工業(yè)4.0時代的MES系統(tǒng)

我們正處于一個舊IT走向新IT的變革時代，工業(yè)4.0的概念興起于德國，現(xiàn)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(yè)4.0的目的是通過應用物聯(lián)網(wǎng)等技術提高德國的制造業(yè)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(yè)流程及價值流程中整合客戶以及合作伙伴。

無論產(chǎn)業(yè)界或者學術界如何解讀工業(yè)4.0，它的本質(zhì)都是數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括了智能產(chǎn)品的數(shù)據(jù)、企業(yè)運營的數(shù)據(jù)、產(chǎn)業(yè)鏈上的數(shù)據(jù)、企業(yè)外部數(shù)據(jù)等等。這些數(shù)據(jù)串起來工業(yè)4.0的生態(tài)圈。

四大主題構建工業(yè)4.0的核心業(yè)務

我們步入工業(yè)4.0的時代，實現(xiàn)由“自動化”向“智能化”的轉變。通過CPS（Cyber-Physical Systems）網(wǎng)絡實現(xiàn)人、裝備和產(chǎn)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(yè)4.0的四個主題：智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流和智能服務。智能工廠側重點在于企業(yè)的智能化生產(chǎn)系統(tǒng)以及制造過程，對于網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)；智能生產(chǎn)側重點在于企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、制造過程人機協(xié)同；而智能物流作為制造企業(yè)非常重要的資源節(jié)點，其側重點在于通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，整合物流資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有的資源效率；智能服務作為制造企業(yè)的后端網(wǎng)絡，其側重點在于通過（服）務聯(lián)網(wǎng)結合智能產(chǎn)品為客戶提供更好的服務，發(fā)揮企業(yè)的最大價值。

1)智能工廠是傳統(tǒng)制造企業(yè)發(fā)展的一個新的階段。

它是在數(shù)字化工廠的基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術和設備監(jiān)控技術加強信息管理和服務，清楚掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程的可控率、減少生產(chǎn)線上人工的干預、即時正確的采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理的生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)進度，并加上綠色制造的手段，構建一個高效節(jié)能的、綠色環(huán)保的、環(huán)境舒適的人性化工廠。未來各個工廠將具備統(tǒng)一的機械、電器和通信標準。以物聯(lián)網(wǎng)和服務互聯(lián)網(wǎng)為基礎，配備傳感器、無線網(wǎng)絡和RFID通信技術的智能控制設備可以對生產(chǎn)過程進行智能化監(jiān)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(fā)揮各環(huán)節(jié)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(chǎn)，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(xié)同性的生產(chǎn)系統(tǒng)，包括實時監(jiān)控、自動化管理、流程控制、能源監(jiān)控等等。收集及整合整個智能工廠的業(yè)務數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)的分析整合，使其全產(chǎn)業(yè)鏈可視化，達到生產(chǎn)最優(yōu)化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和質(zhì)量最優(yōu)化的目的。

2)智能生產(chǎn)是由用戶參與實現(xiàn)“定人定制”的過程。

智能生產(chǎn)的車間可以實現(xiàn)大規(guī)模定制，對生產(chǎn)的柔性要求極高。鑒于此，生產(chǎn)環(huán)節(jié)要廣泛應用人工智能技術、采用一體化的智能系統(tǒng)，智能化裝備在生產(chǎn)過程中大展拳腳。工廠的工人和管理者可以通過網(wǎng)絡對生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，實現(xiàn)智能化管理。

一體化的智能系統(tǒng)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(tǒng)制造相比，智能生產(chǎn)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(xiàn)實等特性。

3)智能物流以客戶為中心，促進資源優(yōu)化配置。

根據(jù)客戶的需求變化，靈活調(diào)節(jié)運輸方式，應用條碼、RFID、傳感器、全球定位系統(tǒng)等先進的物聯(lián)網(wǎng)技術，通過信息處理平臺，實現(xiàn)貨物運輸過程的自動化運作和高效率優(yōu)化管理，從而促進區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展和資源的優(yōu)化配置，方便人的生活。

4)智能服務促進新的商業(yè)模式，促進企業(yè)向服務型制造轉型。

智能產(chǎn)品+狀態(tài)感知控制+大數(shù)據(jù)處理，將改變產(chǎn)品的現(xiàn)有銷售和使用模式。增加了在線租用、自動配送和返還、優(yōu)化保養(yǎng)和設備自動預警、自動維修等智能服務新模式。

工業(yè)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(yè)軟件就是這個人的神經(jīng)系統(tǒng)。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(chǎn)執(zhí)行層的信息系統(tǒng)，位于企業(yè)經(jīng)營層的計劃系統(tǒng)與生產(chǎn)過程的直接工業(yè)控制系統(tǒng)之間。該定位將企業(yè)的運作劃分為三個層次，分別是：計劃層、執(zhí)行層和控制層。其中：計劃層就是MRPⅡ或ERP等經(jīng)營管理信息系統(tǒng)?？刂茖影?a target="_blank">DCS、PLC、NC/CNC或SCADA中的一個系統(tǒng)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(zhí)行層，MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）。

介于企業(yè)的“計劃層”和制造“設備層”之間，對企業(yè)生產(chǎn)計劃進行“再計劃”，“指令”生產(chǎn)設備“協(xié)同”或“同步“動作，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行及時的響應，使用當前確的數(shù)據(jù)對生產(chǎn)過程進行及時調(diào)整、更改或干預等處理。

采用雙向直接的通訊，在整個企業(yè)的產(chǎn)品供需鏈中，即向生產(chǎn)過程人員傳達企業(yè)的期望（計劃），又向有關的部門提供產(chǎn)品制造過程狀態(tài)的信息反饋。

既不同于類似于ERP的企業(yè)運營系統(tǒng)，也不同于企業(yè)的過程控制系統(tǒng)，使用MES的經(jīng)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(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動。

在工業(yè)4.0背景下，推動智能制造，構建智能工廠、智能生產(chǎn)、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(yè)運營環(huán)節(jié)

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(xiàn)場的操作計算機或者移動終端就可以完成生產(chǎn)，MES結合企業(yè)運營的其他工業(yè)軟件構建一個高度協(xié)同性的生產(chǎn)系統(tǒng)，對企業(yè)的設計、采購、銷售、計劃、制造和運維服務各個環(huán)節(jié)，對每一個與制造相關的指令能夠精確調(diào)度、發(fā)送、跟蹤和監(jiān)控該指令影響生產(chǎn)的過程，成為實現(xiàn)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(yè)務數(shù)據(jù)，通過工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析整合，使其全產(chǎn)業(yè)鏈可視化，達到生產(chǎn)最優(yōu)化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和質(zhì)量最優(yōu)化的目的。

伴隨著制造企業(yè)的發(fā)展，未來制造企業(yè)勢必也是一個軟件公司，軟件系統(tǒng)的應用也會越來越多，MES就會成為制造企業(yè)運營的基石。

重新定義的MES的位置與其他業(yè)務板塊同等重要，以網(wǎng)絡化和扁平化的形式對企業(yè)的生產(chǎn)計劃進行“再計劃”，“指令”生產(chǎn)設備“協(xié)同”或“同步“動作，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行及時的響應，使用當前確的數(shù)據(jù)對生產(chǎn)過程進行及時調(diào)整、更改或干預等處理。

針對大規(guī)模定制的需求可以實現(xiàn)柔性排程和調(diào)度

采用多向直接的通訊，在整個企業(yè)的產(chǎn)品供需鏈中，即向生產(chǎn)過程人員傳達企業(yè)的期望（計劃），又向有關的部門提供產(chǎn)品制造過程狀態(tài)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(tài)。

既不同于類似于ERP的企業(yè)運營系統(tǒng)，也不同于企業(yè)的過程控制系統(tǒng)，使用MES的經(jīng)驗表明，它不再單純只針對制造過程進行優(yōu)化，可以延伸至企業(yè)運營的其他的板塊，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，降低單元的產(chǎn)品的制造成本，提高產(chǎn)品的不良率和能源利用率。

2)MES的業(yè)務應用范圍更加深入

傳統(tǒng)MES的作用就是實現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流。并通過對信息的傳遞和處理，對訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程優(yōu)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(diào)度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質(zhì)量管理、文檔控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和數(shù)據(jù)采集等模塊。通過MES這些模塊的有效協(xié)作，可以起到溝通企業(yè)計劃層和控制層，憑借信息技術提供精確的實時數(shù)據(jù)，并最終達到優(yōu)化管理活動和生產(chǎn)活動的目的。而在現(xiàn)實當中，各不同行業(yè)企業(yè)可以根據(jù)行業(yè)特點和企業(yè)實際，開發(fā)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(shù)據(jù)是一個優(yōu)秀的MES的優(yōu)勢所在。MES對數(shù)據(jù)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(shù)為1，那么，MES的時間系數(shù)為10，ERP的時間系數(shù)為100。但是，重新定義的MES的核心優(yōu)勢不僅僅在于提供實時數(shù)據(jù)，而且需要對實時指令進行準備的自學習和柔性調(diào)度，也就意味著MES的時間系數(shù)也變成了1。

工業(yè)4.0下MES的發(fā)展趨勢

MES是智能制造在智慧工廠范疇內(nèi)的承載主體，實現(xiàn)“物理工廠”的“信息領域”的投影。在智能制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的背景下，MES有哪些改變呢？

1、傳統(tǒng)的集成向過程融合發(fā)展

從未來的需求來看，尤其是在B2P的商業(yè)模式下，制造企業(yè)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(qū)動的分散性協(xié)同制造成為主流，這就導致了傳統(tǒng)設計、計劃到生產(chǎn)模式的反應遲緩，嚴謹?shù)?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(chǎn)緊密協(xié)作、并行執(zhí)行，基于同樣的需求、物料、產(chǎn)能等數(shù)據(jù)，PLM設計結束之前，柔性生產(chǎn)計劃即可快速下達，MES實時開始生產(chǎn)執(zhí)行，同時實現(xiàn)良好的反饋機制。這種柔性協(xié)同也對系統(tǒng)間設計 BOM、生產(chǎn)BOM、數(shù)據(jù)、模型等一致性和靈活性提出了更高的要求。

2、傳統(tǒng)的數(shù)字管理向智能管理發(fā)展

MESA組織給出MES功能模型的定義，強調(diào)生產(chǎn)過程“生產(chǎn)、質(zhì)量、消耗及績效”的業(yè)務管理。近十年來MES的發(fā)展，也是參考這個功能模型的定義，集中在業(yè)務數(shù)據(jù)采集、業(yè)務數(shù)據(jù)傳遞和業(yè)務統(tǒng)計。通過業(yè)務過程的數(shù)字化，建立了協(xié)同工作平臺，并在此基礎上進行數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計，基本實現(xiàn)了全面的數(shù)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(xiàn)作業(yè)任務編排，希望系統(tǒng)能夠根據(jù)過程變化自動調(diào)整計劃，希望自動調(diào)整工藝參數(shù)來確保質(zhì)量最佳。但事實上，傳統(tǒng)基于單據(jù)作業(yè)模式的MES，在數(shù)據(jù)分析與處理上并沒有下太多的功夫。

在工業(yè)4.0時代，生產(chǎn)變化及靈活性更高，生產(chǎn)要素須自動配置，必然要求在生產(chǎn)全過程的數(shù)字化的基礎上，增加智能優(yōu)化方法。工廠的智能化分為兩個層次：

一個層次是實現(xiàn)微觀層面的智能優(yōu)化。比如在工序?qū)用娴目刂浦校趨^(qū)域協(xié)調(diào)優(yōu)化中采用智能化技術?；蛘咴谀骋粋€專業(yè)領域，如設備的狀態(tài)預測、質(zhì)量預警及生產(chǎn)預警。

另一個層面是宏觀層面，根據(jù)生產(chǎn)過程中各要素的數(shù)字化，形成計劃、排產(chǎn)、質(zhì)量控制、過程跟蹤的閉環(huán)反饋，采用智能優(yōu)化算法進行協(xié)同優(yōu)化。

3、傳統(tǒng)的車間管理向工廠運營平臺發(fā)展

工業(yè)4.0時代的MES，或許將重新定義，在協(xié)同制造方面超越目前內(nèi)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(xiàn)，而將進一步實現(xiàn)現(xiàn)場實時分析、協(xié)同智能決策，及時調(diào)整制造執(zhí)行過程；在業(yè)務領域?qū)用?，將擴展智能裝備的性能監(jiān)測與維護、綠色制造的能源管理等內(nèi)容。在制造執(zhí)行(Manufacturing Execution) 系統(tǒng)將躍變?yōu)樽吭街圃?ManufacturingExcellence)系統(tǒng)。

4、傳統(tǒng)的結構化數(shù)據(jù)向工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺發(fā)展

中國制造雖然有環(huán)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(shù)據(jù)比較得出，即使一樣建設的生產(chǎn)線（如汽車生產(chǎn)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(yè)4.0時代，技術的發(fā)展為數(shù)據(jù)的產(chǎn)生（物聯(lián)網(wǎng)）、存貯、分析（云技術）、使用（移動互聯(lián)）更加方便。因此也可以說，工業(yè)4.0的變革是數(shù)據(jù)驅(qū)動型的變革。這個“軟實力”提升的主要驅(qū)動力是“數(shù)據(jù)”的利用。

MES傳統(tǒng)上處理各類業(yè)務單據(jù)，數(shù)據(jù)僅限于結構化的數(shù)據(jù)，很多企業(yè)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(shù)據(jù)范圍內(nèi)進行事后分析。

今天的物聯(lián)網(wǎng)（包括設備、物料等IIOT及人工作業(yè)過程中的HIOT）將產(chǎn)生大量的實時信息，都是表征了生產(chǎn)過程的全息影像。這些數(shù)據(jù)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(tǒng)的功能套件向模型驅(qū)動發(fā)展

在技術實現(xiàn)上，傳統(tǒng)的MES在逐步開發(fā)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(zhì)上是以職能管理為核心的，以軟件系統(tǒng)為中心的。在工業(yè)4.0時代，面向以客戶為中心價值傳遞，以產(chǎn)品為中心的制造資源重組的要求時，傳統(tǒng)的MES是無能為力的。

有調(diào)查表明，在MES系統(tǒng)建成的三年內(nèi)，50%的工藝（模型）將會或多或少隨著生產(chǎn)的持續(xù)改進而調(diào)整，在工業(yè)4.0時代的定制時代這種變化更加劇烈。這就要求MES系統(tǒng)必須是一個可適應、可擴展的系統(tǒng)，其技術的主要特點是采用模型驅(qū)動技術來構架系統(tǒng)。將ISA95相關的、在制造業(yè)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(tǒng)集成的部分，將通過可配置的模型平臺來實現(xiàn)，如下圖所示。當工藝流程發(fā)生變化時，只需在線修改模型，而不需調(diào)整功能組件，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的適應性。

6、傳統(tǒng)的視窗界面向虛擬現(xiàn)實發(fā)展

從人機協(xié)同的角度來看，計算機技術發(fā)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(xiàn)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?nèi)ミm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(tǒng)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(tǒng)為核心的思想。

在工業(yè)4.0時代，物聯(lián)網(wǎng)技術引發(fā)數(shù)據(jù)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(jiān)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(xiàn)實及增強現(xiàn)實技術可以有效解決這一點。在工業(yè)4.0時代，虛擬世界將與現(xiàn)實世界高度融合。通過計算、自主控制和聯(lián)網(wǎng)，人、機器和信息互相聯(lián)接，融為一體，所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)將被全部整合到工廠虛擬現(xiàn)實管理系統(tǒng)中。

利用三維可視化技術將生產(chǎn)場景真實展現(xiàn)出來，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時驅(qū)動三維場景中的設備，使其狀態(tài)與真實生產(chǎn)場景一致，從而讓管理者充分了解整個生產(chǎn)場景中各設備的運行狀況，達到監(jiān)測、查看、分析的目的。

工業(yè)領域的創(chuàng)新發(fā)展是推動科技創(chuàng)新、經(jīng)濟增長和社會穩(wěn)定的重要力量。但與此同時，市場競爭也在變得愈發(fā)激烈。

智能制造的整體解決方案實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)和與現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境的融合，采用創(chuàng)新的工業(yè)軟件、自動化技術、驅(qū)動技術及服務，讓MES深入企業(yè)運營應用過程中，促進企業(yè)縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率， 為企業(yè)發(fā)展提供技術支持。