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      工業4.0時代的MES系統

      來源:http://www.yourmva.com/news/165.html    發布時間:2018-12-26    點擊:443

        我們正處于一個舊IT走向新IT的變革時代,工業4.0的概念興起于德國,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制造業水平,建立具有適應性、資源效率及人工智能的智能工廠,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,它的本質都是數據,這些數據包括了智能產品的數據、企業運營的數據、產業鏈上的數據、企業外部數據等等。這些數據串起來工業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“智能化”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,為消費者定制“個性化”的商品,并且提供及時、高效的服務。

        工業4.0的四個主題:智能工廠、智能生產、智能物流和智能服務。智能工廠側重點在于企業的智能化生產系統以及制造過程,對于網絡化分布式生產設施的實現;智能生產側重點在于企業的生產物流管理、制造過程人機協同;而智能物流作為制造企業非常重要的資源節點,其側重點在于通過互聯網、物聯網,整合物流資源,充分發揮現有的資源效率;智能服務作為制造企業的后端網絡,其側重點在于通過(服)務聯網結合智能產品為客戶提供更好的服務,發揮企業的最大價值。

        1)  智能工廠是傳統制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、即時正確的采集生產線數據,以及合理的生產計劃與生產進度,并加上綠色制造的手段,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通信技術的智能控制設備可以對生產過程進行智能化監控。由此,智能工廠可以自主運行,工廠之間的零部件與機器可以互相交流。

        智能工廠是由軟件操控,進行資源整合,發揮各環節的最大效率。智能工廠中的機器將全部由軟件控制,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。收集及整合整個智能工廠的業務數據,通過大數據的分析整合,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)  智能生產是由用戶參與實現“定人定制”的過程。

        智能生產的車間可以實現大規模定制,對生產的柔性要求極高。鑒于此,生產環節要廣泛應用人工智能技術、采用一體化的智能系統,智能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,實現智能化管理。

        一體化的智能系統是由智能裝備和人類專家組成的,在制造過程中進行智能化的活動,諸如分析、推理、判斷、構思和決策等,通過人與智能裝備的合力共事,去擴大、延伸和部分取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新,擴展到柔性化、智能化和高度集成化。與傳統制造相比,智能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)  智能物流以客戶為中心,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)  智能服務促進新的商業模式,促進企業向服務型制造轉型。

        智能產品+狀態感知控制+大數據處理,將改變產品的現有銷售和使用模式。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、自動維修等智能服務新模式。

        工業4.0背景下,MES被重新定義

        我們可以把智能工廠比作一個人,工業軟件就是這個人的神經系統。其中,在制造板塊,MES的作用尤為重要。

        按照AMR所給予的定位:MES服務于工廠生產執行層的信息系統,位于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??刂茖影―CS、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;介于兩者之間的是執行層,MES(制造執行系統)。

        介于企業的“計劃層”和制造“設備層”之間,對企業生產計劃進行“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,使用當前確的數據對生產過程進行及時調整、更改或干預等處理。

        采用雙向直接的通訊,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制造過程狀態的信息反饋。

        既不同于類似于ERP的企業運營系統,也不同于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,推動智能制造,構建智能工廠、智能生產、智能物流和智能服務體系,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

        智能工廠中的機器將全部由軟件控制,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件構建一個高度協同性的生產系統,對企業的設計、采購、銷售、計劃、制造和運維服務各個環節,對每一個與制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,成為實現車間制程智能化的基本技術手段。MES收集及整合整個智能工廠的業務數據,通過工業大數據的分析整合,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。

        伴隨著制造企業的發展,未來制造企業勢必也是一個軟件公司,軟件系統的應用也會越來越多,MES就會成為制造企業運營的基石。

        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劃進行“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,使用當前確的數據對生產過程進行及時調整、更改或干預等處理。

        針對大規模定制的需求可以實現柔性排程和調度

        采用多向直接的通訊,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制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。

        既不同于類似于ERP的企業運營系統,也不同于企業的過程控制系統,使用MES的經驗表明,它不再單純只針對制造過程進行優化,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,降低單元的產品的制造成本,提高產品的不良率和能源利用率。

        2)  MES的業務應用范圍更加深入

        傳統MES的作用就是實現企業的連續信息流。并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、文檔控制、產品跟蹤和產品清單管理、性能分析和數據采集等模塊。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,憑借信息技術提供精確的實時數據,并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,提供精確的實時數據是一個優秀的MES的優勢所在。MES對數據提供的實時性要明顯高于ERP,如果說控制層提供的實時時間系數為1,那么,MES的時間系數為10,ERP的時間系數為100。但是,重新定義的MES的核心優勢不僅僅在于提供實時數據,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的時間系數也變成了1。

        工業4.0下MES的發展趨勢

        MES是智能制造在智慧工廠范疇內的承載主體,實現“物理工廠”的“信息領域”的投影。在智能制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的商業模式下,制造企業必須能夠快速處理大量的單件制造及特別制造的方式,同時全球化驅動的分散性協同制造成為主流,這就導致了傳統設計、計劃到生產模式的反應遲緩,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、并行執行,基于同樣的需求、物料、產能等數據,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、數據、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能管理發展

        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,集中在業務數據采集、業務數據傳遞和業務統計。通過業務過程的數字化,建立了協同工作平臺,并在此基礎上進行數據分析與統計,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智能化期望較高:希望能夠采用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,希望自動調整工藝參數來確保質量最佳。但事實上,傳統基于單據作業模式的MES,在數據分析與處理上并沒有下太多的功夫。

        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,增加智能優化方法。工廠的智能化分為兩個層次:

        一個層次是實現微觀層面的智能優化。比如在工序層面的控制中,在區域協調優化中采用智能化技術?;蛘咴谀骋粋€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,采用智能優化算法進行協同優化。

        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,在協同制造方面超越目前內部組織范疇,而擴展至與供應商和客戶的連接;在制造智能方面將不限于收集、分析與展現,而將進一步實現現場實時分析、協同智能決策,及時調整制造執行過程;在業務領域層面,將擴展智能裝備的性能監測與維護、綠色制造的能源管理等內容。在制造執行(Manufacturing Execution) 系統將躍變為卓越制造(ManufacturingExcellence)系統。

        4、傳統的結構化數據向工業大數據平臺發展

        中國制造雖然有環境因素、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。雖然在硬件層面我們也有明顯的差距,但有大量數據比較得出,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件層面。

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

        MES傳統上處理各類業務單據,數據僅限于結構化的數據,很多企業在此基礎上,也開展了商務智能(BI)的建設與利用,但總體上還在有限的數據范圍內進行事后分析。

        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,都是表征了生產過程的全息影像。這些數據在采集、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,最終形成覆蓋工廠管理需要的一個功能套件集合,即我們常見的套裝軟件。但這種套裝軟件從設計本質上是以職能管理為核心的,以軟件系統為中心的。在工業4.0時代,面向以客戶為中心價值傳遞,以產品為中心的制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時代的定制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采用模型驅動技術來構架系統。將ISA95相關的、在制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、鼠標的信息錄入方法完全是要求人們去適應計算機的需要,采用視窗操作界面,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,物聯網技術引發數據海量增加、設備智能化及自主化管理,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,所有的生產數據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,生產數據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,從而讓管理者充分了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。

        智能制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,采用創新的工業軟件、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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