智能制造之?dāng)?shù)字化轉(zhuǎn)型核心
——MES/MOM落地

2022-12-27 02:53:16彭先濤

智能制造 2022年6期

彭先濤，王鵬

（浙江恒逸集團(tuán)有限公司，浙江杭州 311200）

1 引言

第一次工業(yè)革命打開了工業(yè)發(fā)展的大門，制造業(yè)逐步登上實(shí)體經(jīng)濟(jì)的舞臺，成為各國的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。隨著WTO成員國的增多，全球貿(mào)易既刺激了經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，又帶來了巨大的競爭。社會的發(fā)展和需求促進(jìn)了幾次工業(yè)革命先后到來，為了在新的競爭中占據(jù)優(yōu)勢，各國結(jié)合本國國情制定了以“智能制造”為主題的國家戰(zhàn)略，如美國《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃》、德國《工業(yè)4.0戰(zhàn)略實(shí)施建議》、法國《“新工業(yè)法國”戰(zhàn)略》、日本《制造業(yè)白皮書》、英國《英國制造業(yè)2050》、中國《中國制造2025》等。

通過智能制造可以打通制造業(yè)各個環(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)增長新動力的價值也日益凸顯。

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)時引入MapReduce的思路與技術(shù)，輕松實(shí)現(xiàn)自動化層的高并發(fā)處理。

2）PAAS層。IoT層實(shí)現(xiàn)IT與自動化之間數(shù)據(jù)自由交互。該層難點(diǎn)在于現(xiàn)場各設(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）為主，少部分通信接口開發(fā)。IoT層在Controllers與MES/MOM發(fā)生高并發(fā)時，要保證信息的完整性、及時性，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)營的數(shù)字化，系統(tǒng)眾多的情況下，開發(fā)相應(yīng)的接口難度較大，可采用ESB實(shí)現(xiàn)。對于在整個數(shù)字化轉(zhuǎn)型中起到“承上啟下”的緊耦合MES/MOM，需遵循“一一對應(yīng)，有求必應(yīng)”的原則。“一一對應(yīng)”：現(xiàn)場控制層的請求和MES/MOM層的響應(yīng)是嚴(yán)格一一對應(yīng)的，防止出錯，現(xiàn)場設(shè)備控制層一般作為業(yè)務(wù)需求的發(fā)起端（即請求）。“有求必應(yīng)”：現(xiàn)場控制層發(fā)起一次請求后，MES/MOM必須在一定的時間內(nèi)有響應(yīng)，控制器據(jù)此控制設(shè)備動作與否，避免沒有響應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)“該開不開，該停不停”（“該開不開”：如離散行業(yè)輸送線未接收到繼續(xù)運(yùn)行的響應(yīng)會導(dǎo)致停線事故，影響生產(chǎn)節(jié)拍；如流程行業(yè)攪拌器未及時接受到動作指令會導(dǎo)致整釜漿料質(zhì)量不合格而廢棄。“該停不停”：如汽車輸送線因出現(xiàn)質(zhì)量事故需停線，未及時接收到停止指令會導(dǎo)致車輛、車門隊(duì)列錯亂，增加生產(chǎn)成本）。對于系統(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)行功能模塊開發(fā)、模塊標(biāo)準(zhǔn)化等，花費(fèi)20%的成本進(jìn)行正常測試、異常測試、壓力測試等，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)必要升級等。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，從項(xiàng)目管理的角度而言，要做好變更管理，業(yè)務(wù)的過多變更說明前期的業(yè)務(wù)調(diào)研、業(yè)務(wù)梳理等工作做的不夠細(xì)致深入，變更過多會導(dǎo)致需求紊亂，甚至導(dǎo)致藍(lán)圖、架構(gòu)、FDS等均需重新開始，增加項(xiàng)目失敗的風(fēng)險。

3 落地方案

1）Controllers。對于集團(tuán)型企業(yè)，可對控制器層面做統(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S7單邊/雙邊通信，進(jìn)而大幅度減少從控層的開發(fā)量，縮短項(xiàng)目上線周期，對于實(shí)時性要求高的交互可采用PROFINET，等時同步模式最快可達(dá)25μs（需配合PROFINET交換機(jī)）；對于非標(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)合多個成功落地的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，可通過OPC（配合對應(yīng)控制器的驅(qū)動）連接自動化層，通過RESTFUL或MQTT將自動化層的信息傳入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化控制器層。該方式可保證數(shù)據(jù)交互的實(shí)時性、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。對于該層，若老設(shè)備改造代價過高，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，對于影響現(xiàn)場生產(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)場有缺陷時（質(zhì)量缺陷、物料短缺、設(shè)備故障等），通過人工觸發(fā)按鈕、自動觸發(fā)等方式通知人員及時處理，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)場管理、各系統(tǒng)的邏輯對接與交互，如做好基礎(chǔ)輔料庫存管理，隨時精準(zhǔn)掌握庫存現(xiàn)狀、進(jìn)出庫情況等，通過MES與LES、JIT等系統(tǒng)的對接，及時協(xié)調(diào)現(xiàn)場生產(chǎn)物料的需求、及時送達(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、跨部門的協(xié)同，管理部門涉及倉儲、設(shè)備管理部、IT信息部、采購等（部門設(shè)置與公司組織架構(gòu)有關(guān)），技術(shù)部門涉及生產(chǎn)工藝、自動化、IT、大數(shù)據(jù)、AI等。對于企業(yè)初次實(shí)施MES/MOM，需是一把手工程，能對所需資源進(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)過硬的隊(duì)伍。

圖2 MES/MOM整體規(guī)劃與架構(gòu)

4 典型示例

以汽車整車MES/MOM為例進(jìn)行簡要說明，整體主要架構(gòu)如圖3所示。

圖3 汽車行業(yè)MES/MOM主要架構(gòu)

汽車行業(yè)試制、量產(chǎn)MES/MOM均可按此實(shí)施。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)量過點(diǎn)為例介紹流程。質(zhì)量過點(diǎn)流程如圖4所示。

圖4 緊耦合MES/MOM中質(zhì)量過點(diǎn)流程

緊耦合MES/MOM是否允許質(zhì)量過點(diǎn)直接影響并控制現(xiàn)場設(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。在UDT、程序設(shè)計(jì)時引入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個質(zhì)量過點(diǎn)的物理位置（有RFID位置）、邏輯位置（無RFID但是有質(zhì)量管控需求的工位），CPU的掃描周期為7~8ms；在壓力測試階段，MES同時處理1 000個質(zhì)量過點(diǎn)請求可在15ms內(nèi)完成。

5 結(jié)束語

結(jié)合個人經(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。