟度的數據成為必然的選擇，尤其是現場使用的工作門戶需要接收不同產品的工作指導書。因此，在無紙化MES的設計中，需要特別強調工人門戶和工作指導書的標準化，提高工人門戶的功能柔性和可配置性。

　　無紙化MES的關鍵技術分析

　　無紙化MES的實現不僅需要管理模式的改變，還需要許多軟硬件技術作為支持：

　　（1）生產現場終端技術。

　　生產現場終端用于顯示工作指令和工作指導書，操作者可以在終端上察看工作任務、報開工和完工；如果條件具備，還可以在終端上察看圖紙、工藝規程和數字化模型。

　　國外的相關應用已經表明便攜式的無線終端或離線終端的使用正在成為MES應用的重要方向（圖4）。尤其是符合航空軍工生產保密安全要求的、具有無線加密傳輸功能的終端技術將成為航空MES的關鍵技術。

　　圖4 國外MES使用的便攜式無線終端

　　無紙化車間的現場終端配置數量應該能夠滿足無紙化生產的需要，原則上應當做到一臺設備或者一個操作者配置一個終端。

　　（2）物流標識技術。

　　MES強調對物流的控制，準確和快速的物流管理往往都需要采用標識技術，包括：條碼、RFID等。物流標識技術的應用在無紙化的情況下又顯得更為迫切。

　　目前，微型化的激光標刻二維碼（如圖5所示）、抗金屬干擾和腐蝕的可粘貼式RFID都是能夠適應于離散制造需要的標識技術，相關的國軍標也正在預研中。

　　（3）自動化數據采集技術。

　　連續型制造企業的MES一般都強調管控一體化的應用效果，離散型制造企業的MES由于缺乏足夠的自動化集成手段，往往很難達到管控一體化的程度，但是管控一體化始終是離散型制造企業MES的發展方向，也是無紙化MES 發展的必然方向。離散型制造企業要實現管控一體化，最重要的就是要有自動化數據采集技術作為支撐。

　　當前比較具備可行性的自動化數據采集技術包括：數控設備運行數據自動采集技術、爐溫控制系統自動數據采集技術、測量系統自動數據采集技術等。

　　（4）人機交互技術。

　　MES管理制造的執行過程，制造的執行過程是充滿變化和例外的，該問題在失去紙作為記錄載體的情況下尤其突出。這也是人機交互技術對于無紙化MES非常重要的原因。

　　人機交互技術一般需要物流標識技術和自動化數據采集技術（尤其是測試數據自動采集）作為支撐，能夠實現對選取錯誤批次序列號的零組件進行提示，對BOM和工藝補充文件的技術狀態進行驗證和報警，對測量結果進行自動打包和分析。國外的電子裝配MES 中已經有了人機交互的工程應用，如圖6所示。

　　工程驗證

　　在某大型航空制造企業，根據本文提出的無紙化MES功能框架，進行了無紙化MES系統的設計、開發和實施，完全取消了裝配指令（AO）等紙制現場文檔，取得了較好的應用效果。