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智能制造之?dāng)?shù)字化轉(zhuǎn)型核心——MES/MOM落地1 引言 第一次工業(yè)革命打開(kāi)了工業(yè)發(fā)展的大門(mén)，制造業(yè)逐步登上實(shí)體經(jīng)濟(jì)的舞臺(tái)，成為各國(guó)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。隨著WTO 成員國(guó)的增多，全球貿(mào)易既刺激了經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，又帶來(lái)了巨大的競(jìng)爭(zhēng)。社會(huì)的發(fā)展和需求促進(jìn)了幾次工業(yè)革命先后到來(lái)，為了在新的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，各國(guó)結(jié)合本國(guó)國(guó)情制定了以“智能制造”為主題的國(guó)家戰(zhàn)略，如美國(guó)《先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》、德國(guó)《工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略實(shí)施建議》、法國(guó)《“新工業(yè)法國(guó)”戰(zhàn)略》、日本《制造業(yè)白皮書(shū)》、英國(guó)《英國(guó)制造業(yè) 2050》、中國(guó)《中國(guó)制造 2025》等。 通過(guò)智能制造可以打通制造業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)，為各環(huán)節(jié)賦能，其中數(shù)字化轉(zhuǎn)型是其中最基本、最重要的路徑。在疫情影響下，數(shù)字化作為企業(yè)增長(zhǎng)新動(dòng)力的價(jià)值也日益凸顯。 2 數(shù)字化整體架構(gòu) 在數(shù)字化技術(shù)中，既需要縱向“人機(jī)料法環(huán)”的集成，又需要橫向“人財(cái)物產(chǎn)銷”的融合，涉及面較廣、復(fù)雜度較高，MES/MOM 是實(shí)現(xiàn)集成與融合的不二之選。 MES 的概念最早見(jiàn)于 ISA-95，后隨著發(fā)展將此概念改為 MOM。MES/MOM 涉及面較廣，需要認(rèn)識(shí)到其不是一套純軟件，否則可能導(dǎo)致實(shí)施方向變化，達(dá)不到預(yù)期效果。MES/MOM 從應(yīng)用的耦合度來(lái)看有松耦合、緊耦合之分：松耦合 MES/MOM 主要為數(shù)據(jù)層面的集成應(yīng)用，因項(xiàng)目復(fù)雜度低、展示效果較佳而成為供應(yīng)商的主流實(shí)施方向；緊耦合 MES/MOM 與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行集成，參與設(shè)備的控制，是實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)化做執(zhí)行，信息化做決策”的智能工廠的必要途徑。本文結(jié)合多個(gè)智能工廠（汽車主機(jī)廠、化纖工廠）數(shù)字化轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)緊耦合 MES/MOM 落地進(jìn)行介紹。數(shù)字化整體架構(gòu)如圖 1 所示。  圖1 數(shù)字化整體架構(gòu) 1）IAAS 層。難點(diǎn)在于數(shù)字化設(shè)備品種較多，通信協(xié)議多，且存在部分國(guó)外壟斷設(shè)備，融合難度大。穩(wěn)定的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化融合的基石，主網(wǎng)絡(luò)可采用光纖環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，子網(wǎng)絡(luò)可融合 5G，同時(shí)考慮留有適量的余量或擴(kuò)展接口，方便后續(xù)設(shè)備的快速接入。在此層控制器程序設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)產(chǎn)品、業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)合理的 UDT，統(tǒng)一的 UDT 也便于引用與靈活配置。程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)引入MapReduce 的思路與技術(shù)，輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化層的高并發(fā)處理。 2）PAAS 層。IoT 層實(shí)現(xiàn) IT 與自動(dòng)化之間數(shù)據(jù)自由交互。該層難點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備廠家通信協(xié)議眾多并存（如TCP/IP、S7、Profibus-DP、PROFINET、CC-Link 等），甚至部分專有、進(jìn)口設(shè)備由于廠家壟斷，被封鎖通信協(xié)議。目前 IoT 主流方案以采用商業(yè) OPC 軟件（含各廠家驅(qū)動(dòng)）為主，少部分通信接口開(kāi)發(fā)。IoT 層在 Controllers與 MES/MOM 發(fā)生高并發(fā)時(shí)，要保證信息的完整性、及時(shí)性，可采用 MQ。 3）SAAS 層。首先要實(shí)現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)存的 IT 系統(tǒng)之間的融合，實(shí)現(xiàn)研發(fā)、經(jīng)營(yíng)的數(shù)字化，系統(tǒng)眾多的情況下，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的接口難度較大，可采用 ESB 實(shí)現(xiàn)。對(duì)于在整個(gè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中起到“承上啟下”的緊耦合 MES/MOM，需遵循“一一對(duì)應(yīng)，有求必應(yīng)”的原則。 “一一對(duì)應(yīng)”：現(xiàn)場(chǎng)控制層的請(qǐng)求和 MES/MOM 層的響應(yīng)是嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)的，防止出錯(cuò)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層一般作為業(yè)務(wù)需求的發(fā)起端（即請(qǐng)求）。 “有求必應(yīng)”：現(xiàn)場(chǎng)控制層發(fā)起一次請(qǐng)求后，MES/MOM 必須在一定的時(shí)間內(nèi)有響應(yīng)，控制器據(jù)此控制設(shè)備動(dòng)作與否，避免沒(méi)有響應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)“該開(kāi)不開(kāi)，該停不�！保ā霸撻_(kāi)不開(kāi)”：如離散行業(yè)輸送線未接收到繼續(xù)運(yùn)行的響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致停線事故，影響生產(chǎn)節(jié)拍；如流程行業(yè)攪拌器未及時(shí)接受到動(dòng)作指令會(huì)導(dǎo)致整釜漿料質(zhì)量不合格而廢棄�！霸撏２煌！保喝缙囕斔途�因出現(xiàn)質(zhì)量事故需停線，未及時(shí)接收到停止指令會(huì)導(dǎo)致車輛、車門(mén)隊(duì)列錯(cuò)亂，增加生產(chǎn)成本）。 對(duì)于系統(tǒng)建設(shè)建議要遵循“二八原則”：20% 是正常的業(yè)務(wù)流程，80% 是各種異常情況的處理，異常處理機(jī)制決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平高低的體現(xiàn)。緊耦合 MES/MOM 的成功落地建議遵循“4321 原則”：花費(fèi) 40% 的成本（人力、時(shí)間等）進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)研、業(yè)務(wù)梳理、技術(shù)選型、架構(gòu)設(shè)計(jì)、藍(lán)圖設(shè)計(jì)、FDS 等，花費(fèi) 30% 的成本進(jìn)行功能模塊開(kāi)發(fā)、模塊標(biāo)準(zhǔn)化等，花費(fèi) 20% 的成本進(jìn)行正常測(cè)試、異常測(cè)試、壓力測(cè)試等，正式上線運(yùn)行后花費(fèi) 10% 的成本進(jìn)行日常運(yùn)維、后續(xù)必要升級(jí)等。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，從項(xiàng)目管理的角度而言，要做好變更管理，業(yè)務(wù)的過(guò)多變更說(shuō)明前期的業(yè)務(wù)調(diào)研、業(yè)務(wù)梳理等工作做的不夠細(xì)致深入，變更過(guò)多會(huì)導(dǎo)致需求紊亂，甚至導(dǎo)致藍(lán)圖、架構(gòu)、FDS 等均需重新開(kāi)始，增加項(xiàng)目失敗的風(fēng)險(xiǎn)。 3 落地方案 1）Controllers。對(duì)于集團(tuán)型企業(yè)，可對(duì)控制器層面做統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的要求，便于后續(xù)的數(shù)字化建設(shè)，如主控層 PLC 可統(tǒng)一使用 Siemens S7-1500 系列，相互間可通過(guò) S7 單邊 / 雙邊通信，進(jìn)而大幅度減少?gòu)目貙拥拈_(kāi)發(fā)量，縮短項(xiàng)目上線周期，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的交互可采用 PROFINET，等時(shí)同步模式最快可達(dá) 25μs（需配合PROFINET 交換機(jī)）；對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)控制器，可增加擴(kuò)展板卡（如PROFINET板卡、PROFIBUS DP板卡）進(jìn)行融合；根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品或業(yè)務(wù)需求定義標(biāo)準(zhǔn)的 UDT 結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，增加應(yīng)用配置的靈活性。 2）IoT 層。結(jié)合多個(gè)成功落地的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，可通過(guò) OPC（配合對(duì)應(yīng)控制器的驅(qū)動(dòng)）連接自動(dòng)化層，通過(guò)RESTFUL 或 MQTT 將自動(dòng)化層的信息傳入 MQ 隊(duì)列中，由 IT 進(jìn)行接收處理，IT 處理完后返回的信息傳遞按相反的流程傳遞至自動(dòng)化控制器層。該方式可保證數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性、可靠性，此方案性能可靠、穩(wěn)定性高、資源占用少，具備良好的可復(fù)制性。對(duì)于該層，若老設(shè)備改造代價(jià)過(guò)高，可選擇 OPC 作為兜底方案，也可達(dá)到上述目的。 3）SAAS 層。先梳理清楚各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍，只有將各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)相互關(guān)聯(lián)打通，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效集成。如集團(tuán)、子公司之間的系統(tǒng)較多，融合需要開(kāi)發(fā)的接口較多，建議采用 ESB，減少融合難度，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)接的可靠性、靈活性等。IT 層的數(shù)字化融合方面較廣，本文主要就緊耦合 MES/MOM 進(jìn)行論述。  MES/MOM 整體規(guī)劃與架構(gòu)如圖 2 所示（已上線運(yùn)行，涉密原因做過(guò)刪改）。MES/MOM 的實(shí)現(xiàn)需先梳理、整合、設(shè)計(jì)好業(yè)務(wù)，實(shí)施可按“先主后次”的原則：先確定主業(yè)務(wù)流程，對(duì)于影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的功能優(yōu)先設(shè)計(jì)、上線，做好版本管控；次要的功能如報(bào)表、PMC 看板、駕駛座艙等，可延后設(shè)計(jì)、上線。 MES/MOM 也是管理等理念的顯化與落地，以“精益生產(chǎn)”為例。以前精益生產(chǎn)的理念是“不制造缺陷，不傳遞缺陷”，落地可借鑒 ANDON——現(xiàn)場(chǎng)有缺陷時(shí)（質(zhì)量缺陷、物料短缺、設(shè)備故障等），通過(guò)人工觸發(fā)按鈕、自動(dòng)觸發(fā)等方式通知人員及時(shí)處理，避免缺陷傳遞至下一工序，造成非必要停線；現(xiàn)在精益生產(chǎn)的理念是“盡可能縮短產(chǎn)品交付周期”，應(yīng)注重基礎(chǔ)管理、現(xiàn)場(chǎng)管理、各系統(tǒng)的邏輯對(duì)接與交互，如做好基礎(chǔ)輔料庫(kù)存管理，隨時(shí)精準(zhǔn)掌握庫(kù)存現(xiàn)狀、進(jìn)出庫(kù)情況等，通過(guò) MES 與LES、JIT 等系統(tǒng)的對(duì)接，及時(shí)協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)物料的需求、及時(shí)送達(dá)，確保生產(chǎn)節(jié)拍。 由圖 2 可知，緊耦合 MES/MOM 的成功落地實(shí)施是跨學(xué)科、跨部門(mén)的協(xié)同，管理部門(mén)涉及倉(cāng)儲(chǔ)、設(shè)備管理部、IT 信息部、采購(gòu)等（部門(mén)設(shè)置與公司組織架構(gòu)有關(guān)），技術(shù)部門(mén)涉及生產(chǎn)工藝、自動(dòng)化、IT、大數(shù)據(jù)、AI 等。對(duì)于企業(yè)初次實(shí)施 MES/MOM，需是一把手工程，能對(duì)所需資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。從業(yè)務(wù)理解深度、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)把控、成本把控、運(yùn)維深度與自主性等方面考慮，建議自行實(shí)施，也可通過(guò)項(xiàng)目的成功實(shí)施培養(yǎng)一批企業(yè)自身業(yè)務(wù)、技術(shù)過(guò)硬的隊(duì)伍。 4 典型示例  由圖 3 可知，MES/MOM 集成的系統(tǒng)眾多，是生產(chǎn)各環(huán)節(jié)順利進(jìn)行的必要保證，也是數(shù)字化建設(shè)中必不可少的一環(huán)。  緊耦合 MES/MOM 的業(yè)務(wù)場(chǎng)景與流程較為復(fù)雜，限于篇幅，本文選取較為復(fù)雜的質(zhì)量過(guò)點(diǎn)為例介紹流程。質(zhì)量過(guò)點(diǎn)流程如圖 4 所示。 緊耦合 MES/MOM 是否允許質(zhì)量過(guò)點(diǎn)直接影響并控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行與否，技術(shù)落地層面涉及軟硬件的實(shí)現(xiàn)，限于篇幅不進(jìn)行展開(kāi)。在 UDT、程序設(shè)計(jì)時(shí)引入MapReduce 技術(shù)思路，在已落地的項(xiàng)目中，可根據(jù)邏輯位置需要靈活配置，在 Siemens S7-1517 CPU 中配置了124 個(gè)質(zhì)量過(guò)點(diǎn)的物理位置（有 RFID 位置）、邏輯位置（無(wú)RFID 但是有質(zhì)量管控需求的工位），CPU 的掃描周期為7~8ms；在壓力測(cè)試階段，MES 同時(shí)處理 1 000 個(gè)質(zhì)量過(guò)點(diǎn)請(qǐng)求可在 15ms 內(nèi)完成。 5 結(jié)束語(yǔ) 結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，智能制造發(fā)展先后應(yīng)經(jīng)歷的階段： ①打基礎(chǔ)。打好自動(dòng)化、信息化的基礎(chǔ)，結(jié)合管理上的改進(jìn)，充分發(fā)揮技術(shù)所帶來(lái)的效率提升，促進(jìn)“人機(jī)料法環(huán)”的協(xié)同。 ②促融合。促進(jìn)兩化融合的實(shí)現(xiàn)，打破各處的設(shè)備、信息孤島，落地工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“信息化做決策，自動(dòng)化做執(zhí)行”，打通“人財(cái)物產(chǎn)銷”，初步供應(yīng)鏈一體化。 ③賦新能。引入并落地 AI、工業(yè)大數(shù)據(jù)等技術(shù)，賦予智能制造更多的“智慧”，為企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策提供更加精準(zhǔn)、高效的依據(jù)。 緊耦合 MES/MOM 是在“促融合”階段要實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于集團(tuán)型公司，深入研究相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用，深入分析業(yè)務(wù)需求及業(yè)務(wù)的通用性，制定企業(yè)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有利于快速推動(dòng)緊耦合 MES 項(xiàng)目落地。數(shù)字化建設(shè)工作不是一蹴而就，需要有一定的基礎(chǔ)，MES/MOM 作為數(shù)字化建設(shè)的核心，從落地角度而言，緊耦合 MES/MOM 要作為主線，結(jié)合業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)“松緊有度”，注重生產(chǎn)數(shù)據(jù)的積累，在 MES/MOM 中采用工業(yè)大數(shù)據(jù)、AI 為相應(yīng)環(huán)節(jié)賦能。 數(shù)據(jù)蘊(yùn)含信息，信息歸納知識(shí)，數(shù)字化建設(shè)是一個(gè)知識(shí)型工作，要將企業(yè)的隱性知識(shí)變?yōu)轱@性知識(shí)。實(shí)施 MES/MOM 是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、MES/MOM，形成企業(yè)自身的知識(shí)，為企業(yè)賦能，提升競(jìng)爭(zhēng)力。 原文刊載于《智能制造》雜志 |
