1.1 概述
1.2 名词解释：
MES：所谓电脑MES，即为智能制造中的过程执行系统（manufacturing execution system）。
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并深入落地，国内领先的加固工业计算机生产商，第一家国内工业电脑上市企业，免维护计算机概念的提出者，设备银行的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，同时EBOX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。
1.3 背景
随着人类文明的进步，人们对衣、食、住、行的生活需求量越来越大，越来越多样化，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，推动了整个制造行业的快速成长与发展。
但随着原材料成本上升，人工成本上升，人民币升值，企业利润越来越少。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要求也越来越高。
在工业4.0和智能制造2025的推动，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。
1.4 行业现状
关于MES详细释义，及与工业4.0的关系，这里就不再累述，请见图1所示。
图1
1.4.1 工业4.0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？按图1，在ERP和工业自动化控制中间加个MES就行了？三人行无师能和谐？
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，怎么生产、什么时候生产、生产成什么样到什么时候等却成了问题，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。
1.4.2 对MES的真实需求
MES的价值决定着市场需求，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。
1.4.3 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。
2
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。
2.1 信息维度
在多次的软文中，我们己谈了很多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，他的目的不是直接节省生产过程的人工，而是让管理者有了一个全新的视角，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。
图2
2.2 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3所示
图3
所以，在MES实施现场，通常还会面临这些困难：
? 高温高湿
? 粉尘、水滴、污染物
? 设备运行的振动、冲击
? 电压的不稳定与干扰
? 各种设备通信电磁波干扰
? 安装繁琐不专业
? 布线难度大
? 与已有的设备无法通讯
? 无法实现过程控制
2.2.1 设备连接
所以通过上面的描述，大家会发现以往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。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：
? 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；
? 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；
图4
图5 第三方控制系统极简上云
2.2.2 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，如图6：
图6
我们使用单芯片超低功耗的工业平板电脑做为MES的交互、采集终端，使用工业级移动手持平板来实现物料的跟踪管理、巡检等，而在基于业务流层面，我们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，与我们产品高度集成在一起。
2.2.2.1 工业级交互平板
Pseries-E5是针对工业4.0的开发的超薄紧凑型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。
图7
如图7中所示，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：
● DC9~28V宽压抗干扰电源输入，符合工业现场复杂电源环境
● 第四代凌动Baytrail低功耗无风扇设计
● 板载内存与灵活的存储方式，抗振动冲击
● 全模具压铸铝成型，坚固美观，经久耐用
● 超轻越薄的紧凑型设计，安装便利
● 简单高效的通讯方式（WiFi/Intel千兆LAN/RS485/USB3.0）
● 高温五线电阻式和多点电容触摸屏，适合多种应用环境
● 可集成RFID读写，便利的人工考勤管理
● 选高清摄像头，实现影像监控管理
● 支持双扬声器，实现本位预警
● 嵌入式操作系统、稳定永久使用
● -20℃~70℃宽温长寿命工作
2.2.2.2 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。
图8
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。
2.2.2.3 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。
图9
2.2.2.4 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：（规格参数见图7）
● 模块化设计，兼容阿普奇所有产品
● 光电隔离宽压输入
● OMRON继电器直接输出
● 有源/无源信号多种输入
● 标准DB头应用接口（可附带接线端子）
图10
2.2.2.5 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。
图11
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应用更灵活。其特点如下：
● J1900低功耗多核处理器
● 高强度铝合金机身，抗震防摔，IP65
● 10寸高清宽屏电容屏
● WiFi+BT/4G/RFID/2D Mudolar Selected
● 标准USB/COM/LAN/CAN工业级接口
● 可配置DDR3L内存和mSATA硬盘
● 支持Windows/Linux操作系统
2.2.2.6 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10），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。
图12
2.3 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：
? 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。
? 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。
? 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）
2.3.1 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。
图13
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。
图14
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。
图15
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。
3
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。
设备银行联合阿普奇将在十月中旬主办一个MES新应用解决方案的专题技术交流会，通过这个交流会，我们会讲解工业互联网时代全新的MES系统架构，以及设备银行和阿普奇能为MES系统带来的好处！希望与MES相关的设计者、工程商、用户能积极报名，咱们一块推动中国新工业的快速前行！
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