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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(rèn)為其是一次科技革命，或者說是一次新技術(shù)革命。工業(yè)4.0的目的是通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)提高德國的制造業(yè)水平，建立具有適應(yīng)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(xué)術(shù)界如何解讀工業(yè)4.0，它的本質(zhì)都是資料，這些資料包括了智能產(chǎn)品的資料、企業(yè)運(yùn)營的資料、產(chǎn)業(yè)鏈上的資料、企業(yè)外部資料等等。這些資料串起來工業(yè)4.0的生態(tài)圈。
四大主題構(gòu)建工業(yè)4.0的核心業(yè)務(wù)
我們步入工業(yè)4.0的時代，實(shí)現(xiàn)由“自動化”向“智能化”的轉(zhuǎn)變。通過CPS(Cyber-Physical
Systems)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)人、裝備和產(chǎn)品的實(shí)時連通、相互識別和有效交流，為消費(fèi)者定制“個性化”的商品，并且提供及時、高效的服務(wù)。
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(wù)。智能工廠側(cè)重點(diǎn)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(luò)化分佈式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn);智能生產(chǎn)側(cè)重點(diǎn)在于企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、制造過程人機(jī)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(diǎn)，其側(cè)重點(diǎn)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(wù)作為制造企業(yè)的后端網(wǎng)絡(luò)，其側(cè)重點(diǎn)在于通過(服)務(wù)聯(lián)網(wǎng)結(jié)合智能產(chǎn)品為客戶提供更好的服務(wù)，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(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，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(yù)、即時正確的采集生產(chǎn)線資料，以及合理的生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)進(jìn)度，并加上綠色制造的手段，構(gòu)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(jī)械、電器和通信標(biāo)準(zhǔn)。以物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，配備傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)和RFID通信技術(shù)的智能控制設(shè)備可以對生產(chǎn)過程進(jìn)行智能化監(jiān)控。由此，智能工廠可以自主運(yùn)行，工廠之間的零部件與機(jī)器可以互相交流。
智能工廠是由軟體操控，進(jìn)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(jī)器將全部由軟體控制，工人只需要操作計算機(jī)就可以完成生產(chǎn)，進(jìn)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(shí)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(wù)資料，通過大資料的分析整合，使其全產(chǎn)業(yè)鏈可視化，達(dá)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(shí)現(xiàn)“定人定制”的過程。
智能生產(chǎn)的車間可以實(shí)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(yīng)用人工智能技術(shù)、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(luò)對生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)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(jìn)行智能化的活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，通過人與智能裝備的合力共事，去擴(kuò)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(kuò)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(xué)習(xí)能力和自維護(hù)能力、人機(jī)一體化、虛擬現(xiàn)實(shí)等特性。
3) 智能物流以客戶為中心，促進(jìn)資源優(yōu)化配置。
根據(jù)客戶的需求變化，靈活調(diào)節(jié)運(yùn)輸方式，應(yīng)用條碼、RFID、傳感器、全球定位系統(tǒng)等先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過信息處理平臺，實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸過程的自動化運(yùn)作和高效率優(yōu)化管理，從而促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和資源的優(yōu)化配置，方便人的生活。
4) 智能服務(wù)促進(jìn)新的商業(yè)樣式，促進(jìn)企業(yè)向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型。
智能產(chǎn)品+狀態(tài)感知控制+大資料處理，將改變產(chǎn)品的現(xiàn)有銷售和使用樣式。增加了在線租用、自動配送和返還、優(yōu)化保養(yǎng)和設(shè)備自動預(yù)警、自動維修等智能服務(wù)新樣式。
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)軟體就是這個人的神經(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(wù)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(yùn)作劃分為叁個層次，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―CS、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(shè)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(shè)備層”之間，對企業(yè)生產(chǎn)計劃進(jìn)行“再計劃”，“指令”生產(chǎn)設(shè)備“協(xié)同”或“同步“動作，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行及時的響應(yīng)，使用當(dāng)前確的資料對生產(chǎn)過程進(jìn)行及時調(diào)整、更改或干預(yù)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(dá)企業(yè)的期望(計劃)，又向有關(guān)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(yùn)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(gòu)建智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流和智能服務(wù)體系，我們需要對MES重新進(jìn)行定義，主要從以下幾個方面進(jìn)行說明：
1) MES深度融入企業(yè)運(yùn)營環(huán)節(jié)
智能工廠中的機(jī)器將全部由軟體控制，工人只需要通過MES現(xiàn)場的操作計算機(jī)或者移動終端就可以完成生產(chǎn)，MES結(jié)合企業(yè)運(yùn)營的其他工業(yè)軟體構(gòu)建一個高度協(xié)同性的生產(chǎn)系統(tǒng)，對企業(yè)的設(shè)計、采購、銷售、計劃、制造和運(yùn)維服務(wù)各個環(huán)節(jié)，對每一個與制造相關(guān)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(shí)現(xiàn)車間制程智能化的基本技術(shù)手段。MES收集及整合整個智能工廠的業(yè)務(wù)資料，通過工業(yè)大資料的分析整合，使其全產(chǎn)業(yè)鏈可視化，達(dá)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)勢必也是一個軟體公司，軟體系統(tǒng)的應(yīng)用也會越來越多，MES就會成為制造企業(yè)運(yùn)營的基石。
重新定義的MES的位置與其他業(yè)務(wù)板塊同等重要，以網(wǎng)絡(luò)化和扁平化的形式對企業(yè)的生產(chǎn)計劃進(jìn)行“再計劃”，“指令”生產(chǎn)設(shè)備“協(xié)同”或“同步“動作，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行及時的響應(yīng)，使用當(dāng)前確的資料對生產(chǎn)過程進(jìn)行及時調(diào)整、更改或干預(yù)等處理。
針對大規(guī)模定制的需求可以實(shí)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(dá)企業(yè)的期望(計劃)，又向有關(guān)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(yùn)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(jìn)行優(yōu)化，可以延伸至企業(yè)運(yùn)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(wù)應(yīng)用范圍更加深入
傳統(tǒng)MES的作用就是實(shí)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(dá)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(xì)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(hù)管理、質(zhì)量管理、文件控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析和資料采集等模塊。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，憑藉信息技術(shù)提供精確的實(shí)時資料，并最終達(dá)到優(yōu)化管理活動和生產(chǎn)活動的目的。而在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，各不同行業(yè)企業(yè)可以根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)和企業(yè)實(shí)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(shí)時資料是一個優(yōu)秀的MES的優(yōu)勢所在。MES對資料提供的實(shí)時性要明顯高于ERP，如果說控制層提供的實(shí)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(shí)時資料，而且需要對實(shí)時指令進(jìn)行準(zhǔn)備的自學(xué)習(xí)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是智能制造在智能工廠范疇內(nèi)的承載主體，實(shí)現(xiàn)“物理工廠”的“信息領(lǐng)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)樣式下，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(dǎo)致了傳統(tǒng)設(shè)計、計劃到生產(chǎn)樣式的反應(yīng)遲緩，嚴(yán)謹(jǐn)?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(shè)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)能等資料，PLM設(shè)計結(jié)束之前，柔性生產(chǎn)計劃即可快速下達(dá)，MES實(shí)時開始生產(chǎn)執(zhí)行，同時實(shí)現(xiàn)良好的反饋機(jī)制。這種柔性協(xié)同也對系統(tǒng)間設(shè)計
BOM、生產(chǎn)BOM、資料、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)字管理向智能管理髮展
MESA組織給出MES功能模型的定義，強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)過程“生產(chǎn)、質(zhì)量、消耗及績效”的業(yè)務(wù)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(wù)資料采集、業(yè)務(wù)資料傳遞和業(yè)務(wù)統(tǒng)計。通過業(yè)務(wù)過程的數(shù)字化，建立了協(xié)同工作平臺，併在此基礎(chǔ)上進(jìn)行資料分析與統(tǒng)計，基本實(shí)現(xiàn)了全面的數(shù)字化和透明化管理。
但在實(shí)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(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)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)整工藝引數(shù)來確保質(zhì)量最佳。但事實(shí)上，傳統(tǒng)基于單據(jù)作業(yè)樣式的MES，在資料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(chǔ)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(shí)現(xiàn)微觀層面的智能優(yōu)化。比如在工序?qū)用娴目刂浦?，在區(qū)域協(xié)調(diào)優(yōu)化中采用智能化技術(shù)?；蛘咴谀骋粋€專業(yè)領(lǐng)域，如設(shè)備的狀態(tài)預(yù)測、質(zhì)量預(yù)警及生產(chǎn)預(yù)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)化演算法進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。
3、傳統(tǒng)的車間管理向工廠運(yùn)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(kuò)展至與供應(yīng)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)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(wù)領(lǐng)域?qū)用?，將擴(kuò)展智能裝備的性能監(jiān)測與維護(hù)、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(jié)構(gòu)化資料向工業(yè)大資料平臺發(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(rèn)為，主要差在“軟實(shí)力”方面。雖然在硬體層面我們也有明顯的差距，但有大量資料比較得出，即使一樣建設(shè)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(zé)任推到基礎(chǔ)硬體層面。
工業(yè)4.0時代，技術(shù)的發(fā)展為資料的產(chǎn)生(物聯(lián)網(wǎng))、存貯、分析(云技術(shù))、使用(移動互聯(lián))更加方便。因此也可以說，工業(yè)4.0的變革是資料驅(qū)動型的變革。這個“軟實(shí)力”提升的主要驅(qū)動力是“資料”的利用。
MES傳統(tǒng)上處理各類業(yè)務(wù)單據(jù)，資料僅限于結(jié)構(gòu)化的資料，很多企業(yè)在此基礎(chǔ)上，也開展了商務(wù)智能(BI)的建設(shè)與利用，但總體上還在有限的資料范圍內(nèi)進(jìn)行事后分析。
今天的物聯(lián)網(wǎng)(包括設(shè)備、物料等IIOT及人工作業(yè)過程中的HIOT)將產(chǎn)生大量的實(shí)時信息，都是表徵了生產(chǎn)過程的全息影像。這些資料在采集、管理、分析與可視化方面，技術(shù)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(shù)實(shí)現(xiàn)上，傳統(tǒng)的MES在逐步開發(fā)及實(shí)施的過程中，功能一點(diǎn)點(diǎn)增加，最終形成改寫工廠管理需要的一個功能套件集合，即我們常見的套裝軟體。但這種套裝軟體從設(shè)計本質(zhì)上是以職能管理為核心的，以軟體系統(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)建成的叁年內(nèi)，50%的工藝(模型)將會或多或少隨著生產(chǎn)的持續(xù)改進(jìn)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(yīng)、可擴(kuò)展的系統(tǒng)，其技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用模型驅(qū)動技術(shù)來構(gòu)架系統(tǒng)。將ISA95相關(guān)的、在制造業(yè)通用功能以組件的方式，而各廠不同的、適應(yīng)各自管理及工藝流程的、不同應(yīng)用系統(tǒng)集成的部分，將通過可配置的模型平臺來實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。當(dāng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的適應(yīng)性。
6、傳統(tǒng)的視窗界面向虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展
從人機(jī)協(xié)同的角度來看，計算機(jī)技術(shù)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(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用，一是信息的展示方法。試想，通過鍵盤、滑鼠的信息錄入方法完全是要求人們?nèi)ミm應(yīng)計算機(jī)的需要，采用視窗操作界面，也是今天的計算機(jī)操作系統(tǒng)的展示信息的手段。這些都是以計算機(jī)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(shù)引發(fā)資料海量增加、設(shè)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(jī)交互的方式必須更加自然、實(shí)時、聚焦要點(diǎn)。
虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效解決這一點(diǎn)。在工業(yè)4.0時代，虛擬世界將與現(xiàn)實(shí)世界高度融合。通過計算、自主控制和聯(lián)網(wǎng)，人、機(jī)器和信息互相聯(lián)接，融為一體，所有的生產(chǎn)資料將被全部整合到工廠虛擬現(xiàn)實(shí)管理系統(tǒng)中。
利用叁維可視化技術(shù)將生產(chǎn)場景真實(shí)展現(xiàn)出來，生產(chǎn)資料實(shí)時驅(qū)動叁維場景中的設(shè)備，使其狀態(tài)與真實(shí)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(shè)備的運(yùn)行狀況，達(dá)到監(jiān)測、查看、分析的目的。
工業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展是推動科技創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)和與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的融合，采用創(chuàng)新的工業(yè)軟體、自動化技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)及服務(wù)，讓MES深入企業(yè)運(yùn)營應(yīng)用過程中，促進(jìn)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(shù)支持。
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