4.1 执行系统概述
4.1.1 执行系统的概念
执行系统是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状或位置，或者对作业对象进行检测、度量等，以进行生产或达到其他预定要求的装置，包括机械的执行机构和执行构件。执行系统通常处在机械系统的末端，直接与作业对象接触，是机械系统的主要输出系统[1]。简而言之，执行系统就是直接完成系统预期工作任务的部分，一般由执行构件、执行机构组成。
执行构件是执行系统中直接完成工作任务的零部件，可以完成一定的动作。它往往是执行机构中的一个或几个构件。执行机构用来驱动执行构件，主要作用是传递和变换运动与动力，以满足执行构件的要求。例如，图4-1所示的液压连杆式夹持器，就是用杆机构驱动工业机械手的手指实现夹持动作的。
图4-1 液压连杆式夹持器
1—工件；2—手指；3—液压缸；4—油塞杆；5—连杆
4.1.2 制造执行系统
1.制造执行系统的概念
随着计算机和信息技术的发展，20世纪60年代末，在生产制造业方面，传统的管理方法开始与计算机软件系统结合，实现了计算机系统在生产控制领域的大规模应用。制造企业车间所应用的专业化生产管理系统，如生产作业计划和调度逐渐演变为制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）。
MES的概念是由美国先进制造研究协会在1990年首次提出的，旨在加强物料需求计划（Material Requirement Planning，MRP）的执行功能，把MRP计划与车间作业现场控制通过执行系统联系起来。这里的现场控制包括PLC程控器、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手等。MES设置了必要的接口，与提供生产现场控制设施的厂商建立合作关系。
制造执行系统国际联合会（Manufacturing Execution System Association International，MESA）对MES所下的定义：MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理，当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应和报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理；这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂的及时交货能力，改善物料的流通性，又能提高生产回报率；MES还通过双向的直接通信，在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息[2]。
MESA还提出了MES的功能组件和集成模型，定义了11个模块，包括资源管理、工序管理、单元管理、生产跟踪、性能分析、文档管理、人力资源管理、设备维护管理、过程管理、质量管理和数据采集。
MES在生产过程中，借助实时精确的信息，引导、发起、响应和报告生产活动；做出快速的响应以应对变化，减少无附加值的生产活动以提高操作及流程的效率；提升投资回报、净利润水平，改善现金流和库存周转速度，保证优质按时出货；保证整个企业内部及供应商之间生产活动关键任务信息的双向流动。因此可知，MES无论是从深度还是广度，与传统的仅由执行机构来驱动执行构件工作的执行系统已经不同了。MES融合了现代计算机技术及数据资源，其作用更为广泛，体现了精益生产的崭新原理，在生产制造领域展露出“智慧”的头角。
2.MES的作用
德国提出了工业4.0，随后我国也提出了中国智能制造，强调了工业生产的数字化和智能化。在开展智能制造和数字化工厂的研究示范中，企业必须使用MES。按照美国先进制造研究协会划分制造企业的体系结构，MES位于企业上层计划层与底层工业控制层之间的中间层，MES能够帮助企业实现生产计划管理、生产过程控制、产品质量管理、车间库存管理、项目看板管理和人力资源管理等，提高企业制造执行能力。简而言之，在产品从订单发出到成品完工的过程中，MES起到传递信息以优化生产活动并提升投资回报率的作用。
MES的作用主要体现在以下几个方面。
（1）质量管理：及时提供产品和制造工序、测量指标分析以保证产品质量控制，并辨别需要引起注意的问题，同时推荐一些矫正问题的措施。
（2）过程管理：监视生产过程，自动纠偏或为操作者提供决策支持以纠正和改善在制活动。
（3）维护管理：跟踪和指导设备及工具的维护活动以保证这些资源在制造进程中的可用性，保证周期性或预防性维护调度，以及对应急问题的反应（报警），并维护事件或问题的历史信息以支持故障诊断和预测。
（4）产品跟踪呈现：提供所有时期工作及其处置的可视性，其状态信息包括谁在进行该工作；供应者提供的零件、物料、批量、序列号；任何警告、返工或与产品相关的其他例外信息。
（5）性能分析：提供实际制造操作活动的最新报告，以及与历史记录和预期经营结果的比较，运行性能结果包括对资源利用率、资源可获取性、产品单位周期、与排程表的一致性、与标准的一致性等指标的度量。
（6）物料管理：管理物料（原料、零件、工具）及可消耗品的移动、缓冲与储存。
MES实现的业务价值在于：通过实时掌控计划、调度、质量、工艺、设备运行等信息情况，优化生产制造管理流程，强化过程管理和控制，均衡企业资源利用率，及时发现问题和解决问题，提高应变响应能力，从而降低成本，提升产能及客户服务水平，以此提高企业核心竞争力。