定义制造业操作（定义 MES/MOM 系统）

定义制造业操作（定义 MES/MOM 系统）

制造业操作包含众多工厂级活动，涉及设备（定义、使用、时间表和维护）、材料（识别、属性、位置和状态）、人员（资格、可用性和时间表），以及这些资源与包含其信息碎片的众多系统之间的互动关系。为了界定MES/MOM系统的边界以及与用户和其他系统的互动，并协调这种功能组合，最大限度地利用商业MES/MOM软件产品，需要一个制造业参考框架。MOM制造业操作标准促进了MES/MOM的设计理念。

制造业操作标准 — ANSI/ISA-95

有许多数据模型可用于指导开发制造和供应管理系统。其中一个用于制造系统的流行参考模型是国际自动化协会（ISA）的五部分标准，名为ANSI/ISA-95企业-控制系统集成。本文使用该标准中的模型和术语来定义制造执行系统解决方案的用户和功能要求。ISA-95标准定义了一个分层的系统模型，包含了企业内用于支持和执行制造运营管理的领域层级。第4层功能（任务和交流）包含了商业计划和物流层面，并支持普渡企业模型中更高的领域层次（第5层及以上）的供应链管理。第3层功能将制造运营管理定义为商业MES工具的领域。

按照目前的结构，ANSI/ISA-95由以下部分组成，总标题为企业-控制系统集成。

• ANSI/ISA-95.00.01-2010 — 第 1 部分：模型和术语
• ANSI/ISA-95.00.02-2010 — 第 2 部分：对象模型属性
• ANSI/ISA-95.00.03-2012 — 第 3 部分：制造运营管理 (MOM) 的活动模型
• ISA-95.00.04 草案——第 4 部分：MOM集成的对象模型属性
• ANSI/ISA-95.00.05.-2012 — 第 5 部分：企业与制造间事务

定义的MES/MOM领域仅包括生产、质量、维护和库存操作管理功能、功能内的任务以及操作中的任务和操作顺序之间的交流。以下是识别 ISA-95 模型第 3 部分的MES/MOM 活动的组成部分：

• 生产运营管理：制造工厂第3层的管理活动，协调、指导、管理和跟踪每一个消耗原材料、能源、设备、人员和信息的操作，以生产符合成本、质量、数量、安全和及时性要求的产品。MES的功能主要来自于这个活动模型，其次是来自于下面的辅助活动模型。
• 维护运营管理：管理活动协调、指导和跟踪维护设备、工具和相关资产的功能，以确保其可用于生产运营。这包括转换、设置和原地清洁的活动和操作。
• 质量运营管理：管理活动协调、指导和跟踪测量和报告质量测试活动的职能，以支持生产运营。质量操作管理的广泛范围包括质量操作和对这些操作的管理，以确保中间和最终产品的质量。
• 库存运营管理：这些活动协调、指导和跟踪在工作中心之间和内部转移物料的功能，并管理有关物料位置和状态的信息，以支持生产运营。

关于上述模型或ISA-95标准的更详细解释，请参考ANSI/ISA-95.00.03-2011 - 企业控制系统集成第3部分：制造运营管理 (MOM) 的活动模型。

MES/MOM 用户和功能需求模型

使用标准驱动的制造信息模型，可以实现为车间内特定的实时工作过程指定所需的制造执行系统解决方案的形式。该信息模型提供了一个框架，可与用户需求规范（URS）和高级功能需求规范（FRS）一起使用。这些指南可以帮助企业选择一个现成的商用现成（COTS）MES产品，提供最高级别的可配置性以满足制造领域的特定需求。这种设计方法可确保MES项目为车间管理层提供当前和准确的MOM可视性，以允许执行实时工作流程，不会因非增值数据交换或执行任务而造成损失。

图 3-5：ISA-95制造运营管理模型

在制造领域，许多自动化信息系统被应用于企业和现场安装层面，为调度/计划、执行、管理和分析提供应用，以支持运营工作流程。这些应用程序维护着与生产有关的财务和资产管理以及监管数据要求。ISA-95第1部分和第2部分中模型的最初使用定义了第3部分中每个制造操作活动和功能的当前执行情况；图3-5被用作ISA-95的基础，以定义定义、执行和支持车间的实时工作流程所需的功能和交换的逻辑位置，以完成生产订单并管理企业的资源。

MOM活动确定了功能、任务和数据交换，这些活动完全是第4层或第3层的实施。根据制造环境的形式，这些任务通常被分配给第4层的系统或第3层的系统。特定工厂的用户和功能要求确定了哪种系统和架构可以支持交易率、参数化数据加载、交换时间和持续改进的变化管理程度的实时工作流程要求。

在商定了既定的边界要求后，下一步是在整个制造领域进行详细的车间功能需求收集会议，以建立一个基准的MES功能需求矩阵。这些逻辑分组需求的结构和组织的主要来源是遵循既定的指导方针，如ANSI/ISA-95.00.03-2012 - 企业控制系统集成第3部分：MOM的活动模型来定义功能边界。在每个工厂区域、生产线和操作中，出现了关于当前条件和期望操作条件的具体细节。

每个活动模型的第3部分任务清单是任何给定制造情况下用户系统需求的60%。第3部分的定义为发现其他40%的用户系统需求提供了一个良好的框架。如图3-6所示，根据第三部分的标准生产操作活动模型和准则（图3-6，虚线 "A"），为特定的操作或生产线绘制了一张整体图，确定了每个MES/MOM系统的边界（虚线 "B"）。这个例子强调了与第3部分标准中的规范化功能边界的偏差。这个模型提供了：

1. 建立URS项目边界的框架。
2. 系统的FRS的数据库类结构和操作类型框架。
3. MES系统的实施和接口边界。
4. 评估每个MES/MOM系统的商业软件供应商产品的基准。

图 3-6：ISA-95 第 3 部分生产运营管理活动模型示例

其结果是一个用户驱动的URS和一个符合具体、明确的行业准则的高级FRS。这种方法为与外部供应商和系统集成商以及内部部门（制造、工程、IT、财务）的清晰沟通建立了一种共同语言。

确定总体 URS 和高级功能需求后，项目将按以下步骤进行：

• 完成一个商业案例分析
• 准备MES/MOM产品要求
• 完成市场调查，以确定合适的MES产品的可用性
• 制定采购策略
• 制定详细的功能要求规范（数据库结构、交易、生产规则、序列/工作流程逻辑、操作模式之间的转换以及用户界面要求）。

车间操作视图

在整个生产运营领域，（ISA-95功能模型中的第3层）都希望有一个企业软件解决方案来取代主流的基于纸张的流程和不同的应用程序。运营管理部门知道，这样的解决方案将通过工作流程控制和工程、管理和车间的整合来提高生产力。

图3-7显示了产品生命周期管理系统的工程功能、企业资源规划系统的企业管理功能和MES/MOM系统的车间操作管理功能之间的交互。

图 3-7：高级制造运营系统概念

如图 3-7 所示，每个企业系统都维护着一个包含特定角色数据、工作流程和步骤工作指令的重要数据库，一个系统与其他系统中的数据存在重叠和交叉。

制造运营主数据管理（mMDM）提供了协调、共享和同步这些数据的重叠，并保留/执行主数据的所有权。mMDM是整合这些系统的关键组成部分。

通过在传统的基于纸张的车间环境中引入可操作的实时信息，MES/MOM系统创造了无纸化车间。无纸化车间使关键信息在整个组织内流动，支持时间敏感的工作流程的调整，包括被遗忘的制造领域的关键工作流程。

拥有关于事件和任务的统一的、具有时间敏感性的信息，使计划人员/生产控制人员能够识别并防止潜在的问题或瓶颈。事件管理提供实时通知，通常在事件和异常情况发生之前。这种通知会触发积极的工作流程和步骤，以管理这些事件并减少其负面影响和成本。最终，MES/MOM 有助于企业控制成本并按计划进行生产和发货。

有了MES/MOM系统，就有能力根据工单捕获和报告劳动力，精确到分钟和任务，跟踪每个员工的证书和技能组合，申请材料，管理工单，并创建非程序性工作。在许多工作流程中，MES节省了传统上与核实工作、非增值的纸张处理和返工有关的重要步骤。MES/MOM为制造过程中的中断提供了主动的可视性，并通过各种技术包括无线和触摸屏设备实时传达工作指令。这种方法用一个简化的、无纸化的车间环境取代了容易出错的、基于纸张的沟通。这种实时控制使车间操作能够简化生产，确保生产满足严格的客户需求。MES/MOM的电子工作指示（EWI）为实时数据收集提供了背景，并嵌入了数据收集点，以验证所有工作步骤的完成，包括质量检验。

MES确保技术人员和机械师始终拥有制造产品和检修设备所需的指示，并确保采集正确的数据以满足企业数据要求。通过简化车间技术人员和机械师的数据采集和执行，MES也创造了只由增值活动组成的高效流程。其结果是一个更精简的工作环境。从物料搬运工的移动数据终端到车间内战略性放置的操作台，MES可以指导知识型员工执行任务，并通过直观的图形化用户界面立即收集信息。此外，脚本化的工作指令和参考数据的展示大大减少了新员工的培训时间，而事件驱动的通知和工作流程使用电子通信来加速现有劳动力的交叉培训。

来自车间活动的数据的无缝收集被存储在协调的关系型数据库中，以编制产品谱系和产生终端项目数据报告。捕获的谱系和分析数据允许进行历史查询、近乎实时的根本原因分析和工作单之间的比较，这对与质量有关的调查和流程改进措施是非常宝贵的。

在面向服务的架构 (SOA) 中利用同一的交互数据格式和行业标准，例如 OAGIS（开放应用程序组集成规范）或 ISA-95，进一步降低了将 MES/MOM 与其他应用程序集成的成本。SOA的应用集成方法将成本降低到目前典型的点对点集成做法的一半以下，同时在很少的时间内交付项目。

车间“现状”作业活动模型

MES/MOM的实施基线始于对制造领域内现有流程的彻底分析。商业和自制的MES应用首先应用于部门或生产线层面，以满足特定车间的需求，通过更好地利用本地信息来提高生产力。然而，这些第一代应用是为主要的 "按库存生产"、"低SKU数量 "的制造业而设计的，这些制造业在过去的100年里支持了生活水平的提高。这些制造商中的许多人完全依赖纸张流程和一些独立的本地系统来控制车间工作流程；今天使用的大多数系统都是独特的装置。然而，随着全球制造业的发展和供应链的延伸，21世纪的制造工厂现在拥有更大的按订单生产和按订单配置（CTO）的产品组合和更大的SKU数量。最值得注意的是，包装线的配置已经扩大，以满足语言和文化相关的客户要求。图3-8代表了部署在一个典型的现代工厂的MOM系统，它具有跨区域、跨生产线和跨操作的共同工作流程。

在部署先进的MES之前，工厂自动化信息系统（AIS）的原始部署中，每个系统都满足了制造领域中对当前产能和订单组合的直接制造需求，具有单一功能的应用。图3-11通过灰度编码确定了各种应用以及与ISA-95第3部分活动模型的关系；在这种情况下，有八个不同的应用参与了订单执行。这些基于部门的应用有许多重叠的数据存储和手工纸质流程，用于支持工作流程所需的事务性交换和数据共享的差距。此外，新的流程技术和持续改进项目的复杂性使本地的MOM解决方案激增，其不同的数据存储不在IT部门的关注范围内。试图解决数据共享的缺陷导致了点对点的数据连接。事实证明，点对点的连接（虽然提供了一些缓解）实施起来非常昂贵，而且随着连接数量的增加和老化系统的更换，维护起来也非常困难和昂贵。

图 3-8：ISA-95 第 3 部分“现状”对订单执行车间系统的功能评估

"现状 "模型（图3-8）显示了生产的工作过程对纸张的依赖，以填补车间的信息空白。在 "制造 "第2层（过程控制）和第3层（MOM）活动中，信息交流脱节的问题尤其严重。实时的第2层和第3层的信息对于在制品、例外情况和非程序性（备用路线和返工）工作的状态至关重要，因为这些工作是在危机已经扩大后由计划和调度组通过手工交易收到的。生产记录变成了许多来自不同来源的扫描件，具有不同的生产定义和不同的数据完整性。图3-9为客户提供了一个针对当前车间情况的具体工作流程的图示；这种类型的图示是MES项目实施后获得的好处的教学工具。

基于纸张的工作流程易于实施，易于使用，并且几乎不需要培训。然而，纸张是生产运营管理中效率的巨大抑制因素。纸质文件在生产过程中穿梭，然后被归入档案柜。企业失去了对车间活动的宝贵可见性。纸张还用不同的工作语言定义了职能部门的投入和产出，为团队合作和持续改进制造了障碍。

图 3-9：生产运营执行职能的“现状”评估

车间“未来”运营活动模型

在开始设计MES/MOM系统架构之前，MES/MOM URS对短期和长期业务目标和运营工作流程进行了详细规划，确定了所需的未来状态模型。一个好的MES/MOM URS提供了一个模块化的解决方案，旨在执行、收集数据，并为车间活动提供对时间敏感的工作流程的可视性。最终的系统必须为车间主管、工厂经理和高层管理人员提供信息，以执行操作指令，衡量实时性能，分析操作，并确定改善的机会。MES/MOM系统架构必须整合零散的车间应用，以统一原有系统的功能，并大大减少跨应用的整合。MES/MOM平台与企业系统之间的功能整合提供了主数据的双向同步，并将运营数据实时交换给业务和供应链流

在消除了诸如图3-9所示的互不相干的工作流程后，可以开发一个 "未来 "评估模型（图3-10），在这个模型中，MOM系统提供了一个统一的车间环境，取代了以前互不相干的车间应用和纸张交易。将来的 "车间系统 "将优化环境，以电子格式显示所有的数据交换，使第3层MOM系统和第4层企业系统之间的交易很容易实现。图3-10显示了MES/MOM部署后与 "原样 "模式的巨大变化，其中仅有两个应用程序取代了图3-8中描述的八个应用程序。质量运营功能是图3-10中 "未来 "模式的主要变化之一。

图 3-10：ISA-95 第 3 部分“未来”的车间系统订单执行功能评估

"未来"模型显示，在 "制造 "活动中消除了互不相干的数据交换，在这些活动中，实时信息对有序的工作流程至关重要。生产操作的执行是完全电子化的，在制品的状态、例外情况和非程序性工作的实时车间数据，用于计划和调度组的调度和重新安排更新。生产记录包现在是电子化的，用于根本原因分析、可操作的指标和警报，以及准确的报告。

MES/MOM系统存储了每个生产订单（中间产品和成品）和应用资源的所有历史记录，包括工作指令版本、关键公差数据版本、买断签名、差异、返工和操作员认证。完整的产品和操作谱系以相关的电子形式出现，以便在MOM、PLM和ERP系统之间进行互动。在生产和支持操作过程中收集的数据被存储在一个关系数据库中，并从中创建了大量的报告和交易，以满足内部企业以及指定为记录系统的外部系统的需求。

车间系统

如果不考虑人和他们在从 "现状 "到 "未来 "的运营范式中的角色变化，任何模型都是不完整的。对运营角色和责任变化的描述表明了部门和系统之间的互动范围。所有部门现在都在同一个应用程序中完成他们的工作。这给那些通常在传统系统中执行车间活动（第3层）的员工带来了文化变革的担忧。为了成功，变革管理项目必须是每个系统项目的一部分。一个新系统的采用并不是立竿见影的，它通常要在六到十八个月内完成。MOM架构将这些员工现在使用的传统系统与现在MES/MOM边界内的生产和支持运营活动进行整合。

管理变更可确保车间员工接受并拥护 MES/MOM 系统的引入和发展所带来的文化变革。至关重要的是，变革管理过程包括确定劳动力中的自然领导者，并让他们参与MES / MOM项目的早期阶段。进行这种文化协作将MES / MOM定位为增加劳动力的工具，而不是监视劳动力的工具。这种车间设计协作使系统能够促进跨职能培训，从而降低企业层面的风险，并为员工创造增长和晋升机会。

车间数据交换

系统之间的数据交换和集成必须直接支持未来状态下所需的车间业务和运营流程（"待定"模型），并且不得成为技术练习或试点项目。数据的存在不是将其纳入界面设计的充分理由;数据交换必须支持流程和业务需求。数据管理实践必须与数据管理总体规划保持一致;无论选择什么名称，都必须制定和执行全面的数据管理和治理计划，以使 MOM 系统部署成功。

必须对工厂和企业进行管理，以应对市场和内部持续改进的变化。交换的数据基本上分为两类：

1. 主数据：相对静态的数据，用于定义制造操作和过程控制活动中使用的产品属性和工厂资源。
2. 操作实例数据：在正常工厂活动期间生成的上下文相关动态数据，包括在工作过程中进行的测量和操作。

通过双向接口，源自任何本地或企业系统的数据通过接口更新其他系统，以支持制造操作域中的业务和/或操作流程。数据源不一定预测记录系统。记录系统的选择必须基于（1）系统直接支持的业务和运营流程，以及（2）流程功能变化的频率和类型。许多因素会影响实例数据的来源，以便提交给MES / MOM操作员;例如，大修方案要求工程变更单安全，并且无论生产工单如何，都需要在特定的生产路线上实施。

ERP 系统处理作业成本核算、财务、采购、库存控制、生产计划和主计划。MES/MOM系统为工作流程路线中的每个工作中心创建详细的工作说明，并且可以处理有限的产能详细调度。两个系统使用相同的主数据（尽管目的不同），并且必须协调才能有效地执行操作工作流程。

作为记录系统，PLM 构建了包含制造运营领域知识产权的运营定义。在设计 MOM"未来"模型的过程中，必须通过将其内容映射到 MES/MOM 系统路线图来利用当前车间系统中的知识产权。PLM 和 MOM 数据必须同步，以便有效、准确地调度和执行生产订单路线。共享数据的一个示例是工艺路线生产规则，必须使用最新的相应工程变更单 （ECO） 在运营工作流程级别对其进行验证和优化。

应用程序之间高效、准确的接口的创建依赖于 OAGI、ISA 和 MESA 等组织的公司和国际标准以及工具，以简化 MES/MOM 和 ERP 之间数据交换的集成工作。

产品数据

图 3-11：交换的产品主数据

产品定义活动不在MES范围之内;但是，车间活动、生产规则、生产工艺路线备选方案和生产计划活动需要访问主数据，例如工程图纸、零件清单、材料规格以及制造和大修计划。如图 3-11 所示。PLM 系统按照研发和工程中心的指示维护产品数据。这些数据可作为文档、CAD 图纸和电子 eBOM 以及 EWI/SOP 提供给制造运营领域。

工厂资源

产品数据只是制造操作域中的制造、设置、维修和维护所需的主数据的一部分。由日常中断引起的变化需要根据已知的可用资源和流程能力近乎实时地计算进度调整。

典型的离散混合车间由工作中心（WC）组成，其组织结构为给定的成品集提供特定的制造能力。每个工作中心都有完成分配给工作中心的特定任务所需的熟练人员，机械和工具（设备），以进行给定产品的操作。生产操作和支持操作使用工艺路线通过工作中心组织工作流程，在这些工作中心，材料，子组件和零件从一个专用工作中心传递到另一个专用工作中心，直到制造或大修过程完成。工作中心和工艺路线概念是按作业、作业订单调度和工厂的操作工作流程划分的活动基础成本核算 （ABC） 的核心。

操作数据交换

生产活动的计划和调度是ERP系统的功能角色。有效地收集车间信息并传达该信息是MES作为MOM系统架构的一部分的作用。为了协调复杂的制造活动，需要对来自车间的实时数据进行复杂的协调。

生产及其支持操作由为工作中心设计的可管理的工作部分组成，这些工作部分配备了组织执行特定任务的人员，机器和工具。

ERP系统将工作发布到MES / MOM系统，以通知工作中心工作部分。MES 侧重于生产操作工作段，以将工作与包含描述如何执行分配的工作步骤的详细工作说明的车间订单相关联。企业资产管理（EAM），质量管理体系（QMS）和仓库管理系统（WMS）与MES分别侧重于维护，质量和库存操作的支持操作工作部分或步骤。具有有限容量调度 （FCS） 系统的 MES 将支持操作工作段排序为生产操作工作段。

在MES/MOM系统和ERP之间的信息交易中，对时间敏感的、有顺序的一系列实时交流，协调车间活动。ERP层面的调度与车间层面的计划和基于当前订单状态和可用资源的FCS不同。这些区别在本文中没有涉及。

FCS 将生产和支持操作的工作订单与已发布的工作进行协调，并将工作订单的特定资源调度到 MES/MOM 系统以执行。车间人员通过数据终端与MES/ MOM系统进行交互，以访问工作说明并确认已完成的工作。通过与车间人员的交互，FCS 和 MES/MOM 将交易记录发送到 ERP，以更新订单进度、报告工时、报告材料、消耗、报告对生产顺序的任何更改以及请求其他材料。

MES/MOM 系统事务是事件驱动的、自动的，对车间人员是透明的。

MOM 系统架构接口模型

MES/MOM应用程序和其他企业应用程序之间的通信是通过制造服务总线（MSB）/企业服务总线（ESB）。MSB/ESB作为系统之间的数据传输指挥，将协调好的数据从一个应用传输到另一个应用。当数据被放在服务总线上时，MSB/ESB被配置为与其他寻找该数据的应用程序进行协调，然后转发它。(MSB/ESB技术在本文中没有讨论。）MSB/ESB解决了第2层、第3层和第4层系统之间数据传输的 "方式 "问题。需求过程的下一步是确定在每个应用程序之间传输的数据，以及这些数据需要的格式是什么。

制造运营集成标准标识所需的数据类型，即材料消耗、材料生产、劳动力和设备使用情况。具体的事务、数据内容以及数据传输的数量和频率是在MES/MOM项目开发过程中确定的。

具体而言，开放式运营和维护（O&M）计划由以下制造运营集成标准标准组成：

• ISA-95：企业控制集成第3部分：制造运营管理活动
• OAGIS：开放式应用程序组集成标准
• ISA-88：批次处理
• ISA-99：工业系统的网络安全
• OPC：用于过程控制的 OLE
• MIMOSA：机器信息管理开放系统联盟
• OMAC：机器自动化和控制组织

这些和其他制造运营标准，定义和构建支持每个运营活动及其数据交换所需的数据。信息类型和频率是每个工作过程中每个用户角色及其参数信息（如遵守安全法规和其他强加的策略）所要求的。每个数据交换都支持每个特定功能及其相关任务。数据交换具有频率、生产规则、工作指令、参数和预期系统响应等形成模式的特征。最好通过使用已发布的数据架构来促进 MOM 数据集成的技术实现。通过ISA-95第3部分MOM活动建模确定的每个数据交换的标准定义和属性以及所有操作过程的数据交换在：

• ANSI /ISA-95.00.01-2010，企业控制系统集成 — 第 1 部分：模型和术语
• ANSI /ISA-95.00.02-2010，企业控制系统集成 — 第 2 部分：对象模型属性
• ANSI /ISA-95.00.05.-2012，企业控制系统集成 — 第 5 部分：企业到制造事务

概括

在从零件到原始设备生产以及相关的维修和维护中不可预测的活动等离散混合制造的复杂世界中，行业标准的应用通过协调利益相关者之间的讨论来简化MES / MOM要求和设计工作。从现实世界的情况开始，多年来演变成当前混乱的系统以及正式和非正式程序和实践的多个设施和操作。

现在能够构建操作模型来设计新的操作环境。本文重点介绍了"未来"建模的好处，以解释 ERP 和调度、MSB /ESB 和 MDM 的集成。从制造的角度来看，ROT 的好处，如生产率和吞吐量增益，这里没有解释。除了从"未来"MOM 架构和系统转型项目路线图中获得 IT 优势之外，还需要解决实际的制造业务价值问题。