Is MES important for implementing Industry 4.0
or Smart Manufacturing
來源：传感器技术作者：法拉第
我們正處於一個舊IT，走向新IT的變革時代。工業4.0的概念興起於德國，現在我們大家普遍認為，其是一次科技革命，或者說是一次新技術革命。
工業4.0的目的是透過應用物聯網等技術，提高德國的製造業水平，建立具有適應性、資源效率，及人工智慧的智慧工廠，在商業流程及價值流程中，整合客戶以及合作夥伴。
工業4.0的目的是透過應用物聯網等技術，提高德國的製造業水平，建立具有適應性、資源效率，及人工智慧的智慧工廠，在商業流程及價值流程中，整合客戶以及合作夥伴。
無論產業界或者學術界，如何解讀工業4.0，它的本質都是數據，這些數據包括了智慧產品的數據、企業營運的數據、產業鏈上的數據、企業外部數據等等。這些數據串起來工業4.0的生態圈。
四大主題構建工業4.0的核心業務
我們步入工業4.0的時代，實現由「自動化」向「智慧化」的轉變。透過CPS(Cyber-Physical Systems)網路，實現人、裝備和產品的即時連通、相互辨識，和有效交流，為消費者客製化「個性化」的商品，並且提供即時、高效的服務。
工業4.0的四個主題：智慧工廠、智慧生產、智慧物流和智慧服務。智慧工廠側重點，在於企業的智慧化生產系統，以及製造過程，對於網路化分布式生產設施的實現；智慧生產側重點，在於企業的生產物流管理、製造過程人機協同。
而智慧物流作為製造企業，非常重要的資源節點，其側重點在於透過網路、物聯網，整合物流資源，充分發揮現有的資源效率；智慧服務作為製造企業的後端網路，其側重點在於透過服務聯網結合智慧產品，為客戶提供更好的服務，發揮企業的最大價值。
而智慧物流作為製造企業，非常重要的資源節點，其側重點在於透過網路、物聯網，整合物流資源，充分發揮現有的資源效率；智慧服務作為製造企業的後端網路，其側重點在於透過服務聯網結合智慧產品，為客戶提供更好的服務，發揮企業的最大價值。
1) 智慧工廠是傳統製造企業發展的一個新的階段。
它是在數位化工廠的基礎上，利用物聯網的技術和設備監控技術，加強資訊管理和服務，清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控率、減少生產線上人工的干預、即時正確的採集生產線數據，以及合理的生產計劃與生產進度，並加上綠色製造的手段，構建一個高效節能的、綠色環保的、環境舒適的人性化工廠。
未來各個工廠將具備統一的機械、電器和通信標準。以物聯網和服務網際網路為基礎，配備感測器、無線網路和RFID通信技術的智慧控制設備，可以對生產過程進行智慧化監控。由此，智慧工廠可以自主運行，工廠之間的零組件與機器可以互相交流。
未來各個工廠將具備統一的機械、電器和通信標準。以物聯網和服務網際網路為基礎，配備感測器、無線網路和RFID通信技術的智慧控制設備，可以對生產過程進行智慧化監控。由此，智慧工廠可以自主運行，工廠之間的零組件與機器可以互相交流。
智慧工廠是由軟體操控，進行資源整合，發揮各環節的最大效率。智慧工廠中的機器，將全部由軟體控制，工人只需要操作電腦就可以完成生產，進一步解放了工廠中的工人，整體看來，它就是一個擁有高度協同性的生產系統，包括即時監控、自動化管理、流程控制、能源監控等等。
收集及整合整個智慧工廠的業務數據，透過大數據的分析整合，使其全產業鏈可視化，達到生產最優化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和品質最優化的目的。
收集及整合整個智慧工廠的業務數據，透過大數據的分析整合，使其全產業鏈可視化，達到生產最優化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和品質最優化的目的。
2) 智慧生產是由用戶參與實現「定人訂製」的過程。
智慧生產的生產線，可以實現大規模客製化，對生產的柔性要求極高。鑒於此，生產環節要廣泛應用人工智慧技術、採用一體化的智慧系統，智慧化裝備在生產過程中大展拳腳。
工廠的工人和管理者，可以透過網路，對生產的每一個環節進行監控，實現智慧化管理。
工廠的工人和管理者，可以透過網路，對生產的每一個環節進行監控，實現智慧化管理。
一體化的智慧系統，是由智慧裝備和人類專家組成的，在製造過程中，進行智慧化的活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等，透過人與智慧裝備的合力共事，去擴大、延伸和部分取代人類專家，在製造過程中的腦力勞動。
它把製造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智慧化和高度整合化。與傳統製造相比，智慧生產具有自組織和超柔性、自律能力、自學習能力和自維護能力、人機一體化、虛擬現實等特性。
它把製造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智慧化和高度整合化。與傳統製造相比，智慧生產具有自組織和超柔性、自律能力、自學習能力和自維護能力、人機一體化、虛擬現實等特性。
3) 智慧物流以客戶為中心，促進資源優化配置。
根據客戶的需求變化，靈活調節運輸方式，應用條碼、RFID、感測器、全球定位系統等先進的物聯網技術，透過資訊處理平台，實現貨物運輸過程的自動化運作，和高效率優化管理，從而促進區域經濟的發展，和資源的優化配置，方便人的生活。
4) 智慧服務促進新的商業模式，促進企業向服務型製造轉型。
智慧產品+狀態感知控制+大數據處理，將改變產品的現有銷售和使用模式。增加了線上租用、自動配送和返還、優化保養和設備自動預警、自動維修等智慧服務新模式。
工業4.0背景下，MES被重新定義
我們可以把智慧工廠比作一個人，工業軟體就是這個人的神經系統。其中，在製造板塊，MES的作用尤為重要。
按照AMR所給予的定位：MES服務於工廠生產執行層的資訊系統，位於企業經營層的計劃系統，與生產過程的直接工業控制系統之間。
該定位將企業的運作劃分為三個層次，分別是：計劃層、執行層和控制層。其中：計劃層就是MRPⅡ或ERP等經營管理資訊系統。控制層包括DCS、PLC、NC/CNC或SCADA中的一個系統或這幾種配置的組合，以及各種儀器設備等；介於兩者之間的是執行層，MES(製造執行系統)。
該定位將企業的運作劃分為三個層次，分別是：計劃層、執行層和控制層。其中：計劃層就是MRPⅡ或ERP等經營管理資訊系統。控制層包括DCS、PLC、NC/CNC或SCADA中的一個系統或這幾種配置的組合，以及各種儀器設備等；介於兩者之間的是執行層，MES(製造執行系統)。
介於企業的「計劃層」和製造「設備層」之間，對企業生產計劃進行「再計劃」，「指令」生產設備「協同」或「同步「動作，對產品生產過程進行即時的響應，使用當前確的數據對生產過程進行及時調整、更改或干預等處理。
採用雙向直接的通訊，在整個企業的產品供需鏈中，即向生產過程人員，傳達企業的期望(計劃)，又向有關的部門提供，產品製造過程狀態的資訊反饋。
既不同於類似於ERP的企業營運系統，也不同於企業的過程控制系統，使用MES的經驗顯示，它既能提高按時交貨的能力，改善物料的流通性能，由能減少企業內部沒有附加值的活動。
在工業4.0背景下，推動智慧製造，構建智慧工廠、智慧生產、智慧物流和智慧服務體系，我們需要對MES重新進行定義，主要從以下幾個方面進行說明：
1) MES深度融入企業營運環節
智慧工廠中的機器將全部由軟體控制，工人只需要透過MES現場的操作電腦，或者移動終端就可以完成生產，MES結合企業營運的其他工業軟體，建構一個高度協同性的生產系統，對企業的設計、採購、銷售、計劃、製造和運維服務各個環節，對每一個與製造相關的指令，能夠精確調度、發送、跟蹤和監控，該指令影響生產的過程，成為實現生產線上，製程智慧化的基本技術手段。
MES收集及整合整個智慧工廠的業務數據，透過工業大數據的分析整合，使其全產業鏈可視化，達到生產最優化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和品質最優化的目的。
MES收集及整合整個智慧工廠的業務數據，透過工業大數據的分析整合，使其全產業鏈可視化，達到生產最優化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和品質最優化的目的。
伴隨著製造企業的發展，未來製造企業勢必也是一個軟體公司，軟體系統的應用也會越來越多，MES就會成為製造企業營運的基石。
重新定義的MES的位置，與其他業務板塊同等重要，以網路化和扁平化的形式，對企業的生產計劃進行「再計劃」，「指令」生產設備「協同」或「同步「動作，對產品生產過程進行即時的響應，使用當前確的數據，對生產過程進行即時調整、更改或干預等處理。
針對大規模客製化的需求，可以實現柔性排程和調度
採用多向直接的通訊，在整個企業的產品供需鏈中，即向生產過程人員，傳達企業的期望(計劃)，又向有關的部門，提供產品製造過程狀態的資訊反饋，還要告知生產線底層裝備之間，加工的法則，彼此的加工狀態。
既不同於類似於ERP的企業營運系統，也不同於企業的過程控制系統，使用MES的經驗顯示，它不再單純只針對製造過程進行優化，可以延伸至企業運營的其他的板塊，縮短產品的研發週期，提高生產效率，降低單元的產品的製造成本，提高產品的不良率和能源利用率。
2) MES的業務應用範圍更加深入
傳統MES的作用，就是實現企業的連續資訊流。並透過對資訊的傳遞和處理，對訂單下達到產品，完成的整個生產過程優化管理。
MESA歸納了MES的十一個主要功能模組，包括工序詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、品質管理、文檔控制、產品跟蹤，和產品清單管理、性能分析和數據採集等模組。
透過MES這些模組的有效協作，可以起到溝通企業計劃層和控制層，憑借資訊技術，提供精確的即時數據，並最終達到優化管理活動和生產活動的目的。而在現實當中，各不同行業企業，可以根據行業特點和企業實際，開發適合自身情況的多種功能模組。
MESA歸納了MES的十一個主要功能模組，包括工序詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、品質管理、文檔控制、產品跟蹤，和產品清單管理、性能分析和數據採集等模組。
透過MES這些模組的有效協作，可以起到溝通企業計劃層和控制層，憑借資訊技術，提供精確的即時數據，並最終達到優化管理活動和生產活動的目的。而在現實當中，各不同行業企業，可以根據行業特點和企業實際，開發適合自身情況的多種功能模組。
從MESA的定義也可以看出，提供精確的即時數據，是一個優秀的MES的優勢所在。MES對數據提供的即時性，要明顯高於ERP，如果說控制層提供的即時時間系數為1，那麼，MES的時間系數為10，ERP的時間系數為100。
但是，重新定義的MES的核心優勢，不僅僅在於提供即時數據，而且需要對即時指令，進行準備的自學習和柔性調度，也就意味著MES的時間系數也變成了1。
但是，重新定義的MES的核心優勢，不僅僅在於提供即時數據，而且需要對即時指令，進行準備的自學習和柔性調度，也就意味著MES的時間系數也變成了1。
工業4.0下MES的發展趨勢
MES是智慧製造在智慧工廠範疇內的承載主體，實現「物理工廠」的「資訊領域」的投影。在智慧製造工業網路的背景下，MES有哪些改變呢？
1、傳統的整合，向過程融合發展
從未來的需求來看，尤其是在B2P的商業模式下，製造企業必須能夠快速處理大量的單件製造，及特別製造的方式，同時全球化驅動的分散性協同製造成為主流，這就導致了傳統設計、計劃到生產模式的反應遲緩，嚴謹的 PLM、ERP、MES的整合流程太過到剛性。
取而代之的是一種新的方式是設計、計劃和生產緊密協作、並行執行，基於同樣的需求、物料、產能等數據，PLM設計結束之前，柔性生產計劃即可快速下達，MES即時開始生產執行，同時實現良好的反饋機制。這種柔性協同，也對系統間設計 BOM、生產BOM、數據、模型等一致性和靈活性，提出了更高的要求。
2、傳統的數位管理向智慧管理發展
MESA組織給出MES功能模型的定義，強調生產過程「生產、質量、消耗及績效」的業務管理。近十年來MES的發展，也是參考這個功能模型的定義，集中在業務數據採集、業務數據傳遞和業務統計。透過業務過程的數位化，建立了協同工作平台，並在此基礎上進行數據分析與統計，基本實現了全面的數位化和透明化管理。
但在實施MES的過程中，都能深切感受到客戶，對MES智慧化期望較高：希望能夠採用APS自動實現作業任務編排，希望系統能夠根據過程變化，自動調整計劃，希望自動調整工藝參數來確保品質最佳。但事實上，傳統基於單據作業模式的MES，在數據分析與處理上，並沒有下太多的功夫。
在工業4.0時代，生產變化及靈活性更高，生產要素須自動配置，必然要求在生產全過程的數位化的基礎上，增加智慧優化方法。工廠的智慧化分為兩個層次：
一個層次是實現微觀層面的智慧優化。比如在工序層面的控制中，在區域協調優化中，採用智慧化技術。或者在某一個專業領域，如設備的狀態預測、品質預警及生產預警。
另一個層面是宏觀層面，根據生產過程中各要素的數位化，形成計劃、排產、品質控制、過程跟蹤的循環反饋，採用智慧優化算法進行協同優化。
3、傳統的生產線管理，向工廠營運平台發展
工業4.0時代的MES，或許將重新定義，在協同製造方面，超越目前內部組織範疇，而擴展至與供應商和客戶的連接；在製造智慧方面，將不限於收集、分析與展現，而將進一步實現現場即時分析、協同智慧決策，即時調整製造執行過程；在業務領域層面，將擴展智慧裝備的性能監測與維護、綠色製造的能源管理等內容。在製造執行(Manufacturing Execution) 系統將躍變為卓越製造(Manufacturing Excellence)系統。
4、傳統的結構化數據，向工業大數據平台發展
製造雖然有環境因素、資源因素，但最重要的因素來看，差在哪呢？分析認為，主要差在「軟實力」方面。
雖然在硬體層面，大部分國家的產業，也有明顯的差距，但有大量數據比較得出，即使一樣建設的生產線(例如汽車生產線，對岸中國的效率，仍然和鄰國日本差一大截，因此不能把責任推到基礎硬體層面。
雖然在硬體層面，大部分國家的產業，也有明顯的差距，但有大量數據比較得出，即使一樣建設的生產線(例如汽車生產線，對岸中國的效率，仍然和鄰國日本差一大截，因此不能把責任推到基礎硬體層面。
工業4.0時代，技術的發展為數據的產生(物聯網)、儲存、分析(雲技術)、使用(行動通信互聯)更加方便。因此也可以說，工業4.0的變革是數據驅動型的變革。這個「軟實力」提升的主要驅動力是「數據」的利用。
MES傳統上處理各類業務單據，數據僅限於結構化的數據，很多企業在此基礎上，也開展了商務智慧(BI)的建設與利用，但總體上，還在有限的數據範圍內，進行事後分析。
今天的物聯網(包括設備、物料等IIOT及人工作業過程中的HIOT)，將產生大量的即時資訊，都是表徵了生產過程的全像技術影像。這些數據在採集、管理、分析與可視化方面，技術上正在逐步可行。
5、傳統的功能套件，向模型驅動發展
在技術實現上，傳統的MES在逐步開發，及實施的過程中，功能一點點增加，最終形成覆蓋工廠管理需要的，一個功能套件集合，即我們常見的套裝軟體。
但這種套裝軟體從設計本質上，是以職能管理為核心的，以軟體系統為中心的。在工業4.0時代，面向以客戶為中心價值傳遞，以產品為中心的製造資源重組的要求時，傳統的MES是無能為力的。
但這種套裝軟體從設計本質上，是以職能管理為核心的，以軟體系統為中心的。在工業4.0時代，面向以客戶為中心價值傳遞，以產品為中心的製造資源重組的要求時，傳統的MES是無能為力的。
有調查顯示，在MES系統建成的三年內，50%的工藝(模型)將會或多或少隨著生產的持續改進而調整，在工業4.0時代的客製化時代，這種變化更加劇烈。
這就要求MES系統必須是一個可適應、可擴展的系統，其技術的主要特點，是採用模型驅動技術來構架系統。將ISA95相關的、在製造業通用功能，以組件的方式，而各廠不同的、適應各自管理及工藝流程的、不同應用系統整合的部分，將透過可配置的模型平台來實現。當工藝流程發生變化時，只需在線上修改模型，而不需調整功能組件，從而實現系統的適應性。
這就要求MES系統必須是一個可適應、可擴展的系統，其技術的主要特點，是採用模型驅動技術來構架系統。將ISA95相關的、在製造業通用功能，以組件的方式，而各廠不同的、適應各自管理及工藝流程的、不同應用系統整合的部分，將透過可配置的模型平台來實現。當工藝流程發生變化時，只需在線上修改模型，而不需調整功能組件，從而實現系統的適應性。
6、傳統的視窗介面，向虛擬現實發展
從人機協同的角度來看，電腦技術發展到今天，主要存在兩個問題沒有很好解決。一是電腦的現場應用，一是資訊的展示方法。試想，透過鍵盤、滑鼠的資訊署輸入方法，完全是要求人們去適應電腦的需要，採用視窗操作介面，也是今天的電腦操作系統的展示資訊的手段。這些都是以電腦為核心，或者說以系統為核心的思想。
在工業4.0時代，物聯網技術引發數據海量增加、設備智慧化及自主化管理，這些變化將人從「操作員」的角色，逐步提升到「監控者及決策者」，人機交互的方式必須更加自然、即時、聚焦要點。
虛擬現實及增強現實技術，可以有效解決這一點。在工業4.0時代，虛擬世界將與現實世界高度融合。透過計算、自主控制和聯網、人、機器和資訊互相聯接，融為一體，所有的生產數據，將被全部整合到工廠虛擬現實管理系統中。
利用三維可視化技術，將生產場景真實展現出來，生產數據即時驅動三維場景中的設備，使其狀態與真實生產場景一致，從而讓管理者充分瞭解，整個生產場景中，各設備的運行狀況，達到監測、查看、分析的目的。
工業領域的創新發展，是推動科技創新、經濟成長和社會穩定的重要力量。但與此同時，市場競爭也在變得愈發激烈。
智慧製造的整體解決方案，實現虛擬生產和與現實生產環境的融合，採用創新的工業軟體、自動化技術、驅動技術及服務，讓MES深入企業營運應用過程中，促進企業縮短產品的研發週期，提高生產效率， 為企業發展提供技術支持。
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