隨著國內(nèi)企業(yè)對MES認(rèn)知的提升，越來越多的制造企業(yè)已不滿足單個工廠實(shí)施MES，而是考慮如何規(guī)劃集團(tuán)MES架構(gòu)。對比國外MES產(chǎn)品和案例，關(guān)于集團(tuán)MES架構(gòu)的案例并不多，這說明中國是當(dāng)之無愧的制造業(yè)大國，其制造業(yè)的復(fù)雜度，制造業(yè)的體量，已促進(jìn)了中國制造業(yè)的各行業(yè)領(lǐng)頭羊企業(yè)率先思考如何布局集團(tuán)MES，多工廠MES。

本文就如何構(gòu)建集團(tuán)MES，多工廠架構(gòu)，做一些經(jīng)驗(yàn)分享，給相關(guān)企業(yè)一些參考。

集團(tuán)+多工廠架構(gòu)，從幾個方面來討論：
MES服務(wù)器架構(gòu)如何構(gòu)建；
MES功能如何劃分；
如何做到多地的數(shù)據(jù)傳輸與穩(wěn)定；
如何進(jìn)行多工廠建模。

1 多工廠業(yè)務(wù)模型

集團(tuán)多工廠模型復(fù)雜，因?yàn)楦鞴S、車間生產(chǎn)形態(tài)可能不一樣、生產(chǎn)線不同、管理方法不同，以下是一個多工廠業(yè)務(wù)模型：如圖1所示。

圖1 多工廠業(yè)務(wù)模型

2 多工廠服務(wù)器架構(gòu)

企業(yè)IT一般考慮投資效益，希望一套服務(wù)器能支持多個工廠的應(yīng)用，每個工廠之間用專線或VPN方式連接，這樣的好處是運(yùn)維相對簡單，由集團(tuán)的IT專業(yè)人員對服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)做運(yùn)維，能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定；如圖2所示。

圖2 多工廠集中式部署方案

如果集中一套服務(wù)器部署，服務(wù)器配置要求高，且要求每個節(jié)點(diǎn)冗余，包括數(shù)據(jù)庫集群、應(yīng)用服務(wù)器集群、接口服務(wù)器集群；特別是應(yīng)用服務(wù)器需要2臺以上做集群；網(wǎng)絡(luò)必須支持冗余，交換機(jī)雙節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)冗余（例如電信或聯(lián)通雙網(wǎng)絡(luò)），通過這樣的配置才能確保MES系統(tǒng)的高可用性，避免服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)異常時，導(dǎo)致停線。如圖3所示。

圖3 多工廠集中式部署方案

如果每個工廠部署一套服務(wù)器，服務(wù)器可以精簡，部分應(yīng)用集中部署在一臺服務(wù)器上，例如報(bào)表與歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；分布式部署，極大降低了服務(wù)器問題導(dǎo)致的停線，一旦服務(wù)器、系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)有問題，也僅僅是一個工廠出現(xiàn)異常。

但是分布式部署產(chǎn)生的問題是，集團(tuán)IT希望運(yùn)維能簡易，數(shù)據(jù)能集中，否則某些區(qū)域的工廠不具備MES運(yùn)維能力，缺乏運(yùn)維人員，當(dāng)MES系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，不能及時解決；另外分布式部署，MES系統(tǒng)也難統(tǒng)一版本，各個工廠自主一套MES系統(tǒng)，重復(fù)開發(fā)與部署，代碼和管理混亂；系統(tǒng)運(yùn)維不標(biāo)準(zhǔn)，簡單的數(shù)據(jù)庫監(jiān)控與備份也難每日確保執(zhí)行；除了硬件投資翻了幾倍外，數(shù)據(jù)庫與MES授權(quán)費(fèi)也是翻倍，無論是Oracle/Sqlserver數(shù)據(jù)庫，還是MES授權(quán)，如果是多工廠分布部署，必定會產(chǎn)生服務(wù)器授權(quán)費(fèi)，這樣極大增加了企業(yè)實(shí)施MES的費(fèi)用。

多工廠的數(shù)據(jù)交互復(fù)雜，需要增加接口開發(fā)來匯總集團(tuán)需要的數(shù)據(jù)，例如集團(tuán)的排產(chǎn)和計(jì)劃監(jiān)控、各工廠人員、設(shè)備的效益分析、各工廠的生產(chǎn)效率、產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)，還有研發(fā)中心的工藝文件發(fā)布，都需要頻繁的接口來匯集和分發(fā)數(shù)據(jù)；如圖4所示。

圖4 多工廠服務(wù)器架構(gòu)

那么MES能否像DMS銷售系統(tǒng)、WMS倉儲系統(tǒng)、甚至ERP那樣，做到集中部署呢？或稱為云MES呢？我們知道MES屬于車間層，和車間控制層、設(shè)備層緊密結(jié)合，如果MES服務(wù)器放在異地，遠(yuǎn)隔成百上千公里，即使有企業(yè)專線，是否能和車間控制器、車間設(shè)備高速集成呢？一些多工廠企業(yè)，工廠之間已經(jīng)架構(gòu)了專線，把全國各個工廠連接在一個大的“局域網(wǎng)”內(nèi)，只要通過防火墻或企業(yè)路由器，開放幾個MES服務(wù)器IP和端口，即可簡單接入MES，例如在新疆工廠，客戶端電腦輸入一個IP 172.168.x.x地址，就能連接到遠(yuǎn)在北京的MES服務(wù)器，那么在確保網(wǎng)絡(luò)速度和穩(wěn)定性都很可靠時，異地車間設(shè)備通過專線去集團(tuán)MES服務(wù)器，會有什么問題呢？

不少集團(tuán)IT在規(guī)劃MES時，提出了剛才的問題，而且看似找不到這樣做的弊端，但這樣的思路方式，是沒有站在MES所處的企業(yè)信息層級來思考的，因?yàn)镸ES是緊密和車間層結(jié)合的，雖然MES有部分功能是車間排產(chǎn)、車間物料配送、車間工藝指導(dǎo)，但更多的是車間設(shè)備集成，車間數(shù)據(jù)采集等，需要與設(shè)備大量進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。例如輪胎廠，僅僅在檢驗(yàn)工序，一條輪胎需要經(jīng)過均勻機(jī)檢測、動平衡檢測、X光機(jī)檢測、外觀檢測，每條輪胎從檢測設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)達(dá)到10條以上，一個輪胎工廠2條生產(chǎn)線，每小時產(chǎn)量3000條，等于每小時有3萬筆數(shù)據(jù)，從設(shè)備傳輸?shù)組ES服務(wù)器；也就是說一個有規(guī)模的輪胎質(zhì)檢車間，每日2班可產(chǎn)生48萬筆數(shù)據(jù)，每年產(chǎn)生超過1億多筆數(shù)據(jù)，這么頻繁的數(shù)據(jù)交互，不是ERP、WMS系統(tǒng)能比擬的，因?yàn)镋RP等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，大部分是人工操作產(chǎn)生，并非如MES來自設(shè)備高頻率產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；當(dāng)然有些工廠會使用生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)庫，例如Rockwell FT History、Wonderware Historian、GE Fanuc iHistorian，但如果要對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析計(jì)算，例如輪胎參數(shù)采集后，要立即根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行輪胎等級判斷，立即傳輸給輪胎分揀系統(tǒng)，那還是需要Oracle/Sqlserver這種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計(jì)算；那么在高頻率的MES與設(shè)備數(shù)據(jù)交互時，VPN專線的集中服務(wù)器部署是否就滿足了呢？其實(shí)剛才的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)說明了答案，我們都知道服務(wù)器有I/O瓶頸，內(nèi)存瓶頸，CPU瓶頸，磁盤讀寫瓶頸，如果一個輪胎集團(tuán)企業(yè)，把全國4個工廠集中在一個MES部署，那每小時會產(chǎn)生12萬筆數(shù)據(jù)寫入或讀取；而那我們制造業(yè)有多少成本構(gòu)建一個小型的12306機(jī)房，或一個門戶網(wǎng)站的機(jī)房呢？而且MES平臺是否要發(fā)展類似SAP的Hana內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)來解決高速訪問的問題呢？所以當(dāng)一個制造業(yè)集團(tuán)的工廠越來越多時，集中式服務(wù)器部署，勢必會遇到性能瓶頸而無法突破。

另外集中式部署，也增加了工廠停線的風(fēng)險(xiǎn)，大家都知道MES是支持智能制造、工業(yè)4.0的基礎(chǔ)系統(tǒng)，一旦MES系統(tǒng)出問題，生產(chǎn)線就會停線，而多工廠集中部署，勢必會導(dǎo)致所有工廠停線；另外MES功能和工廠的設(shè)備類型，生產(chǎn)線布局，管理模式緊密相關(guān)，例如一個生產(chǎn)風(fēng)電的集團(tuán)，有機(jī)艙工廠、電機(jī)工廠、葉片工廠、輪轂工廠、電柜工廠、裝配工廠，我們?nèi)绾卧谝惶准瘓F(tuán)MES服務(wù)器內(nèi)，部署6套不同形態(tài)的MES系統(tǒng)呢？是否要在一套MES內(nèi)，通過參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)6個制造形態(tài)，那么MES功能會變得非常復(fù)雜。雖然ERP能通過配置實(shí)現(xiàn)多個行業(yè)的功能，但畢竟ERP標(biāo)準(zhǔn)化程度比MES高很多。

3 多工廠功能架構(gòu)

那么怎么解決一些集團(tuán)制造業(yè)提出的MES集團(tuán)化管理需求呢，例如有些企業(yè)的計(jì)劃由總廠制定，物流配送由集團(tuán)統(tǒng)一管理，產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)由一個研發(fā)中心發(fā)布，MES基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由總廠維護(hù)，生產(chǎn)績效由總廠管理，如果有這些需求，如果是分布式MES部署，那么數(shù)據(jù)接口會非常復(fù)雜，也無法支持集團(tuán)的統(tǒng)一管理。HanThink 推出的SmartWork套件，良好的解決了這個問題，SmartWork把MES功能劃分為PEC（Production Execute Center）車間執(zhí)行層和PMC(Production Management Center) 車間管理層2個模塊，PMC實(shí)現(xiàn)集團(tuán)化部署，PEC實(shí)現(xiàn)分布式部署，與車間設(shè)備直接對接，例如以一個汽車制造集團(tuán)為例，MES的PEC和PMC功能劃分如下：如圖5所示。 

圖5 MES PMC管理系統(tǒng)

PMC車間管理層把與車間關(guān)系不大、且通用性比較高的模塊進(jìn)行了集中，例如排產(chǎn)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、ERP接口、工藝文件等。PEC車間執(zhí)行層，則集中在設(shè)備接口、車間ANDON，車間監(jiān)控、車間打印這些模塊，也就是脫離PMC層，在車間PEC層也能獨(dú)立運(yùn)行，在PEC層會駐留一定數(shù)據(jù)量的已排產(chǎn)的計(jì)劃、已維護(hù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)然PEC層執(zhí)行完畢的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)產(chǎn)量、質(zhì)量數(shù)據(jù)，也會定時傳輸?shù)絇MC層，作為報(bào)表統(tǒng)計(jì)依據(jù)；另外在PEC層不會一直駐留已生產(chǎn)數(shù)據(jù)，凡是過期數(shù)據(jù)，而且已經(jīng)傳輸給PMC產(chǎn)生報(bào)表，那么在PEC層的生產(chǎn)數(shù)據(jù)會清理，這樣讓負(fù)責(zé)車間執(zhí)行層的PEC始終處于數(shù)據(jù)不增長的狀態(tài)，一直處于高頻率執(zhí)行車間的各種操作；而報(bào)表統(tǒng)計(jì)，歷史數(shù)據(jù)查詢，需要大數(shù)據(jù)、高消耗運(yùn)算的，均在PMC層，包括歷史數(shù)據(jù)庫的遷移。這里特別要提到，如果要實(shí)現(xiàn)PMC集中化管理，企業(yè)的ERP、PDM等與MES接口系統(tǒng)，也需要實(shí)現(xiàn)集團(tuán)化管理，例如ERP就不能每個工廠各一套系統(tǒng)，而必須也用集中式部署，否則會造成一套MES PMC要開發(fā)多個不同ERP的接口。

4 多工廠接口架構(gòu)

PEC層提供多種與車間設(shè)備接口方式，特別針對常用的設(shè)備，已有插件配置，可直接配置完成連接，例如阿特拉斯\馬頭的擰緊設(shè)備、Fanuc\西門子數(shù)據(jù)機(jī)床、梅特勒\賽多利斯的電子稱，這樣可以讓多工廠的PEC能盡量功能統(tǒng)一，維護(hù)簡單，以下是PEC常用接口：如圖6所示。

圖5 MES PMC管理系統(tǒng)

在PEC和PMC之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用MQ消息機(jī)制傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定與高效，一個集團(tuán)PMC可支持與多個工廠的PEC接口通訊，即使是某個工廠的生產(chǎn)模式非常特殊，那么它的PEC系統(tǒng)，能獨(dú)立運(yùn)行，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)劃等可以用導(dǎo)入方式，例如企業(yè)在國外投資一個組裝工廠，生產(chǎn)計(jì)劃不穩(wěn)定，完全人工制定，產(chǎn)量也不大，那么就只需要部署一個簡易的PEC車間系統(tǒng)，不需要和集團(tuán)PMC系統(tǒng)接口。

以下是集團(tuán)PMC和車間PEC的接口模型：如圖7所示。

圖7 集團(tuán)PMC和車間PEC的接口模型

PMC，PEC多工廠架構(gòu)完成后的方案如下：如圖8所示。

圖8 PMC，PEC多工廠架構(gòu)完成方案

這里特別要強(qiáng)調(diào)從設(shè)備到上位數(shù)據(jù)傳遞的變化，即要按數(shù)據(jù)頻率，分散在設(shè)備層、車間控制層、MES層、ERP層，而且越往設(shè)備層，數(shù)據(jù)傳輸頻率越高，數(shù)據(jù)緩存越小；例如設(shè)備停線數(shù)據(jù)，如果是設(shè)備瞬間中斷的毫秒級數(shù)據(jù)，在設(shè)備層只會有短暫的脈沖信號存儲，而到了秒級的停線信號，則會發(fā)給車間PLC層，在PLC里做一定緩存，顯示在車間HMI顯示屏幕，提醒車間注意，而如果是分鐘級別的停線信號，則要發(fā)給MES，在MES存儲，維護(hù)停線原因，并做分析班次、車間的停線分析報(bào)表，而ERP需要的停線數(shù)據(jù)，則需要到月數(shù)據(jù)，年數(shù)據(jù)；這樣的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)分布，會把高頻率的信息交互交給底層處理，而減少上位系統(tǒng)的處理壓力。這個設(shè)計(jì)模型，也貫穿在SmartWork的多工廠模型中，從而提高了MES平臺的穩(wěn)定性。如圖9所示。

圖9 層次設(shè)計(jì)模型

5 多工廠對象建模

關(guān)于在構(gòu)建PEC車間執(zhí)行層時，如何能滿足一個集團(tuán)多個不同制造形態(tài)，必須要在MES平臺依據(jù)ISA95要求的4類9大模型來進(jìn)行生產(chǎn)建模，這樣才能靈活配置生產(chǎn)過程，而不是為一個生產(chǎn)形態(tài)而開發(fā)一套系統(tǒng)，那樣就無法做到一個集團(tuán)下MES系統(tǒng)的高度整合。HanThink SmartWork即是按ISA95來構(gòu)建工廠對象，用對象配置，以及提供對象API方法，快速構(gòu)建工廠生產(chǎn)流程：如圖10所示。

圖10 HanThink SmartWork

6 總結(jié)

集團(tuán)制造業(yè)選擇集中式部署還是分布式部署，取決于MES要實(shí)現(xiàn)什么樣的目標(biāo)，以及規(guī)劃的MES方向。如果MES重點(diǎn)在車間控制，與設(shè)備高度集成，那么毫無疑問是用分布式部署，集團(tuán)報(bào)表管理模式；如果MES重點(diǎn)在生產(chǎn)管理，統(tǒng)一生產(chǎn)協(xié)調(diào)，而把設(shè)備采集、控制已分布到各個設(shè)備供應(yīng)商完成了；而且多工廠的生產(chǎn)模式比較統(tǒng)一，那么MES可以集中部署，方便維護(hù)與管理。

【編輯推薦】