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            工業4.0背景下MES系統將被重新定義

            2016-12-30 13:59 [制造執行MES] 來源于:頭條號/信息化顧問團
            導讀:毫無疑問,我們眼下正處于一個舊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。

            毫無疑問,我們眼下正處于一個舊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。

            1、四大主題構建工業4.0的核心業務

            未來10年,我們將步入工業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、制造過程人機協同以及3D打印技術在企業生產過程中的協同應用;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。

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            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。

            2、工業4.0背景下,MES被重新定義

            從目前的市場熱度及反應來看,大家對于工業4.0的認識存在嚴重的重硬輕軟現象,無論是各種展會或者媒體宣傳的示范線,表象上都是生產裝備。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?span class="hrefStyle" style="padding: 0px; margin: 0px;">DCS、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MES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。

            基于中國制造企業的特定現狀,我們整理了適合中國制造業的8大MES應用模塊,1大核心支持平臺和客戶化定制平臺:

            序號模塊名稱模塊描述備注

            1生產計劃管理A.支持中國制造企業的ERP不同的應用情況:a)根據制造企業的ERP應用情況,基于ERP中的主生產計劃,在MES中基于生產資源進行工單排程,轉化為車間的生產任務。b)直接應用ERP系統中的生產工單,在MES系統中進行排序,確定最終的生產任務。B.根據工單排程結果形成可執行工單,對可執行工單進行任務派工,生成派工單。下發至車間制造終端、智能裝備。

            2生產執行過程管控A.實時數據采集B.在制工單監控C.智能裝備與人之間的指令調度D.智能裝備與智能產品之間的參數協同E.生產數據統計分析

            3制造現場管理A.異常閉環管控(制造業務、智能裝備)B.精益可視化看板C.產品制造與工藝數據協同化管控D.智能產品身份識別

            4物流調度A.結合供應商的制造進度、配送進度調度生產任務B.廠內精益化物流體系建設

            5質量管理A.質量管理體系深入應用B.在制品、原材料和產成品的質量管控C.數據檔案歸結,為智能服務提供數據支撐

            6設備管理A.智能裝備資產生產周期監控(TPM)B.智能裝備運行參數調度C.智能裝備運行狀態監控

            7制造資源管理A.制造資源(工裝、模具、刀具、夾具、量具等)生命周期監控B.制造資源庫存數據協同

            8人力資源A.人力資源績效B.人力調度與裝備協同優化

            9核心業務支撐平臺A.集團級業務支持B.通過多級建模機制完成業務擴展C.參數(調度、規劃、分發)自定義D.圖形化業務、網絡、應用的監控和運維服務支持

            10客戶化定制體系A.圖形化自定義研發體系B.業務級的研發體系

            MES的數據將是企業未來的核心競爭力,數據轉化為企業的知識,MES也是一個知識管控和傳承平臺;

            MES將在業務活動中加入更多的人工智能的算法,模擬專家的智能活動,部分取代人工操作的內容,并具有自組織能力,實現人、裝備和資源的一體化過程優化;

            MES將依據和制定智能工廠中的管控指標,數據通訊和調度協同之間更加的精細化和準確;

            MES通過智能數據的挖掘和分析,建立企業、工廠、車間,甚至工作中心、工作單元的數據模型,隨時適應制造環境和制造流程的改變;

            MES建立約束和規則觸發機制,在不同的業務操作或者環境中,約束其行為,或者觸發某些業務操作。

            3)MES未來的市場效益

            MES除了解決企業的“信息孤島”問題,起到承上啟下、連左通右的功效,通過對即時生產數據采集,達到對生產現場的實時控制,及為管理層提供精細的決策支持;通過實時指令調度其他生產資源,提高生產效率;通過對實時生產數據的采集和分析,從而達到優化生產排程、合理調配生產資源、改善生產工藝,提高產品質量和及時處理客戶投訴等問題。MES主要體現一下幾點作用:

            1.生產數據的即時采集(ERP為事后錄入采集),通過實時數據采集,大大減少了ERP等系統數據錄入時間。

            2.對生產數據的即時查詢、歷史查詢和精細化數據分析。

            3.不良產品追溯管理,一方面即時處理不良產品維修并及時改進減少不良產品;另一方面,當已銷產品出現不良現象時,及時追溯相關批次,并準確召回不良批次,提高了服務質量,并減少召回成本。

            4.收集工藝參數,優化工藝數據,提高產品研發周期

            5.改進生產工藝,提高產品質量。

            6.提高生產效率,監控生產工人生產狀況,提高工作積極性(說明:在實際生產中,往往生產車間為了降低自身工作量而舞弊。)

            7.準確追溯到不合格供應商,減少不必要的損失。

            8.合理調配生產資源:人員、物料、生產線等。

            9.按時交貨,建立良性的供貨關系。

            10. 為降低成本提供有力的數據來源。

            11. 實現零庫存管理,提高企業資金流的運轉。

            12. 與能源監控協同調度制造裝備,提高能源利用率

            13. 統一標準和時刻,歸結統計單元產品的制造成本,優化分析,達到降低的目的

            工業領域正在全球范圍內發揮越來越重要的作用,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??蛻粜枰碌?、高質量的產品,要求以更快的速度交付根據客戶要求而定制的產品。此外,還必須不斷提高生產力水平。只有那些能以更少的能源和資源完成產品生產的企業,才能夠應對不斷增長的成本壓力。

            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,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。

            作者:艾普工華市場&咨詢總監 楊凱

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