MES多工厂模型探讨

随着国内企业对MES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，而是考虑如何规划集团MES架构。对比国外MES产品和案例，关于集团MES架构的案例并不多，这说明中国是当之无愧的制造业大国，其制造业的复杂度，制造业的体量，已促进了中国制造业的各行业领头羊企业率先思考如何布局集团MES，多工厂MES。

本文就如何构建集团MES，多工厂架构，做一些经验分享，给相关企业一些参考。

集团+多工厂架构，从几个方面来讨论：
MES服务器架构如何构建；
MES功能如何划分；
如何做到多地的数据传输与稳定；
如何进行多工厂建模。

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。

图1 多工厂业务模型

2 多工厂服务器架构

企业IT一般考虑投资效益，希望一套服务器能支持多个工厂的应用，每个工厂之间用专线或VPN方式连接，这样的好处是运维相对简单，由集团的IT专业人员对服务器、数据库、系统做运维，能保证系统的稳定；如图2所示。

图2 多工厂集中式部署方案

如果集中一套服务器部署，服务器配置要求高，且要求每个节点冗余，包括数据库集群、应用服务器集群、接口服务器集群；特别是应用服务器需要2台以上做集群；网络必须支持冗余，交换机双节点、网络冗余（例如电信或联通双网络），通过这样的配置才能确保MES系统的高可用性，避免服务器和网络异常时，导致停线。如图3所示。

图3 多工厂集中式部署方案

如果每个工厂部署一套服务器，服务器可以精简，部分应用集中部署在一台服务器上，例如报表与历史数据库服务器；分布式部署，极大降低了服务器问题导致的停线，一旦服务器、系统或网络有问题，也仅仅是一个工厂出现异常。

但是分布式部署产生的问题是，集团IT希望运维能简易，数据能集中，否则某些区域的工厂不具备MES运维能力，缺乏运维人员，当MES系统出现问题时，不能及时解决；另外分布式部署，MES系统也难统一版本，各个工厂自主一套MES系统，重复开发与部署，代码和管理混乱；系统运维不标准，简单的数据库监控与备份也难每日确保执行；除了硬件投资翻了几倍外，数据库与MES授权费也是翻倍，无论是Oracle/Sqlserver数据库，还是MES授权，如果是多工厂分布部署，必定会产生服务器授权费，这样极大增加了企业实施MES的费用。

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

图4 多工厂服务器架构

那么MES能否像DMS销售系统、WMS仓储系统、甚至ERP那样，做到集中部署呢？或称为云MES呢？我们知道MES属于车间层，和车间控制层、设备层紧密结合，如果MES服务器放在异地，远隔成百上千公里，即使有企业专线，是否能和车间控制器、车间设备高速集成呢？一些多工厂企业，工厂之间已经架构了专线，把全国各个工厂连接在一个大的“局域网”内，只要通过防火墙或企业路由器，开放几个MES服务器IP和端口，即可简单接入MES，例如在新疆工厂，客户端电脑输入一个IP 172.168.x.x地址，就能连接到远在北京的MES服务器，那么在确保网络速度和稳定性都很可靠时，异地车间设备通过专线去集团MES服务器，会有什么问题呢？

不少集团IT在规划MES时，提出了刚才的问题，而且看似找不到这样做的弊端，但这样的思路方式，是没有站在MES所处的企业信息层级来思考的，因为MES是紧密和车间层结合的，虽然MES有部分功能是车间排产、车间物料配送、车间工艺指导，但更多的是车间设备集成，车间数据采集等，需要与设备大量进行数据交互。例如轮胎厂，仅仅在检验工序，一条轮胎需要经过均匀机检测、动平衡检测、X光机检测、外观检测，每条轮胎从检测设备获取的数据达到10条以上，一个轮胎工厂2条生产线，每小时产量3000条，等于每小时有3万笔数据，从设备传输到MES服务器；也就是说一个有规模的轮胎质检车间，每日2班可产生48万笔数据，每年产生超过1亿多笔数据，这么频繁的数据交互，不是ERP、WMS系统能比拟的，因为ERP等系统的数据，大部分是人工操作产生，并非如MES来自设备高频率产生的数据；当然有些工厂会使用生产实时数据库，例如Rockwell FT History、Wonderware Historian、GE Fanuc iHistorian，但如果要对数据进行快速分析计算，例如轮胎参数采集后，要立即根据检测数据进行轮胎等级判断，立即传输给轮胎分拣系统，那还是需要Oracle/Sqlserver这种关系型数据库进行计算；那么在高频率的MES与设备数据交互时，VPN专线的集中服务器部署是否就满足了呢？其实刚才的数据统计，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，如果一个轮胎集团企业，把全国4个工厂集中在一个MES部署，那每小时会产生12万笔数据写入或读取；而那我们制造业有多少成本构建一个小型的12306机房，或一个门户网站的机房呢？而且MES平台是否要发展类似SAP的Hana内存数据库技术来解决高速访问的问题呢？所以当一个制造业集团的工厂越来越多时，集中式服务器部署，势必会遇到性能瓶颈而无法突破。

另外集中式部署，也增加了工厂停线的风险，大家都知道MES是支持智能制造、工业4.0的基础系统，一旦MES系统出问题，生产线就会停线，而多工厂集中部署，势必会导致所有工厂停线；另外MES功能和工厂的设备类型，生产线布局，管理模式紧密相关，例如一个生产风电的集团，有机舱工厂、电机工厂、叶片工厂、轮毂工厂、电柜工厂、装配工厂，我们如何在一套集团MES服务器内，部署6套不同形态的MES系统呢？是否要在一套MES内，通过参数配置实现6个制造形态，那么MES功能会变得非常复杂。虽然ERP能通过配置实现多个行业的功能，但毕竟ERP标准化程度比MES高很多。

3 多工厂功能架构

那么怎么解决一些集团制造业提出的MES集团化管理需求呢，例如有些企业的计划由总厂制定，物流配送由集团统一管理，产品研发数据由一个研发中心发布，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，也无法支持集团的统一管理。HanThink 推出的SmartWork套件，良好的解决了这个问题，SmartWork把MES功能划分为PEC（Production Execute Center）车间执行层和PMC(Production Management Center) 车间管理层2个模块，PMC实现集团化部署，PEC实现分布式部署，与车间设备直接对接，例如以一个汽车制造集团为例，MES的PEC和PMC功能划分如下：如图5所示。 

图5 MES PMC管理系统

PMC车间管理层把与车间关系不大、且通用性比较高的模块进行了集中，例如排产、基础数据管理、ERP接口、工艺文件等。PEC车间执行层，则集中在设备接口、车间ANDON，车间监控、车间打印这些模块，也就是脱离PMC层，在车间PEC层也能独立运行，在PEC层会驻留一定数据量的已排产的计划、已维护的基础数据，当然PEC层执行完毕的数据采集、生产产量、质量数据，也会定时传输到PMC层，作为报表统计依据；另外在PEC层不会一直驻留已生产数据，凡是过期数据，而且已经传输给PMC产生报表，那么在PEC层的生产数据会清理，这样让负责车间执行层的PEC始终处于数据不增长的状态，一直处于高频率执行车间的各种操作；而报表统计，历史数据查询，需要大数据、高消耗运算的，均在PMC层，包括历史数据库的迁移。这里特别要提到，如果要实现PMC集中化管理，企业的ERP、PDM等与MES接口系统，也需要实现集团化管理，例如ERP就不能每个工厂各一套系统，而必须也用集中式部署，否则会造成一套MES PMC要开发多个不同ERP的接口。

4 多工厂接口架构

PEC层提供多种与车间设备接口方式，特别针对常用的设备，已有插件配置，可直接配置完成连接，例如阿特拉斯\马头的拧紧设备、Fanuc\西门子数据机床、梅特勒\赛多利斯的电子称，这样可以让多工厂的PEC能尽量功能统一，维护简单，以下是PEC常用接口：如图6所示。

图5 MES PMC管理系统

在PEC和PMC之间的数据传输，采用MQ消息机制传输，确保数据传输的稳定与高效，一个集团PMC可支持与多个工厂的PEC接口通讯，即使是某个工厂的生产模式非常特殊，那么它的PEC系统，能独立运行，基础数据、计划等可以用导入方式，例如企业在国外投资一个组装工厂，生产计划不稳定，完全人工制定，产量也不大，那么就只需要部署一个简易的PEC车间系统，不需要和集团PMC系统接口。

以下是集团PMC和车间PEC的接口模型：如图7所示。

图7 集团PMC和车间PEC的接口模型

PMC，PEC多工厂架构完成后的方案如下：如图8所示。

图8 PMC，PEC多工厂架构完成方案

这里特别要强调从设备到上位数据传递的变化，即要按数据频率，分散在设备层、车间控制层、MES层、ERP层，而且越往设备层，数据传输频率越高，数据缓存越小；例如设备停线数据，如果是设备瞬间中断的毫秒级数据，在设备层只会有短暂的脉冲信号存储，而到了秒级的停线信号，则会发给车间PLC层，在PLC里做一定缓存，显示在车间HMI显示屏幕，提醒车间注意，而如果是分钟级别的停线信号，则要发给MES，在MES存储，维护停线原因，并做分析班次、车间的停线分析报表，而ERP需要的停线数据，则需要到月数据，年数据；这样的数据设计分布，会把高频率的信息交互交给底层处理，而减少上位系统的处理压力。这个设计模型，也贯穿在SmartWork的多工厂模型中，从而提高了MES平台的稳定性。如图9所示。

图9 层次设计模型

5 多工厂对象建模

关于在构建PEC车间执行层时，如何能满足一个集团多个不同制造形态，必须要在MES平台依据ISA95要求的4类9大模型来进行生产建模，这样才能灵活配置生产过程，而不是为一个生产形态而开发一套系统，那样就无法做到一个集团下MES系统的高度整合。HanThink SmartWork即是按ISA95来构建工厂对象，用对象配置，以及提供对象API方法，快速构建工厂生产流程：如图10所示。

图10 HanThink SmartWork

6 总结

集团制造业选择集中式部署还是分布式部署，取决于MES要实现什么样的目标，以及规划的MES方向。如果MES重点在车间控制，与设备高度集成，那么毫无疑问是用分布式部署，集团报表管理模式；如果MES重点在生产管理，统一生产协调，而把设备采集、控制已分布到各个设备供应商完成了；而且多工厂的生产模式比较统一，那么MES可以集中部署，方便维护与管理。

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