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【MES的新思路】应用解决方案

2018/10/15    来源:阿普奇    作者:佚名      
关键字:MES  解决方案  
设备银行与MES的衔接如虎添翼,它是一个工具,是一个生态,是新工业的新思想。

1 前言

    1.1 概述

    1.2 名词解释:

    MES:所谓MES,即为智能制造中的过程执行系统(manufacturing execution system)。

    设备银行:工业互联网极简开发工具,极简接入、分析、显示、控制。

    阿普奇:行业智能专用设备服务商,率先提出工业电脑模块化极简设计并深入落地,国内领先的加固工业计算机生产商,第一家国内工业电脑上市企业,免维护计算机概念的提出者,设备银行的指定工业计算机品牌。

    EBOX:设备银行超级网关,带一套协议适配软件,支持任意RS485、以太网协议设备的上云,同时可实现两种任意协议间的互转换,同时EBOX支持边缘计算,用户可以自定义设备分析。

    ECS:设备银行云控制器=超级网关+PLC+边缘计算中心,支持2G、4G、ADSL以太网上云。

    1.3 背景

    随着人类文明的进步,人们对衣、食、住、行的生活需求量越来越大,越来越多样化,在汽车、建筑、家用电子、数码消费、食品、医药等行业的需求日益增长,推动了整个制造行业的快速成长与发展。

    但随着原材料成本上升,人工成本上升,人民币升值,企业利润越来越少。同时随着制造产业链全球化分工日益加剧,品牌厂商加工外包的普及,客户对供应商现场管理能力要求也越来越高。

    在工业4.0和智能制造2025的推动,数字化智能工厂已然成为国内诸多工厂的标准实力体现,MES作为数字化工厂的一部分,解决了原材料成本、人工成本上升、生产现场管理混乱、定单杂生产效率难以提升、生产异常难以实时临控等问题。真正可以实现精益制造及管理,是工业4.0与智能制造的必要环节,鉴于中国工业制造的发力,先后涌出大量MES软件商、工程商、实施或用户等。

    1.4 行业现状

    关于MES详细释义,及与工业4.0的关系,这里就不再累述,请见图1所示。

MES与工业4.0的关系

图1 MES与工业4.0的关系

    1.4.1 工业4.0现状

    当我们在使劲鼓吹或宣传工业4.0的时候,却没多少人真正理解4.0的实现过程,可能被大家所熟知的就是互联网下的智能生产或“无人工厂”,怎么样实现智能生产?按图1,在ERP和工业自动化控制中间加个MES就行了?三人行无师能和谐?

    工厂的使命永远是接订单,然后生产产品,再把产品卖出去;而围绕订单的ERP和生产的自动化都有了,怎么生产、什么时候生产、生产成什么样到什么时候等却成了问题,这时有了MES。好玩的是夹在中间的MES不光要面对ERP和底层的自动化,独立的还有WMS、PLM之类的子系统,不“渗透”无参谋,MES是软件,必须要将工厂里的所有事物(包括人、设备、物料)都要信息化、互联。

    显然,工业4.0并不是MES简单的填充,前提是必须信息化,才能通过数字去形成决策依据,才能透明,才会有智能制造。

    1.4.2 对MES的真实需求

    MES的价值决定着市场需求,但制造业国情与产品需求决定着推行速度。中国之所以成为制造大国,主要是通过丰富的劳动力市场为起点,逐步完善工厂自动化。可当前仍然有一些行业甚至连自动化的工业3.0都未普及,更不用说通过MES来优化管理生产了。同时,鉴于科技的快速发展,各种消费类产品的快速生命期与市场差异化需求,无疑给工厂增加了难度,提出了快速、小批量、定制化苛刻要求。这些都使MES不能预期发挥其功效。

    在实际的推行中,有80%以上的工厂都是以信息化、无纸化为当前目标。为了竞争客户的订单,光有规模与响应速度不行,得要用实际的数字来体现你的产能、效率,甚至进度。同时,在大的前景下,工业4.0的良性发展也受到政府的大力扶持,多地政府为了实现智能工厂的改造,向企业们提供了相当丰厚的补助。

    1.4.3 工厂自身需求

    市场中,各种行业大大小小的制造、组装工厂不胜其数,并不是都能接到诸如华为、三星的大单,也并不是所有企业都能得到政府扶持,同样,也并非所有客户都非数字化工厂不合作。

    在MES实际的实施中,厂商们为甲方分析后并没有直观的给出MES带来的效率提升点,成本控制百分比,甚至人力成本的控制,而是依据企业实际的生产流程,把生产环节中的人、机、料、法、环通过数字的形式来实现无纸化。而相应的优化却是厂商与甲方后期的一个长效磨合。所以,靠自己做数字化工厂改造的企业,都会被动的跟随市场,价值几百万的MES能给他们带来多少订单或提高多少效益,决定权在众多老板的经济思维中被模糊。

2 MES的新思路

    针对MES当前的市场定位及需求,我们通过一种新的思路来理解MES,我们要解决的是从MES的实施、使用、后期维护等多个角度来分析的,让MES以一种极简的方式顶起工业4.0的大梁。

    2.1 信息维度

    在多次的软文中,我们己谈了很多MES产品化困难的原因,包括上不着天与ERP接口困难,下不着地与设备端接入难,再加上大多数的MES都是以整个生产过程的全生命周期为主干线,造成整个系统是紧耦合,任何一个环节的非标、不按流程操作、失误,都会影响整个MES的正常运行。

    设备银行的出现,给MES厂商多了一条可靠的维度,也就是通过设备数据来分析生产运行,引导管理者提质增效,降本节能。这一条维度可以做很多文章,他的目的不是直接节省生产过程的人工,而是让管理者有了一个全新的视角,设备数据的视角,通过这个视角,管理者可以发现很多以前看不到分析不了的问题,通过这些问题的解决来达到提质增效,降本节能的目的。

信息维度

图2 信息维度

    2.2 硬件维度

    在实际的MES实施架构中,要做到五要素(人、机、料、法、环)的精准效率管理,除了工艺流程、信息管理等方面的软性应用软件、数据接口、数据库等,还需要承上启下的多层多点的硬件交互,如图3所示

多层多点的硬件交互

图3 多层多点的硬件交互

    所以,在MES实施现场,通常还会面临这些困难:

    ●高温高湿;

    ●粉尘、水滴、污染物;

    ●设备运行的振动、冲击;

    ●电压的不稳定与干扰;

    ●各种设备通信电磁波干扰;

    ●安装繁琐不专业;

    ●布线难度大;

    ●与已有的设备无法通讯;

    ●无法实现过程控制。

    2.2.1 设备连接

    所以通过上面的描述,大家会发现以往MES系统的成败取决于资金投入、领导支持力度,用资金和人力来堆彻一套定制化的系统。

    因为MES上面被ERP卡,下面又是一系列封闭的自动化系统,这导致大多数中小型企业上MES是找死,不上是等死。

    怎么办?

    在新一代的工业互联网技术“设备银行”横空出世后,给了大量MES公司提供了一个全新的思维,成本也大大下降,构思如下:

    1)通过设备银行这类标准化的工业互联网工具,降低设备数据的采集、分析、显示、维护成本;

    2)碎片化MES功能,面向生产车间的各个岗位,提供基于微服务的工业App;(中小企业应该面对投入的现实,明确问题的解决,信息的完整和精确可以在下一步再迭代增加)打通工业互联网和MES系统,设备银行提供全开放的JSON数据接口,用户可以很容易的通过设备银行获得设备层的数据,并分发给需要的人员;

手机工具化

图4 手机工具化

第三方控制系统极简上云

图5 第三方控制系统极简上云

    2.2.2 交互硬件

    阿普奇作为国内首家登陆新三板的工业电脑企业,拥有非常多的自动化行业现场的交叉应用经验,能为MES的精准数据采集和业务处理提供可靠的支持,使MES的现场快速布置实施变得轻松简单,如图6:

交互硬件

图6 交互硬件

    我们使用单芯片超低功耗的工业平板电脑做为MES的交互、采集终端,使用工业级移动手持平板来实现物料的跟踪管理、巡检等,而在基于业务流层面,我们将声光报警用的开关量、WiFi、身份识别及物料电子标签的RFID等做成标准的模块组件,与我们产品高度集成在一起。

    2.2.2.1 工业级交互平板

    Pseries-E5是针对工业4.0的开发的超薄紧凑型低功耗无风扇工业平板电脑系列产品,结合阿普奇模块化设计理念,通过模块化组合,可以形成不同尺寸、多种接口、不同性能等多种产品,以应对多种行业不同的应用需求。

    采用凌动4代Baytrail平台单芯片背贴式CPU设计,高亮宽温LED背光液晶屏,双Intel千兆网络,大面积铝鳍零距离散热,保证了其长寿命稳定运行。集成宽压电源输入,具有过流、过压、EMC保护。外观采用钻石切割工艺,结合全模具压铸成型壳体使其更加坚固美观,配合高温五线电阻或钢化玻璃表面的电容触摸屏,符合IP65防护等级。紧凑轻薄的机身支持多种安装方式。适用各个行业的MES应用。

用于MES交互的工业平板电脑

图7 用于MES交互的工业平板电脑

    如图7中所示,用于MES交互的工业平板电脑主要有电容和电阻两大系列,从10寸到21寸,分别适用于各个细节行业的不同应用现场,其主要特点有:

    ●DC9-28V宽压抗干扰电源输入,符合工业现场复杂电源环境

    ●第四代凌动Baytrail低功耗无风扇设计

    ●板载内存与灵活的存储方式,抗振动冲击

    ●全模具压铸铝成型,坚固美观,经久耐用

    ●超轻越薄的紧凑型设计,安装便利

    ●简单高效的通讯方式(WiFi/Intel千兆LAN/RS485/USB3.0)

    ●高温五线电阻式和多点电容触摸屏,适合多种应用环境

    ●可集成RFID读写,便利的人工考勤管理

    ●选高清摄像头,实现影像监控管理

    ●支持双扬声器,实现本位预警

    ●嵌入式操作系统、稳定永久使用

    ●-20℃-70℃宽温长寿命工作

    2.2.2.2 RFID读写模块

    RFID是一种无线射频识别技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。具有抗油污、加密、速度快等优点。物联网的兴起,让RFID技术得到了广泛的应用,尤其是在工厂物料、绩效、权限的智能数据上。

RFID读写模块

图8 RFID读写模块

    我们通过高度集成的RFID读写模块,来方便MES绩效的精准管理,与工厂原有门禁无缝对接,无需额外安装、布线,只需要接口(API)调用即可。

    2.2.2.3 双频WiFi模块

    为了节省MES实施周期及布线难度,我们为人机交互点提供了无线网络方案。

    使用Atheros 802.11a/b/g/n 2.4/5Ghz双频无线方案,更支持蓝牙4.0,而Atheros公司是802.11领域的先锋,基于OFDM的无线网络技术厂商,提供基于IEEE802.11a 5-GHz的芯片组,还拓展了蓝牙、GPS、以太网等领域的开发。Atheros的芯片被各大厂商所广泛采用,Netgear、TP-Link、D-Link、Intel等厂商均为Atheros客户。

    尤其是5Ghz频段更有传输速度快、抗干扰能力强、兼容性高和省电的优点。

双频WiFi模块

图9 双频WiFi模块

    2.2.2.4 隔离输入/开关量

    面对成熟的工业3.0自动化现场,MES的实施除了要实现设备数据的采集,还要加装基于物料、过程、质量等控制的信号灯、报警、光电开关等。通过PLC来实现这些功能,从成本或编程上都耗费不少,于是轻量的输入输出便成了热门。

    而行业内标准产品的DIO接口一般都是低电平信号(5V&3.3V),无法实现工业现场标准器件的直接通讯(现场多以24V为主,信号干扰等),虽然DIO应用起来经济高效,但如果应用不当,不但无法通讯,还会影响数据的精准,甚至导致设备受损。

    A.无法驱动常见设备(24V)

    B.输入电压范围有限,直接24V信号烧设备

    C.控制电路设计繁琐,不好量产安装

    D.抗干扰能力差,采集数据不准

    E.无保护措施,浪涌或过压,会让设备不稳定或受损

    所以,针对MES现场的实际应用,我们将DIO升级,高度集成,彻底解决实施过程中的安装、开发、成本烦恼,快速连接,快速开发应用。具有如下应用特点:(规格参数见图7)

    1)模块化设计,兼容阿普奇所有产品

    2)光电隔离宽压输入

    3)OMRON继电器直接输出

    4)有源/无源信号多种输入

    5)标准DB头应用接口(可附带接线端子)

隔离输入/开关量

图10 隔离输入/开关量

    2.2.2.5 移动手持平板

    除此之外,我们还针对在线巡检、叉车、推车等移动场景的应用,提供手持平板电脑TPP-10通讯解决方案。

移动手持平板

图11 移动手持平板

    通过标准x86平台与工业级的接口来延伸智能工厂的物流信息实现,让MES应用更灵活。其特点如下:

    ●J1900低功耗多核处理器

    ●高强度铝合金机身,抗震防摔,IP65

    ●10寸高清宽屏电容屏

    ●WiFi+BT/4G/RFID/2D Mudolar Selected

    ●标准USB/COM/LAN/CAN工业级接口

    ●可配置DDR3L内存和mSATA硬盘

    ●支持Windows/Linux操作系统

    2.2.2.6 稳定的操作系统

    在中国市场,WinTel生态的工程应用占比高居不下,但在实际应用过程中Windows平台的稳定性一直被业界所诟病,所以在用户操作系统这个板块上面,我们采用Windows Embedded Standard 7操作系统,它提供了业内领先的可靠性、安全性和性能。其灵活的嵌入性能更适用于各低功耗产品的开发与运行。

    FBWF(File Based Write Filter),基于文件的写保护过滤,在内存中对所有文件进行写操作(如图10),能让系统在频繁的非法断电中稳定运行,防止病毒的侵害,延长存储设备的使用寿命。

    我们提供系统完美定制开发,实现一次植入永久使用。

稳定的操作系统

图12 稳定的操作系统

    2.3 维护维度

    MES维护不了!

    这是大多数无IT部门MES用户的共同感受!

    MES的运维包括几个方面:

    1、软件的运维,包括服务器的运维,如系统崩溃了,如若没有好的热备系统,没有相应的维护人员,常常会因此而苦恼,轻则损失数据,造成与ERP之间的误差,重则系统崩溃需要额外出钱请开发商上门服务。

    2、硬件的运维,包括电子看板的各电脑系统、设备层的数据采集和网络系统。

    3、功能的升级,比方说增加了新的产线,比方说使用过程中有遇到了不顺的地方需要开发商二次修改的。

    目前的MES系统能用好的,大多自己都有较强的IT事业部,或者是有钱,把这部分工作分包给了开发商,其它的用户大多感觉自己在被MES玩。

    MES运维需要提升系统的坚固性、产品性、可维护性,而大多数MES系统因为是定制开发的,这三个方面都表现得非常差。

    MES故障的重灾区:

    1)工业计算机、服务器

    2)工业互联网(数据采集、边缘态分析)

    2.3.1 设备银行ECS、EBOX的可维护性

    在开发设备银行之前,笔者己设计过非常非常多的工业产品,对于工业产品的可维护性可以说是深有感悟。

    还记得我在某公司打工时,开发过一套无线的分布式IO模块,当时自作聪明的把所有的信道选择、站地址配置,主从站变量映射,都做成了一套软件,从而使硬件更加小巧。结果没想到我自认为的高明设计却成为了一个巨大的坑。这个系统的产品在面市后,公司就将其使用到全国各地的自动化项目中,初期,因为工程都是我们自己公司的工程师上门,还没有发现问题。等过了几年,这个隐患才慢慢暴露,但凡现场有模块损坏了,客户都无法直接更换,一定要我们去人。

    无论是成都还是哈尔滨还是新疆,那段时间,这种上门服务成为了用户与我们工程部之间最大的摩擦,差旅费谁出?能不能尽早派人去上门?

    在后来的十多年中,我又在控制系统产品中遇到了几次同样的问题,如一套LonWorks的控制系统,每次更换模块一定要用LonMark在现场进行组态配置,这么恶心的设计让我对美国佬恨之入骨。

    还有电力载波模块,用户的用电设备增加有可能会影响模块间的通讯,一定要我们派人去现场调配。最后有个客户实在受不了了,只能增加一套独立的交流电网用于电力载波模块的通讯。

    最后还有设备银行出来前的物联网项目,每次GPRS-DTU的损坏,都需要进行配置,如果寄给用户后没有配置好,通常还是需要我们的工程师上门。

设备银行ECS、EBOX的可维护性

图13 设备银行ECS、EBOX的可维护性

    在MES行业应用中,因为增加了工业互联网,设备层的数据能够上来了。却也增加了一套硬件系统和通讯系统的维护,这些工作往往并不是MES公司的专长,还需要另外的自动化公司去协助。

设备银行护性

图14 设备银行护性

    为此设备银行在设计之初就把免配置、一键替换当作维护设计的核心目标。

    尽管知道现在许多同行会抄袭我们的设计,但我仍为此设计感到自豪,需要在这显摆一下:

    1)免配置:设备银行的所有硬件无需进行通讯参数配置,上电即在云端,扫码即可接入。用户完全不用关心域名、IP、端口、帐号、密钥等任何通讯相关的参数。

    2)一键替换:设备银行的ECS、EBOX坏了怎么办?拿一个新的模块过来,扫码,点击一键替换即可,无需任何的重新组态工作!甚至工程商可以在千里之外寄一个模块过去,让用户把端子拔过来,然后工程商在异地点击一键替换即可。

    正因为上面的两个特性,所以设备银行极简派工业互联网决非浪得虚名!这就是设备银行极简化中的极简维护。

设备银行极简化中的极简维护

图15 设备银行极简化中的极简维护

    这使广大的MES用户不再为硬件的维护而苦恼,更换和维护的难度比换一个灯泡更简单。

3 结束语

    设备银行与MES的衔接如虎添翼,它是一个工具,是一个生态,是新工业的新思想,其中包括了做控制系统的矩形科技、做工业互联网的老狗科技、做工业计算机的阿普奇、做工业互联网服务的赛远、做人联网的工控兄弟连。大家围绕着简单是美的设计思想,一步一步的丰富整个生态,帮助工业用户提质增效、降本节能。

责任编辑:程玥
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