工業(yè)智能化制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

陳 瑛，殷新建，周顯華，徐存琇，錢 雙

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

MES系統(tǒng)是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)。其概念自20世紀90年代被提出后，經(jīng)過了近30年的不斷發(fā)展，逐漸在智能化工業(yè)控制領域站穩(wěn)了一席之地。在即將到來的5G時代，工業(yè)智能化系統(tǒng)將如何與5G配合，這種配合又將帶來怎樣的進步，該文試為這些問題提供一種思路。

1 傳統(tǒng)MES系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是工廠實現(xiàn)信息化的關鍵要素，也是實現(xiàn)工業(yè)4.0的關鍵要素，更是中國制造2025的關鍵要素。當前大部分企業(yè)的MES主要實現(xiàn)從庫存到管理質量控制的所有操作的信息管理。MES在企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)和制造設備之間運行，可詳盡地處理車間數(shù)據(jù)和活動，可以捕獲所有實時生產(chǎn)活動并跟蹤庫存以實現(xiàn)可跟蹤性。

各行各業(yè)的技術快速發(fā)展，產(chǎn)品迭代，新產(chǎn)品導入(NPI)也成為企業(yè)發(fā)展的關鍵點。隨著具有更高吞吐量、更高質量、更高兼容性的產(chǎn)品市場的擴大，更多信息的收集、分析、決策支持使得企業(yè)更依賴于制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)。MES作為公司管理層的戰(zhàn)略工具，使管理層能夠更清晰地了解生產(chǎn)效率、成本、質量、生產(chǎn)周期等，從而更利于公司業(yè)務布局投資。

MES已發(fā)展成為一個越來越成熟的系統(tǒng)，可以管理世界各地的許多企業(yè)和設施。MES通過其收集的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程信息產(chǎn)生價值，被公認為全球戰(zhàn)略管理系統(tǒng)。

2 云MES系統(tǒng)

云MES則是基于云計算的MES平臺，當前，美國國家標準與技術研究院將云計算定義為“一種模式，它通過最少的管理工作或者服務支持介入，允許進行方便、按需的網(wǎng)絡訪問對可配置計算資源的共享池進行快速供應和應用?！痹苹A的MES的出現(xiàn)徹底改變了工程師可以獲得的數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型，使工程師能夠提取和分析大量的信息，從而優(yōu)化裝配線的性能?？焖俨渴鸷涂焖賱?chuàng)造價值，提高了靈活性并降低了成本，云計算的主要動機因素即為虛擬化和遠程托管。云系統(tǒng)帶來的功能，如移動和整體連接，無需內部開發(fā)就可以在任何地方立即訪問。云技術使其變得更簡單，并允許利用現(xiàn)有的工具，而不是在內部開發(fā)以獲得機器、人員、系統(tǒng)和工廠的連接性。

誠然，安全是所有生產(chǎn)的前提，云技術作為一個神秘的新技術平臺，它的安全性一度受到質疑，但我相信時間會證明，這只是一個誤解，云技術實際上是可靠和安全的。如今，谷歌和蘋果這類級別的公司都已經(jīng)建立了他們的云業(yè)務，并充分證明了他們對于保護關鍵數(shù)據(jù)的技術是可靠的，提供給企業(yè)的連接是安全的，既可以保持云空間的私密性，又能保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

當前，大部分公司在部署混合云MES系統(tǒng)。它其實不需要昂貴的硬件以及冗長的實現(xiàn)過程，卻能實現(xiàn)應用程序在云外部，但數(shù)據(jù)庫仍然保留報告、KPI和持續(xù)流程改進計劃，并且可以通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器直接訪問。云技術可以讓商業(yè)智能變得更好；云MES系統(tǒng)同樣可以讓商業(yè)與智慧工廠制造結合得更好。

基于云的MES與傳統(tǒng)MES都有相同的任務，那就是對制造過程進行近乎實時的管理和控制。云是MES的理想平臺，因為它具有內在的連接性，使機器、人、系統(tǒng)、設備和材料很容易連接到平臺上。這些連接的豐富性使得更好的過程自動化、更好的可追溯性和質量管理，以及分析應用程序利用大數(shù)據(jù)的機會成為可能。

傳統(tǒng)上，MES運行在工廠內部，服務器、人機界面和所有可能用于從機器收集數(shù)據(jù)的傳感器都位于工廠內。隨著網(wǎng)絡帶寬和穩(wěn)定性的提高，隨著5G網(wǎng)絡技術的發(fā)展，這使得MES不再需要物理定位于工廠。MES的許多組件現(xiàn)在都可以駐留在云中，這意味著，在一個擁有現(xiàn)代兼容OPC的PLC的制造環(huán)境中，MES的所有組件都可以駐留在云中，并通過公共云或私有云與機器通信。

在云MES的管理下，生產(chǎn)過程、生產(chǎn)速度和產(chǎn)量被實時監(jiān)控，當關鍵業(yè)務指標低于編程閾值時，MES將自動向工程師發(fā)送文本警報，甚至該系統(tǒng)會引導自動車輛從自動化倉庫領取材料以補充到工作站?；谠频腗ES可以發(fā)揮關鍵作用，在企業(yè)集成軟件平臺實現(xiàn)全數(shù)字工廠,云MES關聯(lián)生產(chǎn)的所有方面,從最初的產(chǎn)品設計到工廠布局、生產(chǎn)流程優(yōu)化以及客戶反饋交付等。

它消除了生產(chǎn)管理過程中容易出錯的人為干預。下一代MES和自動化，以及數(shù)據(jù)分析和人工智能，是數(shù)字制造和工業(yè)4.0背后最重要的驅動力。

因此，云MES遠遠超越了傳統(tǒng)的封閉系統(tǒng)，與ERP(企業(yè)資源規(guī)劃)和其他企業(yè)系統(tǒng)并立。從這一刻起，MES就沒有了極限，它打破了工廠的四壁，成為戰(zhàn)略商業(yè)工具。而且基于云的MES更適用于中小型制造商，因為這些公司缺乏IT基礎設施和資源，這基于更低的總體擁有成本、最小的IT足跡和相對快速的部署。

3 5G網(wǎng)絡下的云MES系統(tǒng)

5G數(shù)據(jù)傳輸速度比現(xiàn)在的4G網(wǎng)絡快25倍，延遲幾乎為零，5G有望提供無限的機會來加強鏈接和數(shù)字化。雖然5G網(wǎng)絡仍舊需要時間去發(fā)展成熟，然而該創(chuàng)新已經(jīng)在制造方面產(chǎn)生了巨大的影響。兩個世紀以來，工業(yè)化一直在向現(xiàn)代化的制造發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)——在多臺機器上安裝傳感器，意味著工廠正在創(chuàng)造比以往更多的數(shù)據(jù)。通過有線網(wǎng)絡傳輸?shù)某杀臼前嘿F的， Wi-Fi網(wǎng)絡也會很快變得擁擠——任何嘗試過連接公共Wi-Fi網(wǎng)絡的人都可以證明這一點。5G能夠支持數(shù)萬個端點的高連接密度，從而真正實現(xiàn)大規(guī)模使用工業(yè)數(shù)據(jù)。

3.1 過程控制上的革新

幾十年來，工廠自動化一直依賴于可編程邏輯控制器(PLC)，這些控制器被物理地安裝在(或非常接近)它們控制的機器上，然后硬連接到計算機網(wǎng)絡，以確保在極端條件下進行精確、可靠的控制。如果5G一直能達到它的性能承諾，那么PLC可以在云中虛擬化，使機器能夠以當前成本的幾分之一進行實時無線控制。

在5G網(wǎng)絡下，基于云MES的平臺將把制造業(yè)快速推進到工業(yè)4.0時代。現(xiàn)代云解決方案從一開始就被設計成連接到設備和其他系統(tǒng)，讓企業(yè)進入一個可以利用連接作為競爭優(yōu)勢的領域。通過云MES的連接制造還可以讓組織通過收集和分析更多的機器數(shù)據(jù)或通過設備跟蹤部件的移動來更深入地了解自己的操作，從而提高效率。更重要的是，云計算的成本效益更高。5G技術為制造業(yè)提供了重要的網(wǎng)絡特性，維持了關鍵應用程序低延遲和高效性。同時隨著網(wǎng)絡發(fā)展和傳播速度的提高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也比之前多。捕捉和處理如此多的數(shù)據(jù)，進一步促進制造商智能化，從而提高生產(chǎn)效率。5G網(wǎng)絡的低連接性和高密度鏈路確保信息交互無所不在，并能夠一直兼容不斷增長的信息流。分析所得的信息還可以幫助降低宕機時間，增加設備吞吐量，并把機械效率信息實時反饋到分析系統(tǒng)，形成良性的改進機制。在這樣的機制中，信息的反饋可以支持企業(yè)預測機器故障可能的時間，再通過設備的自我學習改進算法，降低昂貴設備的宕機率。這樣的結合為特定設備的維護整修提供復雜的警戒報告，獲得低延遲短潛伏時間的信息，讓工程師能夠更精確更高產(chǎn)地完成維護。同時還可以把操作工或者工程師與設備形成綁定程序，通過利用伴生的討論的3D動畫模型指導遠程(辦公室或者家)對生產(chǎn)控制調整。

3.2 操作經(jīng)驗上的革新

帶寬限制，4G網(wǎng)絡上的指令流可能不可靠，而且在不中斷的情況下無法保證所需數(shù)據(jù)的質量水平。5G網(wǎng)絡架構不僅能在車間里傳輸高質量的指令，還能提供不延時的增強現(xiàn)實技術，可以一步一步地指導人們完成他們需要做的每一個動作。這將使車間工人能夠承擔先進的任務，而無需等待專業(yè)工程師或遭受昂貴的機器停機時間。因此，最好的知識和工作指導可以在所有工人需要的時候實現(xiàn)信息分享，比以前更快、更安全、更有效地培養(yǎng)工人技能。

3.3 安全監(jiān)控上的革新

在現(xiàn)代工廠中，監(jiān)控流程和安全的攝像頭已經(jīng)很常見了。但是，它們的使用僅限于有重點的應用程序，并且常常需要工作人員監(jiān)視視頻提要。5G將允許數(shù)據(jù)實時上傳到云端，并使用實時視頻分析。例如，一個安全攝像頭可以看到一個干擾，識別是否有一個迫在眉睫的威脅或危險，并派出一架無人機或警告工作人員進行調查?；蛘?，同樣的安全攝像頭可以提供更有效的機制來測量周期時間和監(jiān)視流程偏差。

3.4 實時數(shù)據(jù)分析上的革新

運行最好的工廠依賴龐大的數(shù)據(jù)進行決策——在數(shù)據(jù)收集、清理和分析時不可避免地會出現(xiàn)延遲。5G加速了決策周期的時間，允許大量數(shù)據(jù)在近實時的情況下被攝入、處理和執(zhí)行。

5G網(wǎng)絡為生產(chǎn)者和信息溝通者提供了創(chuàng)建智能工廠的機會，并真正使機器人、人工智能得以結合并發(fā)揮最大的作用，增加解決問題的可能性，使得萬物互聯(lián)。5G技術將再一步升級能源產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)的發(fā)展，使得制造業(yè)解決數(shù)字化問題，獲得新的崛起機會。

這樣的系統(tǒng)第一時間把高效的生產(chǎn)線活動與互聯(lián)網(wǎng)的情報力量結合起來，利用MES云中具有持續(xù)深度學習能力的模型，相關專家或者工程師可以解決問題，使機器人系統(tǒng)能夠對產(chǎn)片進行數(shù)字化檢查，提高產(chǎn)品質量，保證精度，并進一步預測發(fā)展，進行創(chuàng)新，孵化需求。

4 結 論

5G與云MES的結合，將從根本上改變制造業(yè)，但各公司需要理解，提升性能并不是靈丹妙藥，公司需要愿意投入升級改善的資金，早期的使用者面臨著現(xiàn)有傳統(tǒng)設備、設施和網(wǎng)絡升級5G以及真正智能化升級的挑戰(zhàn)。這將涉及處理陳舊問題的工作，如機器換人等，保證原有設備設施在不進行全面更換的情況下進行二次改造產(chǎn)生更高的生產(chǎn)效益，同時同步研究各種新技術的特點，并加以應用。