制造运行管理系统与智能制造

本文为OFweek维科号作者Smartrobot发布

【前言】 工业生产制造是人类最主要的社会活动之一，自从大约300年前发生在英国的第一次工业革命开始，人类共经历了四次大的工业革命，即所谓的工业1.0（机械化）、工业2.0（电气化）、工业3.0（信息化）及目前正在来临的工业4.0（智能化）。目前以信息化为应用的工业自动化生产过程与市场、物流、产品设计以及公司管理等各方面联系越来越紧密，它们之间的关系不仅是纵向的，还是横向的，还可能是复杂的闭环生态系统。以智能工厂、智能装备、智能服务等为主题的智能制造已成为未来制造业的发展方向。因此，无论是在未来的智能制造阶段还是在目前信息化制造阶段，工业自动化的制造模型、技术和工具等已发生相应变化。

本文主要是从工业控制的角度来探讨、理解工厂信息化和智能化建设的理论模型、技术、工具及解决思路。

一，企业信息化管理的组成

企业信息化建设牵涉的范围广（如下图示），这些常用的信息管理系统其具体定义和功能不是本文重点，本文主要从工业控制的角度，它们与现场控制层关系的远近，首先简单分析各自特点及其相互关系,本文重点在MES。

        从管理理念而言，ERP是提高企业内部资源的计划和控制力，以效益为中心；CRM更关注市场与客户。如果说ERP是企业级的全面管理应用的话，那么CRM就是ERP的前端，可以看作ERP的一部分。

    PLM倡导的是创新，以产品研发为中心，其目标是期望通过产品设计及流程的有效管理，从设计源头控制产品质量，实现“开源”、“生钱”；ERP强调的是控制，则侧重于制造领域物流的管理，目的是“节流”、“省钱”。所以有种说法：理想的生产自动化不仅是由设备本身的自动化水平而决定（当然生产设备自动化是最重要的）；还与产品及其工艺的标准化、流程化、自动化有关。

    SCM与ERP互补，属于两个不同范畴，ERP基本是企业内部的问题，SCM对企业来说是成本性系统。

    BPM组织管理计划、执行、控制、监控和改进等业务流程，关注企业的工作流程制度化、标准化；ERP关注企业如何合理分配资源满足生产和客户的需求，是事务处理系统。实际应用中业务流程往往独立配置于其它管理系统(ERP、SCM、CRM等)中。

ERP的重点在于财务，也就是从财务的角度出发来对企业的资源进行计划，相关的模块也是以财务为核心的展开，最终的管理数据也是集中到财务报表上。MES重点在于制造，也就是以产品质量、准时交货、设备利用、流程控制等作为管理的目标。ERP管理的范围比MES大，MES管理比ERP细。企业生产资源作为企业资源的一部分，也在ERP管理的范围内，也相应有生产计划、数据采集、质量管理、物料管理等功能模块，所以往往和MES会混淆。但ERP管理的范围主要是以工作中心为单位，MES能更细致到每个制造工序，对每个工序进行任务的下达、执行控制和数据采集、现场调度等。

ERP主要采用填写表单和表单传送的方式实现管理，现场收到的制造任务是通过表单传达，现场制造数据也是通过填写表单完成收集。MES是采用事件的方式实现管理，生产订单的变化和现场的制造情况，通过MES内置的引擎立刻触发相关事件，要求相关人员或设备采取相应的行动。

所以说ERP是事务驱动，MES是事件驱动。而现场设备控制层则是实时驱动，对于即时性要求很高。相比时间紧迫性上，MES要求低点，一般达到及时就可以。而ERP要求更低，能达到事务上一定的相对同步就可以。但到智能制造阶段，时间紧迫标准上要求越来越高，如生产数据即时分析，快速交货，市场快速响应等。

制造企业的信息管理系统都是由许多独立的子系统组成，基于事务处理的各子系统和许多基于实时操作的车间生产子系统，集成难度高、相容性比较低。上面提到的几个企业信息管理系统在现代企业建设中都很重要，虽然不象现场生产控制系统那样必不可少，但一般制造企业或多或少会建立某些信息管理系统。传统的企业信息建立方式是各取所需分别建立，不同企业不同性质的管理系统其功能和内容往往不同。人工和表单、文件等往往是最主要的作业方式；而且人工和表单、文件等往往还是不同系统联系的纽带。但现在企业精细化管理要求下，尤其是智能制造时代来临，不但人工手动作业的方式越来越不适应现代生产制造要求，而且信息自动化的内涵和形式也发生很大变化。

二，智能制造

智能工厂、智能车间，智能设备是智能制造的主要方面，它也是工业自动化关注重点。智能车间以产品生产整体水平提高为核心，关注于生产管理能力提高，产品质量提高，客户需求导向的及时交付能力提高，产品检验设备能力提高，安全生产能力提高，生产设备能力提高，车间信息化建设提高，车间物流能力提高，车间能源管理能力提高等方面。通过网络及软件管理系统把数控自动化设备(生产设备，检测设备，运输设备，机器人等)实现互联互通，达到感知状态(客户需求，生产状况，原材料，人员，设备，生产工艺，环境安全等信息)，实时数据分析，从而实现自动决策和精确执行命令的自组织生产的精益管理境界的车间。

相对于传统制造，智能制造最主要的特点是适应大规模个性化定制生产的柔性制造能力。相对于信息化的3.0时代，从用户到供应商到制造商、应用商，从市场到工厂纵向集成，横向集成，形成一个闭环生态的制造链。

在智能车间，数控机床、机器人、机器视觉、AGV搬运车、仓储等是最常用的智能设备。

根据CIM公共信息管理模型，以面向对象的分析和设计方法，建立通用的信息模型，统一的数据结构，模块化、标准化功能或组件等是建立企业信息化及生产过程自动化最有效的思路。

基于通用信息模型，定义智能制造装备的通用信息模型如：数控机床、机器视觉、机器人等。信息模型是对物理对象的数字化，可反映实际物理对象和数据的关系，信息模型使得不同应用程序对所管理的数据进行重用，可实现对象映射，与现有集成技术的映射，如OPC UA，边缘计算等。可形成标准化的通用集成解决方案，信息模型可通过标准化、程序化的形式进行固化。

信息模型应定义三个层面的内容：要描述哪些对象和数据，如何组织对象和数据。规定智能制造装备信息模型描述格式（如：XML），加上通讯方式，即：信息模型+描述格式+通信驱动就形成通用集成方案。

智能制造的分层结构如上图所示，其中MES位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的信息管理系统，这也是本文讨论的重点。

三，从MES到MOM

实施智能制造，数据是基础，采集大量生产现场数据，是实现精准运行管理和企业协同制造的前提。管理软件与智能制造装备之间的互联互通，数据传输,对数据进行一致解析,多年来采用的传统生产过程的特点是“由上而下”按计划生产。简单的说是从计划层到生产控制层，企业根据订单或市场等情况制定生产计划――生产计划到达生产现场――组织生产――产品派送。企业管理信息化建设的重点也大都放在计划层，以进行生产规划管理及一般事务处理。MES系统就是为了解决ERP系统和现场自动化控制系统之间出现了管理信息方面的“断层”而出现的。

MES系统即“制造执行系统”，是制造业生产车间和生产现场可视化的管理方案，MES制造执行系统可通过生产计划管理、工艺管理、工序管理、生产排配、品质管理、生产设备管理、生产现场数据采集和分析等让生产信息可视化，从而监控、协同、调度、分析、预警制造执行过程，实现管控一体化。

MES可以概括为一个宗旨――制造怎样执行，两个核心数据库――实时数据库、关系数据库，两个通信接口――与控制层接口和与业务计划层接口，四个重点功能――生产管理、工艺管理、过程管理和质量管理等。

简单说，MES系统主要是针对生产制造执行中的一系列活动的管理和监控。与制造有关，与执行有关，它强调了三点：

1、MES是对整个车间制造过程的优化，而不是单一的解决某个生产瓶颈；

2、MES必须提供实时收集生产过程中数据的功能，并作出相应的分析和处理；

3、MES需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成。

MES可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交货、提高产品的质量和提高服务质量。通过对生产过程中人、物料、设备、时间等资源的管控达到优化生产，降低风险，质量管控，问题追溯等目的。

我们知道方法论说的是如何解决问题，认识论说的是如何发现问题。人类对事务的认识是随着应用的广泛而不断提升，实践中总结出理论，理论反过来指导实践，然后不断丰富理论。对制造领域的认识也体现这个行为逻辑，从方法论升华到认识论是理论与实践结合的必然路径。简单说，就是“从下到上看问题”与“从上到下看问题”的综合考量。

MES系统从提出发展到现在已有近三十年历史，MES日益成为当下制造的转型升级的焦点之一。但遗憾的是，MES近年来的发展与演进却似乎略嫌滞后，传统的MES已经难以完全满足数字化、智能化制造的需求。在这样的背景下，近些年来MOM（Manufacturing Operations Management）制造运行管理系统的概念再次被提出。

从执行到运行虽只是一词之差，但其实反映的是人们对生产制造过程规律认识的巨大变化。MOM与MES、ERP等软件系统之间的异同主要体现在这几个方面。

从本质上看，MES是一种用于解决具体问题的标准软件产品和软件系统的概念；而MOM应该是一个对象范畴的概念，是一种由多种软件构成的制造管理集成平台。其中不仅包括MES软件系统及与制造管理相关的各种功能，而且包含MES主体之外的用于解决具体问题的功能延伸与价值增值部分。

从覆盖范围上看，MES所涉及的范围，会因为其所针对的下游行业、软件系统的设计理念、功能模块的设置等影响因素而各有不同。没有明确的界限这就使MES和其他管理与控制系统之间的边界往往很难清晰地界定，各个软件产品间、功能模块间常常存在较多的重叠，交互关系也很不清晰，使得不同厂商的MES产品难以有效地实现集成与共享。而MOM则实现对整个制造运行过程中的一切活动进行管理，是一个抽象化了的，并且相对固定的区域。MOM的提出避免了MES边界的争论，提供了一个更为广义并抽象化了的边界范围和一个更为明确的统一框架。ERP中的生产管理更加偏重于企业战略管理，而MOM则更注重对具体生产过程的实时管理。

从责任对象上看，MES主要针对生产运行，对生产以外的其他环节运营管理功能相对较弱，无法满足当今制造企业日益增长的对于生产质量、安全、效率的诉求。而MOM则主张使用与生产运行统一的框架，并对维护运行、质量运行和库存运行管理进行强化和提升，还对模型内部主要功能及其关联关系进行了细化，以求更有效地提升制造企业的整个制造管理体系。

从功能上看，MOM作为一种集成软件平台，在集成标准化、开放性等方面都强于MES，而且能够实现云部署，是未来制造运营管理软件发展的方向。

总体来看，MES可以视为针对MOM问题的一种具体实现方式，或是一种为解决某一类MOM问题而设计开发的软件产品实例。MOM的提出并不是要替代MES，而是要为该领域确立一个通用的、明确的研究对象和研究内容、并提供一个主题框架；而MES依然会作为该领域最常见的软件产品和软件系统，基于MOM确立的主体框架、进一步向集成化、标准化的方向发展，从而更易于实现集成和共享，更便于维护和升级 。

四，制造运行管理（MOM）体系

如同前文所说的：根据CIM公共信息管理模型，以面向对象的分析和设计方法，建立通用的信息模型，统一的数据结构，模块化、标准化功能或组件等是建立企业信息化及生产过程自动化最有效的思路。相比之前的MES系统统一后的MOM模型平台具有以下几个特点：

1，重新架构的可配置、可扩展平台

2，与ERP有标准的接口

3，与下层自动化设备有标准的接口

4，标准的生产模型

由不同国际性的标准化组织制定，无论是IEC/ISO 62264标准还是ISA-95标准都是遵循这些原则来定义、规范制造运行管理系统（MON），以代替或升华MES，这也是为了适应智能制造时代的需求。

对这些标准可以这样理解或总结：企业管理层次一般分5层（见上图）。0—2层(可对应设备单元、产品/过程单元、产品/生产线)对应的是现场生产过程控制，根据生产行业类型分3种形态：批量控制（如零件加工），连续控制（如石化，冶金行业），离散控制（如装配型生产线），最新标准将把仓储作为第4种形态。其中第三层制造运行管理系统（MOM）可简单概括：4大制造企业管理活动区域（生产、维护、质量、库存），4类信息流（运行定义、运行能力、运行请求、运行响应），9种生产对象模型（人力、设备、材料、过程段、生产能力、过程段能力、产品定义、生产计划、生产性能），2+6共8种常用生产活动（定义管理、资源管理、详细计划、分派、执行、跟踪、分析和数据采集），12种基本功能（见下图中椭圆内内容）。

上图就是MOM制造运行管理原理模型，定义了与生产制造相关的12种基本功能及各个功能间相互的信息流。其中粗虚线代表企业的业务区域与制造运行区域的边界，即划定MOM的范围；白色椭圆和带箭头的实线分别表示与制造相关的基本功能及各功能之间交互的信息流；阴影区域表示MOM内部细分的4大类不同性质的管理活动区域。

MOM关注的范围主要是制造型企业的工厂，生产运行是整个工厂制造运行的核心，是实现产品增值的制造过程；维护运行为工厂的稳定运行提供设备可靠性保障等，是生产过程得以正常运行的保证；质量运行为生产结果和物料特性提供可靠性保证；库存运行为生产运行提供产品和物料移动的路径保障，并为产品和物料的存储提供保证。这四个运行的业务过程既相互独立又彼此协同，共同服务于企业制造运行的全过程。因此采用生产、维护、质量、库存并重的MOM系统设计框架比片面强调生产执行的MES框架更符合制造型企业的运作方式和特点。另外根据实际需要还可以增加其它次要的运行，如安全、文档等。

通过数据对象模型及其属性的定义可实现数据的标准化，通过通用活动模型的使用可实现管理的规范化，从而实现数据和管理活动的分离，有利于系统设计，产品开发和工程实施。数据对象模型是采用统一建模语言（如UML）进行定义与描述，生产对象模型分4类（资源、能力、产品定义和生产信息）共9种模型。上图所示的活动和信息流结构图就是制造运行管理通用活动模型，通过这些主要活动及信息流的定义和描述，可以清晰的反映各运行区域内部的基本运作过程。MOM通用活动模型可作为统一的系统架构设计模板，对制造运行管理内部的4个运行区域分别进行统一定义与描述。下图即为对应的生产运行管理模块。

生产运行管理模块可细分更多子管理模块，如下面部分子管理模块构造原理图示，具体内容和定义可查看相关资料。这几个图例主要是为大家大致了解一下其模型是如何构造的，实际因应用而定，但我们要了解其模型构造思路及原则

 

根据数据和管理活动分离的设计理念，制造运行管理系统体系结构由一个工厂资源信息管理平台和四个运行管理子系统 (生产运行管理子系统、维护运行管理子系统、质量运行管理子系统和库存运行管理子系统) 构成。其中工厂资源信息管理平台通过使用标准中定义的数据对象模型，实现对工厂各类制造数据的集成和统一管理，并向4各运行管理子系统提供结构化的工厂信息和制度化的操作规则，有效解决了该领域信息化实践过程中遇到的信息集成与共享的问题。

    上图一个是工厂资源信息管理平台结构，一个是运行管理子系统结构，它们共同构成制造运行管理系统体系。其中工厂资源信息管理平台对工厂的资源进行统一定义、解析、和服务管理，可集成相关的外部数据，定义符合标准规范的数据结构和功能接口，为各个运行管理子系统提供结构化的工厂信息和制度化的操作规则，并提供消息通讯、工作流定义等公共服务。其中对工厂模型的统一定义、解析和使用是平台的核心。具体可通过工厂模型定义类组件和工厂资源服务类组件来实现。工厂信息管理平台还可以根据具体需要，设计与开发其它服务类组件，保证信息管理平台功能的可扩展性，以满足企业制造运行业务的特定服务需求。

生产、维护、质量和库存四个运行管理子系统具有统一的系统实现结构，均包含6个主体功能模块，与MOM通用活动模型中6个主要活动相对应，分别是：调度模块、分派模块、执行管理模块、数据收集模块、跟踪模块和绩效分析模块。每个功能模块都需要在其所属的运行管理子系统内部完成性质相同但具体任务不同的特定功能，并完成系统内部功能模块之间的信息交互，以及特定功能模块与上层业务计划系统和下层过程控制系统之间的信息交互，以实现各个运行管理子系统相对独立的运作业务。MOM通用活动模型中的定义管理和资源管理在工厂资源信息管理平台中统一实现，各个运行管理子系统通过工厂资源信息管理平台获取信息，以保证各子系统对工厂运行规则的定义和制造资源的使用具有一致性。通过各个运行管理子系统的计划/请求信息下达过程和绩效/响应信息反馈过程，可以实现对制造运行过程的闭环管理与优化。

五，总结

    从工厂自动化的角度看，MES/MOM是与生产现场控制领域联系最紧密的工厂信息管理层；按信息化建设的观点，现场设备自动化体系是工厂执行层的一部分，信息化的基础资源和管控对象主要也在现场控制层。尤其是智能制造时代的来临，它们之间的联系越来越紧密。

    MES和MOM关注的范围都是工厂制造的信息执行层，差别在于由于应用的广泛，对生产制造认识规律的发展变化，加上技术的演进，人们对信息执行层的活动规律、体系架构有了新的认识。所以说，技术层面从方法论上升到认识论是很重要的步伐。

有一点必须认识到，这些标准、模型其实最主要定义的是生产什么，而不是定义应当如何组织生产；因为实际应用中会因为不同领域，不同公司人、物、产品及生产的不同而不同，这是认识论层面的考量。

企业信息化管理的建设一个根本目的之一就是减少人为干扰的不可控现象，具体到我们国家制造业的情形，目前大量公司基本上是处于工业2.0和3.0的情形，人工参与的现象也很常见，至少在目前阶段还必不可少。因此实际上许多公司的企业信息化建设还很不完善，4.0智能化建设更是任重而道远；再加上成本考虑和生态体系之复杂，以及管理层认识上的问题，因而构建MES还是MOM并非非此即彼的事情，甚至还是建设程度的问题。

信息执行层的建设涉及到供应商、制造商、服务商，但主要在于应用商（客户）的需求和具体应用。虽然MES和MOM系统具备的基本功能相同，但是不同行业、规模的企业对信息执行层的建立要求都会不一样，所以做选择、选型的时候，可根据企业自身情况，选择具有研发团队并且对行业工艺生产流程有深入和全面理解的服务商。

以下的选择和考量是一个很好的方向：

1，建立一个标准的数据模型。

2，考虑一个主数据管理结构。

3，维护一个数据传输的技术标准。

4，需要为你的业务逻辑所属区域采用一个连续的战略。

5，需要与产业标准以及商业软件供应商合作来利用他们的经验。

6，企业信息管理标准化建设还包括产品的标准化，工艺的标准化，设备接口的标准化，物料的标准化，品检的标准化等方面。

Fisher Wang

2018.9.21