在離散混合製造環境中應用製造運營模型
介紹
本文所描述的所有製造過程、場景、操作模式和技術應用目前都在一個成熟的離散和離散/批量混合製造企業中使用，該企業生產和維修複雜的機器。該企業生產的產品範圍從從棒材加工的簡單零件到複雜的機械裝配；最終產品包括許多內部和第三方提供的子裝配。偶爾，優化的操作定義會因已定性和未定性的異常操作模式或情況而不同。優化的和非正常的操作模式使用MES/MOM的概念進行建模，正如ISA-95第3部分，製造操作管理的活動模型（MOM）所規定的。
本文解釋了一種使用ISA-95第3部分建模技術的需求定義方法，以描述作為MOM一部分的製造執行系統（MES）與企業製造架構的整合。根據定義，MES功能是MOM系統架構的一部分，它通過為生產和支援操作提供基本資訊來補充企業資源規劃（ERP）和供應鏈管理（SCM）系統。這是公司運營轉型的基礎性用戶需求，以減少對手工數據輸入的依賴，並提高從製造現場進入擴展企業的數據完整性。
MES/MOM的實施為基於紙張的車間環境和文化引入了可操作的實時資訊，為向無紙化車間的轉型奠定了基礎。這使得關鍵資訊能夠在整個組織內流動，包括有時被忽視的生產車間。來自和流向車間的數據收集必須與其他企業系統進行實時交易，以取代多餘的、容易出錯的手工數據輸入方法。為了優化操作，事件發生時的資訊使生產控制部門和生產線/單元主管能夠快速識別瓶頸和異常事件的前兆，然後調度必要的資源和工作流程以防止更大的問題。
- MES/MOM整合了部署在製造業內的零散的車間應用，以統一這些遺留系統的功能。
- MES/MOM通過電子方式將數據內容映射到MES上，整合併利用當前車間系統的知識產權，從而避免並消除了孤立的知識庫。這創造了一個明確的製造智慧形式。
- MES/MOM通過與其他企業系統的功能整合來完成其企業使命，提供製造主數據和工作流程的雙向同步，以及操作數據的實時交換。
在將MES/MOM整合到其他企業和設備應用中時，MES與MOM的凝聚力戰略，利用製造系統和整合標準，可降低運營和系統生命周期成本。企業系統的MES整合應利用目前的XML、網路服務技術、製造服務匯流排（MSB）和企業服務匯流排（ESB）等的當前最佳實踐。這些最佳實踐已被證明可以將整合成本降低到目前典型的點對點成本的一半以下，同時在很少的時間內提供解決方案。
最終，企業的 MES/MOM 實施有助於保持運營的可見性，以確保生產和發貨按計划進行且運營成本可預測。
這篇文章有兩個部分：
第一部分是背景資訊，描述了（1）離散混合製造運營領域，以及支援大多數公司運營的三種主要運營應用及其接觸點，以及（2）使用基於ANSI/ISA-95系列標準的模型驅動方法，實現MES/MOM所需的系統設計和執行。
第二部分是關於將運營模式方法應用於製造運營的優勢的討論。該部分描述了使用綜合電子記錄系統而不是基於紙張的系統運行的優勢。這些優勢通過一個 “原樣 “環境的例子來進一步證明，該環境是由作為孤島運行的系統組成的，並通過基於紙張的記錄進行資訊交流。然後，一個 “待定 “的例子展示了如何將系統的數量減少到具有協調的電子介面的三類操作軟體。最後，本文總結了使用基於標準的模型來設計這些系統之間的資訊交換的重要性。
製造業運營領域
終端用戶、供應商和標準組織20年來一直在努力使商業企業和製造系統達到一種開箱即用的形式，允許根據標準化的工作流程進行應用配置。截至2012年，工業軟體市場已經推出了基於國際MOM標準的工具，以最大限度地消除遺留的、訂製的和孤立的系統，與三到五年前相比，成本大大降低。
這個MOM架構的框架將上層業務流程、工廠級運營流程標準化作為目標，以及不斷改進和精簡這些流程的相互溝通。與企業的業務流程相比，運營流程並不都被要求以相同的方式運作；事實上，製造運營、產品、設備、勞動力和地方法規的多樣性使得標準化只發生在具有類似類型或形式的製造流程的部門和工廠之間。終端用戶組織必須認識到這些不同的製造類型或形式的需求，同時學習成熟的流程和政策。在第一次嘗試MES/MOM項目時，許多公司沒有認識到通過在多個工廠實施簡化的操作流程來實現製造形式層面的標準化的要求。這種瑣碎的方法通常會導致項目的失敗和大量的產能和能力損失。
在整個企業中，應用標準化的業務和運營（按生產形式）流程可在以下方面建立一致性：
- 在企業系統和各個製造現場之間傳輸的數據類型。
- 一套簡明的小方法，用於跨製造業務的數據通訊。
- 無論生產或維修產品的工廠如何，都要進行品質數據分析。
離散和離散混合批量製造過程
離散和離散/批量混合製造業務通常包括生產、品質、庫存、維護以及大修和修理等方面的操作活動，這就使得製造業務和流程的範圍非常多樣化，需要進行協調和管理。
離散和離散/批量製造業務的一個例子是零件製造廠，它們通過一系列的製造步驟將原材料轉化為半成品和最終產品。在企業內部，零件工廠為生產最終裝配和主要部件的原始設備製造商（OEM）工廠提供原料。零件製造廠從原材料開始，進行鑄造、電鍍、鍛造等批量操作，並進行離散的精密加工、焊接、精加工、塗裝、包裝等。
製造企業還包括維護、修理和大修（MRO）業務和活動，這些業務和活動發生在各工業基地，以前製造的已投入使用的物品被完全拆卸、翻新，並用原始、翻新和新部件的組合重新組裝。
MRO業務回收（大修和返回服務）許多部件和備件作為翻新的備件，以原始的品質規格進入庫存，以便將來為客戶維修。許多公司可以回收難以找到的零件，以完成首次生產這些零件的維修和保養。MRO業務可能相當於一個商業規模的機械車間。
確訂製造過程的特徵
工作過程的執行是指優質商品的實際生產或設備的維修和保養。物理活動發生在車間，製造技術人員在那裡接收和消耗材料以生產最終物品。這些活動的性質非常複雜，而且多種多樣。
圖3-1中描述的製造工作過程消耗原材料，這些原材料與子組件和零件相結合，生產出新的最終產品。這種製程在生產過程中使用材料清單（BOM）。在這些工廠進行的製程包括按訂單生產（MTO）和按工程師訂單生產（ETO）。
圖 3-1：製作工作流程
如圖3-2所示，企業內部的維護、修理和大修過程通常更為複雜。最終項目既是生產或工作訂單的對象，也是材料清單上的一個材料組件。這個過程需要序列化的跟蹤，其中的子部件經常會返回到原來的組件中。
圖 3-2：維修保養工作流程
企業領域（架構）
為了實現其目標，製造企業依賴於各種內部組織，其任務意義深遠。如圖3-3所示，這些組織包括工程、計劃和調度以及製造操作。它們雙向地提供資訊，以創造、維護或修理整個工業基地的產品。每個人都有特定的角色，負責功能、任務和數據交換，但如果沒有其他組織的及時數據，這些組織都不能有效地工作。在小公司中，工程/計劃和調度/製造通常在同一建築物內，或至少在同一地點，使他們之間的溝通易於促進；然而，隨著企業規模的擴大，（也許）在多個時區的多個地點，需要管理的關鍵時間資訊的數量增加，有效分發和維護資訊的能力變得越來越困難。
圖 3-3：組織活動
為了控制製造業的資訊流，工程/計劃與調度/操作小組與各種供應商和服務提供商合作，為他們在企業內的特定角色（功能、任務和定時交流）部署專門的應用程式。這些應用中的大多數最初是為了幫助在一個特定的小組或組織內實現數據和通訊方法的標準化而開發的。隨著這些應用程式的發展，標準化的通訊協議和方法被採用，以協調不同企業集團之間傳輸數據的時間，從而大大提高了流程的效率。
在眾多的企業級應用中，本文重點討論對車間操作有直接影響的三組功能。以下各節包含了對這些應用類別的一般描述。
企業資源規劃
一個ERP系統整合了企業級的業務資訊，即財務、會計、人力資源、供應鏈管理和客戶資訊。ERP軟體的目標是反映企業的業務流程，幫助在企業層面上管理業務的關鍵部分。這包括Gartner集團定義為ERP II的供應鏈活動和流程。
車間活動由 ERP 系統支援，通常包括：
- 訂單跟蹤
- 維護庫存
- 產品策劃
- 供應商互動
- 零件採購
- 客戶關係
產品生命周期管理 (PLM)
MOM領域第3層內的資源規劃、供應鏈和製造運營活動都依賴於工程中心所維護的當前產品配置資訊，在大型企業中，許多組織主要將PLM作為管理整個產品生命周期的應用。
PLM數據的內容包括工程材料清單（eBOM）和技術數據，以及總裝OEM工廠的高級操作工作流程模型。從車間的角度來看，PLM是一個維護OEM數據、圖紙、模型、技術數據等的工程系統。PLM系統還提供了許多其他功能，但就本文而言，它們管理工程數據的能力才是我們感興趣的。
MES是生產操作的車間執行系統，在實時工作流程MOM架構中用於同步生產，支援維護、品質和庫存操作的MOM活動。MOM層的MES功能指導操作人員在生產或維修產品的工作流程執行路線中進行互動。MES/MOM功能，正如ISA-95標準第一部分 MOM領域模型的第三層所解釋的那樣，其執行情況如下：
- 執行路徑中的工作流程
- 工單路線中每個步驟的具體工作說明
- 收集的數據點
- 品質檢驗
- 簽核以驗證路線內的工作步驟和操作完成情況。
MES/MOM提供了工作流程、事件和訂單的可視性以及事件通知，以確保製造資訊滿足企業的需求。同時，MES對工作流程的驗證減少了非增值活動，提高了數據的準確性，並為ERP系統提供所需的實時數據，以最大限度地提高企業處理、計劃和調度的有效性。
MES應用作為車間、企業工程（PLM）和企業計劃員及調度員（ERP）之間的信使、中介和協調者。當操作員從ERP或PLM發起數據請求時，MES應用會連接到相應的系統，並在用戶定義的介面中檢索和顯示每個生產訂單、操作和操作步驟的特定資訊，以執行、驗證和協調事件驅動的工作流程。在理想的世界裡，至少有三個不同的企業級系統並存的事實對車間人員是透明的。MES的功能、任務和交換直接支援和執行實時工作流程，以完成生產訂單。
集成企業系統
有了對圖3-4中描述的製造企業和製造運營系統的這一基本了解，下一步就是要確定與每個系統所需的整合水平。來簡單回顧一下：
- ERP計劃、安排和發布工作到車間。
- PLM提供產品標準和工程數據，用於制定操作工作流程。
- MES/MOM定義了執行和驗證工作所需的車間實時工作流程。
圖 3-4：製造系統
每個企業都使用這三個系統的某種形式，根據產品系列、訂單組合、製造類型/形式和產品標準化程度（從標準化的 “製造-庫存”（MTS）到訂製的 “工程師-訂單 “產品），有不同的功能重點。每個企業的目標是確定其優化的運營工作流程，正確的運營模式，以及支援這些優化工作流程所需的製造系統。
現在市場上有一些ERP軟體套件可以執行有限的PLM和MES/MOM功能，用於生產到庫存、低SKU和低複雜度的製造工作流程。PLM軟體也可用於有限的ERP和MES/MOM功能，而MES/MOM軟體可用於執行有限的ERP和PLM功能。然而，目前還沒有開發出一個單一的軟體包，可以成功地執行所有離散混合製造形式和供應鏈情景下的所有三個功能集的任務。對於規劃、設計、產品支援和實時工作流程的執行，其功能和IT架構要求明顯不同。為了避免高額的訂製和生命周期成本，一個擁有不同產品和製造類型的企業必須利用三個獨立系統的各自優勢，而不是試圖讓一個或兩個系統覆蓋第三個系統的功能。
