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制造运行管理(MOM)研究与应用综述

原创 猿小六 2018-02-25 阅读 457 次
摘要:

制造企业信息化过程中对于各类软件系统的标准化、集成化、协同化的要求日益提高,国际标准IEC/ISO62264对学术界和产业界的影响也必然随之深入,该标准所提出的制造运行管理(MOM)体系框架也将逐步确立,成为进一步研究和应用的基础。不难预见,基于MOM体系框架下的模型研究与产品设计势必将成为未来发展的重点,并能够有效地推动我国制造企业信息化建设的水平提升。

本文共8727个字,预计阅读时间22分钟。

作者:最近看西门子的一些资料,发现2016年西门子的发展围绕三个主题:电气化、自动化、数字化。而数字化软件组合包括:PLM软件组合、MES/MOM软件组合、集成自动化软件组合。西门子战略中2015年开始推动MOM

那么什么是MOM呢?

杂志《制造业自动化》2010年第4期上有一篇文章,作者是浙江大学工业控制研究所:苏宏业、肖力墉、苗宇、褚键,这篇文章对MOM有很详细的阐述。

原文摘要:

详细论述了制造运行管理(MOM)的产生及其与制造执行系统(MES)之间的关系,介绍了制造运行管理的概念、范围、整体结构、信息交互及基础信息资源定义,描述了MOM通用活动模型的框架与使用。在此基础上,综述了基于MOM框架的研究与应用现状。最后,探讨了MOM的未来发展趋势和进一步研究方向。

0 引言

传统的制造管理方面的研究始于19世纪后期,由于科学管理(Scientific Management,SM) 首次将数学作为一种管理工具引入其中,注重数量上的精确,使该领域的研究逐渐发展成为现代学科,逐渐建立起包括库存控制、生产调度、能力计划、需求预测、质量控制和设备维护等科学问题。20世纪60年代初,计算机开始用于扶助企业的财务管理,从此传统的人工管理开始逐渐被计算机管理系统所替代。60年代末,传统科学管理方法开始于计算机系统相结合,约瑟芬.奥利基等设计开发了物料需求计划(Material Requirements Planning,MRP),实现了计算机系统在生产制造领域的大规模应用。70年代末,MRP融入了财务系统、需求预测等功能,逐渐发展成为MRPII[许永硕注:编者认为此处有错误],到80年代末又逐渐扩展演变为企业资源计划(EntERPrise Resource Planning, ERP);同时,制造企业车间层所应用的专业化制造管理系统则逐渐演变为制造执行系统(Manufacturing Execution Systems, MES)。1990年美国先进制造研究协会(Advanced Manufacturing Research, AMR)首次提出MES概念和制造业3层体系结构,指出ERP位于企业上层计划层;MES则位于计划层与控制层之间的中间层。制造执行系统国际联合会(Manufacturing Execution System Association International, MESA)于1997年开始陆续发表MES白皮书,给出了MES的描述性定义,并提出了含有11个模块功能的MES功能模型。文献11提出了一种基于分布式的面向对象方法,希望建立MES的系统框架,MES逐渐趋向集成化、平台华的发展方向。文献12-14则结合我国特定行业的实际情况,介绍了MES的发展历程、基本原理、主要功能、以及针对特定行业的关键技术、系统设计、开发与实施等内容,为MES在具体行业的实际应用提供了参照。

但是MES经过近20年的发展与应用也出现了一定的问题。首先由于MES所应用的各行业之间的差异巨大,不同的MES产品的设计理念和发展历程也不同,所以MES和业务系统及控制系统之间的边界往往很难清晰的界定。同时由于MES缺乏一个通用且明确的对象范围,所以它除自身软件产品和软件系统的主体概念外,还包含了其所能解决问题的部分概念和描述,但由于面向特定问题的不同MES产品间有差异性,就造成了MES的概念具有一定的模糊性。另外、MES是以对生产运行的管理为核心、对维护运行、质量运行和库存运行等管理则弱化为功能模块,功能十分有限,并未提高到与生产相类似的复杂程度来描述,难以充分满足现代企业对这几方面的要求,进而直接影响对生产运行的管理。针对这些问题,美国仪器、系统和自动化协会(Instrumentation, System, and Automation Society, ISA)于2000年开始发布ISA-SP95标准,首次确立了制造运行管理(Manufacturing Operations Management, MOM)的概念,从而避免了MES边界的争论,针对更广义的制造运管理划定边界,作为该领域的通用研究对象和内容,并构建通用活动模型应用于生产、维护、质量和库存4类主要运行区域,详细定义了各类运行系统的功能及各功能模块之间的相互关系。该标准于2003年由国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)和国际电工委员会(International Electro technical Commission, IEC)联合采用,正式发布为国际标准《IEC/ISO 62264 企业控制系统集成》。

本文将首先从MOM与MES的关系入手,详细阐明MOM与业界已为人熟知的MES之间的区别与联系。然后依据IEC/ISO 62264标准,具体介绍MOM的概念、范围、整体结构、信息交互与基础信息资源的定义,并描述MOM通用活动模型的框架与使用。在此基础上,总结基于IEC/ISO62264标准MOM框架下的研究与应用现状;并探讨制造运行管理的未来趋势和进一步研究方向。

1 制造运行管理与制造执行系统之间的关系

本节将从以下几方面论述MOM与MES的区别与联系,明确两者在企业制造运行领域的不同作用,为进一步详细介绍MOM的概念与内容奠定基础。

从范围上看,MOM覆盖的范围比MES支撑的范围更广泛、更明确。MOM覆盖的范围是企业制造运行区域(第三层)内的全部活动,是一个抽象化了的,并且相对固定的区域;MES涉及的范围则会因其产品的设计理念、发展历程,以及应用的行业、地域的不同而变化,难以给出一个十分明确的界限。但无论MES的范围如何变化与扩展,都不能超越MOM的界限,即MOM所定义的范围是MES可扩展范围的上限。由于MES的范围会随其产品历程而不断变化,这就使MES和其他管理与控制系统之间的边界往往很难清晰地界定,各个软件产品间、功能模块间常常存在较多的重叠,交互关系也很不清晰,使得不同厂商的MES产品难以有效地实现集成与共享。MOM的提出避免了MES边界的争论,提供了一个更为广义并抽象化了的边界范围和一个更为明确的统一框架。

从本质上看,MOM与MES是从两个不同角度所提出的概念。MOM应该是一个对象范畴的概念。MES则是一个软件产品和软件系统的概念。可以说MOM就是所要研究和解决的问题本身,也可以看作是包括了各种MES类产品所涉及的对象范围经过抽象化了的通用内容的上限;而MES则是为了解决某一类MOM问题而设计开发出来的软件产品。在MOM的概念提出之前,由于该领域缺少对象范畴的明确表述,所以MES除了自身软件产品和软件系统的主体概念之外,还包含了其所能解决问题的部分概念和描述,但是由于MES自身概念的模糊性和边界范围的不确定性,使得该领域通用的研究对象与研究内容并不明确,不利于该领域进一步发展。MOM的提出则可以解决这方面的问题,明确作为该领域的通用研究对象与内容,而MES则回归其软件产品或软件系统的主体概念,从而使得该领域的研究更加清晰化。

从内容上看,MOM与MES的整体结构存在着一定的差异。MOM是将生产运营、维护运行、质量运行和库存运行并列起来,使用一个统一的通用活动模型模板来描述,并详细定义了通用活动模型内部的主要功能及各功能之间的信息流。MES则通常以生产运行为核心,其他几部分运行管理弱化为功能模块,处于辅助生产运行的位置,功能十分有限,并没有采用与生产运行管理和类似复杂程度的框架来描述。但是随着现代企业对企业安全生产、精益生产和生产质量要求日益提高,尤其是在对这几方面更为重视的行业,如食品行业,MES难以充分满足对于设备维护、质量和库存管理的要求,进而直接影响对于生产运行的管理。MOM的提出利用与生产运行相统一的平行框架、扩展和细化了对于维护运行、质量运行和库存运行的模型化描述,使其与生产运行相互作用,更好地支撑制造运行领域的研究与应用。

总体来看,MES可以视为针对MOM问题的一种具体实现方式,或是一种为解决某一类MOM问题而设计开发的软件产品实例。MOM的提出并不是要替代MES,而是要为该领域确立一个通用的、明确的研究对象和研究内容、并提供一个主题框架;而MES依然会作为该领域最常见的软件产品和软件系统,基于MOM确立的主体框架、进一步向集成化、标准化的方向发展,从而更易于实现集成和共享,更便于维护和升级。

2 制造运行管理框架描述

2.1 概念定义

IEC/ISO 62264标准对制造运行管理的定义是:通过协调管理企业的人员、设备、物料和能源等资源,把原材料或零件转化为产品的活动。它包含管理那些由物理设备、人和信息系统来执行的地行为,并涵盖了管理有关调度、产能、产品定义、历史信息、生产装置信息,以及与相关的资源状况信息的活动。

2.2 功能层次定位

制造运行管理(MOM)研究与应用综述

IEC/ISO 62264标准以美国普度大学企业参考体系结构(PERA)为基础,建立了如图1所示的功能层次模型,将企业的功能划分为五个层次,明确地指出制造运行管理的范围是企业功能层次中的第3层,作用是定义了为实现生产最终产品的工作流活动,包括了生产纪录的维护和生产过程的协调与优化等。由此针对制造运行管理的研究可转化为两个方面:一是针对制造运行管理内部的整体结构、主要功能及信息流走向的定义;二是针对制造运行管理与其外部系统(即第4层的业务计划系统、第2层及其以下的过程控制系统)之间的信息交互的定义。

2.3 制造运行管理的整体架构

IEC/ISO 62264标准又参考了美国普度大学的CIM参考模型,给出了企业功能数据流模型,定义了与生产制造相关的12种基本功能及各个功能间相互的信息流。在此基础上,根据业务性质的不同,又将功能数据流模型中制造运行管理的内部细分为4个不同性质的区域,生成了如图2所示的制造运行管理模型,明确了MOM的内部的整体结构。

制造运行管理(MOM)研究与应用综述

图2中的粗虚线代表了企业的业务计划系统与制造运行系统之间的接口,即给出了制造运行管理的边界。白色椭圆和带箭头的实线段则分别代表企业中与生产制造相关的基本功能及各功能之间相互交互的信息。图2中的阴影区域则表示制造运行管理内部细分的4大类不同性质的区域,分别是:生产运行管理、维护运行管理、质量运行管理和库存运行管理。

2.4 制造运行信息的交互

为了实现MOM与业务计划系统(第4层)之间的信息更有效地集成与共享,IEC/ISO 62264标准分别针对MOM内部4类不同性质的区域进行了归纳与整合,将其与业务系统间交互的信息均归为4类,分别是:运行定义信息、运行能力信息、运行调度/请求信息和运行绩效/响应信息。这4类信息可根据所应用的制造运行管理区域进行细化,如图3所示,从而使得交互的制造运行信息能够形成一个完整的逻辑闭环。

制造运行管理(MOM)研究与应用综述

2.5 基础信息资源定义

在明确了MOM的范围、结构和信息交互的基础上,IEC/ISO 62264标准采用UML(Unified Modeling Language)建立了企业信息资源对象模型,描述了企业信息的基本结构。首先通过建立3类基础资源模型(即:人员模型、设备模型和物料模型)作为企业信息构建的基础;进而使用并汇集这3类基础资源模型,辅以特定的参数描述和从属性描述,联合生成了过程段模型。过程段是指企业中一个生产段所需的所有资源和能力的汇集,可视为企业生产过程的基本粒度,,过程段对象模型即成为了描述企业信息资源的基本单位。通过过程段模型与前面定义的3类基础资源模型的联合使用和汇集,便可生成与1.4节所述的制造运行信息相对应的对象模型,即运行能力模型、运行定义模型、运行调度模型和运行绩效模型,从而使MOM与业务计划系统之间相交互的制造运行信息有了对象模型的支撑,为MOM软件产品和软件系统的开发与集成奠定了坚实的基础。

3 制造运行管理活动模型

3.1 MOM通用活动模型模板的概述

如图4所示,IEC/ISO 62264标准定义了MOM通用活动模型模板,给出了MOM内部的基本体系框架,作为描述与研究制造运行管理的基本工具。该模型中的椭圆框表示企业制造运行管理内部的主要活动,带箭头的实线则代表了这些活动之间相互传递的各种信息流。通过这些活动和信息流的定义,可以清晰地反映企业制造运行管理的基本业务过程,实现对从原材料、能源和信息到产品的转换过程中的成本、数量、安全和时间等参数进行协调、指导和追踪。

3.2 MOM通用活动模型模板的使用

MOM通用活动模型模板实际使用时,需细化到1.3节所述的制造运行管理的4类主要区域。例如,当该模型模板用于描述生产运行管理时,它将会细化生成一个更为具体的生产运行管理活动模型,如图5所示。该模型的主要活动已细化到与生产直接相关,各活动之间的信息流也被进一步地细化描述,并扩展了它与第1-2层生产控制功能之间的信息交互。

制造运行管理(MOM)研究与应用综述

在生产运行管理活动模型实际应用时,业务系统通过调用产品定义管理和生产资源管理的信息,结合第4层的相关活动与信息,形成生产调度信息传递给详细生产调度模块;通过该模块分解为详细生产进度表;再通过生成分派模块进一步生成生产分派清单;最后通过生产执行管理模块形成操作命令,下达到第1-2层的生产控制功能。实际的生产功能需要再结合产品定义管理所提供的生产规则,完成由生产执行管理下达的操作命令,并以操作响应的形式,将实际的生产结果反馈给生产执行管理模块。同时,通过生产数据收集模块从实际生产过程及生产执行管理模块,实时获取并存储设备和流程特定数据和操作相应信息,形成生产和资源的历史数据,传递给生产跟踪和生产绩效分析模块,进一步形成生产跟踪报告和绩效分析结果反馈给MOM的其他活动,并形成生产绩效信息反馈给第4层业务系统。

类似的,MOM通用活动模型模板同样可以用于描述其他3类制造运行区域,形成维护运行管理活动模型、质量运行管理活动模型和库存运行管理活动模型。以上这4类运行管理活动模型之间通过详细调度模块相交互,共同为制造运行管理提供了模型化的描述与支撑。

4 制造运行管理框架的研究与应用

自从ISA-SP95标准正式发布并逐渐演化成为国际标准IEC/ISO 62264以来,国内外学术界和产业界都逐渐开始重视对于该标准的理解和应用,初步的研究成果也开始逐步地展现。目前主要的研究内容集中在基于IEC/ISO 62264标准和MOM框架下的制造系统互操作性问题的讨论、制造系统体系结构和集成方法的研究,以及制造系统各种模型的建立及使用等等。

全球批处理论坛(World Batch Forum, WBF)基于IEC/ISO 62264标准的基础信息资源对象模型,利用可扩展标记性语言(eXtensible Markup Language, XML)框架,开发了业务到制造标记性语言(Business to Manufacturing Markup Language,B2MML),作为IEC/ISO 62264标准的XML执行标准。它通过为企业中不同数据源的数据指定统一的标签,使得同一数据可被不同系统重复使用,从而解决了不同数据源之间的信息共享问题。

为了实现企业软件系统的互操作性,文献24提出了一种基于IEC/ISO 62264标准的扩展模型,通过三个维度(装置、过程与产品)的模型扩展,实现了与企业车间级的各种通用标准的集成与共用。文献25基于IEC/ISO 62264标准,使用实体知识仓库和智能体的方法,提出了一种分布式的计算及系统框架,使制造企业可实现垂直统一的集成管理。文献26提出了一种互操作性的分类集成框架,该框架通过统一企业建模语言(Unified Enterprise Modeling Language, UEML)应用于企业的业务过程,并通过IEC/ISO 62264标准和B2MML应用于企业的制造过程,以解决企业系统的互操作性问题。

文献27基于IEC/ISO 62264标准的MOM框架,提出了面向我国制造企业的MES功能体系结构,以生产管理模型为中心,对MES进行了功能结构的划分,并定义了其内部的主要功能及各功能之间传递的信息流。文献28指出制造系统集成的三个关键成功因素是:统一的信息对象、统一的数据收集技术、以及统一的工业控制网络;同时通过应用和扩展IEC/ISO 62264标准,并利用OPC技术和工业以太网技术,提出了一种系统集成的方法,有效地解决了以上三个关键成功因素。文献29基于IEC/ISO 62264标准和B2MML执行标准,利用Web Service技术,设计并实现了一种MES集成接口的方案,实现了跨行业、跨地域、跨平台的低成本动态信息集成。

文献30提出了一种基于IEC/ISO 62264标准的集成模型和ISO 15745标准的互操作框架,使用当前状态的维护与诊断系统,评估系统生产制造能力的方法,用于改进可重构制造系统的响应能力,提高制造系统当前状态及制造资源能力的可见性,以满足企业生产调度的需要,并将该方法成功应用于一个半导体生产制造过程。文献31分析并比较了IEC/ISO 62264标准和与产品模型数据交换标准(STEP标准)在产品信息建模过程中的利弊,并将两者结合起来,建立了一种基于IEC/ISO 62264标准的线束行业产品信息模型。文献32在IEC/ISO 62264标准的基础上,结合国内离散业中的实际情况,扩展了料架和变量两个元素,提出了一种扩展了的工厂模型,并构建了一个该模型在MES平台中应用的实例。

5 展望分析

随着大家对制造运行管理(MOM)概念的进一步深入理解和应用,以及由于制造执行系统(MES)自身概念的模糊性和边界范围的不确定性,MOM的概念很可能会逐步取代原来MES概念的部分职能,成为制造企业信息化过程中的主要研究对象、研究内容及主体框架;而MES则会继续保持其软件产品和软件系统的主体概念,作为一种最常用的以解决MOM中生产运行管理问题为主的工具和产品。该领域未来可能的发展趋势和研究重点包括:

1)MOM主体框架在研究与应用领域的确立 由于当前MOM的概念和体系框架尚未在研究与应用领域正式确立,导致该研究领域的边界反问和研究对象都不够清晰明确,缺乏统一的主体框架。这使不同的公司和研究机构都在自己特有的体系架构下来研究和设计相关的软件产品,导致不同的软件产品和系统之间难以实现集成和共享,系统的维护和升级也十分困难。随着IEC/ISO 62264标准对学术界和产业界影响的深入,以及企业对不同软件系统之间集成与共享需求的深化,MOM的主体框架势必在研究与应用领域逐步确立,各类模型研究与产品设计均可在这一通用的主体框架下进行,从而使不同的软件产品和系统之间易于实现集成和共享,系统便于维护和升级。

2)维护、质量和库存运行管理系统的建立 企业制造运行领域的研究与应用目前主要都围绕着生产运行管理来进行,通过MES软件来实现。虽然也存在特定的设备维护软件和质量管理软件(如LIMS等),但其功能十分有限,通常只是作为MES的附属模块。但随着企业安全生产、精益生产和生产质量要求的日益提高,对关于设备维护、质量运行和库存运行的相关研究与软件系统设计也提出了更高的要求。IEC/ISO 62264标准确立了MOM主体框架为这方面的研究与应用提供了强有力的支撑,应该会极大地促进这方面研究与应用的发展。尤其是在对这几方面更为关注的行业。(例如质量运行对只要行业和食品行业尤为重要;库存运行对配送中心尤为重要),这种趋势则会更加明显。

3)应用模块功能的强化,优化算法支撑的进一步发展 制造运行领域的软件产品和软件系统都需要依靠功能强大的应用模块来支撑。但是现有产品和系统的绝大多数应用模块的性能与理想情况还相去甚远。以MES产品为例,通过对比上文生产运行管理活动模型(如图5所示),可知目前MES产品内部的应用模块中只有数据收集和生产跟踪模块的功能在实际应用中比较理想,而生产调度、生产指派模块的功能较弱,难以满足生产现场实时调度的需求,生产绩效分析模块的功能也不够强,产品定义管理和资源管理模块的功能基本缺失。可见尽快提升这些应用模块的支撑能力是当务之急,而这又依赖于其后台的优化算法和支撑基础的技艺不研究与发展,这包括:生产调度的建模与优化、在线检测与性能评估、系统仿真与流程模拟、信息融合与推理、数据挖掘与分析、多智能体技术、复杂系统的优化与控制技术等等。

4)制造运行管理内部评价体系的确立[许永硕注:这一条似乎不准确] 当前尚无针对制造运行管理领域的评价指标和评价规范,使得企业缺少评判制造运行管理状况的基准和参照,导致难以对制造运行效果进行有效地分析与评估。确立一套针对制造运行管理的评价指标与评价规范体系,以体现企业生产制造过程中的目标和关键成功因素,用于对企业制造运行的评估和优化,正符合该领域进一步发展的需求,很可能会成为未来研究的一个热点。同时,在评价指标与评价规范体系的基础上,可以进一步设计与开发相关的系统分析与测试工具,为制造运行的其他业务功能(如生产跟踪、生产调度等)提供支撑,也可考虑与业务系统之间的信息交互,用于对其统计与财务信息提供支撑等。

6 结束语

随着制造企业信息化过程中对于各类软件系统的标准化、集成化、协同化的要求日益提高,国际标准IEC/ISO62264对学术界和产业界的影响也必然随之深入,该标准所提出的制造运行管理(MOM)体系框架也将逐步确立,成为进一步研究和应用的基础。不难预见,基于MOM体系框架下的模型研究与产品设计势必将成为未来发展的重点,并能够有效地推动我国制造企业信息化建设的水平提升。

 

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