MES多工廠模型探討

集團(tuán)+多工廠架構(gòu)，從幾個(gè)方面來(lái)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；

集團(tuán)多工廠模型復(fù)雜，因?yàn)楦鞴S、車(chē)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(gè)多工廠業(yè)務(wù)模型：

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(gè)工廠的應(yīng)用，每個(gè)工廠之間用專線或VPN方式連接，這樣的好處是運(yùn)維相對(duì)簡(jiǎn)單，由集團(tuán)的IT專業(yè)人員對(duì)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、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(gè)節(jié)點(diǎn)冗余，包括數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)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(guò)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(shí)，導(dǎo)致停線。

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

但是分布式部署產(chǎn)生的問(wèn)題是，集團(tuán)IT希望運(yùn)維能簡(jiǎn)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(wèn)題時(shí)，不能及時(shí)解決；另外分布式部署，MES系統(tǒng)也難統(tǒng)一版本，各個(gè)工廠自主一套MES系統(tǒng)，重復(fù)開(kāi)發(fā)與部署，代碼和管理混亂；系統(tǒng)運(yùn)維不標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)與MES授權(quán)費(fèi)也是翻倍，無(wú)論是Oracle/Sqlserver數(shù)據(jù)庫(kù)，還是MES授權(quán)，如果是多工廠分布部署，必定會(huì)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(kāi)發(fā)來(lái)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(lái)匯集和分發(fā)數(shù)據(jù)；

那么MES能否像DMS銷(xiāo)售系統(tǒng)、WMS倉(cāng)儲(chǔ)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(chē)間層，和車(chē)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(chē)間控制器、車(chē)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(guó)各個(gè)工廠連接在一個(gè)大的“局域網(wǎng)”內(nèi)，只要通過(guò)防火墻或企業(yè)路由器，開(kāi)放幾個(gè)MES服務(wù)器IP和端口，即可簡(jiǎn)單接入MES，例如在新疆工廠，客戶端電腦輸入一個(gè)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(shí)，異地車(chē)間設(shè)備通過(guò)專線去集團(tuán)MES服務(wù)器，會(huì)有什么問(wèn)題呢？

不少集團(tuán)IT在規(guī)劃MES時(shí)，提出了剛才的問(wèn)題，而且看似找不到這樣做的弊端，但這樣的思路方式，是沒(méi)有站在MES所處的企業(yè)信息層級(jí)來(lái)思考的，因?yàn)镸ES是緊密和車(chē)間層結(jié)合的，雖然MES有部分功能是車(chē)間排產(chǎn)、車(chē)間物料配送、車(chē)間工藝指導(dǎo)，但更多的是車(chē)間設(shè)備集成，車(chē)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(guò)均勻機(jī)檢測(cè)、動(dòng)平衡檢測(cè)、X光機(jī)檢測(cè)、外觀檢測(cè)，每條輪胎從檢測(cè)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)達(dá)到10條以上，一個(gè)輪胎工廠2條生產(chǎn)線，每小時(shí)產(chǎn)量3000條，等于每小時(shí)有3萬(wàn)筆數(shù)據(jù)，從設(shè)備傳輸?shù)組ES服務(wù)器；也就是說(shuō)一個(gè)有規(guī)模的輪胎質(zhì)檢車(chē)間，每日2班可產(chǎn)生48萬(wàn)筆數(shù)據(jù)，每年產(chǎn)生超過(guò)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(lái)自設(shè)備高頻率產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；當(dāng)然有些工廠會(huì)使用生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，例如Rockwell FT History、Wonderware Historian、GE Fanuc iHistorian，但如果要對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行輪胎等級(jí)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(kù)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(shí)，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(shuō)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(pán)讀寫(xiě)瓶頸，如果一個(gè)輪胎集團(tuán)企業(yè)，把全國(guó)4個(gè)工廠集中在一個(gè)MES部署，那每小時(shí)會(huì)產(chǎn)生12萬(wàn)筆數(shù)據(jù)寫(xiě)入或讀??；而那我們制造業(yè)有多少成本構(gòu)建一個(gè)小型的12306機(jī)房，或一個(gè)門(mén)戶網(wǎng)站的機(jī)房呢？而且MES平臺(tái)是否要發(fā)展類似SAP的Hana內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)解決高速訪問(wèn)的問(wèn)題呢？所以當(dāng)一個(gè)制造業(yè)集團(tuán)的工廠越來(lái)越多時(shí)，集中式服務(wù)器部署，勢(shì)必會(huì)遇到性能瓶頸而無(wú)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(wèn)題，生產(chǎn)線就會(huì)停線，而多工廠集中部署，勢(shì)必會(huì)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(gè)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(guò)參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)6個(gè)制造形態(tài)，那么MES功能會(huì)變得非常復(fù)雜。雖然ERP能通過(guò)配置實(shí)現(xiàn)多個(gè)行業(yè)的功能，但畢竟ERP標(biāo)準(zhǔn)化程度比MES高很多。

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(gè)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(jī)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(huì)非常復(fù)雜，也無(wú)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(gè)問(wèn)題，SmartWork把MES功能劃分為PEC（Production Execute Center）車(chē)間執(zhí)行層和PMC(Production Management Center) 車(chē)間管理層2個(gè)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(chē)間設(shè)備直接對(duì)接，例如以一個(gè)汽車(chē)制造集團(tuán)為例，MES的PEC和PMC功能劃分如下：

PMC車(chē)間管理層把與車(chē)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(chē)間執(zhí)行層，則集中在設(shè)備接口、車(chē)間ANDON，車(chē)間監(jiān)控、車(chē)間打印這些模塊，也就是脫離PMC層，在車(chē)間PEC層也能獨(dú)立運(yùn)行，在PEC層會(huì)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(huì)定時(shí)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(huì)一直駐留已生產(chǎn)數(shù)據(jù)，凡是過(guò)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(huì)清理，這樣讓負(fù)責(zé)車(chē)間執(zhí)行層的PEC始終處于數(shù)據(jù)不增長(zhǎng)的狀態(tài)，一直處于高頻率執(zhí)行車(chē)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(kù)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(gè)工廠各一套系統(tǒng)，而必須也用集中式部署，否則會(huì)造成一套MES PMC要開(kāi)發(fā)多個(gè)不同ERP的接口。

PEC層提供多種與車(chē)間設(shè)備接口方式，特別針對(duì)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(mén)子數(shù)據(jù)機(jī)床、梅特勒\(chéng)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(jiǎn)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(gè)集團(tuán)PEC可支持與多個(gè)工廠的PMC接口通訊，即使是某個(gè)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(guó)外投資一個(gè)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(gè)簡(jiǎn)易的PEC車(chē)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(chē)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(chē)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(jí)數(shù)據(jù)，在設(shè)備層只會(huì)有短暫的脈沖信號(hào)存儲(chǔ)，而到了秒級(jí)的停線信號(hào)，則會(huì)發(fā)給車(chē)間PLC層，在PLC里做一定緩存，顯示在車(chē)間HMI顯示屏幕，提醒車(chē)間注意，而如果是分鐘級(jí)別的停線信號(hào)，則要發(fā)給MES，在MES存儲(chǔ)，維護(hù)停線原因，并做分析班次、車(chē)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(huì)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(gè)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(tái)的穩(wěn)定性。

關(guān)于在構(gòu)建PEC車(chē)間執(zhí)行層時(shí)，如何能滿足一個(gè)集團(tuán)多個(gè)不同制造形態(tài)，必須要在MES平臺(tái)依據(jù)ISA95要求的4類9大模型來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)建模，這樣才能靈活配置生產(chǎn)過(guò)程，而不是為一個(gè)生產(chǎn)形態(tài)而開(kāi)發(fā)一套系統(tǒng)，那樣就無(wú)法做到一個(gè)集團(tuán)下MES系統(tǒng)的高度整合。HanThink SmartWork即是按ISA95來(lái)構(gòu)建工廠對(duì)象，用對(duì)象配置，以及提供對(duì)象API方法，快速構(gòu)建工廠生產(chǎn)流程：

總結(jié)：