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2022-11-09
  • 行业见解
如何构建集团企业的多工厂MES-鑫引利科技说

随着国内企业对MES生产管理系统认知的提升,越来越多的制造企业已不满足单个工厂实施MES,而是考虑如何规划企业MES架构。本文就如何构建企业MES,多工厂架构,做一些经验分享,给相关企业一些参考。



随着国内企业对MES认知度的提高,越来越多的制造企业已经不满足于在单个工厂实施MES,而是考虑如何规划企业MES架构。对比国外的MES产品和案例,关于企业MES架构的案例并不多,可见中国是当之无愧的制造业大国。其制造业的复杂性和体量,推动了中国制造业的龙头企业率先思考如何布局企业MES和多厂MES。
本文就如何构建企业MES,多工厂架构,做一些经验分享,给相关企业一些参考。
从几个方面讨论企业+多工厂架构:
如何构建MES服务器架构;
如何划分MES职能;
如何实现多地点的数据传输和稳定;
如何做多工厂建模?


1 、多工厂业务模型
集团多工厂模型复杂,因为各工厂、车间生产形态可能不一样、生产线不同、管理方法不同,以下是一个多工厂业务模型:如图1所示。


2、多工厂服务器架构
一般IT企业考虑的是投资效益,希望一套服务器可以支持多个工厂的应用,每个工厂通过专线或者VPN连接。这样做的好处是运维相对简单,集团的IT专业人员可以对服务器、数据库、系统进行运维,保证系统的稳定性。如图2所示。

如果集中部署一套服务器,服务器配置要求高,要求每个节点冗余,包括数据库集群、应用服务器集群、接口服务器集群;特别是集群需要两台以上的应用服务器;网络必须支持冗余,交换机双节点,冗余网络(如中国电信或中国联通双网)。只有通过这种配置,才能保证MES系统的高可用性,避免因服务器和网络异常造成的停机。如图3所示。

如果每个工厂部署一套服务器,可以精简服务器,一些应用集中部署在一台服务器上,比如报表和历史数据库服务器;分布式部署大大减少了服务器问题导致的停机时间。一旦服务器、系统或网络出现问题,也只是出厂时的例外。

但是分布式部署带来的问题是,IT希望运维可以简单,数据可以集中的群体。否则部分地区的工厂不具备MES运维能力,缺乏运维人员,所以当MES系统出现问题时,不能及时解决。此外,分布式部署使得MES系统难以统一。每个工厂都有自己的MES系统,导致重复开发和部署,代码和管理混乱。系统运维不规范,简单的数据库监控和备份难以保证日常实施;除了几倍的硬件投入,数据库和mes的授权费用也是翻倍的。无论是Oracle/Sqlserver数据库还是MES授权,如果分布在多个工厂,肯定会产生服务器授权费用,大大增加了企业MES实施的成本。

多工厂数据交互复杂,需要增加接口开发来汇总集团需要的数据,如集团的排产和计划监控、各工厂人员和设备的效益分析、各工厂的生产效率和产能统计、R&D中心的工艺文件发布等,都需要频繁的接口来收集和分发数据;如图4所示。


那么MES可以像DMS销售系统、WMS存储系统甚至ERP一样集中部署吗?还是云MES?我们知道MES属于车间层,与车间控制层、设备层紧密结合。如果将MES服务器放在异地,相距数百公里,即使有企业专线,能否与车间控制器、设备高速集成?在一些多工厂企业中,工厂之间设置了专线,将全国所有工厂连接成一个大的“局域网”。您可以通过防火墙或企业路由器打开几个MES服务器IP和端口来访问MES。比如在新疆工厂,客户端电脑输入一个IP 172.168.x.x地址就可以连接到远在北京的MES服务器。因此,当网络速度和稳定性可靠时,不同车间的设备可以连接。

在规划MES的时候,刚才很多IT组都提出了这个问题,似乎找不到这样做的弊端。但这种思维方式并不是从MES所在的企业信息化层面考虑的,因为MES与车间层面紧密结合。虽然MES的部分功能是车间调度、车间物料分配、车间工艺指导,但更多的是车间设备集成、车间数据采集等。,需要与设备进行大量的数据交互。比如轮胎厂,仅在检验环节,一个轮胎就需要经过均质机、动平衡、x光机、外观等检验。每个轮胎从检测设备上获得10多条数据,一个轮胎厂有两条生产线,每小时产量3000条,等于每小时3万条数据,从设备上传输到MES服务器上。也就是说,一个大规模的轮胎质检车间,每天2班可以产生48万条数据,一年超过1亿条数据。如此频繁的数据交互,是ERP和WMS系统无法比拟的,因为ERP等系统的大部分数据都是人工操作产生的,而不是MES这样的高频设备产生的数据;当然,有些工厂会使用生产实时数据库,比如罗克韦尔FT History,Wonderware History,GE Fanuc iHistorian。但如果要快速分析计算数据,比如轮胎参数采集完成后,要立即根据测试数据判断轮胎等级,并立即传输到轮胎分拣系统,那么还是需要Oracle/Sqlserver这样的关系型数据库进行计算。那么当高频MES与设备数据交互时,VPN专线的集中式服务器部署是否满足?其实刚才的统计数据已经说明了答案。我们都知道服务器有I/O瓶颈,内存瓶颈,CPU瓶颈,磁盘读写瓶颈。如果一家轮胎集团企业将全国四家工厂集中在一个MES部署中,每小时将产生12万次数据写入或读取;而我们制造业建一个小型的12306机房或者门户机房要多少钱?以及MES平台是否应该开发类似SAP的Hana内存数据库技术来解决高速访问的问题?所以,当一个制造集团的工厂越来越多的时候,集中式的服务器部署必然会遇到性能瓶颈,无法突破。

此外,集中部署也增加了工厂停工的风险。众所周知,MES是支撑智能制造和工业4.0的基础系统。MES一旦出问题,生产线就要停工,多个工厂集中调配,必然导致所有工厂停工;此外,MES功能与工厂的设备类型、生产线布局和管理模式密切相关。比如一个生产风电的集团,有机房厂、电机厂、叶片厂、轮毂厂、电气柜厂、装配厂。如何在一个集团MES服务器上部署6套不同的MES系统?是否需要在一套MES中通过参数配置实现六种制造形态,那么MES功能就会变得非常复杂。虽然ERP可以通过配置实现很多行业的功能,但毕竟ERP的标准化程度远高于MES。


3、多工厂功能架构
那么如何解决一些集团制造行业提出的MES集团管理要求呢?比如有的企业的计划由总厂制定,物流配送由集团管理,产品R&D数据由某研发中心发布,MES基础数据由总厂维护,生产绩效由总厂管理。如果有这些需求,如果是分布式MES部署,那么数据接口会非常复杂,无法支持集团统一管理。HanThink推出的SmartWork套件很好地解决了这个问题。SmartWork将MES功能分为PEC(生产执行中心)车间执行层和PMC(生产管理中心)车间管理层两大模块,PMC实现集团部署。PEC是分布式的,直接与车间设备相连。例如,以某汽车制造集团为例,MES的PEC和PMC功能划分如下:如图5所示。



PMC车间管理集中了与车间关系不大、通用性强的模块,如排产、基础数据管理、ERP接口、工艺文档等。PEC车间执行层侧重于设备接口、车间等、车间监控、车间打印等模块,即它们可以在车间PEC层独立运行,一定量的调度计划和维护的基础数据会驻留在PEC层。当然,PEC层执行后的数据收集、产量和质量数据也会定期传送到PMC层,作为报表的统计依据。此外,产生的数据不会一直留在PEC层中。如果过期数据已经传输到PMC生成报表,那么PEC层产生的数据会被清理,这样负责车间执行层的PEC就会一直处于数据无增长的状态,一直高频率的在车间执行各种操作;而报表统计、历史数据查询,以及那些需要大数据、高消耗的操作都在PMC层,包括历史数据库的迁移。特别是如果要实现PMC的集中管理,企业的ERP、PDM等与MES的接口系统也需要分组管理。比如ERP,不能每个工厂都有一套系统,还必须集中部署,否则就要为MES PMC开发一套不同ERP系统的接口。



4、多工厂接口架构
PEC层提供了与车间设备的多种接口模式,特别是对于常用设备。已经配置了插件,可以直接配置完成连接,比如Atlas马头的拧紧设备,Fanuc西门子数据机床,梅特勒SaiDolis的电子秤,可以让很多工厂的PEC尽可能统一,易于维护。这里是PEC的通用接口,如图6所示。



PEC与PMC之间的数据传输采用MQ消息机制,保证数据传输的稳定性和高效性。一个PMC组可以支持与几个工厂的PEC接口通信。即使一个工厂的生产模式很特殊,它的PEC系统也可以独立运行,基础数据和计划都可以导入。比如企业在国外投资组装厂,生产计划不稳定,完全手工制作,产量不大,只需要

以下是集团PMC与车间PEC的接口模型:如图7所示。




PMC,PEC多工厂架构完成后的方案如下:如图8所示。


这里特别要强调的是数据传输从设备到上层的变化,即要按照数据频率分布在设备层、车间控制层、MES层、ERP层,数据传输频率越高,数据缓存越小。比如设备停机的数据,如果是设备瞬间中断的毫秒级数据,只会在设备层存储很短的时间。当达到二级信号时,会发送到车间PLC层,缓存在PLC中,显示在车间的HMI显示屏上,提醒车间注意。如果是分钟级信号,则发送给MES,由MES存储和维护停机原因,并做出当班和车间停机的分析报告。但是,如果是分钟级信号,它将被发送到MES。这样的数据设计和分发会把高频的信息交互交给底层进行处理,减轻上层系统的处理压力。这种设计模式也贯穿了SmartWork的多工厂模式,从而提高了MES平台的稳定性。如图9所示。


5、多工厂对象建模
在构建PEC车间执行层时,如何满足一个集团多种不同的制造形态,需要在MES平台上按照ISA95要求的四大类九个模型来构建生产模型,使生产流程可以灵活配置,而不是针对一种生产形态开发一套系统,进而无法实现一个集团下MES系统的高度集成。HanThink SmartWork是根据ISA95构建工厂对象,使用对象配置,提供对象API方法,快速构建工厂生产流程,如图10所示。



6、总结
制造业选择集中式部署还是分布式部署,取决于MES想要达到什么样的目标,以及规划的MES方向。如果说MES侧重于车间控制,与设备高度集成,那么毫无疑问是分布式部署和集团报表管理模式;如果MES侧重于生产管理,统一的生产协调,设备获取和控制已经分配给所有的设备供应商;而且多个工厂的生产模式相对统一,可以集中部署MES,便于维护和管理。