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工业4.0时代的MES系统
发布时间:2018-12-26 11:44 发布作者:新北仪 浏览次数:

 我们正处于一个旧IT走向新IT的变革时代,工业4.0的概念兴起 于德国,现在我们大家普遍认为 其是一次科 技革命,或者说是一次新 技术革命。工业4.0的目的是 通过应用物联网等技术提高德国的制造业水平,建立具有适应性、资源效率及人工智能的智能工厂,在商 业流程及价值流程中整 合客 户以及合作伙伴。

 

 无论产业界或者学术界如何解读工业4.0,它的本质都是数据,这些数据包括了智能产品的数据、 企业运营的数据、产 业链上的数据、企业外部数据等等。这些数据串起来工业4.0的生态圈。

 

 

 

四大主题构建工业4.0的核心业务

 

   我们步入工业4.0的时代,实现由“自动化”向“智能化”的转变。通过CPS(Cyber-Physical Systems)网络实现人、装备和产品的实时连通、相互识别和有效交流,为消费者定制“个性化”的商品,并且提供及时、高效的服务。

 

   工业4.0的四个主题:智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务。 智能工厂侧重点在于企业的智能化生产系统以及制造过程,对于网络化分布式生产设施的实现;智能生产侧重点在于 企业的生产物 流管 理、制造过程人机协同;而智能物流作为制造企业非常重要的 资源节点,其侧重点在 于通过互联网、物联网,整合物流资源,充分发挥现有的资源效率;智能服务作为制造企业的后端网络,其侧重点在于 通过(服)务联网结合智能产品为客户提供更好的服务,发挥企业的最大价值。

 

1)  智能工 厂是传统制造企业发展的一个新的阶段。

 

 它是在数字化工厂的基础上,利用物联网的技术和设备监控技术加 强信息管理和服务, 清楚 掌握产销流程、提高生产过程的可控率、减少生产线上 人工的干预、即时 正确的采集生产线数据,以及合理的生产计划与生产进度,并加上绿色制造的手段,构建一个高效节能的、绿色环保的、环境 舒适的人性化工厂。未 来各个工 厂将具备统一的机 械、电器和通信标准。以物联网和服务互联网为基础,配备传感器、无线网络和RFID通信技术的智能控制设备可 以对生产 过程进行智能化监控。由此,智能工厂可以自主运行,工厂之间的零部件与机器可以互相交流。

 

 智能工厂是 由软件操控,进行资源整合,发挥各环节的最大效率。智能工厂中的机器将全部由 软件控制,工人只需要 操 作计算机就可以完成生产,进一步解放了工厂中的工人,整体看来,它就是一个拥有 高度协同 性的生产系统,包括实时监控、自动化管理、流程控制、能源监控等等。收集及整合整个智能工厂的业务数据,通过大数据的分析整合,使其全 产业链可视化,达到生产最优化、流程最简化、效率最大化、成 本最低化和质量最优化 的目的。

 

2)  智能生产是由用户参  与实现“定人定制”的过程。 

 

 智能生产的车间可以实现大规模定制,对生产的柔性要求极高。鉴于此,生产环 节要广泛应用人工智能技术、 采用一体化的智 能系统,智能化 装备在生产过程中大展拳脚。工厂的工人和管理者可以通过网络对生产的每一个环节进行监 控,实现 智能化管理。

 

  一体化的智能系统是由智能装备和人类专家组成的,在制造过程中进行智能化的活动,诸如分析、推理、判断、构思和决策等,通过人与智能装备的合力共事,去扩大、延伸和部分 取代人类专家在制造 过 程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新,扩展到柔性化、智能化和高度集成 化。与 传统制造相比,智能生产具有自组织和超柔性、自律能力、自 学习能力和自维护能力、人机一体化、虚 拟现实等特性。

 

3)  智能物流以客户为中心,促进资源优化配置。

 

 根据客户的需求变化,灵活调节运输方式,应用条码、RFID、传感器、全球定位系统等先进的物联网技 术,通过信息处理平台,实现货物运输过程的自 动化 运作和高效率优化管理,从而 促进区域经济 的发展和资源的优化配置,方便人的生活。

 

4)  智能服务促 进新的 商业模式,促进企业向服务型制 造转型。

 

 智能产品+状态感知控制+大数据处理,将改变产品的现有 销售和 使用模式。 增加了在线租用、自动配送和返还、优化保养和设备自动预警、自动维修等智能服务新模式。

 

工业4.0背景下,MES被重新定义

 

 我们可以把智能工厂比作一个人, 工业软件就是这个人的神经系统。其中,在制造板块,MES的作用尤为重要。

 

 按照AMR所给予的定位:MES服务于工厂生产执行层的信息系统,位于企业经 营层的计 划系统与生产过程的直接工业 控制 系统之间。该定位将企业的运作划分为三个层 次,分别是:计划层、执行 层和控制层。其中:计划层就是MRPⅡ或ERP等经营管理信息系统。控制层包括DCS、PLC、NC/CNC或SCADA中的一个系统或这几种配 置的组合,以及 各种仪  器设备等;介于两者之间的是执行层,MES(制造执行系统)。

 

 

 

 介于企业的“计划层”和制造“设备层”之间,对企业生产计划进行“再计划”,“指令”生产设备“协同”或“同步“动作,对产品生产过程进行及时的响应,使用当前确的数据对生产过程进行及时调整、更改或干预等处理。

 

 采用双向直接的通讯,在整  个企业的产品供需链中,即向 生产过程人员传达企业的期望(计划), 又向有关的部门提供产品制造过程状态  的信息反馈。

 

 既不同于类似于ERP的企业运营系统,也不同于企业的过 程控制系统,使用MES的经验表明,它既能提高按时交货 的能力,改善物料的流通性能, 由能减少企业内部没有附加值的活动。

 

 在工业4.0背景下,推动智能制造,构建智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务体系,我们需要对MES重新进行定义,主要从以下几个方面进行说明:

 

1)  MES深度融入企业运营环节

 

 智 能工厂中的机器将全部由软件控制,工人只需要通过MES现场的操作计算机或 者移动终端就可以完成生产,MES结合企业运营的其他工业软件构建一个高度协同性的生产系统,对企业的设计、采购、销售、计划、制造和运维服务各 个环节,对每一个与制造相关的指令能够精确调度、发送、 跟踪和监控该指令影响生 产的过程,成为实现车间制程智能 化的基本技术手段。MES收集及整合整个智能工厂的业务数据,通过工业大数据的分析 整合,使其全产业链可 视化,达到生产最优化、流程最简化、效率最大化、成本最低化 和质量最优化 的目的。

 

 伴随 着 制造企业的发展,未来制造企业势 必也是一个软件公 司, 软件系统的应用也会越来越多,MES就会成为制造企业运营的 基石。

 

 重新定义的MES的位置与其他业务板块同等重要,以网  络化和扁平化的形  式对企业的生产计划进行“再计划”,“指令”生产设备“协同”或“同步“动作,对产品生产过程进行及时的响应,使用当前确的数据对生产过程进行及时调整、 更改或干预等处理。

 

       针对大规模定制的需求 可以实现柔性排程和调度

 

 采用 多向直接的通讯,在 整个 企业的产品供需链中,即向生产过程人员  传达 企业的期望(计划),又向有关的部门提供产品制造过程状态的信息反馈,还要告知车间底层装备之间加工的法则,彼此的加工状态。

 

 既 不同于 类似于ERP的企业运 营系统, 也不同于企业的过程控制系统,使用MES的经验表明,它不 再单纯只针对制造过程进行优化,可以延伸至企业运营的其他的板块,缩短产  品的研发周 期,提高生产效率,降低单元的产品的制造成本,提高产品的不良率和能 源利用率。

 

2)  MES的业务应 用范围更加深入

 

 传统MES 的作用就是实现企业的连续信息流。并通过对信息的传递和处理,对 订单下达到产品 完成的整个生产过程优化管理。MESA归纳了MES的十一个主要功能 模块,包括工序详细调度、资源分配和 状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管 理、性能分析和数据采集等模块。通过MES这些模块的 有效协作,可以起到沟通企业计划层和控制层,凭借信息技术提供 精确的实时数据,并最终达到优化管理活动和生产活动的目的。而在现实当中,各不同行业企业可以根据行业特点和企业实际,开发适合自身情况的多种 功能模块。

 

 从MESA的定义也可 以 看出,提供 精 确的实时数据是 一个 优秀的MES的优势所在。MES对数据提供的实 时性要明显 高于ERP,如果说控制层提供的实时时间系数为1,那么,MES的时间系数为10,ERP的时间系数为100。但是,重新定义的MES的核心优势不仅仅在于提供实时数据,而且需要 对实时指令进行准备的自学习和柔性调度,也就意味着MES的时 间系数也变成了1。

 

工业4.0下MES的发展趋势

 

 MES是智能制造在智慧工厂范畴内的承载主体,实现“物理工厂”的“信息领域”的投影。在智能制造工业互 联网的背景下,MES有哪些改变呢? 

 

1、传统的 集成向过程融合发展

 

 从未来的需求来看,尤其是在B2P的商业模式下,制造企业必须能够快速处理大量的单件制造及特 别制造的方式,同时  全球化驱动的 分散性协同制造成 为主流,这就导致了传统设计、计划到生产模式的反 应迟缓,严谨的 PLM、ERP、MES的集成流程太过到刚性。

 

 取而 代之的是一种新的方式是设计、计划和生 产紧密协作、并行执行,基于同样的需求、物料、产能等数据,PLM设计结束之前,柔性生产计划 即可快速下达,MES实时开始生产执行,同时实现良好的反馈机制。这种柔性协同也对系统间设计 BOM、生产BOM、数据、模型等一致性和灵活性提出了更高的要 求。

 

2、传统的数字管理向智能管理发展

 

  MESA组织给出MES功能模 型的定义,强调生产过程“生产、质量、消耗及绩效”的业务管理。近十年来MES的发展,也是参考这个功能模型的 定义,集中在业务数据采集、业务数据传递和业务统计。通过业务过程的数字化,建 立了协同工作平台,并在此基础 上进行数据分析与统计,基本实现了全面的数字化 和透明化管理。

 

 但在实施MES的过程中都能深切感受 到客户对MES智能化期望 较高:希望能够采用APS自动实现作业任 务编排,希望 系统 能够根据过程变化自动调整计划,希望自 动调 整工艺参数来确保质量最佳。但事实上,传统 基于单据作业模式的MES,在 数据分析与处理上并没有下太多的功夫。

 

 在工业4.0时代,生产变化及灵活性更 高,生产要 素须自动配置,必然要求在生产全过程的数 字 化的基础上,增加智能优化方法。工厂的智能化分为两个层次:

 一个层次是实现微观层面的智 能优化。比如在工序层 面的控制中,在区 域协调优化中采用智能化技术。或者在某一个专 业领域,如设备的状态预测、质量 预警及生产预警。
 另一个层面是宏观层面,根据生产过 程中各要素的数字化,形成计划、排产、质量控制、过程跟踪的闭环反馈,采用智能优化算法进行协同 优化。

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3、传统的车间管理向工厂运营平台发展

 

 工业4.0时代的MES,或许将重新定义,在协同制造方 面超越目 前内部组织范畴,而扩 展至与供应商和客户的连接;在制造智能方面将不限于收集、分析与展现,而将进一步实 现现场实时分析、协同智能决策,及时调整制造执行过程;在业务领域层面,将扩展智能 装备的性能监测与维护、绿色制造的能源管理等内容。在制造执行(Manufacturing Execution) 系统将跃变为卓越制造(ManufacturingExcellence)系统。

 

4、传 统的结构 化数据向工业大 数据平台发展

 

 中国制造虽然有环境因素、资源因素,但最重要的 因素来 看,差在哪呢?分析认为,主要差在“软实力”方面。虽然在硬件层面我们也有 明显的差距,但有大量数据比较得出,即使一样建设的生产线(如汽车生产线,我国的效率仍然和邻国日本差一大截, 因此不能把责任推到基础硬件层面。

 

 工业4.0时代,技术的 发展为数  据的产 生(物联网)、存贮、分析(云技术)、使用(移动互联)更加方便。因此也可以说,工业4.0的变革是数 据驱动型的变革。这个“软实力” 提 升的主要驱 动力 是“数据”的利用。

 

 MES传统上处 理各类业务单据,数据仅限于结构化的 数据,很多企业在此基础  上,也开展了商务智能(BI)的建设与利用,但总体上还在有限 的数据范围 内进行事后分析。

 

 今天的物联网(包括设备、物料等IIOT及人工作业过程中的HIOT)将 产生大量的实时信息,都是表征了生产过 程的全息影像。这些数据在采集、管理、分析与可视化方面,技术上正在逐步可行。

 

5、传统 的功能套 件向模型驱动发展

 

 在技术实现上,传统的MES在逐步开发及实 施的过程中, 功能一点点增加,最终形成覆盖工厂管理需要的一个功能套件集合,即我们常见的套装软件。但这种套装软件从设计本质 上是以职能管理为核心 的,以软件系统为中心的。在工业4.0时代,面向 以客 户为中心价值传递,以产品为中心的制造资源重组的要求时,传统的MES是无能为力的。

 

 有调查表明,在MES系统建成的三年内,50%的工艺(模型)将会或 多或少 随着生产 的持续改进而调整,在工业4.0时代的定制时代这种变化更加 剧烈。这就要求MES系统必须是一个可适应、可扩展的系统,其技术的主要特点是采用模型驱动技术来构架系统。将ISA95相关的、在制造业通用功能以组件的方式,而各厂不同的、适应各自管理及工艺流程的、不同应用系统集 成的部分,将通过可配置的模型平台来实现,如下图所示。当工艺流程发生变化 时,只需在线修改模型,而不需调整功能组件,从而实现系统的适应性。

 

6、传统的视窗界面向虚拟现实发展

 

 从人机协同的角度 来看,计算 机技术发展到 今天,主要存在两个问题没有很好解决。一是计算机的现场应用,一是信息的展示方法。试想,通过键盘、鼠 标的信息录入方法完 全是要求人们去适应计算 机的需要, 采用视窗 操作界面,也是今天的计算 机操作系统的展示 信息的手段。这些 都是以计算机为核心,或者说以系统为核心的思想。

 

 在工业4.0时代,物联网技 术引发数据海量增加、设备智能化及自主化管理,这些变化将人从“操作员”的角 色逐步提升到“监控者及决策 者”,人机 交互的方式必 须更加自 然、实时、聚焦要点。

 

 虚拟 现实及增强现实 技术可以有效解决这一点。在工业4.0时代,虚拟世 界将与现实世界 高度融合。通过计算、自主控制和联网,人、机器和信息互相联接,融为一体,所有的生产数据将被全部整合 到工厂虚 拟现实管理系统中。

 

 利用三维可视化技术将生产场景真实展现出来,生产数据实时 驱动三维场景中的设备,使其状态与真实生产场景一致,从而让管理者充分了解整个生产场景中各设备的运行状况,达到监测、查看、分析的目的。

 

 

工业领域的创新发 展是推动科技创新、经济增长 和社会稳定的重 要力量。但与此同时,市场竞争也在变得愈发激烈。 

 

智能制造的整体解决方 案实现虚拟生产和与现实生产环境的融 合,采用创新的工业软件、自动化技术、驱动技术及服务,让MES深入企业运营应用过程中,促进企业缩短产品的研 发周期,提高生产效率, 为企业发展提供技术支持。