工业4.0与MES的发展

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工业 4.0 与 MES 的发展 Indutry 4.0 and Develop of MES 问题与疑惑： 2 • 工业 4.0 和智能制造的本质是什么？ • 企业究竟搞数字化制造还是搞智能制造？ • 政府战略引导与企业实施之鸿沟如何看待？ 1 、智能制造的本 质 2 、企业彻底数字 化 3 、 MES 协会的建 设 3 1 、智能制造的本 质 • 2012 年美国通用电气提出“工业互联网”的概念。 • 2013 年德国提出“工业 4.0” 。 • 2015 年中国提出“中国制造 2025” 。 工业 4.0 Industry 4.0 中国制造 2025 Made in China 2025 工业互联网 Indutry Internet 赛博物理网络系统 Cyber-Physical Systems(CPS) 两化融合 Internet + 人、数据和机器互连 Human, data and machine interconnection 智能工厂 Smart Factory 相同的目标，但不同的基础和的环境，所以实施的途径不同。 中国要“开道超车” 6 • 从感觉到记忆到思维这一过程，称为“智慧”，智慧的结果就产生了行为和 语 言，将行为和语言的表达过程称为“能力”，两者合称“智能”，将感觉 、记忆、回忆、思维、语言、行为的整个过程称为智能过程，它是智力和 能 力的表现。 -- 百度 • 智能制造，就是面向产品全生命周期，实 现泛在感知条件下的信息化制造。通过智 能化的感知、人机交互、决策和执行技术 ，实现设计过程、制造过程和制造装备智 能化。 • 智能制造系统是一种由智能机器和人类专 家共同组成的人机一体化智能系统，借助 计算机模拟人类专家的智能活动进行分析 、推理、判断、构思和决策等，从而取代 或者延伸制造环境中人的部分脑力劳动。 同时，收集、存贮、完善、共享、集成和 发展人类专家的智能。 -- 百 度 6 赵敏： “ 智能制造，基于 CPS （赛博物理系统）技术构建„状态感知 - 实 时分析 - 自主决策 - 精准执行 - 学习提升‟的数据闭环，以软件形成 的数 据自动流动来消除复杂系统的不确定性，在给定的时间、目 标场景 下，优化配置资源的一种制造范式。” 该定义所涉及的各项基本要素是： 智能机理：状态感知 - 实时分析 - 自主决策 - 精准执行 - 学习提 升； 操作对象：数据（信息与知识的载体）； 使能：软件中的算法与规则（数字化知识）； 本质：数据自动流动，并因自动流动而形成知识泛在； 目的：消除复杂系统的不确定性； 约束：给定时空场景； 价值：优化配置制造资源。 Stephen J. Ezell （是美国信息技术与创新基金会资深分析师） : 先进制造并不等同于智能制造 在本质上，先进制造包括两方面的概念：先进产品的制造，以及先进的、基于 信 息通信技术的生产过程。而智能制造则主要指的是后者。 《 2016 年北美能源安全和基础设施法案》（ S.2012 ）法案中定义智能制造如 下 ： 在信息、自动化、监测、计算、传感、建模和网络方面的先进技术： 1 、数字模拟制造生产线、计算机操控的制造设备、生产线状态的监控和交互、 全生产过程中能源消耗和效率的管理及优化。 2 、厂房能源效率的建模、模拟和优化。 3 、监测和优化建筑的节能性能。 4 、产品能源效率及可持续化性能的建模、模拟和优化，包括使用数字模型和增 材制造加强产品的设计。 5 、将制造产品连入网络以监控和优化网络性能，包括自动化网络操作。 6 、供应链网络的数字化连接。 从本质上讲，智能制造就是将制造 - 生产 - 使用的各个环节的信息同制造相结合。 8 15:20 Shinbara( 美国制造技术协会 (AMT) 的技术副主席 ): 智能制造的 四个 层级。 第一层级，是智能机器本身，通过加装传感器的方式使用于成型、 剪切、锻造、冲压的各种特定机器形成信息流并融入工业互联网。 第二层级，是数字线程通过工艺链的联接，将分散于独立机器之间 的信息实现跨车间的信息流整合（创建出覆盖整个企业范围的制造 系统）。这表示原本彼此独立的工艺链通过信息和通信技术的整合 构成企业整体的制造生产体系。 第三层级，要在这个庞大的“制造信息”体系中通过数据分析来优 化制程，并通过迭代的方式设计智能化产品。 第四层级，则是智能化的 CEO 或者高管，在建立了企业信息系统 和 部门的基础上被授权对生产水平、生产地点、生产设置等实施 优化 和实时决策。 彭瑜 11 15:20 孔翰宁 (Henning Kagermann ，德国国家科学与工程学 院院 长）： 智能生产定义： 第一个维度，横向的一体化要做的更好，内部流程的 打通和数字化，这意味着我们要不断改进现在所做的工作 ，比如说软件、解决方案， 3D 打印的生产方式。 第二个维度，改进纵向一体化，这个问题十到十五年 前我们就在讨论了，上下游的供应商合作伙伴怎么打通。 现在我们必须要实现横向、纵向一体化的无缝对接。 第三个维度就是全生命周期的产品管理，从工程设计 到产品生产和售后服务的生命周期，我们都必须统一管理 。这方面过去已经有很多管理软件，但这些工具之间没有 什么联系，数据结构也不一样，需要打通和升级。 12 15:20 敏捷感知 敏捷感知市场和 客户输入的实时 状态 学习创新 利用人工智能， 自学习，作出创 新的方案 自主推理 按照设定的规则 ，根据数据分析 的结果，自主作 出推理和选择 实时分析 对感知的实时状 进行实时分析和 计算 智能制造 典型特征 快速反应 根据推理和选择 的结果，快速地 作出本能反应 通过工业 4.0 将传统工厂向智能工厂转 变 以太网 SCADA 调整 生产 调整 生产 PLC 有线连接 未知所处位置 固定定位 分层次 单一 缩短产品 生命周期 个性化的产品 国际竞争 质量需求 信息和通 讯技术 2 、企业彻底数字 化 ① 数据和信息就是工业 4.0 中流动着的 “血液”。 ② 数字化就是将数据转变成信息，通过网络化和智能化的决策 ，创造有用的价值。 ③ 数字化制造是智能制造的基础。没有数字化制造的基础，智 能制造是空中楼阁。 ④ 目前企业最大的浪费是数据的浪费。 约翰 · 惠勒提出一句话“ it from bit （万物来自信息）。”其 中 it 指代物质，而 bit 指代信息。简单来讲，传统工业就是原子 的 重组，制造业做的事情几乎就是把每个原子再重组，这当然 很重 要，而且是基础。今天数据科技和互联网的时代，来源于 数据和 信息的重组。未来很大的趋势是数字化、网络化和智能 化，重组 数据和信息比重组原子获益更加巨大。 2014 年 10 月 10 日，中华人民共 和 国国务院总理李克强在柏林同德意 志联 邦共和国总理安格拉 · 默克尔共 同主持 第三轮中德政府磋商。双方决 定发表了 《中德合作行动纲要：共塑创新》。共 110 条，“工业 4.0” 合作有 4 条，其中 41 条： 41. 工业生产的数字化（“工业 4.0” ） 对于未来中德经济发展具有重大意义。 双方认为，该进程应由企业自行推进， 两国政府应为企业参与该进程提供政策 支持。 17 15:20 2.1 数字化工厂是工业 4.0 与智能制造的基 础 数字化工厂的主要特征 •数据化 企业产品全生命周期的活动建立共享的数据库和知识库。 •信息可视化 通过数据处理，形成有用的信息，并按需显示。 •模拟仿真优化 利用相关数据和信息，模拟仿真实际生产过程，达到最优 化 的生产过程。 •监控实时化 监控与实际生产过程同步，实现虚实结合的 CPPS （ Cyber Physic Production System ） 。 •协调决策智能化 对实际生产过程中出现的干扰和波动，进行协调，其决策是 最佳的。 数字化工厂的建设任务 •建立网络系统（互联网、以太工业网、 无线通讯网） •建立数据采集与监视控制系统 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) •建立纵向和横向集成的业务模型与组 织 •选择合适的工业应用软件系统 （ ERP 、 PLM 、 MES 、 CAX ） •进行员工的培训 •制订生产规范标准 •安全保障制度 -- 百度百 科 数字化工厂的主要目标 建立数字化工厂的宗旨是快速响应市场变化，面足客户需求， 提高企业效益，实现可持续发展。其主要目标是： •缩短产品开发周期 •产品按时交货 •降低库存 •提高产品质量 •快速响应市场需求 •产品个性化定制 2.2 MES 是企业生产管理集成的核心软 件 30 多年来，我国在企业数字化 / 信息化也开展了大量的 研 究和实施，但大多数企业未能获得预期的经济效益， 究其 原因种种，我认为主要是： 规划方案与企业经营模式和业务流程不一致 认识错误： 只是纸面数据转换为电子数据； 担忧失去工作岗位； 计划与实际生产过程脱节，或失控。 ERP 系统生产计划与 MES 系统车间作业计划的 关系  主 生 产 计 划 总 装 配 岛 部 件 装 配 岛 1 2 1 1 2 3 3 3 2 加 工 任 务 块 机 床 1 机 床 2 机 床 3 机 床 4 加 工 时 间 运 输 、 等 待 时 间 计 划 余 地 2 号独 立 制 造 岛 的作 业 计 划 加 工 任 务 块 加 工 任 务 块 加 工 任 务 块 ERP 系统 的 生产计 划 MESP 的车 间 作业计划 中国制造 2025 战略的一条主线就是信息化与工业化的融合、互 联 网 + 和智能制造。其基础就是企业必须先实现数字化工厂，而数字 化工 厂的核心是制造执行系统（ MES ）。 2016 年 4 月 25 日，工业 和信息化 部办公厅印发了《关于开展 2016 年智能制造试点示范项目 推荐的通知 》，在智能制造试点示范项目要素条件中提出了五种模式，都与制造 执行系统相关，特别是离散型智能制造模式和流程型智能制造模式必 须建立制造执行系统（ MES ），将 MES 提到了极其重要的地位。 MES 是 1990 年美国先进制造研究协会 (Advanced Manufacturing Research ， AMR) 首次提出制造执行系统的概念（ manufacturing execution system ，简称 MES ）。 1992 年成立了国际 MESA 组织。 现在， MESA 定义为 Manufacturing Enterprise Solutions Association ， 即 制造企业方案协会。 按照传统的企业生产管理的金字塔的计划和控制模式，将 MES 仅 近理解成执行系统是不全面的 它应企业生产管理集成的核心软件系 企业金字塔的计划和控制 董事会 CEO 部门经理 决策 管理 实施 生产任务 文档 数控程序 反馈 质量数据 过程数据 生产计划 生产指挥 生产控制 MES 是企业生产管理集成的核心软 件 ERP 企业资源计划 制造执行系统 MES 制造执行系统 详细程度 费用、日期、库存 费用、日期、库存 时间、数量、工艺 时间点、数量、零 件、工艺 工艺过程、过程数 据、过程状态 时间范围 长期、月、周 中期、周、天 短期、天、班次 实时、班次、小时 、分 在线、分、秒 制造企业三个层次里信息细化程度和响应时间的示意图 生产管理 生产控制 生产计划 2.3 制造执行系统的发展趋势 MES 软件未来市场空间广阔，复合增速 保持在 40% 左右。 2014 年全球 MES 行 业市 场规模约为 416 亿元，过去 5 年保持 年均 21.65% 的高速增长，到 2020 年， MES 行业 市场规模有望达到 931 亿元， 未来保持年均 18% 的复合增速。 MES 在中国的需求较为旺盛， 2014 年 MES 行业市场规模约为 26 亿元，同比增 长 25% ，预计到 2018 年市场规模将达到 100 亿 元，未来平均增幅保持在 40% 左右，并 且 从增速对比，国内 MES 市场相对于国 际市 场增速显著更高，这得益于国内较大的工业 自动化改造实践 制造执行系统（ MES ）是在工业 3.0 的背景下产生的，它在 智 能制造框架下是一个什么样的角色？如何打通 ERP 、 MES 及设备 端等信息化孤岛？ 首先，根据企业的实际需求，扎扎实实地开展 MES 的技术 开 发与实施工作，为工业数字化打下坚实的基础。 其二， MES 作为企业生产管理的核心软件系统，必须与上 层 ERP 系统、底层生产设备和自动化系统实现无缝的连接； 其三， MES 是工业 3.0 的基础上发展起来的，但在工业 4.0 和中 国制造 2025 的背景下，需要进一步发展，归纳起来是以下 “八化 ”： 2.3.1 MES 标准化，即 ISA95 标准、 VDI5600 标 准等 15:20 制造运行管理 (MOM) 模 型 ISA-95 标准是由 ISA( 仪器、系统和自动化协会 ) 和 ANSI( 美国国家标准协 会 ) 共 同发起制定的。 德国工程师协会（ VDI ）制定了 VDI5600 标准。指出了持续改进过程的潜在 发展 可能性。 MES 中实现并维持的循环的活动 流 苹果、三星和华为手机的充电器和充电线 苹果 三星 华为 苹果、三星和华为手机的充电器和充电线 苹果 三星 华为 2.3.2 MES 模块化，即参数化可配置 , 可重构、快速实 施 生产控制 人力资源 管理 质量控制 MES 系统集成服务 (MES weaver) 2.3.3 MES 精益化，即与精益生产相结合，优化生产过 程 精益生产 MES • 流程精简，避免浪费 • 生产过程优化 • 准时生产，零库存 • 实时调度，透明化 • 尽善尽美，零缺陷 • 质量控制，追溯和跟踪 敏捷感知 敏捷感知市 场和客户输 入的实时状 态 学习创新 利用人工智 能，自学习 ，作出创新 的方案 时分析和计 算 智能制 造 典型特 征 自主推理 按照设定的规 则，根据数据 分析的结果， 自主作出推理 和选择 快速反应 根据推理和 选择的结果 ，快速地作 出本能反应 2.3.4 MES 智能化，即与智能制造相结 合智能制造的基础是企业生产过程彻底的（完备的）数据化。智 能制造的五个特征中，都离不开数据，必须将数据转换成信息， 形成知识，为智能制造打下坚实的基础。 实时分析 对感知的实 时状进行实 2.3.5 MES 轻量化，即可使用移动终端，如手 机、 iPad ，分散式控制 MES SCADA ERP ERP SCADA ERP MES ERP MES MES ERP ERP MES SCADA SCADA SCADA NC RC Sensoric SCADA MES MES SCADA ERP PLM PLM PLM PLM PLM ERP Engineer Raw Material Manufacturing Assembly Packaging Storage /Delivery Use 工程师 原材料 制造 装 配 包装 仓储、发送 使用 MES Better Performance 更佳性能 Easier Data Security 更容易的数据安全 Controllable System Performance 可控的系统性能 Cheaper Components 更便宜的部件 ERP ERP SCADA MES ERP MES ERP ERP PLM PLM Order Spare Parts Approach Assembly Service Failure Feedback 订购配件 面向装配服务 失效反馈 Engineer Raw Material Manufacturing Assembly Packaging Storage /Delivery Use 工程师 原材 制造 装 包装 仓储、发送 使用 料 配 2.3.6 MES 协同化，即与云平台相结合，实现生产协 同 2.3.7 MES 大数据化，即与大数据技术分析相结合，通 过 数据挖掘，实现数据增值 MES 系统与大数据技术分析相结合，实现数据增值 2.3.8 MES 动态化，即根据 CPS 的原理，实现作业计划 动 态优化和智能调度 CPS 的认识 （《信息物理系统白皮书（ 2017 ）》） 基于 CPS 的微排产／微调度机制是制造 系 统实时的动态模型，可以动态追踪、调度 、改变客观世界而满足运营者赋予数字虚 体的目的性（尹金国）。 3 、 MES 协会的 建设 中国机电一体化技术应用协会在同济大学 主持召开会议，宣告了制造执行系统（ MES ）分会的成立。 2016 年 10 月电子工业 出版 社出版了我和王家海副 教授组 织翻译的制造执行系 统（ MES ）的专著，这也是国内第一本 出版的比较系统论述 MES 的 专 著，旨在推动国内 MES 的 开发 与实施应用。 15:20 谢 谢！ Thank you for your attention! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!