導讀:隨著國內企業對MES認知的提升，越來越多的制造企業已不滿足單個工廠實施MES，而是考慮如何規劃集團MES架構。本文就如何構建集團MES，多工廠架構，做一些經驗分享，給相關企業一些參考。

前言

隨著國內企業對MES認知的提升，越來越多的制造企業已不滿足單個工廠實施MES，而是考慮如何規劃集團MES架構。對比國外MES產品和案例，關于集團MES架構的案例并不多，這說明中國是當之無愧的制造業大國，其制造業的復雜度，制造業的體量，已促進了中國制造業的各行業領頭羊企業率先思考如何布局集團MES，多工廠MES。

本文就如何構建集團MES，多工廠架構，做一些經驗分享，給相關企業一些參考。

集團+多工廠架構，從幾個方面來討論：

• MES服務器架構如何構建；
• MES功能如何劃分；
• 如何做到多地的數據傳輸與穩定；
• 如何進行多工廠建模。

1 多工廠業務模型

集團多工廠模型復雜，因為各工廠、車間生產形態可能不一樣、生產線不同、管理方法不同，以下是一個多工廠業務模型：如圖1所示。

圖1 多工廠業務模型

2 多工廠服務器架構

企業IT一般考慮投資效益，希望一套服務器能支持多個工廠的應用，每個工廠之間用專線或VPN方式連接，這樣的好處是運維相對簡單，由集團的IT專業人員對服務器、數據庫、系統做運維，能保證系統的穩定；如圖2所示。

圖2 多工廠集中式部署方案

如果集中一套服務器部署，服務器配置要求高，且要求每個節點冗余，包括數據庫集群、應用服務器集群、接口服務器集群；特別是應用服務器需要2臺以上做集群；網絡必須支持冗余，交換機雙節點、網絡冗余（例如電信或聯通雙網絡），通過這樣的配置才能確保MES系統的高可用性，避免服務器和網絡異常時，導致停線。如圖3所示。

圖3 多工廠集中式部署方案

如果每個工廠部署一套服務器，服務器可以精簡，部分應用集中部署在一臺服務器上，例如報表與歷史數據庫服務器；分布式部署，極大降低了服務器問題導致的停線，一旦服務器、系統或網絡有問題，也僅僅是一個工廠出現異常。

但是分布式部署產生的問題是，集團IT希望運維能簡易，數據能集中，否則某些區域的工廠不具備MES運維能力，缺乏運維人員，當MES系統出現問題時，不能及時解決；另外分布式部署，MES系統也難統一版本，各個工廠自主一套MES系統，重復開發與部署，代碼和管理混亂；系統運維不標準，簡單的數據庫監控與備份也難每日確保執行；除了硬件投資翻了幾倍外，數據庫與MES授權費也是翻倍，無論是Oracle/Sqlserver數據庫，還是MES授權，如果是多工廠分布部署，必定會產生服務器授權費，這樣極大增加了企業實施MES的費用。

多工廠的數據交互復雜，需要增加接口開發來匯總集團需要的數據，例如集團的排產和計劃監控、各工廠人員、設備的效益分析、各工廠的生產效率、產能統計，還有研發中心的工藝文件發布，都需要頻繁的接口來匯集和分發數據；如圖4所示。

圖4 多工廠服務器架構

那么MES能否像DMS銷售系統、WMS倉儲系統、甚至ERP那樣，做到集中部署呢？或稱為云MES呢？我們知道MES屬于車間層，和車間控制層、設備層緊密結合，如果MES服務器放在異地，遠隔成百上千公里，即使有企業專線，是否能和車間控制器、車間設備高速集成呢？一些多工廠企業，工廠之間已經架構了專線，把全國各個工廠連接在一個大的“局域網”內，只要通過防火墻或企業路由器，開放幾個MES服務器IP和端口，即可簡單接入MES，例如在新疆工廠，客戶端電腦輸入一個IP 172.168.x.x地址，就能連接到遠在北京的MES服務器，那么在確保網絡速度和穩定性都很可靠時，異地車間設備通過專線去集團MES服務器，會有什么問題呢？

不少集團IT在規劃MES時，提出了剛才的問題，而且看似找不到這樣做的弊端，但這樣的思路方式，是沒有站在MES所處的企業信息層級來思考的，因為MES是緊密和車間層結合的，雖然MES有部分功能是車間排產、車間物料配送、車間工藝指導，但更多的是車間設備集成，車間數據采集等，需要與設備大量進行數據交互。例如輪胎廠，僅僅在檢驗工序，一條輪胎需要經過均勻機檢測、動平衡檢測、X光機檢測、外觀檢測，每條輪胎從檢測設備獲取的數據達到10條以上，一個輪胎工廠2條生產線，每小時產量3000條，等于每小時有3萬筆數據，從設備傳輸到MES服務器；也就是說一個有規模的輪胎質檢車間，每日2班可產生48萬筆數據，每年產生超過1億多筆數據，這么頻繁的數據交互，不是ERP、WMS系統能比擬的，因為ERP等系統的數據，大部分是人工操作產生，并非如MES來自設備高頻率產生的數據；當然有些工廠會使用生產實時數據庫，例如Rockwell FT History、Wonderware Historian、GE Fanuc iHistorian，但如果要對數據進行快速分析計算，例如輪胎參數采集后，要立即根據檢測數據進行輪胎等級判斷，立即傳輸給輪胎分揀系統，那還是需要Oracle/Sqlserver這種關系型數據庫進行計算；那么在高頻率的MES與設備數據交互時，VPN專線的集中服務器部署是否就滿足了呢？其實剛才的數據統計，已經說明了答案，我們都知道服務器有I/O瓶頸，內存瓶頸，CPU瓶頸，磁盤讀寫瓶頸，如果一個輪胎集團企業，把全國4個工廠集中在一個MES部署，那每小時會產生12萬筆數據寫入或讀取；而那我們制造業有多少成本構建一個小型的12306機房，或一個門戶網站的機房呢？而且MES平臺是否要發展類似SAP的Hana內存數據庫技術來解決高速訪問的問題呢？所以當一個制造業集團的工廠越來越多時，集中式服務器部署，勢必會遇到性能瓶頸而無法突破。

另外集中式部署，也增加了工廠停線的風險，大家都知道MES是支持智能制造、工業4.0的基礎系統，一旦MES系統出問題，生產線就會停線，而多工廠集中部署，勢必會導致所有工廠停線；另外MES功能和工廠的設備類型，生產線布局，管理模式緊密相關，例如一個生產風電的集團，有機艙工廠、電機工廠、葉片工廠、輪轂工廠、電柜工廠、裝配工廠，我們如何在一套集團MES服務器內，部署6套不同形態的MES系統呢？是否要在一套MES內，通過參數配置實現6個制造形態，那么MES功能會變得非常復雜。雖然ERP能通過配置實現多個行業的功能，但畢竟ERP標準化程度比MES高很多。

3 多工廠功能架構

那么怎么解決一些集團制造業提出的MES集團化管理需求呢，例如有些企業的計劃由總廠制定，物流配送由集團統一管理，產品研發數據由一個研發中心發布，MES基礎數據由總廠維護，生產績效由總廠管理，如果有這些需求，如果是分布式MES部署，那么數據接口會非常復雜，也無法支持集團的統一管理。HanThink 推出的SmartWork套件，良好的解決了這個問題，SmartWork把MES功能劃分為PEC（Production Execute Center）車間執行層和PMC(Production Management Center) 車間管理層2個模塊，PMC實現集團化部署，PEC實現分布式部署，與車間設備直接對接，例如以一個汽車制造集團為例，MES的PEC和PMC功能劃分如下：如圖5所示。

圖5 MES PMC管理系統

PMC車間管理層把與車間關系不大、且通用性比較高的模塊進行了集中，例如排產、基礎數據管理、ERP接口、工藝文件等。PEC車間執行層，則集中在設備接口、車間ANDON，車間監控、車間打印這些模塊，也就是脫離PMC層，在車間PEC層也能獨立運行，在PEC層會駐留一定數據量的已排產的計劃、已維護的基礎數據，當然PEC層執行完畢的數據采集、生產產量、質量數據，也會定時傳輸到PMC層，作為報表統計依據；另外在PEC層不會一直駐留已生產數據，凡是過期數據，而且已經傳輸給PMC產生報表，那么在PEC層的生產數據會清理，這樣讓負責車間執行層的PEC始終處于數據不增長的狀態，一直處于高頻率執行車間的各種操作；而報表統計，歷史數據查詢，需要大數據、高消耗運算的，均在PMC層，包括歷史數據庫的遷移。這里特別要提到，如果要實現PMC集中化管理，企業的ERP、PDM等與MES接口系統，也需要實現集團化管理，例如ERP就不能每個工廠各一套系統，而必須也用集中式部署，否則會造成一套MES PMC要開發多個不同ERP的接口。

4 多工廠接口架構

PEC層提供多種與車間設備接口方式，特別針對常用的設備，已有插件配置，可直接配置完成連接，例如阿特拉斯馬頭的擰緊設備、Fanuc西門子數據機床、梅特勒賽多利斯的電子稱，這樣可以讓多工廠的PEC能盡量功能統一，維護簡單，以下是PEC常用接口：如圖6所示。

圖6 自動化接口服務

在PEC和PMC之間的數據傳輸，采用MQ消息機制傳輸，確保數據傳輸的穩定與高效，一個集團PMC可支持與多個工廠的PEC接口通訊，即使是某個工廠的生產模式非常特殊，那么它的PEC系統，能獨立運行，基礎數據、計劃等可以用導入方式，例如企業在國外投資一個組裝工廠，生產計劃不穩定，完全人工制定，產量也不大，那么就只需要部署一個簡易的PEC車間系統，不需要和集團PMC系統接口。

以下是集團PMC和車間PEC的接口模型：如圖7所示。

圖7 集團PMC和車間PEC的接口模型

PMC，PEC多工廠架構完成后的方案如下：如圖8所示。

圖8 PMC，PEC多工廠架構完成方案

這里特別要強調從設備到上位數據傳遞的變化，即要按數據頻率，分散在設備層、車間控制層、MES層、ERP層，而且越往設備層，數據傳輸頻率越高，數據緩存越??；例如設備停線數據，如果是設備瞬間中斷的毫秒級數據，在設備層只會有短暫的脈沖信號存儲，而到了秒級的停線信號，則會發給車間PLC層，在PLC里做一定緩存，顯示在車間HMI顯示屏幕，提醒車間注意，而如果是分鐘級別的停線信號，則要發給MES，在MES存儲，維護停線原因，并做分析班次、車間的停線分析報表，而ERP需要的停線數據，則需要到月數據，年數據；這樣的數據設計分布，會把高頻率的信息交互交給底層處理，而減少上位系統的處理壓力。這個設計模型，也貫穿在SmartWork的多工廠模型中，從而提高了MES平臺的穩定性。如圖9所示。

圖9 層次設計模型

5 多工廠對象建模

關于在構建PEC車間執行層時，如何能滿足一個集團多個不同制造形態，必須要在MES平臺依據ISA95要求的4類9大模型來進行生產建模，這樣才能靈活配置生產過程，而不是為一個生產形態而開發一套系統，那樣就無法做到一個集團下MES系統的高度整合。HanThink SmartWork即是按ISA95來構建工廠對象，用對象配置，以及提供對象API方法，快速構建工廠生產流程：如圖10所示。

圖10 HanThink SmartWork

6 總結

集團制造業選擇集中式部署還是分布式部署，取決于MES要實現什么樣的目標，以及規劃的MES方向。如果MES重點在車間控制，與設備高度集成，那么毫無疑問是用分布式部署，集團報表管理模式；如果MES重點在生產管理，統一生產協調，而把設備采集、控制已分布到各個設備供應商完成了；而且多工廠的生產模式比較統一，那么MES可以集中部署，方便維護與管理。