Целью этой статьи является ознакомление читателей с программным продуктом SIMATIC IT компании Siemens, предназначенным для создания MES-систем для широкого спектра отраслей.
Прежде чем перейти к описанию архитектуры и обзору функций попытаемся четко определить, что мы будем понимать под термином MES. Дело в том, что в последнее время аббревиатура MES все чаще появляется на страницах различных изданий, освещающих вопросы промышленной автоматизации. От изданий не отстают и многочисленные фирмы, позиционирующие себя как разработчики или поставщики MES-решений для различных областей промышленности. Неудивительно, что в настоящее время существует достаточно много разнообразных толкований самого понятия MES, которое стало аморфным и семантически расширилось, поглотив функциональные части систем уровня АСУ ТП, систем диспетчеризации, систем уровня предприятия и т.п. Являясь, возможно, удобным маркетинговым ходом, данная неопределенность затрудняет анализ функций и возможностей современных MES систем.
Начнем с расшифровки MES (Manufacturing Execution System). В данной статье будет использоваться перевод ―системы оперативного управления производством. Хотя это не вполне аутентичный перевод английского варианта [2], он сейчас является общепринятым и в принципе адекватно отражает суть данных систем.
Теперь ответим на вопрос, что такое система класса MES. Для этого приведем определение, данное международной ассоциацией MESA (Manufacturing Enterprise Solution Association):
Система оперативного управления производством (MES) — это динамическая информационная система, управляющая эффективным исполнением производственных операций.
Используя точные текущие данные, MES регулирует, инициирует и протоколирует работу предприятия по мере возникновения событий. Набор функций MES позволяет управлять производственными операциями от момента появления заказа на производстве до доставки готового продукта. MES предоставляет наиболее важную информацию о производственной деятельности для всей организации и обо всей цепочке поставок посредством двустороннего взаимодействия.
В приведенном определении, на наш взгляд, ключевыми моментами для понимания сути MES-систем являются:
- использование текущих данных;
- исполнение производственных операций.
Именно использование оперативной информации отличает MES от ERP-систем, которые работают с совершенно другими периодами актуализации данных. В свою очередь, принципиальное отличие MES от SCADA-систем лежит в плоскости производственных операций, для исполнения которых требуется управление работой многих единиц оборудования на различных участках производства. При этом обычно в SCADA-системе модель контролируемого процесса явно не задается, а существует только в голове у разработчика. Наличие большого количества оборудования, взаимосвязей и скрытых правил заставляет создавать явную модель производства, которая лежит в основе MES-системы и является ее неотъемлемой частью.
В отношении упомянутой модели производства возникают два основных вопроса: что это за модель и что она должна содержать? Ответы на них даёт стандарт ISA-S95, отвечающий за построение систем класса MES. Согласно этому стандарту, в первую очередь необходимо построить модель оборудования — иерархию оборудования предприятия. Далее могут строиться модели материалов и модели персонала, если это требуется для решения поставленных задач. После этого можно определять модель производства. Таким образом, мы определяем производство на стыке возможностей оборудования, доступности материалов и персонала. Такова внутренняя модель, а с точки зрения управления производством, любая MES должна дать ответ на вопросы:
- С помощью чего надо производить?
- Что должно быть произведено?
- Когда что надо производить?
- Когда, как и что было уже произведено?
Это значит, что продукт класса MES должен иметь, как минимум, модули, реализующие логику, необходимую для ответа на эти вопросы. Если перевести их в технологический язык, то получается, что должны присутствовать компоненты для:
- описания и определения технологического оборудования, материалов и персонала;
- описания и определения технологического процесса;
- определения и планирования расписания запуска производства;
- расчета производительности производства и хранения данных.
Соответственно, модель производства в MES-системе должна учитывать все эти факторы для качественного и полнообъемного управления производством. Все вышесказанное не относится к какой-то конкретной реализации MES, а является универсальным подходом к построению систем данного класса. Далее посмотрим, как эти общие принципы нашли отражение в программном продукте SIMATIC IT.
Обзор программного комплекса SIMATIC IT
SIMATIC IT – это MES система производства Siemens. Она позволяет выполнять комплексное моделирование производственных процессов, точно определять их возможности и получать данные с ERP уровня и уровня производства в реальном масштабе времени. Это позволяет выполнять более эффективное управление производством и повышать его гибкость. SIMATIC IT даёт возможность быстро реагировать на любые производственные ситуации и предпринимать адекватные шаги для снижения времени простоя и количества бракованной продукции, затрат на переделку продукции, хранение оптимального количества запаса готовых продуктов.
Применение SIMATIC IT обеспечивает возможность получения целого ряда преимуществ. Во-первых, моделированию могут быть подвергнуты даже сложные деловые процессы и структуры производства, которые впоследствии могут быть объединены наиболее эффективным способом. Во-вторых, процессы моделирования остаются полностью прозрачными и понятными и, самое главное, – независимыми от функционирования реальных систем управления. В-третьих, моделирование может выполняться в любой точке предприятия: все процессы могут быть стандартизованы и наиболее удачные методы управления могут использоваться в масштабах всего предприятия.
SIMATIC IT обеспечивает плавный переход от результатов моделирования к выполнению принятых решений и управлению новыми приложениями MES. Это снижает время выполнения проектных работ, предотвращает возможность возникновения ошибок, позволяет документировать все шаги и обеспечивает защиту имеющихся ноу-хау. Таким образом, SIMATIC IT обеспечивает снижение затрат на построение MES-уровня и защиту сделанных инвестиций.
Модели производства, созданные в среде SIMATIC IT, хранятся в библиотеках и в любое время загружаться в другие проекты. Это существенно снижает затраты на дальнейшее проектирование.
SIMATIC IT полностью отвечает требованиям стандарта ISA-S95 к MES-системам. Именно поэтому клиенты могут быть уверены в безопасности вложения инвестиций в SIMATIC IT. Этот продукт обеспечивает не только полную поддержку функций ISA-S95, но и использует требования ISA-95 к архитектуре разрабатываемых продуктов. Как активный член комитета, ISA-95 Siemens вносит свой ощутимый вклад в развитие этого стандарта.
Состав SIMATIC IT
SIMATIC IT – это модульная система, состоящая из слаженно работающих программных компонентов для решения всех необходимых MES задач, как описанных в стандарте ISA-95, так и выходящих за его рамки. Ядровым компонентом является SIMATIC IT Production Suite, который как раз и несет в себе модель производства с учетом всех необходимых вспомогательных потоков информации.
С помощью Production Suite решаются такие задачи, как:
- построение всей модели производства;
- управление заказами;
- учет материалов; учет работающего персонала;
- учет времени простоя и работы оборудования;
- организация обмена данными в MES системе;
- контроль хода процесса и многие другие.
Построение модели производства
Для моделирования в SIMATIC IT Production Suite используется Production Modeler (PM), работа которого представлена на рисунке.
Production Modeler
Для создания модели необходимо сделать следующие шаги:
- На первом этапе, согласно стандарту S95, необходимо указать местоположение (Site) и участки (Area), в которых будет размещаться оборудование.
- Далее необходимо создать базовые типы оборудования. При создании новых его типов используется объектно-ориентированный подход, в рамках которого мы добавляем новые свойства к уже существующим для оборудования-предка.
- Следующим шагом для созданных типов объектов реализуются производственные правила, также дополняющие правила предка. Примерами правил могут быть: алгоритм выбора оборудования для выполнения некоторой операции, описание некоторого частного процесса или даже описание всего процесса производства. При создании правил указывается последовательность вызовов методов и ожидания событий. На рис.1 приведен пример создания правила для оборудования.
- На основе разработанных базовых типов создаются экземпляры оборудования, которые размещаются внутри участков или привязываются к другому оборудованию, формируя иерархию произвольного уровня вложенности.
- На основе правил можно создать производственные операции, которые будут исполняться при появлении заказов на производство.
Несомненным преимуществом Production Modeler является встроенная возможность отладки и анализа исполнения. На рисунке 2 приведен пример стека вызовов правил, на котором зеленым цветом отображены участки штатного прохождения процесса, а красным цветом показаны ветки, вызвавшие исключительные ситуации. Для каждого вызванного метода есть возможность посмотреть значения входных и выходных параметров.
В качестве методов могут выступать уже рассмотренные нами правила. Также имеется возможность вызова методов произвольного приложения, предоставляющего COM-интерфейсы. Последний способ применяется как для интеграции со сторонними приложениями, так и для взаимодействия с компонентами SIMATIC IT. Например, с помощью вызова методов Material Manager можно организовать управление материалами.
Управление материалами
Работа с материалами в SIMATIC IT реализуется посредством компонента компонент Material Manager (MM) (см. рисунок). В нем можно создать классы материалов и для них задать ведомости материалов (bill of materials), позволяющие описать расход материалов в ходе производства. В конечном итоге для произвольного класса материалов можно создавать лоты материалов, привязав их к месту расположения — некоторому узлу в ранее созданном дереве оборудования.
Созданные лоты могут участвовать в производственных операциях, меняя место расположения, разделяясь, соединяясь, трансформируясь в другие лоты, согласно некоторой ведомости материалов. Для каждого лота можно отследить историю его создания и изменения, в том числе, получив отображение в виде дерева всех лотов материалов, из которых он был произведен или всех лотов, в которые он вошел. Также для классов материалов можно добавлять атрибуты, характеризующие свойства лотов.
Управление персоналом
Personnel Manager (PRM) – компонент, владеющий информацией о персонале. Он содержит данные о группах работников и о самих работниках, включая информацию об их профессиональном уровне и графике работы. Personnel Manager, подобно рассмотренному нами в качестве примера компоненту Material Manager, предоставляет набор методов, с помощью которых в строящейся модели производства можно учитывать доступность персонала и отслеживать, кто именно выполнял конкретные работы.
Управление заказами
Компонент Production Order Manager (POM) позволяет создавать расписания производственных заказов. Взаимодействие с ним может быть двунаправленным. Во-первых, он предоставляет большой набор методов для работы с заказами, что дает возможность создавать заказы и производить их диспетчеризацию из модели. Во-вторых, он обладает собственной средой настройки, в которой можно для произвольной производственной операции, описанной в модели, создать заказ и запланировать его диспетчеризацию на определенное время. Также он позволяет импортировать заказы из сторонней системы в виде файлов формата xml.
Контроль процесса
В ходе производственного процесса часто возникает необходимость получать подтверждение выполнения операций или запрашивать дополнительную информацию у оператора. Для этого используется Messaging Manager (MM). При моделировании создается специальный блок, в ходе исполнения которого у оператора появляется сообщение, определенное заранее созданным шаблоном. После ввода полученная информация используется другими блоками модели.
Все операции, проводимые как автоматически, так и в ручную, записываются с помощью компонента Production Operation Recorder (POpR). С помощью него пользователь может анализировать выполнение всех операций и проверять корректность обмена данными между разными компонентами, как в режиме исполнения, так и в режиме наладки.
Обмен данными
Служба Data Integration Service (DIS) служит для двунаправленного обмена данными с системами управления предприятием (ERP), такими как SAP и другими. Обмен возможен на уровне текстовых сообщений, а также, что более предпочтительно, xml сообщений произвольного формата. Для доставки сообщений используется большое количество стандартных синхронных и асинхронных протоколов.
Служба Real Time Data Service (RTDS) позволяет с помощью стандартных протоколов взаимодействовать с системами управления технологическим процессом (АСУ ТП) самых разных производителей, получая оттуда оперативные данные и передавая туда управляющие воздействия. Конечно, имеется встроенный интерфейс с системами контроля, реализованными на базе технологий Siemens, например на SIMATIC PCS 7.
В тесной связке с SIMATIC IT Production Suite или абсолютно независимо могут работать еще три компонента семейства SIMATIC IT.
SIMATIC IT Historian осуществляет хранение и обработку всех данных, получаемых системой MES из самых разных источников. Такими данными могут быть оперативные данные с уровня АСУ ТП, данные из сторонних баз данных, данные из других приложений системы и так далее. Эти данные могут проходить математическую или статистическую обработку, просто хранится в долговременном архиве и предоставляться пользователю в различном виде. В соединении с компонентом Production Modeler SIMATIC IT Historian предоставляет мощный инструмент для расчета различных технико-экономических показателей (ТЭП) или Key Performance Indicator (KPI), а также осуществлять контроль времени простоя и работы оборудования.
SIMATIC IT Unilab реализует систему поддержки лабораторных исследований. Это продвинутая Laboratory Information Management System (LIMS) — Информационная Система Управления Лабораторией. Simatic IT Unilab разработан для управления работой в лаборатории предприятия для оптимизации сбора, анализа, возврата лабораторной информации и отчетности по работе. Кроме этого, Simatic IT Unilab помогает организовать связку лабораторных и технологических потоков информации и предлагает широкий спектр возможностей по реализации системы контроля качества. Данный компонент полностью соответствует требованиям FDA 21 CFR 11 в плане контроля работы персонала, поддержки электронной подписи и так далее.
SIMATIC IT Interspec обеспечивает поддержку спецификаций продукта на протяжении его жизненного цикла. SIMATIC IT Interspec помогает пользователю определить и сформулировать спецификации изделий с точки зрения исходного сырья, полуфабрикатов, готовых продуктов, а также упаковочных материалов. В данный список могут входить как спецификации для локального производства или регионального филиала, так и для всей компании целиком. SIMATIC IT Interspec позволяет распределить эту информацию внутри компании между различными отделами (закупки, поставки, производства, проверки качества и т. д.) в ясной и краткой манере, повышая гибкость производства и позволяя синхронизировать спецификации продуктов для глобальных компаний. Это снижает время закупки, поставки и производства и позволяет более эффективно работать с поставщиками.
Все эти продукты тесно интегрированы с SIMATIC IT Production Suite (но могут работать и отдельно), а также предоставляют интерфейс к многочисленным функциям, используемым для доступа к своим данным.
Для предоставления данных для конечного пользователя можно использовать средства формирования отчетов Report Manager или разработать клиентское приложение с помощью Client Application Builder. Оба инструмента позволяют объединять данные всех компонентов в одном месте, облегчая анализ протекающих процессов и управление ими.
Заключение
SIMATIC IT представляет собой конструктор, с помощью которого можно собрать MES-систему для конкретного производства. Мощные возможности компонентов вместе с простыми механизмами их стыковки посредством явной модели производства и средства подключения сторонних приложений — все это позволяет создать многофункциональную систему, адекватную текущему процессу производства и легко изменяемую в случае появления новых требований со стороны бизнеса.
