工业4.0信息模型：以工厂MES与企业ERP为核心的融合

【前言】

过去20年间，战略性企业集成策略一直在制定之中。尽管实现该集成功能所必须的大多数技术都不存在问题了，但是实际上只有很少的企业宣称已经达到类似的大集成。过去，国内 IT 界一直热衷于开展 ERP 业务，其实我们需要明白，两条腿走路才健全，MES 是另外一个需要高度重视的动态信息系统。因为 MES 推动生产制造运营活动的有效执行，利用当前的精准数据、MES 指导手册、触发事件、报告来分析工厂活动。通常 MES 系统由一系列功能组成，包括从订单释放、生产制造、到最后的产品发货等一系列的产品管理运营活动，规定了产品整个生产过程的各个阶段。（本文系改写，原作者：Francisco Almada-Lobo，原出处：控制工程中文版）

【工业 4.0 趋势下的信息系统模型】

工业 4.0 标准一直都在动态变化，以目前的趋势分析来看，从信息系统模型的角度出发，表现为如下图所示的特点：以工厂 MES 与企业 ERP 为核心，云计算、大数据、各层次用户群融合在一起，可以整体实时动态变化。要搞清楚这个异常复杂的模型，我们就要从核心入手，先搞清楚工厂 MES 与企业 ERP 的异同与联系。

【先搞清楚 MES 系统的核心：ISA-95 标准】

我们在定义 MES 技术及其在改进卓越制造的过程中所扮演的角色时，其中最重要的是 ISA-95 标准。该标准由国际自动化协会（ISA）联合生产制造业协会，以及包括控制、ERP 和 MES 等多个行业系统供应商共同开发制定而成。ISA-95 利用生产运营管理（MOM），来描述 MES 的概念，在某种程度上该词具有更广泛含义；但是两者其实都在尝试，为商务物流软件以及生产制造运营软件之间的信息交换建模。它们还为软件执行的活动、以及生产制造运行系统内部的信息交换建模。下图描述了 ISA-95 中规定的生产制造过程中决策制定的各个层级。

其中，第 4 层，业务规划和物流决策，由ERP和供应链管理系统（SCM）为决策提供支持。第3层，是传统的 MES 功能，用于提供追踪信息并进行趋势分析，并为诸如工作流程、配方控制以及维护等方面的决策提供支持。第 0 层、1 层和 2 层，则是和实时生产事件相关，比如过程检测、监控过程的操作以及过程自动化技术等相关。这是分布式控制、监测控制和数据采集（SCADA）以及可编程逻辑控制器（PLC）系统的应用领域。ISA-95 还致力于改进不同层级之间，尤其是 ERP 和 MES 系统之间的互操作性。下图描述了精简的 ISA-95 标准系统概览，并将其映射到普渡参考模型。虚线代表 ERP 系统和控制系统之间可能存在的边界。

在大多数典型的流程中，计划订单先传递给控制层，然后控制层返回生产线的响应和功能信息。该标准描述了物料、人员、设备和其它信息，这是建立一个有效的计划模型所必需的信息。该标准并不是要决定哪些系统在哪些情况下可以使用。它仅仅是提供中立客观的指导准则和数据交换结构，这样企业就可以据此做出调整，以便适应公司的具体情况。

【ERP 和 MES 系统之间的区别与联系】

ISA-95 标准还提供了定义生产运营管理活动功能范围的指导原则。这包括管理定义、资源管理、详细计划、调度、执行管理、数据采集、追踪和分析，这些定义可以用于生产、维护、质量和库存等多个领域。传统上，MES 一度被视为 ERP（第4层）与控制和自动化层（第2层）之间的解释层。在该角色中，MES 系统的目的就是记录、控制所有来自于 ERP 层的产品订单（以几乎实时的方式）。实现的方式，就是通过与控制层的接口，来收集和提供实时产品数据，并将所有必要的物流和财务相关数据传回 ERP 系统。但是，仅仅这样来定义 MES 的功能，并不能判定其在提高生产制造能力、质量和灵活性方面所具有的巨大潜力。它处理实时数据、执行业务规则，并将其与工程、质量和生产质量流程整合起来的能力，使其成为持续改进的理想平台。灵活的架构要想发挥 MES 真正的潜力，需要将注意的焦点，从试图在分类目录中定义每件事的位置，转向定义为了实现最终用户产品价值的最大化所需的事。自从生产制造企业解决方案协会（MESA）开发出第一套模型以来，MESA 和行业普遍认为，在生产制造公司内共存的不同系统之间的界限是流动的，而不是僵化不变的。在考察 ERP 和 MES 软件之间的界限时，可以发现很多功能之间，有明显的重叠。比如，计划、订单控制、人力资源和维护管理，当然这只是举了几个例子。在组成MES层和监控层（第2层）的活动中，也可能存在功能重叠。先进的分析框架，有助于帮助企业确定在不同层面上部署系统的可行性、工作量、费用、灵活性、以及可维护性。例如，由CGI/Logica创建的框架，归纳了15种类型的问题，可以帮助生产制造企业确定其软件需求。部署系统的标准包括：1、分辨率：进行追踪所需的数据分辨率是多少？ 2、响应：运行所需的是实时数据吗？还是可以以批处理的方式进行？3、可配置性：该配置是否具有开箱即用的产品特性，还是必须进行客户定制开发？4、可改变性：生产制造过程在确定的时间内必须保持稳定，还是需要频繁的改变或修正？

【模块化的 MES 系统】

相较于包含所有可能功能的整体解决方案，MES 必须由一系列的模块组成，这样工厂就可以根据其业务情况，从中选择合适的模块来实施。模块化通过以下方面来提供帮助：1、可扩展性：由于策略问题或者人员或者财务资源等方面的原因，生产制造商希望逐步部署所需的功能；2、迁移：与可扩展性类似，功能模块需要逐步引入，与此同时保持与原有解决方案的交互；3、领域专业化：尽管 MES 可以提供的功能涵盖的范围非常广泛，但是并不包括某些特殊行业的需求。4、模块化不能增加到现有软件产品中去。产品在初始阶段，就必须按照模块化设计，并且通过结构化或者基于解决方案的框架，为将来的扩展保持开放状态。这种更模块化、系统化的软件开发方法的另外一大优点是，它是一种更通用的系统，可以适用于不同行业、可以应对生产制造所带来的更为广泛的挑战。它还提供了一种为整合不同工艺过程的、更复杂的场景建模的能力。