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MES系統(tǒng)在工業(yè)4.0里起到什么作用？

已有 1249 次閱讀2022-12-26 16:48 |個人分類:工業(yè)MES系統(tǒng)| 工業(yè)MES系統(tǒng)、工業(yè)4.0

我們常常說工業(yè)4.0。工業(yè)4.0的本質(zhì)是什么？

通過資料可以知道：

2012年美國通用電氣提出"工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)"的概念，2013年德國提出"工業(yè)4.0"，2015年中國提出"中國制造2025"，這三者，最重要的目標就是建立智能工廠。相同的目標，但基礎和的環(huán)境是不同的，所以實施的途徑不同。

智能制造首先講智能，我查閱了百度上的關于"智能"和"智能制造"的定義：

●智能：從感覺到記憶到思維這一過程，稱為"智慧"，智慧的結(jié)果就產(chǎn)生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為"能力"，兩者合稱"智能"，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的整個過程稱為智能過程，它是智力和能力的表現(xiàn)。--百度

●智能制造，就是面向產(chǎn)品全生命周期，實現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。通過智能化的感知、人機交互、決策和執(zhí)行技術，實現(xiàn)設計過程、制造過程和制造裝備智能化。--百度

●智能制造系統(tǒng)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，借助計算機模擬人類專家的智能活動進行分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，從而取代或者延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動。同時，收集、存貯、完善、共享、集成和發(fā)展人類專家的智能。--百度

此外，還有業(yè)界人士給出的相關定義：

趙敏認為："智能制造，基于CPS（賽博物理系統(tǒng)）技術構(gòu)建'狀態(tài)感知-實時分析-自主決策-精準執(zhí)行-學習提升'的數(shù)據(jù)閉環(huán)，以軟件形成的數(shù)據(jù)自動流動來消除復雜系統(tǒng)的不確定性，在給定的時間、目標場景下，優(yōu)化配置資源的一種制造范式。" 該定義所涉及的各項基本要素包括：

●智能機理：狀態(tài)感知-實時分析-自主決策-精準執(zhí)行-學習提升；

●操作對象：數(shù)據(jù)（信息與知識的載體）；

●使能：軟件中的算法與規(guī)則（數(shù)字化知識）；

●本質(zhì)：數(shù)據(jù)自動流動，并因自動流動而形成知識泛在；

●目的：消除復雜系統(tǒng)的不確定性；

●約束：給定時空場景；

●價值：優(yōu)化配置制造資源。

Stephen J.Ezell（美國信息技術與創(chuàng)新基金會資深分析師）認為：先進制造并不等同于智能制造，在本質(zhì)上，先進制造包括兩方面的概念：先進產(chǎn)品的制造，以及先進的、基于信息通信技術的生產(chǎn)過程。而智能制造則主要指的是后者。

《2016年北美能源安全和基礎設施法案》（S.2012）法案中定義智能制造如下：

在信息、自動化、監(jiān)測、計算、傳感、建模和網(wǎng)絡方面的先進技術：

1、數(shù)字模擬制造生產(chǎn)線、計算機操控的制造設備、生產(chǎn)線狀態(tài)的監(jiān)控和交互、全生產(chǎn)過程中能源消耗和效率的管理及優(yōu)化。

2、廠房能源效率的建模、模擬和優(yōu)化。

3、監(jiān)測和優(yōu)化建筑的節(jié)能性能。

4、產(chǎn)品能源效率及可持續(xù)化性能的建模、模擬和優(yōu)化，包括使用數(shù)字模型和增材制造加強產(chǎn)品的設計。

5、將制造產(chǎn)品連入網(wǎng)絡以監(jiān)控和優(yōu)化網(wǎng)絡性能，包括自動化網(wǎng)絡操作。

6、供應鏈網(wǎng)絡的數(shù)字化連接。

從本質(zhì)上講，智能制造就是將制造-生產(chǎn)-使用的各個環(huán)節(jié)的信息同制造相結(jié)合。

Shinbara(美國制造技術協(xié)會(AMT) 的技術副主席)認為：智能制造的四個層級如下：

第一層級，是智能機器本身，通過加裝傳感器的方式使用于成型、剪切、鍛造、沖壓的各種特定機器形成信息流并融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

第二層級，是數(shù)字線程通過工藝鏈的聯(lián)接，將分散于獨立機器之間的信息實現(xiàn)跨車間的信息流整合（創(chuàng)建出覆蓋整個企業(yè)范圍的制造系統(tǒng)）。這表示原本彼此獨立的工藝鏈通過信息和通信技術的整合構(gòu)成企業(yè)整體的制造生產(chǎn)體系。

第三層級，要在這個龐大的"制造信息"體系中通過數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化制程，并通過迭代的方式設計智能化產(chǎn)品。

第四層級，則是智能化的CEO或者高管，在建立了企業(yè)信息系統(tǒng)和部門的基礎上被授權對生產(chǎn)水平、生產(chǎn)地點、生產(chǎn)設置等實施優(yōu)化和實時決策。

美國提出CPS是智能制造的本質(zhì)。

彭瑜認為：智能制造系統(tǒng)/智能工廠綜合集了"精益制造"、"柔性制造"、"可持續(xù)制造（綠色制造）"、"數(shù)字化制造"、"云智造"、"智能制造"、"全能制造"、"敏捷制造"等各種制造范式。

孔翰寧(Henning Kagermann，德國國家科學與工程學院院長）給出的智能生產(chǎn)的定義：

第一個維度，橫向的一體化要做的更好，內(nèi)部流程的打通和數(shù)字化，這意味著我們要不斷改進現(xiàn)在所做的工作，比如說軟件、解決方案，3D打印的生產(chǎn)方式。第二個維度，改進縱向一體化，這個問題十到十五年前我們就在討論了，上下游的供應商合作伙伴怎么打通。現(xiàn)在我們必須要實現(xiàn)橫向、縱向一體化的無縫對接。

第三個維度就是全生命周期的產(chǎn)品管理，從工程設計到產(chǎn)品生產(chǎn)和售后服務的生命周期，我們都必須統(tǒng)一管理。這方面過去已經(jīng)有很多管理軟件，但這些工具之間沒有什么聯(lián)系，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不一樣，需要打通和升級。

我認為，智能制造的典型特征歸納起來有五個方面：

1.敏捷感知：敏捷感知市場和客戶輸入的實時狀態(tài)；

2.實時分析：對感知的實時狀進行實時分析和計算；

3.自主推理：按照設定的規(guī)則，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，自主作出推理和選擇；

4.快速反應：根據(jù)推理和選擇的結(jié)果，快速地作出本能反應；

5.學習創(chuàng)新：利用人工智能，自學習，作出創(chuàng)新的方案。

二、企業(yè)徹底數(shù)字化

我一直在提倡企業(yè)要徹底數(shù)字化，數(shù)據(jù)和信息就是工業(yè)4.0中流動著的"血液"，而數(shù)字化就是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成信息，通過網(wǎng)絡化和智能化的決策，創(chuàng)造有用的價值。所以說數(shù)字化制造是智能制造的基礎。沒有數(shù)字化制造的基礎，智能制造是空中樓閣。目前企業(yè)最大的浪費就是數(shù)據(jù)的浪費，一個企業(yè)生產(chǎn)了幾十年的產(chǎn)品，開發(fā)了多少個產(chǎn)品在銷售，但是留下的數(shù)據(jù)卻幾乎沒有，除了一些圖紙、工藝以外，沒有留下產(chǎn)品的開發(fā)過程、生產(chǎn)過程、使用過程的任何數(shù)據(jù)，這就是最大的浪費。如果哪個企業(yè)把三十年來的數(shù)據(jù)全部綜合起來，那么現(xiàn)在開發(fā)新的產(chǎn)品、定制化產(chǎn)品，肯定是得心應手的。硬件可以山寨化、可以拷貝，但是這些數(shù)據(jù)是無法拷貝的。

約翰·惠勒提出一句話"it from bit（萬物來自信息）。"其中it指代物質(zhì)，而bit指代信息。簡單來講，傳統(tǒng)工業(yè)就是原子的重組，制造業(yè)做的事情幾乎就是把每個原子再重組，這當然很重要，而且是基礎。今天數(shù)據(jù)科技和互聯(lián)網(wǎng)的時代，來源于數(shù)據(jù)和信息的重組。未來很大的趨勢是數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化，重組數(shù)據(jù)和信息比重組原子獲益更加巨大。

2014年10月10日，李克強總理在柏林同德國總理安格拉·默克爾共同主持第三輪中德政府磋商。雙方?jīng)Q定發(fā)表了《中德合作行動綱要：共塑創(chuàng)新》。共110條，"工業(yè)4.0"合作有4條，其中第41條是：工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化（"工業(yè)4.0"）對于未來中德經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。雙方認為，該進程應由企業(yè)自行推進，兩國政府應為企業(yè)參與該進程提供政策支持。

1.數(shù)字化工廠是工業(yè)4.0與智能制造的基礎

數(shù)字化工廠的主要特征包括：

●數(shù)據(jù)化：企業(yè)產(chǎn)品全生命周期的活動建立共享的數(shù)據(jù)庫和知識庫；

●信息可視化：通過數(shù)據(jù)處理，形成有用的信息，并按需顯示；

●模擬仿真優(yōu)化：利用相關數(shù)據(jù)和信息，模擬仿真實際生產(chǎn)過程，達到最優(yōu)化的生產(chǎn)過程；

●監(jiān)控實時化：監(jiān)控與實際生產(chǎn)過程同步，實現(xiàn)虛實結(jié)合的CPPS（Cyber Physic Production System）；

●協(xié)調(diào)決策智能化：對實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的干擾和波動，進行協(xié)調(diào)，其決策是最佳的。

數(shù)字化工廠的建設任務包括：

●建立網(wǎng)絡系統(tǒng)（互聯(lián)網(wǎng)、以太工業(yè)網(wǎng)、無線通訊網(wǎng)）；

●建立數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)；

●建立縱向和橫向集成的業(yè)務模型與組織；

●選擇合適的工業(yè)應用軟件系統(tǒng)（ERP、PLM、MES、CAX）；

●進行員工的培訓；

●制訂生產(chǎn)規(guī)范標準；

●安全保障制度。

數(shù)字化工廠的主要目標為：

●縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；

●產(chǎn)品按時交貨；

●降低庫存；

●提高產(chǎn)品質(zhì)量；

●快速響應市場需求；

●產(chǎn)品個性化定制。

2.MES是企業(yè)生產(chǎn)管理集成的核心軟件

30多年來，我國在企業(yè)數(shù)字化/信息化也開展了大量的研究和實施，但大多數(shù)企業(yè)未能獲得預期的經(jīng)濟效益，究其原因種種，我認為主要是：

●規(guī)劃方案與企業(yè)經(jīng)營模式和業(yè)務流程不一致；

●認識錯誤：只是紙面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)、以及擔憂失去工作崗位等人為因素；

●計劃與實際生產(chǎn)過程脫節(jié)，或失控。

中國制造2025戰(zhàn)略的一條主線就是信息化與工業(yè)化的融合、互聯(lián)網(wǎng)+和智能制造。其基礎就是企業(yè)必須先實現(xiàn)數(shù)字化工廠，而數(shù)字化工廠的核心是制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。2016年4月25日，工業(yè)和信息化部辦公廳印發(fā)了《關于開展2016年智能制造試點示范項目推薦的通知》，在智能制造試點示范項目要素條件中提出了五種模式，都與制造執(zhí)行系統(tǒng)相關，特別是離散型智能制造模式和流程型智能制造模式必須建立制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），將MES提到了極其重要的地位。

MES是1990年美國先進制造研究協(xié)會(Advanced Manufacturing Research，AMR)首次提出制造執(zhí)行系統(tǒng)的概念（manufacturing execution system，簡稱MES）。1992年成立了國際MESA組織。現(xiàn)在，MESA定義為Manufacturing Enterprise Solutions Association，即制造企業(yè)方案協(xié)會。

實際上MES不僅僅是執(zhí)行系統(tǒng)，它相當于一個工廠里的CEO，董事會負責決策，而CEO負責執(zhí)行董事會的決議，同時他還要指揮這個企業(yè)的運作。同理，MES是執(zhí)行上層的，如ERP的計劃，同時MES還要負責協(xié)調(diào)整個生產(chǎn)、管理、車間層面的協(xié)調(diào)調(diào)度，所以我認為MES不僅僅執(zhí)行系統(tǒng)，它是一個生產(chǎn)指揮系統(tǒng)。90年代我在德國開發(fā)MES系統(tǒng)的時候，當時我們把MES翻譯成生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，現(xiàn)在看來我越來越覺得這個翻譯比較準確，MES是生產(chǎn)管理的核心軟件。

3.制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

MES軟件未來市場空間廣闊，復合增速保持在40%左右。2014年全球MES行業(yè)市場規(guī)模約為416億元，過去5年保持年均21.65%的高速增長，到2020年，MES行業(yè)市場規(guī)模有望達到931億元，未來保持年均18%的復合增速。

MES在中國的需求較為旺盛，2014年MES行業(yè)市場規(guī)模約為26億元，同比增長25%，預計到2018年市場規(guī)模將達到100億元，未來平均增幅保持在40%左右，并且從增速對比，國內(nèi)MES市場相對于國際市場增速顯著更高，這得益于國內(nèi)較大的工業(yè)自動化改造實踐。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是在工業(yè)3.0的背景下產(chǎn)生的，它在智能制造框架下是一個什么樣的角色？如何打通ERP、MES及設備端等信息化孤島？

首先，根據(jù)企業(yè)的實際需求，扎扎實實地開展MES的技術開發(fā)與實施工作，為工業(yè)數(shù)字化打下堅實的基礎。

其二，MES作為企業(yè)生產(chǎn)管理的核心軟件系統(tǒng)，必須與上層ERP系統(tǒng)、底層生產(chǎn)設備和自動化系統(tǒng)實現(xiàn)無縫的連接。

其三，MES是工業(yè)3.0的基礎上發(fā)展起來的，但在工業(yè)4.0和中國制造2025的背景下，需要進一步發(fā)展，歸納起來是以下"八化"：

●標準化，即ISA95標準、VDI5600標準等。ISA-95標準是由ISA(儀器、系統(tǒng)和自動化協(xié)會)和ANSI(美國國家標準協(xié)會)共同發(fā)起制定的。德國工程師協(xié)會（VDI）制定了VDI5600標準。指出了持續(xù)改進過程的潛在發(fā)展可能性；