定義制造業操作（定義 MES/MOM 系統）

制造業操作包含眾多工廠級活動，涉及設備（定義、使用、時間表和維護）、材料（識別、屬性、位置和狀態）、人員（資格、可用性和時間表），以及這些資源與包含其信息碎片的眾多系統之間的互動關系。為了界定MES/MOM系統的邊界以及與用戶和其他系統的互動，并協調這種功能組合，最大限度地利用商業MES/MOM軟件產品，需要一個制造業參考框架。MOM制造業操作標準促進了MES/MOM的設計理念。

制造業操作標準 — ANSI/ISA-95

有許多數據模型可用于指導開發制造和供應管理系統。其中一個用于制造系統的流行參考模型是國際自動化協會（ISA）的五部分標準，名為ANSI/ISA-95企業-控制系統集成。本文使用該標準中的模型和術語來定義制造執行系統解決方案的用戶和功能要求。ISA-95標準定義了一個分層的系統模型，包含了企業內用于支持和執行制造運營管理的領域層級。第4層功能（任務和交流）包含了商業計劃和物流層面，并支持普渡企業模型中更高的領域層次（第5層及以上）的供應鏈管理。第3層功能將制造運營管理定義為商業MES工具的領域。

按照目前的結構，ANSI/ISA-95由以下部分組成，總標題為企業-控制系統集成。

• ANSI/ISA-95.00.01-2010 — 第 1 部分：模型和術語
• ANSI/ISA-95.00.02-2010 — 第 2 部分：對象模型屬性
• ANSI/ISA-95.00.03-2012 — 第 3 部分：制造運營管理 (MOM) 的活動模型
• ISA-95.00.04 草案——第 4 部分：MOM集成的對象模型屬性
• ANSI/ISA-95.00.05.-2012 — 第 5 部分：企業與制造間事務

定義的MES/MOM領域僅包括生產、質量、維護和庫存操作管理功能、功能內的任務以及操作中的任務和操作順序之間的交流。以下是識別 ISA-95 模型第 3 部分的MES/MOM 活動的組成部分：

• 生產運營管理：制造工廠第3層的管理活動，協調、指導、管理和跟蹤每一個消耗原材料、能源、設備、人員和信息的操作，以生產符合成本、質量、數量、安全和及時性要求的產品。MES的功能主要來自于這個活動模型，其次是來自于下面的輔助活動模型。
• 維護運營管理：管理活動協調、指導和跟蹤維護設備、工具和相關資產的功能，以確保其可用于生產運營。這包括轉換、設置和原地清潔的活動和操作。
• 質量運營管理：管理活動協調、指導和跟蹤測量和報告質量測試活動的職能，以支持生產運營。質量操作管理的廣泛范圍包括質量操作和對這些操作的管理，以確保中間和最終產品的質量。
• 庫存運營管理：這些活動協調、指導和跟蹤在工作中心之間和內部轉移物料的功能，并管理有關物料位置和狀態的信息，以支持生產運營。

關于上述模型或ISA-95標準的更詳細解釋，請參考ANSI/ISA-95.00.03-2011 - 企業控制系統集成第3部分：制造運營管理 (MOM) 的活動模型。

MES/MOM 用戶和功能需求模型

使用標準驅動的制造信息模型，可以實現為車間內特定的實時工作過程指定所需的制造執行系統解決方案的形式。該信息模型提供了一個框架，可與用戶需求規范（URS）和高級功能需求規范（FRS）一起使用。這些指南可以幫助企業選擇一個現成的商用現成（COTS）MES產品，提供最高級別的可配置性以滿足制造領域的特定需求。這種設計方法可確保MES項目為車間管理層提供當前和準確的MOM可視性，以允許執行實時工作流程，不會因非增值數據交換或執行任務而造成損失。

圖 3-5：ISA-95制造運營管理模型

在制造領域，許多自動化信息系統被應用于企業和現場安裝層面，為調度/計劃、執行、管理和分析提供應用，以支持運營工作流程。這些應用程序維護著與生產有關的財務和資產管理以及監管數據要求。ISA-95第1部分和第2部分中模型的最初使用定義了第3部分中每個制造操作活動和功能的當前執行情況；圖3-5被用作ISA-95的基礎，以定義定義、執行和支持車間的實時工作流程所需的功能和交換的邏輯位置，以完成生產訂單并管理企業的資源。

MOM活動確定了功能、任務和數據交換，這些活動完全是第4層或第3層的實施。根據制造環境的形式，這些任務通常被分配給第4層的系統或第3層的系統。特定工廠的用戶和功能要求確定了哪種系統和架構可以支持交易率、參數化數據加載、交換時間和持續改進的變化管理程度的實時工作流程要求。

在商定了既定的邊界要求后，下一步是在整個制造領域進行詳細的車間功能需求收集會議，以建立一個基準的MES功能需求矩陣。這些邏輯分組需求的結構和組織的主要來源是遵循既定的指導方針，如ANSI/ISA-95.00.03-2012 - 企業控制系統集成第3部分：MOM的活動模型來定義功能邊界。在每個工廠區域、生產線和操作中，出現了關于當前條件和期望操作條件的具體細節。

每個活動模型的第3部分任務清單是任何給定制造情況下用戶系統需求的60%。第3部分的定義為發現其他40%的用戶系統需求提供了一個良好的框架。如圖3-6所示，根據第三部分的標準生產操作活動模型和準則（圖3-6，虛線 "A"），為特定的操作或生產線繪制了一張整體圖，確定了每個MES/MOM系統的邊界（虛線 "B"）。這個例子強調了與第3部分標準中的規范化功能邊界的偏差。這個模型提供了：

1. 建立URS項目邊界的框架。
2. 系統的FRS的數據庫類結構和操作類型框架。
3. MES系統的實施和接口邊界。
4. 評估每個MES/MOM系統的商業軟件供應商產品的基準。

圖 3-6：ISA-95 第 3 部分生產運營管理活動模型示例

其結果是一個用戶驅動的URS和一個符合具體、明確的行業準則的高級FRS。這種方法為與外部供應商和系統集成商以及內部部門（制造、工程、IT、財務）的清晰溝通建立了一種共同語言。

確定總體 URS 和高級功能需求后，項目將按以下步驟進行：

• 完成一個商業案例分析
• 準備MES/MOM產品要求
• 完成市場調查，以確定合適的MES產品的可用性
• 制定采購策略
• 制定詳細的功能要求規范（數據庫結構、交易、生產規則、序列/工作流程邏輯、操作模式之間的轉換以及用戶界面要求）。

車間操作視圖

在整個生產運營領域，（ISA-95功能模型中的第3層）都希望有一個企業軟件解決方案來取代主流的基于紙張的流程和不同的應用程序。運營管理部門知道，這樣的解決方案將通過工作流程控制和工程、管理和車間的整合來提高生產力。

圖3-7顯示了產品生命周期管理系統的工程功能、企業資源規劃系統的企業管理功能和MES/MOM系統的車間操作管理功能之間的交互。

圖 3-7：高級制造運營系統概念

如圖 3-7 所示，每個企業系統都維護著一個包含特定角色數據、工作流程和步驟工作指令的重要數據庫，一個系統與其他系統中的數據存在重疊和交叉。

制造運營主數據管理（mMDM）提供了協調、共享和同步這些數據的重疊，并保留/執行主數據的所有權。mMDM是整合這些系統的關鍵組成部分。

通過在傳統的基于紙張的車間環境中引入可操作的實時信息，MES/MOM系統創造了無紙化車間。無紙化車間使關鍵信息在整個組織內流動，支持時間敏感的工作流程的調整，包括被遺忘的制造領域的關鍵工作流程。

擁有關于事件和任務的統一的、具有時間敏感性的信息，使計劃人員/生產控制人員能夠識別并防止潛在的問題或瓶頸。事件管理提供實時通知，通常在事件和異常情況發生之前。這種通知會觸發積極的工作流程和步驟，以管理這些事件并減少其負面影響和成本。最終，MES/MOM 有助于企業控制成本并按計劃進行生產和發貨。

有了MES/MOM系統，就有能力根據工單捕獲和報告勞動力，精確到分鐘和任務，跟蹤每個員工的證書和技能組合，申請材料，管理工單，并創建非程序性工作。在許多工作流程中，MES節省了傳統上與核實工作、非增值的紙張處理和返工有關的重要步驟。MES/MOM為制造過程中的中斷提供了主動的可視性，并通過各種技術包括無線和觸摸屏設備實時傳達工作指令。這種方法用一個簡化的、無紙化的車間環境取代了容易出錯的、基于紙張的溝通。這種實時控制使車間操作能夠簡化生產，確保生產滿足嚴格的客戶需求。MES/MOM的電子工作指示（EWI）為實時數據收集提供了背景，并嵌入了數據收集點，以驗證所有工作步驟的完成，包括質量檢驗。

MES確保技術人員和機械師始終擁有制造產品和檢修設備所需的指示，并確保采集正確的數據以滿足企業數據要求。通過簡化車間技術人員和機械師的數據采集和執行，MES也創造了只由增值活動組成的高效流程。其結果是一個更精簡的工作環境。從物料搬運工的移動數據終端到車間內戰略性放置的操作臺，MES可以指導知識型員工執行任務，并通過直觀的圖形化用戶界面立即收集信息。此外，腳本化的工作指令和參考數據的展示大大減少了新員工的培訓時間，而事件驅動的通知和工作流程使用電子通信來加速現有勞動力的交叉培訓。

來自車間活動的數據的無縫收集被存儲在協調的關系型數據庫中，以編制產品譜系和產生終端項目數據報告。捕獲的譜系和分析數據允許進行歷史查詢、近乎實時的根本原因分析和工作單之間的比較，這對與質量有關的調查和流程改進措施是非常寶貴的。

在面向服務的架構 (SOA) 中利用同一的交互數據格式和行業標準，例如 OAGIS（開放應用程序組集成規范）或 ISA-95，進一步降低了將 MES/MOM 與其他應用程序集成的成本。SOA的應用集成方法將成本降低到目前典型的點對點集成做法的一半以下，同時在很少的時間內交付項目。

車間“現狀”作業活動模型

MES/MOM的實施基線始于對制造領域內現有流程的徹底分析。商業和自制的MES應用首先應用于部門或生產線層面，以滿足特定車間的需求，通過更好地利用本地信息來提高生產力。然而，這些第一代應用是為主要的 "按庫存生產"、"低SKU數量 "的制造業而設計的，這些制造業在過去的100年里支持了生活水平的提高。這些制造商中的許多人完全依賴紙張流程和一些獨立的本地系統來控制車間工作流程；今天使用的大多數系統都是獨特的裝置。然而，隨著全球制造業的發展和供應鏈的延伸，21世紀的制造工廠現在擁有更大的按訂單生產和按訂單配置（CTO）的產品組合和更大的SKU數量。最值得注意的是，包裝線的配置已經擴大，以滿足語言和文化相關的客戶要求。圖3-8代表了部署在一個典型的現代工廠的MOM系統，它具有跨區域、跨生產線和跨操作的共同工作流程。

在部署先進的MES之前，工廠自動化信息系統（AIS）的原始部署中，每個系統都滿足了制造領域中對當前產能和訂單組合的直接制造需求，具有單一功能的應用。圖3-11通過灰度編碼確定了各種應用以及與ISA-95第3部分活動模型的關系；在這種情況下，有八個不同的應用參與了訂單執行。這些基于部門的應用有許多重疊的數據存儲和手工紙質流程，用于支持工作流程所需的事務性交換和數據共享的差距。此外，新的流程技術和持續改進項目的復雜性使本地的MOM解決方案激增，其不同的數據存儲不在IT部門的關注范圍內。試圖解決數據共享的缺陷導致了點對點的數據連接。事實證明，點對點的連接（雖然提供了一些緩解）實施起來非常昂貴，而且隨著連接數量的增加和老化系統的更換，維護起來也非常困難和昂貴。

圖 3-8：ISA-95 第 3 部分“現狀”對訂單執行車間系統的功能評估

"現狀 "模型（圖3-8）顯示了生產的工作過程對紙張的依賴，以填補車間的信息空白。在 "制造 "第2層（過程控制）和第3層（MOM）活動中，信息交流脫節的問題尤其嚴重。實時的第2層和第3層的信息對于在制品、例外情況和非程序性（備用路線和返工）工作的狀態至關重要，因為這些工作是在危機已經擴大后由計劃和調度組通過手工交易收到的。生產記錄變成了許多來自不同來源的掃描件，具有不同的生產定義和不同的數據完整性。圖3-9為客戶提供了一個針對當前車間情況的具體工作流程的圖示；這種類型的圖示是MES項目實施后獲得的好處的教學工具。

基于紙張的工作流程易于實施，易于使用，并且幾乎不需要培訓。然而，紙張是生產運營管理中效率的巨大抑制因素。紙質文件在生產過程中穿梭，然后被歸入檔案柜。企業失去了對車間活動的寶貴可見性。紙張還用不同的工作語言定義了職能部門的投入和產出，為團隊合作和持續改進制造了障礙。

圖 3-9：生產運營執行職能的“現狀”評估

車間“未來”運營活動模型

在開始設計MES/MOM系統架構之前，MES/MOM URS對短期和長期業務目標和運營工作流程進行了詳細規劃，確定了所需的未來狀態模型。一個好的MES/MOM URS提供了一個模塊化的解決方案，旨在執行、收集數據，并為車間活動提供對時間敏感的工作流程的可視性。最終的系統必須為車間主管、工廠經理和高層管理人員提供信息，以執行操作指令，衡量實時性能，分析操作，并確定改善的機會。MES/MOM系統架構必須整合零散的車間應用，以統一原有系統的功能，并大大減少跨應用的整合。MES/MOM平臺與企業系統之間的功能整合提供了主數據的雙向同步，并將運營數據實時交換給業務和供應鏈流

在消除了諸如圖3-9所示的互不相干的工作流程后，可以開發一個 "未來 "評估模型（圖3-10），在這個模型中，MOM系統提供了一個統一的車間環境，取代了以前互不相干的車間應用和紙張交易。將來的 "車間系統 "將優化環境，以電子格式顯示所有的數據交換，使第3層MOM系統和第4層企業系統之間的交易很容易實現。圖3-10顯示了MES/MOM部署后與 "原樣 "模式的巨大變化，其中僅有兩個應用程序取代了圖3-8中描述的八個應用程序。質量運營功能是圖3-10中 "未來 "模式的主要變化之一。

圖 3-10：ISA-95 第 3 部分“未來”的車間系統訂單執行功能評估

"未來"模型顯示，在 "制造 "活動中消除了互不相干的數據交換，在這些活動中，實時信息對有序的工作流程至關重要。生產操作的執行是完全電子化的，在制品的狀態、例外情況和非程序性工作的實時車間數據，用于計劃和調度組的調度和重新安排更新。生產記錄包現在是電子化的，用于根本原因分析、可操作的指標和警報，以及準確的報告。

MES/MOM系統存儲了每個生產訂單（中間產品和成品）和應用資源的所有歷史記錄，包括工作指令版本、關鍵公差數據版本、買斷簽名、差異、返工和操作員認證。完整的產品和操作譜系以相關的電子形式出現，以便在MOM、PLM和ERP系統之間進行互動。在生產和支持操作過程中收集的數據被存儲在一個關系數據庫中，并從中創建了大量的報告和交易，以滿足內部企業以及指定為記錄系統的外部系統的需求。

車間系統

如果不考慮人和他們在從 "現狀 "到 "未來 "的運營范式中的角色變化，任何模型都是不完整的。對運營角色和責任變化的描述表明了部門和系統之間的互動范圍。所有部門現在都在同一個應用程序中完成他們的工作。這給那些通常在傳統系統中執行車間活動（第3層）的員工帶來了文化變革的擔憂。為了成功，變革管理項目必須是每個系統項目的一部分。一個新系統的采用并不是立竿見影的，它通常要在六到十八個月內完成。MOM架構將這些員工現在使用的傳統系統與現在MES/MOM邊界內的生產和支持運營活動進行整合。

管理變更可確保車間員工接受并擁護 MES/MOM 系統的引入和發展所帶來的文化變革。至關重要的是，變革管理過程包括確定勞動力中的自然領導者，并讓他們參與MES / MOM項目的早期階段。進行這種文化協作將MES / MOM定位為增加勞動力的工具，而不是監視勞動力的工具。這種車間設計協作使系統能夠促進跨職能培訓，從而降低企業層面的風險，并為員工創造增長和晉升機會。

車間數據交換

系統之間的數據交換和集成必須直接支持未來狀態下所需的車間業務和運營流程（"待定"模型），并且不得成為技術練習或試點項目。數據的存在不是將其納入界面設計的充分理由;數據交換必須支持流程和業務需求。數據管理實踐必須與數據管理總體規劃保持一致;無論選擇什么名稱，都必須制定和執行全面的數據管理和治理計劃，以使 MOM 系統部署成功。

必須對工廠和企業進行管理，以應對市場和內部持續改進的變化。交換的數據基本上分為兩類：

1. 主數據：相對靜態的數據，用于定義制造操作和過程控制活動中使用的產品屬性和工廠資源。
2. 操作實例數據：在正常工廠活動期間生成的上下文相關動態數據，包括在工作過程中進行的測量和操作。

通過雙向接口，源自任何本地或企業系統的數據通過接口更新其他系統，以支持制造操作域中的業務和/或操作流程。數據源不一定預測記錄系統。記錄系統的選擇必須基于（1）系統直接支持的業務和運營流程，以及（2）流程功能變化的頻率和類型。許多因素會影響實例數據的來源，以便提交給MES / MOM操作員;例如，大修方案要求工程變更單安全，并且無論生產工單如何，都需要在特定的生產路線上實施。

ERP 系統處理作業成本核算、財務、采購、庫存控制、生產計劃和主計劃。MES/MOM系統為工作流程路線中的每個工作中心創建詳細的工作說明，并且可以處理有限的產能詳細調度。兩個系統使用相同的主數據（盡管目的不同），并且必須協調才能有效地執行操作工作流程。

作為記錄系統，PLM 構建了包含制造運營領域知識產權的運營定義。在設計 MOM"未來"模型的過程中，必須通過將其內容映射到 MES/MOM 系統路線圖來利用當前車間系統中的知識產權。PLM 和 MOM 數據必須同步，以便有效、準確地調度和執行生產訂單路線。共享數據的一個示例是工藝路線生產規則，必須使用最新的相應工程變更單 （ECO） 在運營工作流程級別對其進行驗證和優化。

應用程序之間高效、準確的接口的創建依賴于 OAGI、ISA 和 MESA 等組織的公司和國際標準以及工具，以簡化 MES/MOM 和 ERP 之間數據交換的集成工作。

產品數據

圖 3-11：交換的產品主數據

產品定義活動不在MES范圍之內;但是，車間活動、生產規則、生產工藝路線備選方案和生產計劃活動需要訪問主數據，例如工程圖紙、零件清單、材料規格以及制造和大修計劃。如圖 3-11 所示。PLM 系統按照研發和工程中心的指示維護產品數據。這些數據可作為文檔、CAD 圖紙和電子 eBOM 以及 EWI/SOP 提供給制造運營領域。

工廠資源

產品數據只是制造操作域中的制造、設置、維修和維護所需的主數據的一部分。由日常中斷引起的變化需要根據已知的可用資源和流程能力近乎實時地計算進度調整。

典型的離散混合車間由工作中心（WC）組成，其組織結構為給定的成品集提供特定的制造能力。每個工作中心都有完成分配給工作中心的特定任務所需的熟練人員，機械和工具（設備），以進行給定產品的操作。生產操作和支持操作使用工藝路線通過工作中心組織工作流程，在這些工作中心，材料，子組件和零件從一個專用工作中心傳遞到另一個專用工作中心，直到制造或大修過程完成。工作中心和工藝路線概念是按作業、作業訂單調度和工廠的操作工作流程劃分的活動基礎成本核算 （ABC） 的核心。

操作數據交換

生產活動的計劃和調度是ERP系統的功能角色。有效地收集車間信息并傳達該信息是MES作為MOM系統架構的一部分的作用。為了協調復雜的制造活動，需要對來自車間的實時數據進行復雜的協調。

生產及其支持操作由為工作中心設計的可管理的工作部分組成，這些工作部分配備了組織執行特定任務的人員，機器和工具。

ERP系統將工作發布到MES / MOM系統，以通知工作中心工作部分。MES 側重于生產操作工作段，以將工作與包含描述如何執行分配的工作步驟的詳細工作說明的車間訂單相關聯。企業資產管理（EAM），質量管理體系（QMS）和倉庫管理系統（WMS）與MES分別側重于維護，質量和庫存操作的支持操作工作部分或步驟。具有有限容量調度 （FCS） 系統的 MES 將支持操作工作段排序為生產操作工作段。

在MES/MOM系統和ERP之間的信息交易中，對時間敏感的、有順序的一系列實時交流，協調車間活動。ERP層面的調度與車間層面的計劃和基于當前訂單狀態和可用資源的FCS不同。這些區別在本文中沒有涉及。

FCS 將生產和支持操作的工作訂單與已發布的工作進行協調，并將工作訂單的特定資源調度到 MES/MOM 系統以執行。車間人員通過數據終端與MES/ MOM系統進行交互，以訪問工作說明并確認已完成的工作。通過與車間人員的交互，FCS 和 MES/MOM 將交易記錄發送到 ERP，以更新訂單進度、報告工時、報告材料、消耗、報告對生產順序的任何更改以及請求其他材料。

MES/MOM 系統事務是事件驅動的、自動的，對車間人員是透明的。

MOM 系統架構接口模型

MES/MOM應用程序和其他企業應用程序之間的通信是通過制造服務總線（MSB）/企業服務總線（ESB）。MSB/ESB作為系統之間的數據傳輸指揮，將協調好的數據從一個應用傳輸到另一個應用。當數據被放在服務總線上時，MSB/ESB被配置為與其他尋找該數據的應用程序進行協調，然后轉發它。(MSB/ESB技術在本文中沒有討論。）MSB/ESB解決了第2層、第3層和第4層系統之間數據傳輸的 "方式 "問題。需求過程的下一步是確定在每個應用程序之間傳輸的數據，以及這些數據需要的格式是什么。

制造運營集成標準標識所需的數據類型，即材料消耗、材料生產、勞動力和設備使用情況。具體的事務、數據內容以及數據傳輸的數量和頻率是在MES/MOM項目開發過程中確定的。

具體而言，開放式運營和維護（O&M）計劃由以下制造運營集成標準標準組成：

• ISA-95：企業控制集成第3部分：制造運營管理活動
• OAGIS：開放式應用程序組集成標準
• ISA-88：批次處理
• ISA-99：工業系統的網絡安全
• OPC：用于過程控制的 OLE
• MIMOSA：機器信息管理開放系統聯盟
• OMAC：機器自動化和控制組織

這些和其他制造運營標準，定義和構建支持每個運營活動及其數據交換所需的數據。信息類型和頻率是每個工作過程中每個用戶角色及其參數信息（如遵守安全法規和其他強加的策略）所要求的。每個數據交換都支持每個特定功能及其相關任務。數據交換具有頻率、生產規則、工作指令、參數和預期系統響應等形成模式的特征。最好通過使用已發布的數據架構來促進 MOM 數據集成的技術實現。通過ISA-95第3部分MOM活動建模確定的每個數據交換的標準定義和屬性以及所有操作過程的數據交換在：

• ANSI /ISA-95.00.01-2010，企業控制系統集成 — 第 1 部分：模型和術語
• ANSI /ISA-95.00.02-2010，企業控制系統集成 — 第 2 部分：對象模型屬性
• ANSI /ISA-95.00.05.-2012，企業控制系統集成 — 第 5 部分：企業到制造事務

概括

在從零件到原始設備生產以及相關的維修和維護中不可預測的活動等離散混合制造的復雜世界中，行業標準的應用通過協調利益相關者之間的討論來簡化MES / MOM要求和設計工作。從現實世界的情況開始，多年來演變成當前混亂的系統以及正式和非正式程序和實踐的多個設施和操作。

現在能夠構建操作模型來設計新的操作環境。本文重點介紹了"未來"建模的好處，以解釋 ERP 和調度、MSB /ESB 和 MDM 的集成。從制造的角度來看，ROT 的好處，如生產率和吞吐量增益，這里沒有解釋。除了從"未來"MOM 架構和系統轉型項目路線圖中獲得 IT 優勢之外，還需要解決實際的制造業務價值問題。