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MES多工廠模型探討

作者：Hanthink 發(fā)布時間：2023-06-01 10:19:52 3648

前言

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：

1-MES服務(wù)器架構(gòu)如何構(gòu)建；

2-MES功能如何劃分

；

3-如何做到多地的數(shù)據(jù)傳輸與穩(wěn)定

；

4-如何進(jìn)行多工廠建模

；

01
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：

02
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)；

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?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">。欢俏覀冎圃鞓I(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

，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
。

03
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：

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
。

04
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：

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)PEC可支持與多個工廠的PMC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：

PMC，PEC多工廠架構(gòu)完成后的方案如下：

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?div id="d48novz" class="flower left">
。焕缭O(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。

05
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：

總結(jié)：

關(guān)于集團(tuán)制造業(yè)是否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
。

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