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智能制造之數字化轉型核心——MES/MOM落地1 引言 第一次工業革命打開了工業發展的大門，制造業逐步登上實體經濟的舞臺，成為各國的經濟基礎。隨著WTO 成員國的增多，全球貿易既刺激了經濟的大發展，又帶來了巨大的競爭。社會的發展和需求促進了幾次工業革命先后到來，為了在新的競爭中占據優勢，各國結合本國國情制定了以“智能制造”為主題的國家戰略，如美國《先進制造業國家戰略計劃》、德國《工業 4.0 戰略實施建議》、法國《“新工業法國”戰略》、日本《制造業白皮書》、英國《英國制造業 2050》、中國《中國制造 2025》等。 通過智能制造可以打通制造業各個環節的業務、數據，為各環節賦能，其中數字化轉型是其中最基本、最重要的路徑。在疫情影響下，數字化作為企業增長新動力的價值也日益凸顯。 2 數字化整體架構 MES 的概念最早見于 ISA-95，后隨著發展將此概念改為 MOM。MES/MOM 涉及面較廣，需要認識到其不是一套純軟件，否則可能導致實施方向變化，達不到預期效果。MES/MOM 從應用的耦合度來看有松耦合、緊耦合之分：松耦合 MES/MOM 主要為數據層面的集成應用，因項目復雜度低、展示效果較佳而成為供應商的主流實施方向；緊耦合 MES/MOM 與現場數字生產設備進行集成，參與設備的控制，是實現“自動化做執行，信息化做決策”的智能工廠的必要途徑。本文結合多個智能工廠（汽車主機廠、化纖工廠）數字化轉型的經驗，對緊耦合 MES/MOM 落地進行介紹。數字化整體架構如圖 1 所示。  圖1 數字化整體架構 1）IAAS 層。難點在于數字化設備品種較多，通信協議多，且存在部分國外壟斷設備，融合難度大。穩定的工業網絡是現場數字化融合的基石，主網絡可采用光纖環網設計，子網絡可融合 5G，同時考慮留有適量的余量或擴展接口，方便后續設備的快速接入。在此層控制器程序設計時根據產品、業務需求設計合理的 UDT，統一的 UDT 也便于引用與靈活配置。程序結構設計時引入MapReduce 的思路與技術，輕松實現自動化層的高并發處理。 2）PAAS 層。IoT 層實現 IT 與自動化之間數據自由交互。該層難點在于現場各設備廠家通信協議眾多并存（如TCP/IP、S7、Profibus-DP、PROFINET、CC-Link 等），甚至部分專有、進口設備由于廠家壟斷，被封鎖通信協議。目前 IoT 主流方案以采用商業 OPC 軟件（含各廠家驅動）為主，少部分通信接口開發。IoT 層在 Controllers與 MES/MOM 發生高并發時，要保證信息的完整性、及時性，可采用 MQ。 3）SAAS 層。首先要實現企業現存的 IT 系統之間的融合，實現研發、經營的數字化，系統眾多的情況下，開發相應的接口難度較大，可采用 ESB 實現。對于在整個數字化轉型中起到“承上啟下”的緊耦合 MES/MOM，需遵循“一一對應，有求必應”的原則。 “有求必應”：現場控制層發起一次請求后，MES/MOM 必須在一定的時間內有響應，控制器據此控制設備動作與否，避免沒有響應導致設備出現“該開不開，該停不停”（“該開不開”：如離散行業輸送線未接收到繼續運行的響應會導致停線事故，影響生產節拍；如流程行業攪拌器未及時接受到動作指令會導致整釜漿料質量不合格而廢棄。“該停不停”：如汽車輸送線因出現質量事故需停線，未及時接收到停止指令會導致車輛、車門隊列錯亂，增加生產成本）。 對于系統建設建議要遵循“二八原則”：20% 是正常的業務流程，80% 是各種異常情況的處理，異常處理機制決定了系統的穩定性、魯棒性，也是系統設計水平高低的體現。緊耦合 MES/MOM 的成功落地建議遵循“4321 原則”：花費 40% 的成本（人力、時間等）進行業務調研、業務梳理、技術選型、架構設計、藍圖設計、FDS 等，花費 30% 的成本進行功能模塊開發、模塊標準化等，花費 20% 的成本進行正常測試、異常測試、壓力測試等，正式上線運行后花費 10% 的成本進行日常運維、后續必要升級等。在項目實施過程中，從項目管理的角度而言，要做好變更管理，業務的過多變更說明前期的業務調研、業務梳理等工作做的不夠細致深入，變更過多會導致需求紊亂，甚至導致藍圖、架構、FDS 等均需重新開始，增加項目失敗的風險。 3 落地方案 1）Controllers。對于集團型企業，可對控制器層面做統一標準化的要求，便于后續的數字化建設，如主控層 PLC 可統一使用 Siemens S7-1500 系列，相互間可通過 S7 單邊 / 雙邊通信，進而大幅度減少從控層的開發量，縮短項目上線周期，對于實時性要求高的交互可采用 PROFINET，等時同步模式最快可達 25μs（需配合PROFINET 交換機）；對于非標準控制器，可增加擴展板卡（如PROFINET板卡、PROFIBUS DP板卡）進行融合；根據實際產品或業務需求定義標準的 UDT 結構，對數據結構、接口等進行標準化，增加應用配置的靈活性。 2）IoT 層。結合多個成功落地的項目經驗，可通過 OPC（配合對應控制器的驅動）連接自動化層，通過RESTFUL 或 MQTT 將自動化層的信息傳入 MQ 隊列中，由 IT 進行接收處理，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。該方式可保證數據交互的實時性、可靠性，此方案性能可靠、穩定性高、資源占用少，具備良好的可復制性。對于該層，若老設備改造代價過高，可選擇 OPC 作為兜底方案，也可達到上述目的。 3）SAAS 層。先梳理清楚各系統的業務范圍，只有將各系統的業務相互關聯打通，才能實現數據的高效集成。如集團、子公司之間的系統較多，融合需要開發的接口較多，建議采用 ESB，減少融合難度，增強系統對接的可靠性、靈活性等。IT 層的數字化融合方面較廣，本文主要就緊耦合 MES/MOM 進行論述。  MES/MOM 整體規劃與架構如圖 2 所示（已上線運行，涉密原因做過刪改）。MES/MOM 的實現需先梳理、整合、設計好業務，實施可按“先主后次”的原則：先確定主業務流程，對于影響現場生產的功能優先設計、上線，做好版本管控；次要的功能如報表、PMC 看板、駕駛座艙等，可延后設計、上線。 MES/MOM 也是管理等理念的顯化與落地，以“精益生產”為例。以前精益生產的理念是“不制造缺陷，不傳遞缺陷”，落地可借鑒 ANDON——現場有缺陷時（質量缺陷、物料短缺、設備故障等），通過人工觸發按鈕、自動觸發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；現在精益生產的理念是“盡可能縮短產品交付周期”，應注重基礎管理、現場管理、各系統的邏輯對接與交互，如做好基礎輔料庫存管理，隨時精準掌握庫存現狀、進出庫情況等，通過 MES 與LES、JIT 等系統的對接，及時協調現場生產物料的需求、及時送達，確保生產節拍。 由圖 2 可知，緊耦合 MES/MOM 的成功落地實施是跨學科、跨部門的協同，管理部門涉及倉儲、設備管理部、IT 信息部、采購等（部門設置與公司組織架構有關），技術部門涉及生產工藝、自動化、IT、大數據、AI 等。對于企業初次實施 MES/MOM，需是一把手工程，能對所需資源進行統一調度。從業務理解深度、項目風險把控、成本把控、運維深度與自主性等方面考慮，建議自行實施，也可通過項目的成功實施培養一批企業自身業務、技術過硬的隊伍。 4 典型示例   緊耦合 MES/MOM 是否允許質量過點直接影響并控制現場設備的運行與否，技術落地層面涉及軟硬件的實現，限于篇幅不進行展開。在 UDT、程序設計時引入MapReduce 技術思路，在已落地的項目中，可根據邏輯位置需要靈活配置，在 Siemens S7-1517 CPU 中配置了124 個質量過點的物理位置（有 RFID 位置）、邏輯位置（無RFID 但是有質量管控需求的工位），CPU 的掃描周期為7~8ms；在壓力測試階段，MES 同時處理 1 000 個質量過點請求可在 15ms 內完成。 5 結束語 結合個人經驗，智能制造發展先后應經歷的階段： ①打基礎。打好自動化、信息化的基礎，結合管理上的改進，充分發揮技術所帶來的效率提升，促進“人機料法環”的協同。 ②促融合。促進兩化融合的實現，打破各處的設備、信息孤島，落地工業物聯網，實現“信息化做決策，自動化做執行”，打通“人財物產銷”，初步供應鏈一體化。 緊耦合 MES/MOM 是在“促融合”階段要實現的，對于集團型公司，深入研究相應的技術應用，深入分析業務需求及業務的通用性，制定企業相關的技術標準，有利于快速推動緊耦合 MES 項目落地。數字化建設工作不是一蹴而就，需要有一定的基礎，MES/MOM 作為數字化建設的核心，從落地角度而言，緊耦合 MES/MOM 要作為主線，結合業務實現“松緊有度”，注重生產數據的積累，在 MES/MOM 中采用工業大數據、AI 為相應環節賦能。 數據蘊含信息，信息歸納知識，數字化建設是一個知識型工作，要將企業的隱性知識變為顯性知識。實施 MES/MOM 是一個系統性的工程，通過數字化轉型、MES/MOM，形成企業自身的知識，為企業賦能，提升競爭力。 原文刊載于《智能制造》雜志 |
