关于MES产品建设的经验

2022年初，我从物联网智能硬件行业转向生产制造领域，参与项目制企业的B端产品软件建设。在过去一年半的时间里，我接触了多个项目，访谈了不少客户，并完成了一些B端产品的设计。现在，我想针对工业生产中的MES系统分享一些个人的观点和看法。

我接触工业生产制造领域的时间不长，对各个行业的特性了解有限。本文的背景是基于企业内部实施MES产品建设后的思考，所提出的观点不一定适用于所有行业或企业。在实施MES产品之前，我们对汽车座椅生产企业、食品加工企业和汽车整装企业进行了调研，这些案例具有一定的代表性，但也存在相应的局限性。希望能与大家进行友好的交流，互相理解，共同进步。

一、MES的业务定位

在实际的项目交付过程中，MES项目的定义多种多样，所涉及的业务内容也各具特色，此处不作详细讨论。

根据网络上公开的定义，以及结合我们在项目中的实践交流，以下是我们对MES的业务定位：一种严格控制生产过程、保障生产质量的管理软件。

“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”,它为操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求)的当前状态。

—-美国先进制造研究机构AMR（Advanced Manufacturing Research）

“MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。”

—-制造执行系统协会(Manufacturing Execution System Association，MESA）

【以上信息来源：百度百科】

在工业生产制造的“人、机、料、法、环”五字箴言中，MES更侧重于“法”的维度，它是一种管理生产过程并确保产品质量的方法。生产制造企业选择MES，旨在通过严格控制生产过程中的每一处细节和每一道工序，确保所有产品的生产工艺符合标准。因此，MES的价值定位应当聚焦于生产品控。

或许有人认为，MES的价值在于提高生产效率。然而，“效率”这一词语相对模糊，不太适合用于描述具体问题。在生产制造执行的过程中，我们认为生产效率应包括【质量】和【节拍】两个方面。生产质量决定了产品是否能够成功变现，而生产节拍则决定了产品可以变现的数量。这两者之间存在类似于“1”和“0”的关系。因此，从业务价值优先级的角度来看，产品的质量和品控无疑是MES的重中之重。

二、MES的业务分析

MES的复杂性和难度在于其设计与规划需要软硬件的结合能力，仅仅了解其中某一方面是不足以完成MES产品设计的。接下来，将结合自身的理解，探讨MES业务的本质。

1. 场景抽象

如图所示，通过业务的高度抽离之后，我们认为：在生产制造的过程中，MES业务的核心就是约束产线工人在“特定工位通过特定设备，采用特定方法加工特定零件”。

根据这种方法，在设计MES的业务功能细节时，我们需要着重厘清以“工位（有的企业习惯叫站点）”为核心的业务对应关系，以及每个工位参与的加工细节。

对于厂区、车间、产线这三个层级，除了产线这个对象存在部分业务属性以外，厂区、车间这2个层级并无特别重要的属性，在现实企业管理中也只是强调地理位置或空间属性，真正发生业务的地点实际上是在工位这一维度上。产线这个维度之所以存在部分业务属性，是因为产线是多个工位有序的集合，产线更加强调生产工位之间的顺序。至于产品在各个工位之间的生产顺序问题，下文会通过“工艺路径”功能来具体说明。

1）【设备】

设备是生产过程中至关重要的业务对象。通过走访了解，许多企业对于不使用专业设备的工位并不需要通过MES进行管理。相反，对于适用MES进行生产过程管理的工位，必然要求使用专业的生产工具和设备。在这种情况下，生产工人需要根据MES的要求，将工具和设备操作至规范的数值范围。

在产品生产制造过程中，设备持续不断地产生大量的工况数据，通过这些数据，设备参与到生产制造的各个环节。设备的工况数据是MES判断生产过程是否合格、是否符合生产要求的重要标准。设备运行数据的采集需要依赖工业物联网技术，将设备采用物模型的方法进行数字化和虚拟化。通常，我们会从属性、功能和事件三个维度对设备进行建模，使得设备以数字形态在MES中呈现。

构建物模型是设备联网的基本方式，这已经成为物联网行业的普遍共识。虽然其他设备联网方法也能实现联网目的，但大多数并不具备标准化和通用化的特点。此外，工业物联网与普通物联网在实施过程中存在显著差异。普通物联网行业应用更强调数据应用能力，而工业物联网则重视工业协议的接入能力以及数据采集的稳定性和可靠性。这两者在突出能力和价值方面各有不同。

2）【零件】

根据行业通行的习惯，“零件”通常被称为“物料”。然而，我们仍然使用“零件”这个词，因为“物料”更偏向于指代“原料”。在工业生产中，存在产成品与半成品、来料加工和原料混合生产的情况，因此在工位操作过程中将所有物料称为“零件”更加合理。

谈到生产加工的零件，就不得不提到另一个重要概念——BOM（物料清单）。根据企业业务场景的不同，BOM可以分为成本BOM、设计BOM、工程BOM、生产BOM等，每种BOM在应用上各有不同。而在生产执行过程中，使用的BOM通常被称为生产BOM。

关于BOM的定义和不同BOM之间的用途，感兴趣的可以自己查询。

BOM（物料清单）在MES中的作用是规范产品所需的生产零件种类及数量。在实际构建BOM时，需要充分理解企业的生产步骤和产品体系。不同的生产步骤导致BOM的层级和组合关系各异，而在同一产品体系中，不同的产品属性配置所需的生产零件也会有所不同。

如图所示，BOM1与BOM2的主要区别在于生产过程中的工序步骤不同。BOM1是在头枕生产完成后，再进行整个座椅的生产；而BOM2则是在头枕和骨架生产结束后，再进行整个座椅的生产。除了生产顺序的差异，在零件维度上还会影响“骨架”这个零件编号的存在。这个影响在其他生产细节中也会体现得更多，具体情况不一一列举。

BOM3与BOM4的主要区别在于面套的颜色属性。由于颜色不同，相应的零件将会有不同的零件编号。在实际操作中，产品通常会有多种配置，不同的配置通过不同的BOM属性来表示，因此会用到“乘数倍”的物料。

3）【加工】

加工主要是指用于处理零件的具体加工方法，通常在行业中被称为工序。在实际的生产制造过程中，企业会对参与生产的员工进行必要的岗前培训，以确保他们能够正确完成生产任务。因此，在生产过程中，MES系统仅需提示当前生产步骤中正在加工的零件及其相应的加工要求。整个工序的核心在于判断当前加工动作是否按照规定正确执行，并确认其符合生产工艺要求。

为了更好地满足生产过程中的管理需求，在设置工序时通常采用时序的方式来定义当前工序的加工行为。在某类工序定义中，会将参与当前工序的设备配置到工序逻辑中，然后将设备所具备的功能、属性、事件等参数作为判断条件。当加工设备工况参数满足生产工艺参数要求时，系统将依次执行到下一个工序；若不满足，则会发出错误提示。

需要特别说明的是，在软件设计思路中，存在一个名为标准工序模板的虚拟实体对象。构建这一虚拟实体的主要目的是为了方便工位工序的构建，使得工位工序能够直接继承标准工序模板。因此，在创建标准工序模板时选择设备时，也是选择的一个设备类，并不是具体的某个设备实体。在软件实体ER关系中，设备关联工位，工序关联工位，自然可以建立起工序与设备的关联关系。

在设备的物联通讯方面，需要应用“边缘采集”的相关产品来实现，具体内容不作深入介绍，感兴趣的朋友可以了解一些工业物联网的技术解决方案和实践方法。指出边缘采集的重要性，是因为工业设备物联程度在这一环节至关重要。

在工业生产制造现场，产线生产节拍极为迅速和高效，工业生产环节通常以毫秒为计量单位，这与一般物联网产品对通信时效性的要求大相径庭。如果设备联网时效性的问题得不到解决，将会导致整个MES实施效果极差。此外，由于现场的工业设备普遍存在“强通信、弱交互”的特点（强通信指的是工业设备具备较强的单通道、高频次通信能力，弱交互则指设备在多通道通信、安全冗余、上报条件等方面的能力相对较弱），因此在工业设备物联网化的过程中，常常会出现离线、假死和阻塞等情况。这些问题将严重影响设备数据交互的时效性，从而阻碍MES的有效实施。

2. 业务建模

前文以工位的角度对业务场景进行了抽象剥离，接下来将探讨我们在实施MES时对业务流程建模的思考与看法。

在工业生产制造中，产品是由一个个零件构成的，而产线则是由一个个工位组成的。因此，我们需要将产品按照组成的零件以及每个零件的生产工序进行业务建模，以实现产品在MES中的实体数字化和生产环节的模块化。

在前文中关于BOM的描述中，我们已经阐述了一些关于产品业务建模的观点与想法。接下来，我们将进一步说明BOM在整个生产过程管理中的重要性及其与业务之间的关联性。

在整个业务建模过程中，零件是核心实体。不同的零件决定了不同的加工行为，而不同的产品则需要使用不同的零件。因此，我们将零件作为核心，抽离了BOM与零件、工序之间的关联关系。在构建业务模型时，我们调研了市场上多种实施方案，发现每个产品都有其独特的思考和定位，各具特点和侧重点。同时，内部也存在不同的意见。经过多方讨论和预演，我们最终决定采用上述角度来构建基本业务模型。

从开发与实施的角度来看，构建实体对象之间的业务关系是至关重要的。无论采用何种方案，这三者的关联关系必须得到明确构建，否则生产制造过程将无法顺利执行。然而，经过我们的分析，构建这三者关系的时机和方式存在很大差异，这些差异将直接影响用户体验。

在构建上述业务关系时，我们采用了双维度的方式将BOM与零件进行关联，并与工序相结合。对于同一个零件，它在不同的BOM层级中被视作一个新的实体，并以单一的零件维度与工序关联。例如，同型号的螺钉在不同的BOM层级中所使用的工序（加工行为）可能存在差异。

在定义产品的BOM结构后，产品的结构建模便已完成。BOM关联了零件的类型和数量，从而实现了产品与零件之间的对应关系。同时，定义每个零件的生产工序也明确了整个产品在生产过程中需完成的具体生产行为。

需要特别说明的是，在生产过程中，虽然不同的产品可能会采用相同的生产工序，但它们可能会使用不同的工艺标准，简单来说就是“不同产品在加工时设备的参数值不同”。因此，在实施基本业务建模时，需要根据产品的生产工业标准，维护不同的生产参数。

3. 业务流程

在业务建模过程中，我们约定了生产所需的零件、各零件的数量，以及每个零件生产过程中需要的加工工序。这些要素虽然明确了生产过程的内容和边界，但尚未规定产品生产工序的具体顺序。工艺路径则用于维护和管理这一生产工序的顺序。

在实际业务中，工厂的生产线和工位是根据产品的制造要求进行定制的，设计时也会兼顾多个产品的生产需求。因此，在设置产品生产工艺路径时，需要将其与具体的产线和工位关联，且在每个工位上配置相应的生产零件及工序。需要特别强调的是，如果生产工艺路径关联的是产线，那么在配置工艺时，也必须将零件分配到具体的工位。

一旦确定了产品的生产工艺路径，生产过程中每个零件以及每个加工工序都会具体到每一个工位，从而实现对各个工位生产过程的有效管理。

当与零件相关的工序被分配到具体的工位后，该工序从标准工序模板转变为工位工序，后者继承了标准工序的业务逻辑。由于不同零件之间以及同一零件在不同空间位置上的差异，被分配到工位的工位工序需要配置不同的加工工艺参数。工艺参数在硬件层面上是与设备加工过程相关的工况参数，而在业务层面上则是产品的生产合格标准。

三、MES的实体关系

下图是我们为MES设计的实体ER图，一共分为：产品物料建模、产品生产模型、生产执行管理、生产运营管理四部分。

在我们产品体系的建设中，用户、角色等基础功能被归类为平台层的业务功能，而具体的业务层应用并不涉及这些基础功能。

与市面上其他应用软件不同，本应用的功能边界不涵盖排程、质检、仓储等业务模块，其主要定位在于管理工业生产制造中的生产执行环节。

四、实施总结与感悟

1. 产品建设方面

在过去几年接触生产制造行业的过程中，我亲自参与了一些项目的实施与交付，也观察了同行业企业的交付情况。总体来看，这个行业的项目大多以商务关系为主，交付品质仍然存在较大问题。这些问题既有现实因素，也与行业风气有关，具体细节不再赘述，下面主要分享一些关于MES产品建设的感悟。

在B端产品的交付中，通常采用“标准+定制”的模式。标准产品主要用于构建核心业务流程，而特殊业务内容则需要进行定制化开发。没有一个B端产品能够满足客户企业全部的业务，也不可能满足企业所有人的需求。企业在实现信息化的过程中，不仅仅是实施一个信息交互软件，有时也会涉及到相关当事方利益的调整。

在项目实施过程中，我们必须尊重企业实际生产的业务场景，抽离出业务核心，以提高业务的扩展性。我个人发现，许多功能设计的目的在于解决功能本身，而非真正满足客户需求。如果在项目实施和交付过程中，无法将客户需求进行高度抽象和剥离，无法提升功能的复用性，那么整个软件的功能将显得臃肿且缺乏扩展性，无法适应企业发展与变革所带来的业务变化。

尊重一线员工的需求，体现共赢的商业价值。然而，许多企业往往忽视一线员工对项目交付的看法和实际使用感受。这些问题可能不会直接影响企业的回款，但却会深刻影响企业的营收能力。大多数一线员工对企业的信息化进程存在抵触情绪，因为信息化的本质在于提高企业的管理能力和效率，这往往意味着对员工管理力度的加大，因此一线员工本能的会产生反抗心理。当一线员工长时间频繁地吐槽时，尽管领导层可能明白这只是员工的表达方式，仍然会对推动事宜的时机产生怀疑。

2. 业务建设方面

在MES实施过程中，必须特别强调数据交互的准确性、稳定性和可靠性。在工业生产制造中，企业对生产节拍的关注至关重要，而生产节拍又直接反映了企业的营收能力。因此，MES实施时对软件系统的稳定性、安全性和可靠性都有着极为严格的要求。

产品终检工位的质量检验与产品质量检验是两个不同的业务需求。终检工位主要对产品的生产环节和生产过程进行复查，属于生产流程中的一个步骤；而产品质量检验则是在生产结束后进行的质量抽检。由于两者的性质、目的和检查范围不同，因此针对产品的质量检验体系也需要配备专业的质量检验软件进行管理。

在实际应用中，现场扫码交互面临诸多挑战，尤其是扫码枪与现场工控机之间的连接问题，使得数据传输变得复杂。针对这一情况，我们考虑了多种解决方案，但每个方案都存在其优缺点。最终，为了规范业务逻辑，我们决定将现场工位的屏幕视为工业生产中的一个物联网设备，按照物联网数据传输的办法将现场扫码读取的标签数据传递到MES后端，确保数据高效交互。这样的选择旨在实现数据交互路径的可控性和稳定性。

在MES中，大多数工序主要用于定义设备与数据、设备与设备之间的交互逻辑关系。然而，我们仍需设定一些非数据交互类的工序，例如引导、提示和延迟等。这些工序虽然不是必需的业务功能，但在实际交付过程中，它们能够显著提升MES的适应能力和项目的匹配度。

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