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如何成功实施MES与生产建模

[日期:2011-02-02] 来源:Siemens公司  作者:Siemens公司 [字体: ]

      1、引 言

      1.1 mes和生产建模

      20世纪90年代初,工业界开始认识到他们需要一个可以将业务系统和控制系统集成并连接在一起的中间层。制造执行系统(MES)从一开始就是一个特定集合的总称,用来表示一些特定功能的集合以及实现这些特定种功能的产品。

      最初,MES并没有一个非常明确的定义,它几乎涵盖了所有那些无法准确地分配给其它层的应用程序或产品。大多数这样的产品都是由一些定制的应用程序逐渐演化而来的,而这些应用程序基本上都是由系统集成商针对某类特定用户而进行开发的,并且通常都是针对某个特定领域(如排程、实验室、质量、产品跟踪等等)的。

      此后,在国际上,各相关组织都开始意识到了要对MES进行更加明确的定义。MESA(MES协会)第一个、ISA稍后,都相继开发了相关的模型对MES加以描述、并试图通过模型使其标准化(参见以下各章节)。

      近十年来,新兴的业务类型不断的涌现,对技术的革新产生了无限的推动力。正是在这种压力之下,制造厂商再次在这一重大的变革中发挥了关键性的作用。公司业务以及生产流程的全球化正在创造一种全新的经营模式。制造不再是一个可以通过单个实体就可以完成的过程,而是延伸到了工厂、国家、乃至整个企业范围之内。正是基于这一点,使得人们对B2B以及供应链给予了极大的关注。尽管B2B和供应链属于业务层的解决方案,但如果想要百分之百地实现它们,B2B和供应链还需要得到制造执行系统(MES)的强有力的支持。

      与此同时,制造商们也对生产过程提出了更多新的要求。这其中包括降低批量的规模,以及对生产过程能够进行有效地“实时”干预。当然,随之而来的是过程之中和之外越来越多的信息流和新出现的规程,正在工厂层(Plant)创造新的内部需求。

      其结果是MES不能仅仅作为成为业务(Business)和过程(Process)之间的接口层,它还需要建立大量可以完成公司关键业务的功能。这些功能无法彼此独立,也不能通过数据交换层简单地连接,而是必须依据业务(Business)和生产(Production)策略而彼此协同。

      这在ISA-95委员会的文件中,有非常很明确的表述。他们不仅以数据方式描述了MES过程,同时还通过各种功能,诸如资源管理和资源分配、调度、数据采集、质量保证管理、维护管理、绩效分析、排程、文件控制、工时管理及物料和生产跟踪等之间的交互作用来描述MES过程。

      为此,西门子为MES指出了一个全新的发展方向,我们将MES建立在一种结构(生产建模,Production Modeling)之上,通过这种结构,用户可以用层级模型(hierarchical model),将各种专用产品(组件,Component)协同起来,来描述业务(Business)和生产作业(Production Operation)。

      同时我们看到,今天的控制系统变得越来越“智能”,对于“协同生产管理(Collaborative Production Management)”的重要部分,MES和控制系统都应该采用类似的方法。

      这正是西门子在全集成自动化(Totally Intergrated Automation)中所展示的概念,也正是西门子在控制的SIMATIC和MES的SIMATIC IT中实施的远景(Vision)和结构。

      1.2 ISA-95及其对MES的影响

      近年来,一种新的国际标准又正在成为企业的行为规范——

控制系统集成规范。这就是IEC/ISO 62264和ANSI/ISA-95,它定义了企业级业务系统与工厂车间级控制系统相集成时所使用的术语和模型。该标准还定义了中间层MES系统应支持的生产作业活动。

      很多供应商、用户、顾问都参与了该标准的制定和定义。这就确保了该标准具有坚实的基础以及高度的可用性。该标准目前由三部分组成,其中第3部分定义了MES的作业活动。它着重阐述了与生产(Production)、维护(Maintenance)及质量(Quality)等有关的作业活动。通常来说,这些活动都是同等重要的,不过,如果和生产或者生产作业无关的话,可能也就不需要维护作业或质量作业了。

      2、为什么要考虑MES和生产建模

      不管你在工厂里是负责哪一项工作,每天都要处理大量与制造系统相关的问题。MES的实施以及正确生产模型的应用,可以帮助解决许多关于这方面的问题。

      这些问题可以大致分成三个主要范畴:

      • 业务(Business)
      • 生产(Production)
      • IT(信息技术)

      2.1 业务方面的问题

      您是否想提高供应链的总体效率?
      供应链的效率很大程度上受制于业务系统与生产系统的功能集成程度。MES正是以ISA-95为蓝本提供了这种集成。系统集成的低下会导致制造系统效率低、可见性差。

      您的系统是否可以对市场变化以及新的客户需求作出快速反应?
      在今天这个充满挑战的时代,对制造业来说,取得成功的关键因素就在于对新需求的反应能力(比如:产品规范、质量程序等的更改)以及适应环境的能力(比如:新标准的引入等)。如果您的系统可以满足这些要求,就可能提高您的竞争力,并大大节省成本。

      您的生产流程是否在所有工厂都进行了标准化?
      在今天的商业环境中,保证统一、一致的生产流程是很重要的,否则,您很难保证在不同工厂生产出质量水平相同的产品。很显然控制系统和业务系统都不能解决这种问题,除非具备一个结构化建模的环境,能够统一协同各种不同条件下(例如:不同的硬件和软件条件)的生产流程。

      您是否为新的法规做好了准备?
      有些标准和法规(诸如FDA)早已设立,以保证高质量产品的生产。这些新出现的法规以及对物料进行完全跟踪的需求正在影响制造业的生产过程。MES可以实现这些法规的要求,并对物料的完全跟踪发挥作用。

      您是否想让自己的业务更灵活地满足客户需求?
      为了满足客户以及市场不断变化的需求,传统的标准应用程序往往显得手足无措。因为,它无法面对越来越多、越来越苛刻的客户需求。然而,MES则可以帮助您在面对这些需求的时候游刃有余,轻松应对即将发生的客户需求。

      2.2 生产方面的问题

      您是否能够妥当地处理返工和废品?您是否能够精确地跟踪物料的使用?
      一般来说,返工和废品无法通过控制系统来
处理。如果没有适当的管理,则会导致过多的浪费或者物料跟踪失控,并有可能因此影响最终产品的质量。不仅如此,整个生产流程中的总体物料跟踪现在已成为影响能否正确评估财务和生产成本的关键因素。

      您是否需要提高生产流程的可见性?您的系统是否可以提供与生产相关的关键业务指标(KPI)以及高级报表?
      要想真正了解您工厂正在执行的情况,您需要一个这样的系统,它可以产生可配置的符合你需要的生产报告来显示各种KPI。这些必须将过程控制特定数据与生产相关数据关联起来(例如:订货编程、批次、人员、物料等),以简化绩效问题分析和识别。MES可以提供生产流程的可见性,以创建改善生产流程之条件,并提高您的制造系统的效率。

      您是否需要提高质量水平?您是否可以准确地找到那些受损的批次或者不合格的产品批次?您是否可以精确回溯自己的生产?   

   如果不可以,则您可能无法解决与产品质量有关的具体问题。您还可能无法适当回答客户的抱怨或及时采取的适当措施来修正。一个高效的MES系统可以提供完整的系统来跟踪整个生产流程中的物料。它还仔细跟踪所有生产过程中物料转换,直至生产出最终产品并发送给最终客户为止。

      您的系统是否可以对生产方面的问题有效反应?您是否可以适当地重新安排自己的车间活动?
      如果车间出现异常情况,怎么办?故障和停机时间必须进行有效的管理。通常情况下,这一问题的解决涉及到若干个系统(诸如,下达维护通知,重新排产,相关人员必须立即就位等等)。如果协同不好,将导致资源无法有效利用,最终生产成本的增加。

      您的ERP系统是否可以高效地与制造操作系统协同?
      为了提高供应链的效率,车间发生的情况应该实时地传递给业务物流系统,特别是生产绩效方面的情况。这对于物料、仓库管理、计划来说,都是非常有帮助的,甚至可以降低相应人力资源配置的数量。

      您的制造系统是否完全集成?
      过程控制、MES及ERP之间的完全集成对现代企业的商业运作来说是至关重要的。制造系统是由许多不同的功能相互协同而构成的。制造系统的全集成可以帮助企业实现一流的运营效率,相反,零散的解决方案将成为车间绩效改善的瓶颈。

      2.3信息技术(IT)方面的问题

      您的系统是否得到了很好的集成和同步?您是否在不同应用系统之间建立了很多连接?您的IT系统维护费用是否太高?

      不同应用系统之间的接口在很大程度上增加了整个制造系统的复杂性,这必然导致IT维护成本和相关程序的修改费用居高不下。之所以会产生这样的局面,主要是因为大多数制造系统缺乏必要的协同和灵活性。使用建模的方法将有效地降低系统集成的复杂性,并对现场不同应用系统之间的信息交互起到积极的协同作用。

      您的实施成本是否太高?您是否经常感到自己的项目风险过高?

      单个工厂解决方案的可重用性和可移植性对于整个企业范围内的项目实施成本至关重要。只有那些能够被重复实施的解决方案才能够使项目的实施变得更加简单和快捷。

      您是否在专业知识的共享方向遇到困难?您是否想简单地来重用自己的专业知识及软件?

      软件平台的有效重用是实现成本节约的关键问题。通过对专业知识的“固化”,企业可以在内部组织间实现知识的快速转移。这一点对于标准的应用系统来说,几乎是不可能实现的。一个成熟的建模环境可以帮助您清晰地定义业务流程,这对于理解那些复杂的制造系统来说是非常必要的。同时,通过这一有效的手段,也使您关注的焦点不在局限在那些具体的IT技术细节,而是将重心放在了更加重要的生产流程上。

      您是否需要一种简单的故障监控、查找与排除的环境?

      一般来说,生产系统是软件应用程序与设备的复杂集成。故障的识别和排除是一个令人头痛的问题。借助一个独一无二的环境对涉及若干系统的业务流程进行建模和运行的能力,可以有效地进行扩展监控与故障排除。

      您是否为让自己的团队保持一流的技术水平感到困难?为了跟随最新的技术而对员工进行的培训所付出的成本是否太高?

      企业里的应用系统很多时候是针对特定需求而量身定做的。这就意味着只有具备相应技能的工程师才能对系统进行有效的维护,然而要


保证和维持团队的这种技能水平,企业是要付出一定代价的。然而生产建模的方法给了我们崭新的视角,通过这种方法,我们可以简单而快速的实施复杂的制造系统,而且对团队的技能要求降低了很多。

      3、您如何取得成功

      3.1 一种全新的范例

      标准的应用产品通常都是一个很庞大的系统,它们包含了很多的功能。但是,当这样的系统面对千变万化的客户需求时,却又往往显得力不从心。因为,这些系统是很难摆脱掉那些已经预先在产品中设置好的执行逻辑(隐式规则法,implicit rules approach)。而通常情况下,这些预设的执行逻辑是没有办法根据特定需求去进行修改的。随着产品的升级换代和相应应用的不断扩展,这种矛盾就尤为突出。

      对于今天的制造业企业来说,拥有高度灵活的应用系统是企业在商战中决胜的关键。很显然,应用上述的标准系统,是无法满足企业需求的。有鉴于此,西门子公司提出了一种全新而独特的范例,为制造系统的发展开辟了崭新的天地。

      SIMATIC IT Production Suite是西门子SIMATIC IT产品的核心。它由SIMATIC IT Framework和SIMATIC IT Components组成。
      •SIMATIC IT Components提供可以满足业务基本需要的功能。每个组件都是针对具体的制造问题而建置的(例如,订单管理、物料管理、人员管理、报表管理等)。
      •SIMATIC IT Framework是一个建模环境,它通过图形的方式将不同的SIMATIC IT Components功能组合在一起来定义执行逻辑(显式规则法,explicit rules approach)。SIMATIC IT Framework是根据物理对象(实际的装置和设备)和逻辑对象(软件包及应用程序)来完成对工厂模型的创建。这些对生产执行逻辑的显式定义,以及对工厂模型中不同对象之间相互作用的定义,都是根据实际的生产作业来实现的。


      这样,SIMATIC IT Production Suite就可以在标准产品和功能的基础上,进行灵活配置,来实现各种业务的具体问题和系统应用。这在以前的应用系统中基本是不可能的。

      SIMATIC IT Production Suite提供了对于第三方组件和已有应用程序进行集成的能力。这样一来,很多现场应用程序就可以集成进来,并按照SIMATIC IT Framework中定义的逻辑进行协调和调用。

      在这样的集成中,这些第三方组件和已有的应用程序在整个系统中就有SIMATIC IT Production Suite自己的标准组件一样来完成相应的功能。SIMATIC IT Framework可以协同整个生产流程以及所有涉及的应用程序。这样就实现了不同系统间的高效集成,提高了生产制造系统的效率。

      通过SIMATIC IT Framework,可以在基于图形化规则的环境中对企业业务流程进行建模,这就给生产流程的描述提供了一种通俗易懂的方式。这种图形化模型将制造系统的功能进行了细化。一般地,建模的过程是在SIMATIC IT Framework提供的库环境中进行建模,创建相应的对象类。这些类可以很容易地在完全图形化的环境进行重用和复制。SIMATIC IT Framework中库的定义通过提取工厂实际运行的应用程序中的规则来实现的,这就使得库中所定义的对象类可以被完整的重用,并能够很容易地在其他众多项目中快速推广实施。

      SIMATIC IT Production Suite可以满足各个不同行业的需要。通过对SIMATIC IT Production Suite中对象类的不断丰富,可以形成不同行业的对象库,从而更加专业、快速地满足不同行业的需求。

      西门子公司设有专门的部门,在不断地开发、丰富这些对象和实例,以满足实际项目的需求。这些对象和实例稍加修改,就可以满足客户各种不同的特定需求。这些预先组建的对象是SIMATIC IT库的一部分(参见专门附录)。

      SIMATIC IT Production Suite是快速设计工厂生产模型的有力工具,而且在将SIMATIC IT Components或第三方组件的功能从模型转换到实际的生产应用方面,它具有着得天独厚的优势。

      按照ISA-95中定义的MES系统模型,SIMATIC IT Production Suite涵盖了其中大部分的功能,这也在一定程度上体现了SIMATIC IT研发的指导方针。西门子公司是ISA-95委员会中的正式会员,拥有表决权。

      SIMATIC IT Production Suite的其他附加组件则彻底完善了整个MES系统的需求(参见SIMATIC IT Historian,SIMATIC IT Unilab,SIMATIC IT Interspec)。

      3.2 带给企业业务的收益

      我们正处在一个技术和创新的时代,新技术和创新每天都在影响着我们的生活。制造业必须正视这种挑战,对新的、不断变化的形势做出积极的反应。

      市场要求的供应链反应速度越来越快,生产和制造如果无法有效地改变自己的运作方式,就会成为整个供应链的瓶颈。新法规的出现,生产系统灵活性、适应性要求的提高,以及客户追求高质量产品的需要,使得MES成为制造业谈论的热门话题。SIMATIC IT Production Suite总算填补了业务物流系统(一般为ERP)与控制系统之间的空白,为提高总体供应链效率创造了有力的条件。这不仅仅是软件集成的问题,而更多的是对整个制造过程的功能集成和优化,以及对供应链中与制造有关的各方面的协同。

      此外,SIMATIC IT提供的独特方法使得制造系统具有了更加灵活的可移植性,对于那些业务不断扩大的企业来说,通过SIMATIC IT可以更方便、快速地使所收购的企业融入母系企业的业务模式。SIMATIC IT Production Suite给制造企业提供了对自己的业务进行建模的机会,从而使企业更加面向客户,并随时应对来自市场的各种需求,企业竞争力大大提高。

      对于企业内不同地点的工厂,业务流程都应该一致。即使个别工厂所面临的环境不同时,也要如此。因为,只有这样才能确保公司生产高质量的产品。SIMATIC IT Framework的业务规则是从工厂实际应用系统中抽象出来的,这就保证了不同工厂在保持生产流程一致的同时,客户可以使用不同的应用程序来执行相同的功能。企业用户借此可以对工厂生产作业进行标准化,同

时有效地解决制造系统中的问题。SIMATIC IT Production Suite的设计保证了它可以在不同的工厂中快速的推广实施,这对于多地点、多工厂结构的企业来说,是极为有利的。因为,这样可以在最大程度上节约实施的成本。

      SIMATIC IT Production Suite的设计还可以全面满足对质量和生产跟踪的要求。这些要求在当今的市场竞争中已经变得越来越重要。SIMATIC IT Production Suite可以轻松的帮助用户满足现有法规标准,诸如美国食品和药物管理局(FDA)以及欧洲食品安全机构(EFSA)的要求等。

      3.3 带给企业生产的收益

      SIMATIC IT Production Suite及其组件涵盖了MES在任何制造背景下所需的核心功能。通过对生产流程进行建模和定义,SIMATIC IT Production Suite可以有效


地提高整个生产流程的可见性。物料的跟踪功能可以进行相应的配置,以便完全符合实际生产流程的要求。这样就可以对物料使用具有一个清晰的了解,为有效改善生产管理创造了条件:有效降低库存,对生产成本进行更深入的分析,对废品和返工进行高效管理等。

      SIMATIC IT Production Suite内置了对整个物料族系图进行重组的功能,重组可以向后也可以向前。这就意味着,系统可以自动回溯具体的原材料批次被用在那些成品批次上了。同样向反方向可以应用相同的概念,对具体的成品批次是由哪些原材料批次制成的。很显然,当在生产制程中发现不合格的原材料和成品时,可以迅速发现受损原因和结果,确保企业损失最少,尤其是可以确保最终客户拿到有质量保证的产品。

      SIMATIC IT Production Suite的建模能力为有效管理生产例外情形(Production Exception)创造了条件。例如:如果车间出现停机,怎么办?要正确处理这样的事件,不同的系统和部门就要采取相应的措施:

      •通知排程系统,并且发布一个新的计划
      •通知相关人员进行维护活动
      •给工厂经理发送一份详细的报告
      •……

      在整个过程涉及的各种不同功能的系统中,SIMATIC IT Framework充当了管理和协调者的角色,整个流程可以在SIMATIC IT Framework中建模和管理,从而对整个制造系统产生真正的增值。

      通过与SIMATIC IT Historian(参见相关介绍)的固有集成,就为与生产有关的高级KPI建模提供了可能性。因此,利用来自控制器以及MES的数据就可以进行很多KPI的计算。比如一些典型的KPI:在过去2个月中,对于产品等级为“2”、产品类型为“×××”生产订单,3号生产线上的搅拌器的温度情况是怎样的?比较这些生产订单之间的消毒区,KPI情况如何?这就为通过评价生产绩效而有效的发现问题提供了一种强有力的分析机制。

      3.4 带给企业IT的收益

      SIMATIC IT提供的创新性方法,不仅给企业带来了巨大的技术收益,而且对于企业运营成本的降低提供了可能。

      面对SIMATIC IT Production Suite,用户可以不再拘泥于具体的IT技术,而将精力集中于对业务流程的优化。SIMATIC IT Production Suite完全隐藏了艰深的技术细节,这与标准MES应用程序的开发相比,对IT技术的要求低了很多。

      借助SIMATIC IT,我们可以使用图形的方式对业务规则(生产作业)进行建模。这样各种不同的组件就可以通过SIMATIC IT Production Suite来完成相应的信息交互,有效实现所设计的业务流程。

      SIMATIC IT Production Suite对工厂建模有着绝对的优势,一个庞大的工厂可以真实的在软件中体现。图形化的业务规则(生产作业)由若干基本步骤组成,这些步骤可以在软件调用中转换为SIMATIC IT组件或第三方组件。然后,这些规则被SIMATIC IT Framework运行,并可以实时监控其执行情况。这样,整个现场的生产流程就被SIMATIC IT控制了。这时候,我们就可以很方便地分析意外情况,精确找出问题来源,从而大大降低故障查找与排除所需要的时间。

     库(Library)、类(Class)以及继承机制为SIMATIC IT Production Suite应用程序的快速实施和推广,创建了必要的条件,库和生产作业实际上是对专业/行业知识高效的表示方式。通过这样的方式,就可以帮助大家简单明了的了解具体的应用程序是如何实现的,即便是那些没有深厚专业技术背景的人,也同样可以办到。通过隐藏具体的技术细节,对生产流程进行图形化的描述可以方便地实现专业知识的共享。模型化的生产流程的每一步都与电子文件相关联,这样项目工程师可以在其中添加关于操作的具体细节。通过这种方式,模型本身还代表对那些执行项目的功能说明。

      对于这样一个基于规则的应用环境,利用不同组件所提供的基本功能,不但可以简单地对应用程序进行修改,而且可以轻松地重新安排生产作业而无须应付定制的代码。这就使得维护和修改应用程序方面的成本大大降低。即便那些不具备深厚专业技能的人也一样可以完成普通故障的查找和排除。

      西门子合作伙伴可以创建自己的SIMATIC IT库,因此可以对他们自己的专业知识进行编码,从而使专业知识可以方便地重新使用,大大降低MES项目的平均实施时间。

      3.5 全集成

      西门子公司承诺向其客户提供完整的解决方案,从各种现场设备直至MES。

      这是TIA(全集成自动化)概念的一部分。西门子公司是制造业市场上为数不多的为客户提供完整的自动化解决方案,并满足所有需求的供应商。西门子产品内在固有的集成优势已经在很多行业得到了验证。

      西门子全面的全集成产品范围,保证了项目的快速实施和工程建设的有效性,从而为在整个业务流程中创造更高的生产效率创造了条件。

      在西门子全集成自动化的战略中,SIMATIC IT是MES的主角。SIMATIC IT积极地拓展了全集成自动化的理念,使得第三方软件及组件也可以加入进来。

      通过这种方式,用户不需要进行复杂的技术封装就可以完成相应的解决方案。很多西门子产品都预置了大量只要经过初始化就可以使用的对象,SIMATIC IT与这些西门子产品的集成更加开拓了我们的视野。很显然,这对整个制造系统的快速实施、完美集成具有创造性的意义。



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