【MES的新思路】应用解决方案

　　开门见山

　　名词解释：

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

　　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和免维护计算机概念，是国内领先的一家加固工业计算机生产商，也是国内第一家工业电脑上市企业，设备银行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，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。

　　EBOX、ECS手机APP界面

　　背景

　　随着人类文明的进步，人们对衣、食、住、行的需求量越来越大。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，但原材料、人工成本的上升，企业的利润越来越少。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的要求也越来越高。

　　在工业4.0和智能制造2025的推动下，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，真正地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。

　　工业4.0行业现状

　　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?

　　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，但怎么生产、什么时候生产、生产成什么样等却成了问题，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。

　　MES与工业4.0关系图

　　对MES的真实需求

　　MES的价值决定着市场的需求，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。

　　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。

　　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。

　　信息维度

　　在前面的软文中，我们已谈了很多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，它的目的不是直接节省生产过程的人工，而是让管理者有一个全新的视角---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。

　　设备银行：手机APP

　　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，如图所示。

　　所以，在MES实施现场，通常会面临这些困难：

　　1)高温高湿;

　　2)粉尘、水滴、污染物;

　　3)设备运行的振动、冲击;

　　4)电压的不稳定与干扰;

　　5)各种设备通信电磁波;

　　6)安装繁琐不专业;

　　7)布线难度大;

　　8)与已有的设备无法通讯;

　　9)无法实现过程控制。

　　设备连接

　　综上描述，大家会发现过往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。在过往的系统中，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。

　　设备银行：手机APP

　　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。

　　我们使用单芯片超低功耗的工业平板电脑作为MES的交互、采集终端，而在基于业务流层面，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，与产品高度集成在一起。如图所示。

　　工业级交互平板

　　Pseries-E5是针对工业4.0的超薄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：

　　Ø DC9~28V宽压抗干扰电源输入，符合工业现场复杂电源环境

　　Ø 第四代凌动Baytrail低功耗无风扇设计

　　Ø 板载内存与灵活的存储方式，抗振动冲击

　　Ø 全模具压铸铝成型，坚固美观，经久耐用

　　Ø 超轻越薄的紧凑型设计，安装便利

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

　　Ø 高温五线电阻式和多点电容触摸屏，适合多种应用环境

　　Ø 可集成RFID读写，便利的人工考勤管理

　　Ø 选高清摄像头，实现影像监控管理

　　Ø 支持双扬声器，实现本位预警

　　Ø 嵌入式操作系统、稳定永久使用

　　Ø -20℃~70℃宽温长寿命工作

　　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。

　　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。

　　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。

　　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：

　　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)

　　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。

　　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更灵活。其特点如下：

　　æ J1900低功耗多核处理器

　　æ 高强度铝合金机身，抗震防摔，IP65

　　æ 10寸高清宽屏电容屏

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

　　æ 标准USB/COM/LAN/CAN工业级接口

　　æ 可配置DDR3L内存和mSATA硬盘

　　æ 支持Windows/Linux操作系统

　　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(如图所示)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。

　　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)

　　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。

　　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。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。

　　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。

　　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。