流程工业包括了石化、冶金、电力、轻工、制药、环保等在国民经济中占主导地位的行业，全球500强行业中，流程工业企业有70余家，占15%，其营业收入占总收入的16.5%(据财富杂志1999年数据);我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%(据中国经济统计年鉴1999年数据)，流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础。

　　由于全球性激烈的商业竞争，人们对在制造业中占据着举足轻重地位的流程工业企业在产品的质量、成本、交货期等方面提出越来越高的要求。为了提高流程工业竞争力，计算机集成制造系统受到发达国家的高度重视，被列入这些国家的重点高技术发展计划。国际上著名的钢铁企业如日本新日铁、石化企业如美国埃克森公司已经开始实施全厂计算机集成制造系统，获得了显著的经济效益。我国于1986年在863高科技计划中设立863/CIMS主题，研发了流程工业CIMS相关技术及产品，在福建炼油厂、辽宁阜新排山楼金矿、沧州化工厂等多家企业建成了CIMS示范工程，取得显著效益。

　　计算机集成制造系统体系结构至今尚无一种是完备的体系结构。80年代后期，欧共体ESPRIT提出了计算机集成制造开放系统体系结构(CIM-OSA)，包含了组织和人的因素，作为国际标准化的预标准而成为最受注目的一个。普渡企业参考体系结构(Purdue Enterprise Reference Architecture，PERA)是实施流程企业计算机集成制造系统的体系结构，如图1所示，由过程控制、过程优化、生产调度、企业管理和经营决策五个层次组成，显然将生产过程控制和管理明显分开，忽视了生产过程中的物流、成本、产品质量及设备的在线控制与管理。实现计算机集成制造系统结构复杂、层次多，不便形成平台技术，难于推广，也难以适用于扁平化管理模式。

　　1990年美国AMR(Advanced Manufacturing Research)提出的制造行业的三层3MB/MES/PCS结构，已经成功地在半导体、液晶制品业、石油化学业、药品业、食品业、纺织业、机械电子业、造纸业、钢铁业中应用，取得了显著经济效益。据美国MESA 1996年调查统计结果，在采用MES技术后，效果显著，生产周期时间缩短率为35%，数据输入时间缩短率为36%，在制品削减率为32%，文书工作削减率为67%，交货期缩短率为22%，不合格产品减低率为22%，文书丢失减少率为55%。但是在流程工业综合自动化的研究与发展中对MES还没有给予足够的重视。特别是在国内，很多被称之为流程工业CIMS的企业信息系统，只是实现了用计算机网络将生产过程数据传送到管理部门进行显示和监控的MIS系统，而缺乏中间层对上层管理和下层过程控制联结应用的功能。国外虽然有一些大型的系统或软件公司推出了MES产品，但这些公司均是以扩展市场为目的，在理论上对MES也缺乏公开的探讨。

　　随着信息技术和现代管理技术的发展，企业管理已开始从金字塔模式向扁平化模式转换，适合扁平化管理模式的CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)成为工业自动化高技术的研究热点。

　　采用BPS/MES/PCS三层结构的CIMS将流程工业综合自动化系统分为以设备综合控制为核心的过程控制系统(PCS)、以财物分析/决策为核心的经营计划系统(BPS)和以优化管理、优化运行为核心的制造执行系统(MES)，如图2所示。MES使生产过程中难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到了解决。BPS、MES、PCS都有各自的特点：最下层的控制系统聚焦于生产过程的设备，以s为单位监控生产设备的运行状况，控制整个生产过程。中间层的制造执行系统着眼于整个生产过程管理，考虑生产过程的整体平衡，注重生产过程的运行管理，注重产品和批次，以min、h为单位跟踪产品的制造过程。最上层的经营计划系统以产品的生产和销售为处理对象，聚焦于定货、交货期、成本、和顾客的关系等，以月、周、日为单位。在流程工业现代集成制造系统中，MES起着将从生产过程控制中产生的信息、从生产过程管理中产生的信息和从经营管理活动中产生的信息进行转换、加工、传递的作用，是生产过程控制与管理信息集成的重要桥梁和纽带。MES要完成生产计划的调度与统计、生产过程成本控制、产品质量控制与管理、物流控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与处理等功能。

　　流程工业生产过程的底层自动化对于提高产品质量和提高生产率具有至关重要的作用，所以一般企业都首先解决基础自动化问题。因此，流程企业具有较好的底层自动化基础。企业管理信息系统在流程工业中的推广为BPS的实施打下了基础。由于流程工业与离散制造业在企业管理方面的差别相对较小，离散工业的CIMS技术可以借鉴。而位于中间层的信息集成技术发展则显得十分滞后，严重影响了流程工业CIMS的整体发展。在流程企业信息化系统中，面向市场的经营决策信息必须通过中间层的生产管理系统正确快速地处理和传递，才能转变为生产系统的反应行动。MES起着承上启下的作用，其研究和应用在流程工业CIMS的发展中是至关重要的。

　　流程工业CIMS技术大多数是在MES层实现的，因而建立一个完整的流程工业现代集成制造系统，MES是关键。

　　PCS一般包括基础自动化系统和过程自动化系统。利用基础自动化装置与系统，如：PLC、DCS或现场总线控制系统，对生产设备实现自动控制，对生产过程进行实时监控，采用先进的控制技术，如：鲁棒约束多变量预测控制技术、多变量APC技术、智能解耦控制技术以及优化过程控制技术等，对过程控制系统进行优化设定，实现生产过程的优化控制。

　　BPS系统包括：企业资源计划、供应链管理、销售服务管理、产品与工艺设计等功能。其中企业资源计划包括财务管理、人力资源管理、生产计划管理等;供应链管理包括原材料采购、供应管理、库存管理;销售服务管理包括合同管理、销售管理、客户关系管理，电子商务已成为实现网上采购、网上销售的主要手段。

　　MES尤为重视运行管理。根据MESA的MES功能图，如图4所示，结合流程工业的生产特点，可见流程工业MES的功能包括：生产过程资源配置管理、质量管理、设备维护管理、生产调度、物流管理、生产成本管理和生产过程管理等子系统。资源配置管理子系统实现计划和分配下列资源符合生产调度的目标，资源包括机器设备、工具、原材料、其他设备和相关文件资料，例如生产时需要的文件等。资源配置管理子系统提供详细的资源情况，保证设备运行前的良好状况，提供实时运行情况。质量管理子系统实现对采集的生产信息实时分析，确保对产品质量的正确控制，发现问题及时采取措施、及时处理，实现对在制品的跟踪和产品的质量检测分析。设备维修管理子系统跟踪设备和工具的运行状态，对设备和工具的定期计划性和预防性的维护提供操作指导，保存历史事故和故障信息，提供故障诊断库，对异常故障提供报警和处理。生产调度子系统根据产品的不同优先权、品质、特征等特点，对生产进行计划与调度，实现基于过程模型的模拟优化和实时调度。物流管理子系统对从原材料到产成品的整个物流过程进行监控、建立物料平衡的过程模型，实现对物流过程的控制。生产成本控制子系统对生产全过程进行成本预报、分析，对动态生产成本进行核算与跟踪，实现生产过程成本的关联价值评估与控制，从而保证价值流的优化。生产过程管理子系统实现生产过程监控、数据的采集与统计，进行基于数据库的实时生产效率分析，并为MES提供基于知识和信息的支持，实现生产数据、检测数据和控制参数在MES层和PCS层间的正确传送。

　　流程工业现代集成制造系统的集成技术是以知识链为依托的，通过MES的承上启下的作用，将BPS、PCS通过网络和数据库系统来实现经营决策与管理、生产过程运行管理和生产过程控制的信息集成。

　　AMR对MES概念叙述如下：为了把全公司的资源按经营目标管理，MES提供实现目标的手段，实时联结基本信息系统的逻辑数据和工厂的实际数据，在经营计划系统和生产之间提供通讯功能。MES的目标不单是工厂信息系统，而是纵向和横向循环的综合系统，也就是“ 经营系统”。

　　如图3，在经营计划系统、制造执行系统和过程控制系统的三层结构CIMS中，具有计划执行控制的功能。经营计划系统的生产经营计划通过制造执行系统下达给过程控制系统，作用的结果通过过程控制系统采集的实时数据经制造执行系统反馈到经营计划系统，进行反馈与矫正，保证经营目标的实现。

　　显然，MES起着连接生产经营管理和生产过程控制与管理的作用，在BPS层生成的生产计划由MES层传达到过程控制层;相反，由生产现场过程采集的反映生产状况的数据由MES传达给BPS。

　　流程工业生产过程的质量指标和工艺要求(包括转化率、产率、回收率、产品组分等)是流程企业优质高产的重要保证。研究和开发以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术，对于流程工业具有十分重要的意义。目前，以控制系统的过渡过程动态性能指标为目标的常规控制技术无法解决生产过程的产品质量和工艺要求等指标的直接控制问题。由于流程工业生产的特点，产品质量和工艺要求的一些参量往往无法直接在线测量，而且反映产品质量、产率、回收率、转化率等质量指标的模型又十分复杂，这也使得对产品质量和工艺要求的指标直接控制非常困难。

　　综合研究质量指标的预测与软测量技术、质量指标的预设定模型、智能建模和模型修正技术、以及各种多变量先进控制技术等，并在此基础上形成以产品质量和工艺要求为指标、直接实时反馈的先进控制技术，是自动化领域高技术的重要发展趋势。

　　以生产综合指标为目标的生产过程三优(优化运行、优化控制与优化管理)技术是MES级的核心技术。现有的以工艺参数为控制目标的控制系统不能满足大规模工业生产的需要。控制系统的目标从工艺参数指标扩展到综合生产指标，也就是从传统的定量控制扩展到定量和定性相结合的复杂控制。由于物耗、能耗、设备、成本、计划与调度等生产管理要素与综合生产指标密切相关，综合生产指标往往不能连续在线测量，而且又难以用控制系统的输入输出来描述，因此有必要考虑计算机集散控制系统和网络环境的特点，研究新的控制系统结构，将建模与控制相集成、定量数据和定性分析相结合，即研究数据、模型和智能相集成的智能控制理论与方法。这种研究是将已有的控制理论和方法与智能方法相结合，并与管理科学、计算机科学、冶金等工程科学相结合的综合集成。研究与开发生产过程三优技术将可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正，以形成生产成本控制中心，保证生产过程的优化运行;将可以实施生产全过程的优化调度、统一指挥，以形成生产指挥中心，保证生产过程的优化控制;将可以实现生产过程的质量跟踪、安全监控，以形成质量管理体系和设备健康保障体系，保证生产过程的优化管理。

　　考虑到流程企业生产与经营的特点，不仅要根据合同订货组织生产，还要在对市场进行预测的基础上组织生产;原料采购的价格和品质是影响流程企业生产效益非常重要的因素;流程企业的资源配置要求具有很强的动态性能等。可见基于合同与市场预测的原材料采购动态优化决策技术、网络环境下全方位销售动态集成管理技术、网络环境下企业效益最大化资源配置优化与智能决策支持技术、网络环境下面向企业资源分配的财务决策技术和基于销售合同与市场预测混合驱动的生产计划自动编制技术等，以财务分析决策为核心的整体资源优化技术成为使MES满足流程企业经营决策的核心技术。

　　知识存在于流程工业MES/MES/PCS三层结构的各个层次中，且同一层次或不同层次的知识都相互关联、相互影响和相互作用，在三层结构中形成知识链，并在整个现代集成制造系统中发挥最为重要的控制、优化与决策作用。作为一个整体，知识链中任一环节知识的不完善都会影响整个知识链的性能发挥;反过来，通过知识链中知识的相互关。