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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 3646

前言

隨著國內企業(yè)對MES認知的提升

，越來越多的制造企業(yè)已不滿足單個工廠實施MES
，而是考慮如何規(guī)劃集團MES架構
。對比國外MES產品和案例
，關于集團MES架構的案例并不多
，這說明中國是當之無愧的制造業(yè)大國
，其制造業(yè)的復雜度
，制造業(yè)的體量，已促進了中國制造業(yè)的各行業(yè)領頭羊企業(yè)率先思考如何布局集團MES
，多工廠MES
。

本文就如何構建集團MES，多工廠架構

，做一些經驗分享
，給相關企業(yè)一些參考。

集團+多工廠架構

，從幾個方面來討論：

1-MES服務器架構如何構建

；

2-MES功能如何劃分

；

3-如何做到多地的數(shù)據傳輸與穩(wěn)定

；

4-如何進行多工廠建模

；

01
多工廠業(yè)務模型

集團多工廠模型復雜

，因為各工廠
、車間生產形態(tài)可能不一樣、生產線不同
、管理方法不同，以下是一個多工廠業(yè)務模型：

02
多工廠服務器架構

企業(yè)IT一般考慮投資效益，希望一套服務器能支持多個工廠的應用

，每個工廠之間用專線或VPN方式連接
，這樣的好處是運維相對簡單，由集團的IT專業(yè)人員對服務器
、數(shù)據庫、系統(tǒng)做運維
，能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定；

如果集中一套服務器部署

，服務器配置要求高
，且要求每個節(jié)點冗余，包括數(shù)據庫集群
、應用服務器集群
、接口服務器集群；特別是應用服務器需要2臺以上做集群
；網絡必須支持冗余
，交換機雙節(jié)點
、網絡冗余（例如電信或聯(lián)通雙網絡），通過這樣的配置才能確保MES系統(tǒng)的高可用性
，避免服務器和網絡異常時，導致停線
。

如果每個工廠部署一套服務器

，服務器可以精簡
，部分應用集中部署在一臺服務器上
，例如報表與歷史數(shù)據庫服務器
；分布式部署
，極大降低了服務器問題導致的停線
，一旦服務器
、系統(tǒng)或網絡有問題，也僅僅是一個工廠出現(xiàn)異常
；

但是分布式部署產生的問題是

，集團IT希望運維能簡易，數(shù)據能集中
，否則某些區(qū)域的工廠不具備MES運維能力
，缺乏運維人員，當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)
，重復開發(fā)與部署
，代碼和管理混亂
；系統(tǒng)運維不標準
，簡單的數(shù)據庫監(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)據庫與MES授權費也是翻倍
，無論是Oracle/Sqlserver數(shù)據庫
，還是MES授權
，如果是多工廠分布部署
，必定會產生服務器授權費
，這樣極大增加了企業(yè)實施MES的費用
。

多工廠的數(shù)據交互復雜

，需要增加接口開發(fā)來匯總集團需要的數(shù)據
，例如集團的排產和計劃監(jiān)控
、各工廠人員
、設備的效益分析、各工廠的生產效率
、產能統(tǒng)計
，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；

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
、設備層緊密結合
，如果MES服務器放在異地
，遠隔成百上千公里
，即使有企業(yè)專線
，是否能和車間控制器、車間設備高速集成呢？一些多工廠企業(yè)
，工廠之間已經架構了專線
，把全國各個工廠連接在一個大的“局域網”內
，只要通過防火墻或企業(yè)路由器
，開放幾個MES服務器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
，就能連接到遠在北京的MES服務器，那么在確保網絡速度和穩(wěn)定性都很可靠時，異地車間設備通過專線去集團MES服務器，會有什么問題呢
？

不少集團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
，因為MES是緊密和車間層結合的
，雖然MES有部分功能是車間排產
、車間物料配送
、車間工藝指導
，但更多的是車間設備集成，車間數(shù)據采集等
，需要與設備大量進行數(shù)據交互
。例如輪胎廠，僅僅在檢驗工序
，一條輪胎需要經過均勻機檢測、動平衡檢測、X光機檢測
、外觀檢測
，每條輪胎從檢測設備獲取的數(shù)據達到10條以上，一個輪胎工廠2條生產線，每小時產量3000條
，等于每小時有3萬筆數(shù)據
，從設備傳輸?shù)組ES服務器；也就是說一個有規(guī)模的輪胎質檢車間
，每日2班可產生48萬筆數(shù)據
，每年產生超過1億多筆數(shù)據，這么頻繁的數(shù)據交互
，不是ERP、WMS系統(tǒng)能比擬的
，因為ERP等系統(tǒng)的數(shù)據，大部分是人工操作產生
，并非如MES來自設備高頻率產生的數(shù)據
；當然有些工廠會使用生產實時數(shù)據庫
，例如Rockwell FT History
、Wonderware Historian
、GE Fanuc iHistorian，但如果要對數(shù)據進行快速分析計算
，例如輪胎參數(shù)采集后
，要立即根據檢測數(shù)據進行輪胎等級判斷，立即傳輸給輪胎分揀系統(tǒng)
，那還是需要Oracle/Sqlserver這種關系型數(shù)據庫進行計算；那么在高頻率的MES與設備數(shù)據交互時
，VPN專線的集中服務器部署是否就滿足了呢
？其實剛才的數(shù)據統(tǒng)計，已經說明了答案，我們都知道服務器有I/O瓶頸
，內存瓶頸
，CPU瓶頸
，磁盤讀寫瓶頸，如果一個輪胎集團企業(yè)
，把全國4個工廠集中在一個MES部署，那每小時會產生12萬筆數(shù)據寫入或讀取
；而那我們制造業(yè)有多少成本構建一個小型的12306機房
，或一個門戶網站的機房呢
？而且MES平臺是否要發(fā)展類似SAP的Hana內存數(shù)據庫技術來解決高速訪問的問題呢？所以當一個制造業(yè)集團的工廠越來越多時
，集中式服務器部署，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險，大家都知道MES是支持智能制造
、工業(yè)4.0的基礎系統(tǒng)
，一旦MES系統(tǒng)出問題
，生產線就會停線，而多工廠集中部署
，勢必會導致所有工廠停線；另外MES功能和工廠的設備類型
，生產線布局，管理模式緊密相關
，例如一個生產風電的集團，有機艙工廠
、電機工廠
、葉片工廠
、輪轂工廠
、電柜工廠
、裝配工廠
，我們如何在一套集團MES服務器內，部署6套不同形態(tài)的MES系統(tǒng)呢
？是否要在一套MES內，通過參數(shù)配置實現(xiàn)6個制造形態(tài)
，那么MES功能會變得非常復雜
。雖然ERP能通過配置實現(xiàn)多個行業(yè)的功能
，但畢竟ERP標準化程度比MES高很多
。

03
多工廠功能架構

那么怎么解決一些集團制造業(yè)提出的MES集團化管理需求呢

，例如有些企業(yè)的計劃由總廠制定，物流配送由集團統(tǒng)一管理
，產品研發(fā)數(shù)據由一個研發(fā)中心發(fā)布
，MES基礎數(shù)據由總廠維護
，生產績效由總廠管理，如果有這些需求
，如果是分布式MES部署
，那么數(shù)據接口會非常復雜
，也無法支持集團的統(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實現(xiàn)集團化部署
，PEC實現(xiàn)分布式部署，與車間設備直接對接
，例如以一個汽車制造集團為例
，MES的PEC和PMC功能劃分如下：

PMC車間管理層把與車間關系不大

、且通用性比較高的模塊進行了集中
，例如排產
、基礎數(shù)據管理
、ERP接口、工藝文件等
。PEC車間執(zhí)行層
，則集中在設備接口、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層也能獨立運行
，在PEC層會駐留一定數(shù)據量的已排產的計劃
、已維護的基礎數(shù)據
，當然PEC層執(zhí)行完畢的數(shù)據采集、生產產量
、質量數(shù)據，也會定時傳輸?shù)絇MC層
，作為報表統(tǒng)計依據；另外在PEC層不會一直駐留已生產數(shù)據
，凡是過期數(shù)據，而且已經傳輸給PMC產生報表
，那么在PEC層的生產數(shù)據會清理，這樣讓負責車間執(zhí)行層的PEC始終處于數(shù)據不增長的狀態(tài)
，一直處于高頻率執(zhí)行車間的各種操作
；而報表統(tǒng)計
，歷史數(shù)據查詢
，需要大數(shù)據、高消耗運算的
，均在PMC層，包括歷史數(shù)據庫的遷移
。這里特別要提到，如果要實現(xiàn)PMC集中化管理
，企業(yè)的ERP
、PDM等與MES接口系統(tǒng)
，也需要實現(xiàn)集團化管理，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

PEC層提供多種與車間設備接口方式，特別針對常用的設備，已有插件配置

，可直接配置完成連接，例如阿特拉斯\馬頭的擰緊設備
、Fanuc\西門子數(shù)據機床
、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，維護簡單
，以下是PEC常用接口：

在PEC和PMC之間的數(shù)據傳輸

，采用MQ消息機制傳輸，確保數(shù)據傳輸?shù)姆€(wěn)定與高效
，一個集團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模式非常特殊
，那么它的PEC系統(tǒng)，能獨立運行
，基礎數(shù)據、計劃等可以用導入方式
，例如企業(yè)在國外投資一個組裝工廠，生產計劃不穩(wěn)定
，完全人工制定，產量也不大
，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PMC系統(tǒng)接口
。

以下是集團PMC和車間PEC的接口模型：

PMC，PEC多工廠架構完成后的方案如下：

這里特別要強調從設備到上位數(shù)據傳遞的變化

，即要按數(shù)據頻率，分散在設備層
、車間控制層、MES層
、ERP層，而且越往設備層
，數(shù)據傳輸頻率越高，數(shù)據緩存越?div id="m50uktp" class="box-center"> ?div id="m50uktp" class="box-center"> ；例如設備停線數(shù)據
，如果是設備瞬間中斷的毫秒級數(shù)據
，在設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
，則需要到月數(shù)據
，年數(shù)據
；這樣的數(shù)據設計分布
，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
。這個設計模型
，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

關于在構建PEC車間執(zhí)行層時

，如何能滿足一個集團多個不同制造形態(tài)，必須要在MES平臺依據ISA95要求的4類9大模型來進行生產建模
，這樣才能靈活配置生產過程
，而不是為一個生產形態(tài)而開發(fā)一套系統(tǒng)，那樣就無法做到一個集團下MES系統(tǒng)的高度整合
。HanThink SmartWork即是按ISA95來構建工廠對象
，用對象配置，以及提供對象API方法
，快速構建工廠生產流程：

總結：

關于集團制造業(yè)是否選擇集中式部署還是分布式部署
，取決于MES要實現(xiàn)什么樣的目標
，以及規(guī)劃的MES方向。如果MES重點在車間控制
，與設備高度集成
，那么毫無疑問是用分布式部署
，集團報表管理模式；如果MES重點在生產管理
，統(tǒng)一生產協(xié)調
，而把設備采集
、控制已分布到各個設備供應商完成了；而且多工廠的生產模式比較統(tǒng)一
，那么MES可以集中部署
，方便維護與管理。

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