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流程制造需要MES嗎?


流程制造,或稱流程工業(Process industry),是指化工、石化 、制藥、食品、飲料、金屬冶煉、紙漿、煙草等制造業,其生產過程為連續進行,或者發生于同一批次無差別物料,是一個物理變化和化學變化相結合的過程。

    原料和產品多為均一相(固、液或氣體)的物料,而非由零部件組裝成物品或純物理性質變化的制造,后者一般稱為“離散制造”(Discrete manufacturing)。

    流程制造具有如下一些顯著特征,從企業信息化角度,對IT架構提出了相應的要求:

    ●制造過程連續、穩定進行

    ●各工序間銜接緊湊、嚴密,工業自動化程度高,生產線設備集中化、集成化、整體化程度高

    ●原料及成品的質量特性豐富,包括純度以及各種物理、化學性質,通常按照批次(batch)進行管理

    ●生產過程(工藝)設計決定設備(生產裝置)配置;一套裝置,在一個時間周期內只能生產固定的一種產品

    ●設備運行情況決定過程控制,過程控制水平決定產出效率和質量水平,因而強調設備的“安穩長滿優”運行

    ●除了原料投入外,產品成本主要決定因素是:設備穩定運行周期、產能充分利用以及能源消耗;因而需要將生產過程的控制參數盡量維持在最優工況狀態,有利于降低能耗、提高產出、減少污染

    ●強調安全和環保,相應地對生產環境和設備維護有一系列要求

    注:本文文字可能有些繞,英文單詞Process的中文翻譯可能是“流程”、“過程”、“工藝”等不同的詞,其實意思接近,在本文中可能常有互換使用。

    需要指出,有些制造企業需要對流程制造的產出物,進一步開展具有離散制造特性的加工,這樣的企業是“流程制造+離散制造”的前后段組合。例如:食品企業,其內容物的生產是流程制造,而后段的產品包裝則是離散制造;造紙企業,前段紙漿制造是流程制造,后段紙品生產是離散制造;類似的,鋼鐵企業,“鐵前”是流程制造:

鋼鐵企業“鐵前”是流程制造鋼鐵企業“鐵前”是流程制造

 

鋼鐵企業“鐵前”是流程制造

    而“鋼后”則是離散制造:

鋼鐵企業“鋼后”是離散制造鋼鐵企業“鋼后”是離散制造

 

鋼鐵企業“鋼后”是離散制造

    ISA95標準指出制造業IT應用系統架構由五級構成。最近幾年,隨著“智能制造”等概念的普及,制造業數字化重點也從過去的管理層系統ERP,向制造執行層、控制層進發,越來越多的企業著手于實施MES、APS系統。

    然而,在流程制造領域內,我觀察到有不少企業或解決方案提供商,照搬離散制造企業的信息系統架構,在兩個核心系統——ERP、MES——的功能定義、應用邊界劃分上概念不清,用離散制造的方案來做流程制造,造成不少麻煩和困惑。

    我自己在2005年前后參與多個鋼鐵企業的信息化系統規劃和實施時,曾經面臨過同樣困惑:

鋼鐵企業信息化架構設計鋼鐵企業信息化架構設計

 

來源:2005年,鋼鐵企業信息化架構設計

    在上圖這個總體架構框架下,我和同事們曾經重點研究過兩個問題:

    ①ERP的生產部分,是不是一定要用ERP套件的“流程制造”模塊?

    ②大量工業實時數據,包括設備運行數據、工藝控制數據、質量數據、產出數據等歸集和管理,屬不屬于MES的范疇?

    首先,制造業存在兩種不同類型的ERP系統,離散制造ERP和流程制造ERP;兩類制造ERP系統在供應鏈計劃層面的流程和邏輯是完全相同的,但是到制造執行(Production execution)層面,圍繞生產指令的數據規格和流向,則有一些區別。

    離散制造的“制造訂單”會被投到工藝路線的生產地點上,而對每個生產地點的詳細控制,包括生產任務分發、作業指導、物料流轉等,則相應在MES系統里處理。

    而以SAP ERP的流程制造模塊PP-PI為例,流程制造的制造訂單被稱為“流程訂單(Process Order)”,本身包含了過程控制信息,系統建議的架構是投到自動化過程控制系統(Process Control System,簡稱PCS)或者手工記錄流程訂單的過程實績(這個手工錄入的程序稱為PI sheet)。

SAP PP-PI數據流SAP PP-PI數據流

 

來源:SAP PP-PI數據流,1999年

    按照上面這個圖的邏輯,問題就來了:

    ●流程制造的PCS究竟是不是等于離散制造的MES?

    ●如果按照ISA95標準的“制造業五級系統”劃分,PCS(SCADA)屬于二級系統,ERP直接連到PCS,是不是就可以直接跳過MES了?

制造業五級系統制造業五級系統

 

制造業五級系統

    前面說到鋼鐵行業屬于典型的“一半流程制造,一半制造業”。在ERP選型上,流程制造ERP和離散制造ERP各有優劣,問題難點還變成了三級系統MES和二級系統PCS的功能劃分。最后,我們確定了一些選型原則:

    ●ERP是否用流程制造版,并不是必須的,取決于ERP和MES之間的功能分擔

    ●如果MES內承擔較多的過程控制規范,則流程制造ERP并非必選項,可以通過MES建設,去上接ERP,下接PCS

    ●我們還將鋼廠MES分成了兩種類型,所謂“數據型MES”和“作業型MES”,前者主要解決制造數據整合的問題,支持制造數據分析,側重于支持流程制造段業務(煉鐵、煉鋼),后者主要解決排產優化、物料配送、工序控制,側重于支持離散制造段業務(軋制、深加工)。

    后來在幾個化工廠的IT規劃中,我也遇到過類似問題:ERP上來后,究竟需不需要上MES系統?

    這個困惑直到2010年前后,從ERP往制造業底層進發的SAP公司,先后收購了兩個制造執行層的軟件,新推出的制造業架構圖,讓人看后豁然開朗:

制造業架構圖制造業架構圖

 

制造業架構圖

    SAP先是在2005年收購了一家名為Lighthammer的軟件公司,支持ERP直接連接制造現場和設備的數據,并進行分析,SAP將軟件命名為Mii,意思就是制造數據集成和分析。2008年,SAP又收購了一家名為Visiprise,專做離散制造業的MES軟件公司。上面這張圖表達的意思簡單明了:離散制造用ME,流程制造用MII。

    這樣來看,SAP ME就略等于我們在2005年時說的“作業型MES”,SAP Mii就是“數據型MES”。如果按照這樣的架構,那流程制造確實可能不一定需要MES這層,或者至少和離散制造的MES含義不同。遵循ISA 95架構框架原則下,系統架構設計上盡量不要疊床架屋,又搞MES,又搞PCS了。

    工廠級的制造數據整合在SAP方案架構中屬于SAP Mii,MES對制造數據整合來說,是一個既非充分、也非必要的可選條件。

SAP方案架構SAP方案架構

 

SAP方案架構

    當然,這個結論的前提是企業具有較為完善的ERP。亦即,如果流程制造企業的ERP和PCS(SCADA)都足夠完善,產線自帶DCS滿足業務需求,就沒必要單獨搞MES,或者MES搞得很薄。

    對于相對簡單的流程制造企業來說,例如食品、飲料、醫藥制造企業,制造執行管理主要是解決五個問題:

    1、無紙化生產運營:將生產指令直接傳到設備操作界面上,所有的生產任務分派、流轉交接、情況報告等都在車間設備屏幕上的人機交互界面進行:

    2、優化排產:根據制造需求,尤其是小批量、多品種的產品切換生產,優化設備、人員以及其他制造資源的安排,協調成品和中間品的生產,也就是車間的高級排產。

iLog在酸奶生產企業排產中的應用iLog在酸奶生產企業排產中的應用

 

來源:iLog在酸奶生產企業排產中的應用

    3、實時監控制造的流轉、產出和質量的實績,以及設備運行狀態:從設備、傳感器以及手工數據源整合各種制造KPI數據,例如產出、物料循環、返工、制造周期、停機原因、設備綜合效率(OEE)、物料水平和消耗水平、操作工效率、能源消耗等等;

實時監控實時監控

 

實時監控

    在提升設備運行水平,提高產出效率方面,Gartner將其命名為一個新的軟件品類,叫設備績效管理(Asset Performance Management,簡稱APM),這也是流程制造企業提升制造能力的重要IT領域:

設備績效管理設備績效管理

 

設備績效管理

    4、用電子化方式記錄原料及產成品的物料批次信息,便于品質檢查以及未來追溯。

    5、積累工業大數據,支持對產品制造的工藝分析和優化,提升創新能力。

    總之,智能制造的應用系統架構中,對MES的定位——MES做厚、做薄還是甚至就不做——一定要從企業業務實際出發,結合企業現有IT架構,看MES究竟要解決什么業務問題,切不可生搬硬套框架。



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