工业智能化制造执行系统的发展趋势

陈 瑛，殷新建，周显华，徐存琇，钱 双

(中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063)

MES系统是一套面向制造企业车间执行层的生产过程执行管理系统。其概念自20世纪90年代被提出后，经过了近30年的不断发展，逐渐在智能化工业控制领域站稳了一席之地。在即将到来的5G时代，工业智能化系统将如何与5G配合，这种配合又将带来怎样的进步，该文试为这些问题提供一种思路。

1 传统MES系统

执行系统(MES)是工厂实现信息化的关键要素，也是实现工业4.0的关键要素，更是中国制造2025的关键要素。当前大部分企业的MES主要实现从库存到管理质量控制的所有操作的信息管理。MES在企业资源规划系统和制造设备之间运行，可详尽地处理车间数据和活动，可以捕获所有实时生产活动并跟踪库存以实现可跟踪性。

各行各业的技术快速发展，产品迭代，新产品导入(NPI)也成为企业发展的关键点。随着具有更高吞吐量、更高质量、更高兼容性的产品市场的扩大，更多信息的收集、分析、决策支持使得企业更依赖于制造执行系统(MES)。MES作为公司管理层的战略工具，使管理层能够更清晰地了解生产效率、成本、质量、生产周期等，从而更利于公司业务布局投资。

MES已发展成为一个越来越成熟的系统，可以管理世界各地的许多企业和设施。MES通过其收集的数据和生产过程信息产生价值，被公认为全球战略管理系统。

2 云MES系统

云MES则是基于云计算的MES平台，当前，美国国家标准与技术研究院将云计算定义为“一种模式，它通过最少的管理工作或者服务支持介入，允许进行方便、按需的网络访问对可配置计算资源的共享池进行快速供应和应用。”云基础的MES的出现彻底改变了工程师可以获得的数据的数量和类型，使工程师能够提取和分析大量的信息，从而优化装配线的性能。快速部署和快速创造价值，提高了灵活性并降低了成本，云计算的主要动机因素即为虚拟化和远程托管。云系统带来的功能，如移动和整体连接，无需内部开发就可以在任何地方立即访问。云技术使其变得更简单，并允许利用现有的工具，而不是在内部开发以获得机器、人员、系统和工厂的连接性。

诚然，安全是所有生产的前提，云技术作为一个神秘的新技术平台，它的安全性一度受到质疑，但我相信时间会证明，这只是一个误解，云技术实际上是可靠和安全的。如今，谷歌和苹果这类级别的公司都已经建立了他们的云业务，并充分证明了他们对于保护关键数据的技术是可靠的，提供给企业的连接是安全的，既可以保持云空间的私密性，又能保证数据的稳定性。

当前，大部分公司在部署混合云MES系统。它其实不需要昂贵的硬件以及冗长的实现过程，却能实现应用程序在云外部，但数据库仍然保留报告、KPI和持续流程改进计划，并且可以通过互联网浏览器直接访问。云技术可以让商业智能变得更好；云MES系统同样可以让商业与智慧工厂制造结合得更好。

基于云的MES与传统MES都有相同的任务，那就是对制造过程进行近乎实时的管理和控制。云是MES的理想平台，因为它具有内在的连接性，使机器、人、系统、设备和材料很容易连接到平台上。这些连接的丰富性使得更好的过程自动化、更好的可追溯性和质量管理，以及分析应用程序利用大数据的机会成为可能。

传统上，MES运行在工厂内部，服务器、人机界面和所有可能用于从机器收集数据的传感器都位于工厂内。随着网络带宽和稳定性的提高，随着5G网络技术的发展，这使得MES不再需要物理定位于工厂。MES的许多组件现在都可以驻留在云中，这意味着，在一个拥有现代兼容OPC的PLC的制造环境中，MES的所有组件都可以驻留在云中，并通过公共云或私有云与机器通信。

在云MES的管理下，生产过程、生产速度和产量被实时监控，当关键业务指标低于编程阈值时，MES将自动向工程师发送文本警报，甚至该系统会引导自动车辆从自动化仓库领取材料以补充到工作站。基于云的MES可以发挥关键作用，在企业集成软件平台实现全数字工厂,云MES关联生产的所有方面,从最初的产品设计到工厂布局、生产流程优化以及客户反馈交付等。

它消除了生产管理过程中容易出错的人为干预。下一代MES和自动化，以及数据分析和人工智能，是数字制造和工业4.0背后最重要的驱动力。

因此，云MES远远超越了传统的封闭系统，与ERP(企业资源规划)和其他企业系统并立。从这一刻起，MES就没有了极限，它打破了工厂的四壁，成为战略商业工具。而且基于云的MES更适用于中小型制造商，因为这些公司缺乏IT基础设施和资源，这基于更低的总体拥有成本、最小的IT足迹和相对快速的部署。

3 5G网络下的云MES系统

5G数据传输速度比现在的4G网络快25倍，延迟几乎为零，5G有望提供无限的机会来加强链接和数字化。虽然5G网络仍旧需要时间去发展成熟，然而该创新已经在制造方面产生了巨大的影响。两个世纪以来，工业化一直在向现代化的制造发展，物联网——在多台机器上安装传感器，意味着工厂正在创造比以往更多的数据。通过有线网络传输的成本是昂贵的， Wi-Fi网络也会很快变得拥挤——任何尝试过连接公共Wi-Fi网络的人都可以证明这一点。5G能够支持数万个端点的高连接密度，从而真正实现大规模使用工业数据。

3.1 过程控制上的革新

几十年来，工厂自动化一直依赖于可编程逻辑控制器(PLC)，这些控制器被物理地安装在(或非常接近)它们控制的机器上，然后硬连接到计算机网络，以确保在极端条件下进行精确、可靠的控制。如果5G一直能达到它的性能承诺，那么PLC可以在云中虚拟化，使机器能够以当前成本的几分之一进行实时无线控制。

在5G网络下，基于云MES的平台将把制造业快速推进到工业4.0时代。现代云解决方案从一开始就被设计成连接到设备和其他系统，让企业进入一个可以利用连接作为竞争优势的领域。通过云MES的连接制造还可以让组织通过收集和分析更多的机器数据或通过设备跟踪部件的移动来更深入地了解自己的操作，从而提高效率。更重要的是，云计算的成本效益更高。5G技术为制造业提供了重要的网络特性，维持了关键应用程序低延迟和高效性。同时随着网络发展和传播速度的提高，产生的数据也比之前多。捕捉和处理如此多的数据，进一步促进制造商智能化，从而提高生产效率。5G网络的低连接性和高密度链路确保信息交互无所不在，并能够一直兼容不断增长的信息流。分析所得的信息还可以帮助降低宕机时间，增加设备吞吐量，并把机械效率信息实时反馈到分析系统，形成良性的改进机制。在这样的机制中，信息的反馈可以支持企业预测机器故障可能的时间，再通过设备的自我学习改进算法，降低昂贵设备的宕机率。这样的结合为特定设备的维护整修提供复杂的警戒报告，获得低延迟短潜伏时间的信息，让工程师能够更精确更高产地完成维护。同时还可以把操作工或者工程师与设备形成绑定程序，通过利用伴生的讨论的3D动画模型指导远程(办公室或者家)对生产控制调整。

3.2 操作经验上的革新

带宽限制，4G网络上的指令流可能不可靠，而且在不中断的情况下无法保证所需数据的质量水平。5G网络架构不仅能在车间里传输高质量的指令，还能提供不延时的增强现实技术，可以一步一步地指导人们完成他们需要做的每一个动作。这将使车间工人能够承担先进的任务，而无需等待专业工程师或遭受昂贵的机器停机时间。因此，最好的知识和工作指导可以在所有工人需要的时候实现信息分享，比以前更快、更安全、更有效地培养工人技能。

3.3 安全监控上的革新

在现代工厂中，监控流程和安全的摄像头已经很常见了。但是，它们的使用仅限于有重点的应用程序，并且常常需要工作人员监视视频提要。5G将允许数据实时上传到云端，并使用实时视频分析。例如，一个安全摄像头可以看到一个干扰，识别是否有一个迫在眉睫的威胁或危险，并派出一架无人机或警告工作人员进行调查。或者，同样的安全摄像头可以提供更有效的机制来测量周期时间和监视流程偏差。

3.4 实时数据分析上的革新

运行最好的工厂依赖庞大的数据进行决策——在数据收集、清理和分析时不可避免地会出现延迟。5G加速了决策周期的时间，允许大量数据在近实时的情况下被摄入、处理和执行。

5G网络为生产者和信息沟通者提供了创建智能工厂的机会，并真正使机器人、人工智能得以结合并发挥最大的作用，增加解决问题的可能性，使得万物互联。5G技术将再一步升级能源产业和公用事业的发展，使得制造业解决数字化问题，获得新的崛起机会。

这样的系统第一时间把高效的生产线活动与互联网的情报力量结合起来，利用MES云中具有持续深度学习能力的模型，相关专家或者工程师可以解决问题，使机器人系统能够对产片进行数字化检查，提高产品质量，保证精度，并进一步预测发展，进行创新，孵化需求。

4 结 论

5G与云MES的结合，将从根本上改变制造业，但各公司需要理解，提升性能并不是灵丹妙药，公司需要愿意投入升级改善的资金，早期的使用者面临着现有传统设备、设施和网络升级5G以及真正智能化升级的挑战。这将涉及处理陈旧问题的工作，如机器换人等，保证原有设备设施在不进行全面更换的情况下进行二次改造产生更高的生产效益，同时同步研究各种新技术的特点，并加以应用。