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MES还是BES:哪个才是最佳答案?

作者:www.cechina.cn2015.08.03阅读 2934

  许多企业拥有制造执行系统(MES),批管理系统或二者的组合。决定究竟工艺的哪些部分更适合采用ISA 88批执行系统(BES),哪些部分更适合采用ISA 95制造运行管理(MOM)系统或者MES一直以来都是有争论的。这里定义的方法论和决策树可以用来帮助根据基于设备的动作与基于手动的动作之间的比率来确定合适的工具和实施的架构。它阐述了这样的事实:典型的MOM/MES关注于手动动作,而BES关注于设备控制。两套不同的系统可以在完全自动化的环境下并存且发挥各自的优势。
  新的过程控制系统面临的选择
  许多公司在其工厂里有多个自动化孤岛,有些系统使用ISA 88 BES,有些为自动化设备的协调使用造纸流程,有些使用ISA 95 MES/MOM系统CONTROL ENGINEERING China版权所有,而且经常组合起来。当准备扩展系统或者增加新的产品线时,也会提出相同的问题:我们要使用什么系统来控制新的生产流程?
  ■ 会因为许多手动动作必须互相协调而使用MES系统吗?
  ■ 会因为许多自动化设备必须互相协调而使用BES系统吗?
  ■ 会是两者的组合吗?
  ■ 如果必须与现有自动化设备集成会怎么样?
  通常的答案更可能基于MES选项或BES选项的本地经验或集成商经验,而不是仔细评估其优势和劣势。做出最适合的选择需要对MES和BES模型都有所了解。
  工作流程模型
  许多MES和BES的核心模型是工作流程。工作流程为标准作业程序提供自动化执行支持、标准工作指导以及其他生产程序。工作流程可以定制、编辑或进行硬编码(正如在称重和分配程序中所常见的)。
  工作流程有两个基本模型:一个策划模型和一个编排模型。在策划模型中,一套协调的工作流程包括安排低级工作流程顺序的逻辑。低级的工作流程之间不直接互动,只能通过协调工作流程进行互动。
  许多商业系统都遵循策划工作流程模型,因为它提高了服务的模块化和可重用性。策划模型也提供了对协调工作流程的单一视图,使查看工作状态以及确定接下来的步骤变得简单。
  尽管中央协调服务会付出一定的性能代价,但是其影响一般在相对慢速的商业过程中并不明显。策划工作流程的最大问题是它没有很好的适应整个组织的规模。策划工作流程对于已经定义了范围的工作或任务工作效果最好,例如执行ISA 88的任务。
  在编排模型里没有整体的协调工作流程。任何一个工作流程都可能触发另一个工作流程的执行,然后等待一个响应或不同步地继续执行。整体的工作流程过程是由单个工作流程所采用的不同规则的集合所定义的。由于没有对工作流程的单一视图,编排模型没有为查看工作状态和确定接下来的步骤提供一种简单的方法。
  编排工作流程用于有大范围工作的情况,不需要单一的总体触发条件或整体协调。编排模型可以应对更快的处理时间并且经常是制造行业的应用和面向因特网的应用的客户所采用的模型。这两种应用都必须在每分钟内以最小的延迟处理数以千计的交互。
  MES一般都采用编排模型。MES经常处理有外部事件或其他工作流程触发的手动任务。MES经常对于处理特殊情况和错误具有重要的逻辑。
  使用ISA 88模型的BES使用策划模型。每一个配方都是策划工作流程,以一种策划的方式命令低级行为(在ISA 88里被称为设备阶段)。低级的顺序是阶段逻辑,通常在设备模块中实现。这个模型支持以单一视图查看批处理的状态,并且为不同配方和不同设备之间的低级设备阶段设计复用性。
  BES配方是特殊的工作流程。它们遵循策划模型,其主要目标是控制设备。设备的控制可以对自动化设备直接进行,也可以命令操作员进行设备控制。因为集中于设备控制,批处理系统也实施工作流程的模式和状态控制。模式允许操作员控制工作流程的执行,允许其在自动模式下运行,单一步进流程使用半自动化模式或者整个工作流程完全为手动而没有自动步进。状态控制允许工作流程暂停、重启、停止和中止。并不是所有的MES都提供这种通过模式和状态来控制他们的工作流程执行的能力。
  工作流程领先?
  对于运行工作流程来说,有一个基于简单决策的模式CONTROL ENGINEERING China版权所有,如图1所示。如果系统收到的过程指令要求完成多个独立的工作(批处理或生产运行),或者有在制品(WIP)受到运行级管理,那么一般会有一套工作流程系统接受过程指令、辅助将每个过程指令分割成不同工作、为各个工作中心分配工作(流程单元、生产线等等)、并追踪WIP。这种情况下,在工作中心内部有工作流程协调活动。顶层的工作流程可配置,也可以根据工具的选择进行动态的解读。在各个中心使用MES或批处理系统进行决策制定时,可以根据决策树来确定需要使用的合适的模型。在任何复杂的制造工厂里,不同工作中心可能会有不同的模型。例如,对于主要流程可能采用批处理模型、对于包装采用手动工作流程、对于来料和物料准备采用混合模型。


图1 策划工作流程。本文所有图片来源:BR&L咨询公司

  决策树
  可以采用图2中的决策树为工作中心选择最佳方案。在选择模型的时候可以考虑如下4种基本的决策:
  1.需要被控制的基本动作中设备执行的动作占了多少百分比?这也包括那些必须要手动完成的设备动作(开阀、启动马达、设置设备参数、顺序启动设备)。
  ■ 如果设备执行动作的百分比高(例如超过75%),那么BES通常是最好的选择。
  ■ 如果设备执行动作的百分比很低(例如低于10%),那么工作流程系统通常是最好的选择。
  ■ 除此以外,最佳选择需要额外的决策。
  2.主要协调是通过设备事件还是手动事件进行的?
  ■ 如果主要协调是通过设备事件进行的,例如完成设备阶段,那么模型4通常是最好的选择。
  ■ 如果主要协调是通过手动事件进行的控制工程网版权所有,那么模型5通常是最好的选择。
  3.是否存在自动化代码?
  ■ 如果为工作中心写入自动化代码,那么模型1是最好的选择。
  ■ 否则,最佳选择需要额外的代理阶段来封装设备控制。
  4.设备有没有PackML接口?
  ■ 如果有PackML设备接口,那么模型2是最佳选择。
  ■ 否则,模型3通常是最佳选择。


图2 编排工作流程。

  模型1
  对于设备执行动作所占百分比高以及自动化设备没有现存的自动化代码的情况,模型1是最佳选择。在这种模型里,配方执行系统协调整个流程。配方执行系统会与使用ISA 88设备模块和控制模块模式所定义的ISA 88设备阶段通讯。与操作员手动动作的交互作用是直接通过使用提示和响应的配方执行系统进行的,或者通过使用专用显示、灯和开关的自动化设备进行。


图3配方编排设备程序。

  模型2  配有PackML接口
  对于设备执行动作所占百分比高、自动化设备具有现存的自动化代码以及设备拥有PackML(ISA 88 TR.02)接口的情况,模型2是最佳选择。在这个模型里,为了封装PackML接口而创建了代理阶段。代理阶段是自动化代码或者是运行在配方执行系统里的代码,这样使PackML接口看起来像配方系统的阶段逻辑接口。由于PackML为设备控制提供了标准模式和状态模型以及传递参数和返回结果的标准路径,在配方系统和自动化设备之间的接口上可以使用一套标准的代理阶段。


图4  配方或工作流程决策树。

  模型2  没有标准接口模型
  在这种模型里,由于没有与现有自动化设备的标准接口,需要为每件自动化设备创建自定义的代理阶段。自定义的代理阶段会执行ISA 88阶段模式和状态模型并将配方指令转换成相对应的设备所特有的指令。
  模型3  工作流程协调
  当与自动化设备的接口非常少以及不直接与设备控制相关的动作所占百分比很高的时候使用这个模型。在这种情况下一套具有可配置工作流程的MES或MOM系统通常是最佳选择。工作流程执行引擎会为操作员和其他用户提供直接互动。任何与自动化设备通讯的请求都会根据情况分别处理。
  模型4  配方协调
  当一个工作中心内的主要协调工作是通过设备事件完成的,就使用这种模型。事件通常采用一套协调配方里的阶段或运行完成的形式,与模型1不同,对于那些不能简单使用策略工作流程模型定义的手动动作,有重要的工作流程与之相关联。在这种情况下,编排工作流程被用来协调手动动作。从根本上说,一套MES或MOM系统为手动动作提供配方系统服务。代理经常被创建用于将配方的阶段指令转换成一套MES或MOM系统中启动小规模工作流程的指令。在这个模型里,如何实施配方到设备接口的决定与对模型1和2的要求一致。
  模型5  工作流程协调
  当一个工作中心内的主要工作协调是通过手动事件进行的,就使用这个模型。同时控制工程网版权所有,如果设备执行动作与非设备执行动作混合在一起,通常也使用这个模型。总体的工作流程是被MES或MOM系统控制,批处理是从工作流程开始。工作流程通常在配方完成时继续,而MES会采集批处理记录并将其加到总体的工作记录中去。在这个模型里,如何实施配方到设备接口的决定与对模型1和2的要求一致。
  未来,组合模型
  在未来,有可能会有支持两种工作流程模型和设备控制CONTROL ENGINEERING China版权所有,使用ISA 88模式和状态模型以及复杂的手动互动能力而出现的组合系统。不过对于今天的我们来说,拥有一个决策树用于确定选择或集成BES与MES/MOM系统的模型也会很有帮助。

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