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工業4.0時代的MES系統


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我們正處於一個舊IT走向新IT的變革時代,工業4.0的概念興起於德國,現在我們大家普遍認為其是一次科技革命,或者說是一次新技術革命。工業4.0的目的是通過應用物聯網等技術提高德國的製造業水平,建立具有適應性、資源效率及人工智慧的智慧工廠,在商業流程及價值流程中整合客戶以及合作伙伴。

無論產業界或者學術界如何解讀工業4.0,它的本質都是資料,這些資料包括了智慧產品的資料、企業運營的資料、產業鏈上的資料、企業外部資料等等。這些資料串起來工業4.0的生態圈。

四大主題構建工業4.0的核心業務

我們步入工業4.0的時代,實現由“自動化”向“智慧化”的轉變。通過CPS(Cyber-Physical Systems)網絡實現人、裝備和產品的實時連通、相互識別和有效交流,為消費者定製“個性化”的商品,並且提供及時、高效的服務。

工業4.0的四個主題:智慧工廠、智慧生產、智慧物流和智慧服務。智慧工廠側重點在於企業的智慧化生產系統以及製造過程,對於網絡化分佈式生產設施的實現;智慧生產側重點在於企業的生產物流管理、製造過程人機協同;而智慧物流作為製造企業非常重要的資源節點,其側重點在於通過互聯網、物聯網,整合物流資源,充分發揮現有的資源效率;智慧服務作為製造企業的後端網絡,其側重點在於通過(服)務聯網結合智慧產品為客戶提供更好的服務,發揮企業的最大價值。

1) 智慧工廠是傳統製造企業發展的一個新的階段。

它是在數字化工廠的基礎上,利用物聯網的技術和設備監控技術加強信息管理和服務,清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控率、減少生產線上人工的干預、即時正確的採集生產線資料,以及合理的生產計劃與生產進度,並加上綠色製造的手段,構建一個高效節能的、綠色環保的、環境舒適的人性化工廠。未來各個工廠將具備統一的機械、電器和通信標準。以物聯網和服務互聯網為基礎,配備傳感器、無線網絡和RFID通信技術的智慧控制設備可以對生產過程進行智慧化監控。由此,智慧工廠可以自主運行,工廠之間的零部件與機器可以互相交流。

智慧工廠是由軟體操控,進行資源整合,發揮各環節的最大效率。智慧工廠中的機器將全部由軟體控制,工人只需要操作計算機就可以完成生產,進一步解放了工廠中的工人,整體看來,它就是一個擁有高度協同性的生產系統,包括實時監控、自動化管理、流程控制、能源監控等等。收集及整合整個智慧工廠的業務資料,通過大資料的分析整合,使其全產業鏈可視化,達到生產最優化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和質量最優化的目的。

2) 智慧生產是由用戶參與實現“定人定製”的過程。

智慧生產的車間可以實現大規模定製,對生產的柔性要求極高。鑒於此,生產環節要廣泛應用人工智慧技術、採用一體化的智慧系統,智慧化裝備在生產過程中大展拳腳。工廠的工人和管理者可以通過網絡對生產的每一個環節進行監控,實現智慧化管理。

一體化的智慧系統是由智慧裝備和人類專家組成的,在製造過程中進行智慧化的活動,諸如分析、推理、判斷、構思和決策等,通過人與智慧裝備的合力共事,去擴大、延伸和部分取代人類專家在製造過程中的腦力勞動。它把製造自動化的概念更新,擴展到柔性化、智慧化和高度集成化。與傳統製造相比,智慧生產具有自組織和超柔性、自律能力、自學習能力和自維護能力、人機一體化、虛擬現實等特性。

3) 智慧物流以客戶為中心,促進資源優化配置。

根據客戶的需求變化,靈活調節運輸方式,應用條碼、RFID、傳感器、全球定位系統等先進的物聯網技術,通過信息處理平臺,實現貨物運輸過程的自動化運作和高效率優化管理,從而促進區域經濟的發展和資源的優化配置,方便人的生活。

4) 智慧服務促進新的商業樣式,促進企業向服務型製造轉型。

智慧產品+狀態感知控制+大資料處理,將改變產品的現有銷售和使用樣式。增加了在線租用、自動配送和返還、優化保養和設備自動預警、自動維修等智慧服務新樣式。

工業4.0背景下,MES被重新定義

我們可以把智慧工廠比作一個人,工業軟體就是這個人的神經系統。其中,在製造板塊,MES的作用尤為重要。

按照AMR所給予的定位:MES服務於工廠生產執行層的信息系統,位於企業經營層的計劃系統與生產過程的直接工業控制系統之間。該定位將企業的運作劃分為三個層次,分別是:計劃層、執行層和控制層。其中:計劃層就是MRPⅡ或ERP等經營管理信息系統。控制層包括DCS、PLC、NC/CNC或SCADA中的一個系統或這幾種配置的組合,以及各種儀器設備等;介於兩者之間的是執行層,MES(製造執行系統)。

介於企業的“計劃層”和製造“設備層”之間,對企業生產計划進行“再計劃”,“指令”生產設備“協同”或“同步“動作,對產品生產過程進行及時的響應,使用當前確的資料對生產過程進行及時調整、更改或干預等處理。

採用雙向直接的通訊,在整個企業的產品供需鏈中,即向生產過程人員傳達企業的期望(計劃),又向有關的部門提供產品製造過程狀態的信息反饋。

既不同於類似於ERP的企業運營系統,也不同於企業的過程控制系統,使用MES的經驗表明,它既能提高按時交貨的能力,改善物料的流通性能,由能減少企業內部沒有附加值的活動。

在工業4.0背景下,推動智慧製造,構建智慧工廠、智慧生產、智慧物流和智慧服務體系,我們需要對MES重新進行定義,主要從以下幾個方面進行說明:

1) MES深度融入企業運營環節

智慧工廠中的機器將全部由軟體控制,工人只需要通過MES現場的操作計算機或者移動終端就可以完成生產,MES結合企業運營的其他工業軟體構建一個高度協同性的生產系統,對企業的設計、採購、銷售、計劃、製造和運維服務各個環節,對每一個與製造相關的指令能夠精確調度、發送、跟蹤和監控該指令影響生產的過程,成為實現車間製程智慧化的基本技術手段。MES收集及整合整個智慧工廠的業務資料,通過工業大資料的分析整合,使其全產業鏈可視化,達到生產最優化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和質量最優化的目的。

伴隨著製造企業的發展,未來製造企業勢必也是一個軟體公司,軟體系統的應用也會越來越多,MES就會成為製造企業運營的基石。

重新定義的MES的位置與其他業務板塊同等重要,以網絡化和扁平化的形式對企業的生產計划進行“再計劃”,“指令”生產設備“協同”或“同步“動作,對產品生產過程進行及時的響應,使用當前確的資料對生產過程進行及時調整、更改或干預等處理。

針對大規模定製的需求可以實現柔性排程和調度

採用多向直接的通訊,在整個企業的產品供需鏈中,即向生產過程人員傳達企業的期望(計劃),又向有關的部門提供產品製造過程狀態的信息反饋,還要告知車間底層裝備之間加工的法則,彼此的加工狀態。

既不同於類似於ERP的企業運營系統,也不同於企業的過程控制系統,使用MES的經驗表明,它不再單純只針對製造過程進行優化,可以延伸至企業運營的其他的板塊,縮短產品的研發周期,提高生產效率,降低單元的產品的製造成本,提高產品的不良率和能源利用率。

2) MES的業務應用範圍更加深入

傳統MES的作用就是實現企業的連續信息流。並通過對信息的傳遞和處理,對訂單下達到產品完成的整個生產過程優化管理。MESA歸納了MES的十一個主要功能模塊,包括工序詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文件控制、產品跟蹤和產品清單管理、性能分析和資料採集等模塊。通過MES這些模塊的有效協作,可以起到溝通企業計劃層和控制層,憑藉信息技術提供精確的實時資料,並最終達到優化管理活動和生產活動的目的。而在現實當中,各不同行業企業可以根據行業特點和企業實際,開發適合自身情況的多種功能模塊。

從MESA的定義也可以看出,提供精確的實時資料是一個優秀的MES的優勢所在。MES對資料提供的實時性要明顯高於ERP,如果說控制層提供的實時時間繫數為1,那麼,MES的時間繫數為10,ERP的時間繫數為100。但是,重新定義的MES的核心優勢不僅僅在於提供實時資料,而且需要對實時指令進行準備的自學習和柔性調度,也就意味著MES的時間繫數也變成了1。

工業4.0下MES的發展趨勢

MES是智慧製造在智慧工廠範疇內的承載主體,實現“物理工廠”的“信息領域”的投影。在智慧製造工業互聯網的背景下,MES有哪些改變呢?

1、傳統的集成向過程融合發展

從未來的需求來看,尤其是在B2P的商業樣式下,製造企業必須能夠快速處理大量的單件製造及特別製造的方式,同時全球化驅動的分散性協同製造成為主流,這就導致了傳統設計、計划到生產樣式的反應遲緩,嚴謹的 PLM、ERP、MES的集成流程太過到剛性。

取而代之的是一種新的方式是設計、計劃和生產緊密協作、並行執行,基於同樣的需求、物料、產能等資料,PLM設計結束之前,柔性生產計劃即可快速下達,MES實時開始生產執行,同時實現良好的反饋機制。這種柔性協同也對系統間設計 BOM、生產BOM、資料、模型等一致性和靈活性提出了更高的要求。

2、傳統的數字管理向智慧管理髮展

MESA組織給出MES功能模型的定義,強調生產過程“生產、質量、消耗及績效”的業務管理。近十年來MES的發展,也是參考這個功能模型的定義,集中在業務資料採集、業務資料傳遞和業務統計。通過業務過程的數字化,建立了協同工作平臺,併在此基礎上進行資料分析與統計,基本實現了全面的數字化和透明化管理。

但在實施MES的過程中都能深切感受到客戶對MES智慧化期望較高:希望能夠採用APS自動實現作業任務編排,希望系統能夠根據過程變化自動調整計劃,希望自動調整工藝引數來確保質量最佳。但事實上,傳統基於單據作業樣式的MES,在資料分析與處理上並沒有下太多的功夫。

在工業4.0時代,生產變化及靈活性更高,生產要素須自動配置,必然要求在生產全過程的數字化的基礎上,增加智慧優化方法。工廠的智慧化分為兩個層次:

一個層次是實現微觀層面的智慧優化。比如在工序層面的控制中,在區域協調優化中採用智慧化技術。或者在某一個專業領域,如設備的狀態預測、質量預警及生產預警。

另一個層面是宏觀層面,根據生產過程中各要素的數字化,形成計劃、排產、質量控制、過程跟蹤的閉環反饋,採用智慧優化演算法進行協同優化。

3、傳統的車間管理向工廠運營平臺發展

工業4.0時代的MES,或許將重新定義,在協同製造方面超越目前內部組織範疇,而擴展至與供應商和客戶的連接;在製造智慧方面將不限於收集、分析與展現,而將進一步實現現場實時分析、協同智慧決策,及時調整製造執行過程;在業務領域層面,將擴展智慧裝備的性能監測與維護、綠色製造的能源管理等內容。在製造執行(Manufacturing Execution) 系統將躍變為卓越製造(ManufacturingExcellence)系統。

4、傳統的結構化資料向工業大資料平臺發展

中國製造雖然有環境因素、資源因素,但最重要的因素來看,差在哪呢?分析認為,主要差在“軟實力”方面。雖然在硬體層面我們也有明顯的差距,但有大量資料比較得出,即使一樣建設的生產線(如汽車生產線,我國的效率仍然和鄰國日本差一大截,因此不能把責任推到基礎硬體層面。

工業4.0時代,技術的發展為資料的產生(物聯網)、存貯、分析(雲技術)、使用(移動互聯)更加方便。因此也可以說,工業4.0的變革是資料驅動型的變革。這個“軟實力”提升的主要驅動力是“資料”的利用。

MES傳統上處理各類業務單據,資料僅限於結構化的資料,很多企業在此基礎上,也開展了商務智慧(BI)的建設與利用,但總體上還在有限的資料範圍內進行事後分析。

今天的物聯網(包括設備、物料等IIOT及人工作業過程中的HIOT)將產生大量的實時信息,都是表徵了生產過程的全息影像。這些資料在採集、管理、分析與可視化方面,技術上正在逐步可行。

5、傳統的功能套件向模型驅動發展

在技術實現上,傳統的MES在逐步開發及實施的過程中,功能一點點增加,最終形成改寫工廠管理需要的一個功能套件集合,即我們常見的套裝軟體。但這種套裝軟體從設計本質上是以職能管理為核心的,以軟體系統為中心的。在工業4.0時代,面向以客戶為中心價值傳遞,以產品為中心的製造資源重組的要求時,傳統的MES是無能為力的。

有調查表明,在MES系統建成的三年內,50%的工藝(模型)將會或多或少隨著生產的持續改進而調整,在工業4.0時代的定製時代這種變化更加劇烈。這就要求MES系統必須是一個可適應、可擴展的系統,其技術的主要特點是採用模型驅動技術來構架系統。將ISA95相關的、在製造業通用功能以組件的方式,而各廠不同的、適應各自管理及工藝流程的、不同應用系統集成的部分,將通過可配置的模型平臺來實現,如下圖所示。當工藝流程發生變化時,只需在線修改模型,而不需調整功能組件,從而實現系統的適應性。

6、傳統的視窗界面向虛擬現實發展

從人機協同的角度來看,計算機技術發展到今天,主要存在兩個問題沒有很好解決。一是計算機的現場應用,一是信息的展示方法。試想,通過鍵盤、滑鼠的信息錄入方法完全是要求人們去適應計算機的需要,採用視窗操作界面,也是今天的計算機操作系統的展示信息的手段。這些都是以計算機為核心,或者說以系統為核心的思想。

在工業4.0時代,物聯網技術引發資料海量增加、設備智慧化及自主化管理,這些變化將人從“操作員”的角色逐步提升到“監控者及決策者”,人機交互的方式必須更加自然、實時、聚焦要點。

虛擬現實及增強現實技術可以有效解決這一點。在工業4.0時代,虛擬世界將與現實世界高度融合。通過計算、自主控制和聯網,人、機器和信息互相聯接,融為一體,所有的生產資料將被全部整合到工廠虛擬現實管理系統中。

利用三維可視化技術將生產場景真實展現出來,生產資料實時驅動三維場景中的設備,使其狀態與真實生產場景一致,從而讓管理者充分瞭解整個生產場景中各設備的運行狀況,達到監測、查看、分析的目的。

工業領域的創新發展是推動科技創新、經濟增長和社會穩定的重要力量。但與此同時,市場競爭也在變得愈發激烈。

智慧製造的整體解決方案實現虛擬生產和與現實生產環境的融合,採用創新的工業軟體、自動化技術、驅動技術及服務,讓MES深入企業運營應用過程中,促進企業縮短產品的研發周期,提高生產效率, 為企業發展提供技術支持。

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