“厚四薄三”型 ERP/MES 架构

2009-12-01

“厚四薄三”型 ERP/MES 架构：1. MES即三级系统存在的必要性

三大设计原则是架构整个五层信息化管理体系的总体原则，但这三大原则也不是绝对的。在大量的实践中，IDS发现在进行三、四级系统的功能分配和流程衔接，特别是设计产销流程时，还是会碰到一些不清楚的地方，即会产生一些所谓的灰色地带。现在有一种比较流行的趋势，就是四级处理的内容越来越多，而三级系统处理的内容越来越少，就是四级越来越厚、三级越来越薄，形成了所谓的“厚四薄三”的系统架构。

当然，这种变化， 是相对于传统的三级系统而言的。对于“五级系统，厚四薄三”这样一种总体架构来说，究竟厚四级厚到什么程度，薄三级又薄到什么程度？是不是随着技术的进步，四级系统越来越厚，厚到三级系统可以取消呢？这些都是需要说明的关键问题。

根据IDS的经验，我们认为三级系统还是必须存在的，其中的原因我们归纳为以下四点：

1) 系统的技术可行性和经济性，决定了必须要有三级系统

我们已不只一次提到，五级系统管控的范围有着明确的分工。设备、工段、车间、企业、供应链各级操作需要的信息和需要做出的决策，其性质不同，数量也不同。这样的分工与钢铁企业实际的生产运作是非常一致的。 对于这些不同层次的需求，我们可以使用不同的技术手段加以实现，从而使得总体系统的建设最为科学和经济。

以三级系统为例，如果没有三级，企业级的四级管理系统就会变得非常庞大。这对于钢铁企业，特别是大型钢铁联合企业来说在系统的技术实现上就会比较因难。因为，我们都是由总公司，同是还有各种分公司和分厂组成的，而且这些分厂往往还不是在一个地理位置上，存在着异地管理的问题。如果没有三级系统，而直接将总公司级的四级管理系统与全国各地，甚至国外工厂内的二级系统去集成，这在技术上是很难实现的。既使可以实现，也是很不经济的。

我们前面也讲到，企业信息化管理系统处理信息的内容、性质及所需的反应速度是不一样的。这是我们设计五级系统的所依据的原则之一。如果没有三级系统，那么对于在分钟这一数量级的决策内容就必须放在四级或二级去做。四级系统由于本身已很庞大，如果在加上这一块，其所容纳的信息量，以及对其所需计算速度要求就会更高。既使可以实现，但在技术上的投入可能会很不经济。

总之，有一个三级系统进行过渡，对于建立一个科学、经济的信息化系统来说是必不可少的。

2) 信息化系统运行的安全性，决定了必须要有三级系统

钢铁企业的生产是比较典型的流程性生产，是7x24小时连续生产的。所以，对设备、机组的控制是实时的。如果，由一个庞大的四级系统直接与需要实现实时控制的二级系统相连，在系统的整体安全性上就会存在隐患。比如，如果因为某些原因，四级系统发了一点小故障，停了几分钟。或者仅仅因为数据传输的问题，信息的传递迟了几分钟。这对于一个企业级系统来说可能问题不大，但对于实际生产来说就会产生很大的问题。二级系统无法得到控制指令，整个生产就会停顿。这时，一个三级系统就显得非常重要。如果存在着三级系统的过渡，此时就可直接由人进行干预，在三级系统中进行后备输入，从而接管一、二级系统，使得生产能正常进行下去。

这种后备输入，人工干预的安全性功能如果没有三级系统，实现起来就会变得比较困难。首先，这种功能如果放在二级系统实现，二级系统本身就是实时的控制系统，前面曾经提过，其反应速度一般在秒这一数量级上，因此人很难进行反应。另外，由于没有三级系统，工单的排序、工艺规程全在四级，而四级由于发生故障，信息拿不到，操作人员就是能有足够快的速度往二级系统输，也不知道该输什么指令。这样，对生产就会产生很大影响。另外，如果这种后备输入、人工干预的功能放在四级，由于四级发生故障，那么此时也就更是无能为力了。

总之，一个设计合理的三级系统的存在，对于信息化系统运行的安全性，特别是对于大型钢铁联合企业，对于需要进行异地生产管理的企业来说，是必不可少的。

3) 对于技术规程保密与维护，决定了必须要有三级系统

对于钢铁企业来说，有很多技术的专有知识是企业的核心机密。比如，一些炼钢的规程、轧制的规程等等。这些规程往往是由实际操作的工程人员不断进行实验与总结的结果，是多年经验积累的结果。根据IDS的经验，这些技术规程放在一个设计合理的三级系统比较合适。首先是便于维护，各分厂的技术人员可以根据不同权限直接进行维护。其次，便于保密，各分厂相对独立，各自维护。另外，在四级系统有故障时，还可以直接调用，后备输入。

综上所述，IDS认为存在于钢铁企业的过程控制(二级)与企业ERP(四级)系统之间的三级系统，主要可以解决生产作业的动态优化调度和排序、物流生产和质量信息的在线跟踪以及对突发事件的处理、设备状态的监视及故障诊断等功能；在企业化信息化管理系统中起到承上启下的关键作用，可对生产过程实现全过程高效协调的控制与管理，而且可以对生产过程信息和经营管理信息进行转换，加工，传递，是面向过程的生产活动与经营活动的桥梁和纽带。

“厚四薄三”型 ERP/MES 架构：2. 哪些功能应在三级实现

在进行产销流程设计时，一些功能很显然是必须放在四级系统来完成的，否则就无法在企业这个层面建立一个完整的、集成的信息化管理流程和体系。这些功能主要包括：需求管理、能力计划、销售订单和合同管理、分销与发货管理、主生产计划、生产计划和物料管理。同样，有一些功能是必须由三级系统来完成的，比如生产实绩的收集，二级指令的产生与下达等。但是，还是有部分功能很难明确地说应该在三级系统完成或应该在四级系统完成。笼统地说，这些功能在三级或四级都有可能做到，但究竟这些功能应该放在哪一个层次，需要根据实际情况和需求来最终确定。

这些功能主要包括详细排产、生产执行管理、质量管理、运输管理、仓库管理。在大量的项目实施过程中，结合前面所说的三大设计原则，这些功能往往由三、四级系统来共同完成，每一个层次完成一部分的功能。比如，详细排产这块，一般由四级系统完成所有基于订单的排产和排序功能，而由三级系统接下去完成基于物料件次的排产排序功能。这在生产板材类产品时尤为明显。

1) 详细排产

依据用户合同和市场预测组织生产，制定相应的主生产计划，这个计划相当于目前的年计划和月计划。制订此生产计划时已经考虑到前后工序物料平衡、设备维修和工序产能、损耗、生产准备等情况，并已尽量制定出合理可行的生产计划。上述作业是公司四级系统完成的，并由四级系统向三级系统下达的生产计划。此生产计划是分时段、分品种、分规格的计划，计划可以通过三、四级系统的集成而自动输入，也可以由生产科计划人员向三级系统后备输入。

在三级系统是以工单号来管理的，所以三级系统首先会将四级系统传来的生产计划细分为工单，并形成计划池。比如对于炼钢来说，一般一炉是一个工单，即对应转炉工序是一个熔炼单位，对炉外精炼工序和连铸工序是一个钢包的钢水。对于轧钢，一个工单可能就是一个轧批或者一个钢卷。这些都是视生产及管理的需要而定的。对于这些计划池中的工单，三级系统将进行优化和排序，并形成作业计划。作业计划是具体操作的计划，对炼钢来说可能包括出钢计划、精炼计划、连铸计划等。 对于轧钢来说可能包括轧制计划、平整计划等。

另外，生产调度人员还可以根据产品需求的变化、设备的实际运转状况，对生产计划进行调整。这种调整包括计划顺序的调整，数量的调整。但这些调整都只能对计划池中已有的工单进行。如果，发现仅靠现有的计划池中的工单已无法完成优化或调度，则生产调度人员可以通过三级系统向四级系统申请新的生产计划。比如，炼钢时发生了钢种的改判，而改判的钢种在现有的计划池中无法找到相应的工单，则可以由三级系统向四级系统申请新的生产计划。同时，生产调度人员可以对调整过的计划进行确认，确保生产命令可以正式下发到各机组的L2系统中去。以上就是三级系统中详细排产部分所需完成主要任务。

2) 物料排序

这里的物料排序包括对于原物料的分配计划及物料投入、产出顺序计划制定。比如，轧制时一共用哪几炉的坯子，先用哪个炉号的坯子，后用哪个炉号的坯子。比如，加热炉的上料计划，还有板材轧制时由厚到薄，由窄到宽的规则等等。

3) 物料跟踪和管理

这里的物料跟踪，主要是指对于生产过程中物料的实时跟踪。生产过程中的每一时刻都必须掌握一个工单相应的物料在某一时刻的生产情况。提供生产过程的跟踪和坯、锭、材出入库的跟踪，及时合理地调整生产作业计划，使生产组织畅通。这里的物料跟踪，还包括库位的管理和库内运输。比如，板卷库的管理，轧辊间的管理等。

4) 过程质量控制

这里的质量控制主要是指在线的检化验和质量控制。L3系统接收L4的质量计划，指导整个生产过程的质量控制及检化验操作；同时，L3收集检化验实绩作为最终质量判定的依据，并能够按照技术部门的要求分类保存。最终的质量判定，一般都在四级系统中进行。

5) 二级指令的生成及下达

在三级系统中一般存放了一些最重要的技术规程。三级系统会根据作业计划以及这些技术规程生成具体的作业指令。这些作业指令是二级系统可以接收的，并可自动下达到二级系统中去。

6) 生产实绩的收集

由于三级系统中承上启下的系统，因此三级系统必须能够将生产的实绩收集上来，并上传到四级系统中去。当然，究竟需要收集多少数据，上传多少数据，不同情况会有不同的要求。

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“厚四薄三”型 ERP/MES 架构：3. 基于SAP的三种不同ERP/MES架构

事实上，ERP与MES的架构模式是有一个发展过程的。在不同的历史时期，由于各种因素的制约产生了不同的架构模式。既使同样基于SAP系统，其与MES的架构模式在不同时期也产生过三种不同的架构。下面我们就介绍一下基于SAP的三种ERP/MES架构类型。

1) 传统型架构: “厚三薄四”型架构

上图所示的架构模式是比较传统的模式，其开始运用的时间较早，在很多钢铁企业都可以看到类似的ERP/MES架构。这种架构的特点是对于产销核心流程ERP层面并不起主导作用。如上图所示，销售订单录入SAP的ERP系统后，相关的需求信息直接进入MES系统。至于产品设计、质量设计、生产计划、详细排产及排序等产销流程最核心部分全部都在MES即三级系统完成。当三级MES系统完成生产计划后，将更新后的信息反馈给四级SAP R/3系统。这种反馈是必须的，因为当完成详细生产计划后，原先在销售订单中录入的交货期可能会有所改变。另外，在产品设计和质量设计后也有可能发现不能满足或不能完全满足客户对产品的质量要求。这些信息都必须及时反馈给四级系统，以使销售人员能及时了解情况并与客户进行必要的沟通。

完成生产计划后，对于生产执行的管理在传统架构模式中也全部都在三级即MES系统中完成。四级系统中也产生所谓的生产订单，但这些生产订单既不是用来进行详细排产的，也不是用来进行生产执行管理的。这些生产订单的唯一用途是接收来自MES的生产实绩的信息，包括时间、数量、人工、批次、物料和质量等所有与成本相关的信息，从而进行成本的核算。也就是说，在这种架构中四级系统的生产订单仅仅是一个成本的收集器，不起任何生产计划和生产管理的作用。

这种架构产生的主要原因是由于在较早时四级ERP系统功能还不够强大，特别是对于产销流程，还没有适合钢铁行业产销流程的四级ERP解决方案。所以，这部分功能也就自然而然的放在了三级系统。其实，这种情况不仅出现在基于SAP的ERP/MES架构中，对于其它ERP系统来说，这种传统的ERP/MES架构也是最常见的一种模式。

事实上，这种架构是受制于技术条件的限制而产生。也就是说由于较早期的四级ERP系统还没有能满足钢铁行业的产销流程解决方案导致了这种“厚三薄四”型架构的产生。因此，这种传统型的架构在流程管理和技术上存在着诸多明显的缺点。

首先，这种架构由于其产品设计、质量设计和生产计划全在三级系统完成，因此在公司这一个层面上就没有一个完整的计划体系。也就是说炼铁、炼钢、轧钢等各分厂的计划全都靠各自的三级系统来完成，但这些三级系统不可能对整个公司层面的资源进行优化与协调。另外，由于产品设计和质量设计在三级系统完成，那么四级系统由于缺乏关键的产品结构数据，因此，既使有了相应的整体计划功能也不可能完成整体的计划工作，或者说只能完成一个很粗很粗的只考虑部分量的概念的所谓的整体计划。

但是，这种整体计划的优化与协调对于钢铁企业来说又恰恰是非常重要的。鉴于这种情况，一些钢铁企业又自行开发了整体计划的功能，并将其放入三级系统，从而使三级系统更为厚实。其实，这时的三级系统已经变成了所谓的三级半系统。

另外，由于缺乏整体计划这个层面，同时，一般来说各个三级系统之间并不是集成在一起的。因此，三级系统就变成了一个个被割裂的计划区域。这些被割裂的计划区域仅根据输入的信息进行计划与排产并输出计划的结果，这些被割裂的计划区域并不会考虑其它工序的实际情况。这种情况，对于实际生产运作的管理来说是极为不利的。要解决这个问题有三种途径，一种是将各个三级系统集成起来，变成一个庞大的三级系统；另一种途径是在各个三级系统上面再架构一个整体的计划系统来完成整体计划与优化的工作，同时也相当于把各个三级系统连在了一起，如下图所示。

也就是说各三级系统间的数据传递主要通过四级系统来完成；还有一种途径是前两种办法的结合，即主要靠架构一个整体的计划系统来完成各个三级系统间的联系，但对于一些特定的区域，也可以直接将几个三级系统集成起来。

还有，这种传统的 “厚三薄四“型架构由于产品设计、质量设计和生产计划全都在三级系统完成，而且每一套三级系统都有自已相应的产品数据结构。这对于产品数据结构的建立与维护都会带来很大的困难。

总之，上述架构是受制于早期ERP系统功能不强而产生的。总的来说，这种架构中三级系统过于庞大，数据结构复杂，缺乏整体计划流程和控制，而且总体开发和维护成本都很高。可以说，这种架构在历史上曾起过积极的作用，它至少架构起了一个完整的信息化产销体系，但就目前来看，这种架构已经过时了。

2) 中生代架构

针对传统型架构的缺点及造成这种架构的直接原因，即没有能满足钢铁企业产销流程特殊需求的ERP系统。SAP公司与钢铁行业的客户一起，合作开发了SAP的钢铁行业解决方案，即SAP钢铁版。上图所示即是基于这种解决方案的ERP/MES架构。

在SAP的钢铁版中首先解决了产品设计和质量设计的问题，这在SAP中被称作产品数据结构。SAP钢铁版的产品数据结构中内置了特征属性的功能，使得用商业ERP软件来架构钢铁企业的产品规范和质量规范成为可能。这样，就把原先在三级系统中完成的这部分功能放到了四级系统，成功地完成了三级系统的初步瘦身。

另外，SAP还推出了SAP APO这样一个强大的功能组件。SAP APO是SAP的高级计划与优化模块，这个模块与原先SAP R/3中的PP（生产计划与管理）模块结合在一起，构筑了一个完整的计划体系，特别是基于特征属性的计划体系。在早期的APO中配置了需求计划和能块计划等用来进行整体资源的计划与优化的功能模块，解决了传统型架构中缺乏整体计划功能的问题。

但对于生产计划与优化这部分功能，APO的功能还不是很强大。虽然上图中在APO部分有生产计划与详细排产的功能模块，但在这里，这个功能模块并不直接产生产计划也就是不直接产生计划工单，而是根据三级MES系统的计划结果来生成计划工单。生成的计划工单主要是用来进行成本收集和核算用。也就是说，在上图所示的架构中，中短期的生产计划还是在三级MES系统中完成。

上述这种中生代的架构，朝解决问题的正确方向迈出了一大步。比如，解决了用商业ERP软件架构产品规范和冶金规范的问题；增加了整体计划体系。但这种架构还不完美，还存在着一些明显的结构性缺点。比如，生产计划及排产的功能还不够强大；整个计划体系被SAP ERP系统一分为二，一部分在SAP的APO中完成，一部分在三级MES中完成。这样，整个计划信息流需要经过 SAP ERP系统进行传递，从而造成信息流较为复杂，系统架构不甚合理。

3) 最新的架构: “厚四薄三” 型架构

上图所示是到目前为止最新的一种ERP/MES架构模式。可以说这也是到目前为止最先进的一种ERP/MES架构。这种架构的层次非常清晰，分为计划与执行两大层次。

SAP APO 与独立的工业模块无缝集成在一起，组成一个完整的计划体系。这个计划体系可以完成从中长期的整体计划一直到分钟或秒一级的作业计划。可以说所有的计划都可以由这个计划体系完成，这是整个信息化管理体系中的计划层。这里，APO中的生产计划与详细排产模块可以真正完成中短期的计划，并产生计划的结果即计划工单。因此，在MES中不再有生产计划，而直接就是生产订单了。

所谓的独立工业模块主要用来完成基于件次的排产工作。SAP APO 中的计划与独立工业模块中计划的区别或者说分工是这样的：所有基于订单的计划，比如产生计划工单，并对计划工单进行排序、分拆、合并等优化工作全由SAP来完成；而所有基于物料件次的计划都由独立的工业模块来完成。比如加热炉的上料计划，再比如生产薄板类产品时基于钢卷的龟壳型排序。

之所以采用这种独立的工业模块主要是因为基于件次的计划与钢铁企业的设备和工艺关系非常密切，很多独立的工业模块中内置了大量的工业优化算法。这些算法模型主要是关注于技术层面，与管理层面的关系不大。而SAP公司作为企业管理软件供应商，注重的管理层面的问题，SAP不会提供类似的工业算法模型。但这并不等于SAP系统做不到这一点。要在SAP系统中实现这些算法也是可以的，但用户必须自已在SAP中建立这样的算法模型，SAP提供建立模型的平台和工具，SAP不提供具体的算法模型。签于这种情况，直接采用这些独立的工业模块，并使之与SAP集成成为一种效率最高的解决方案。

另外，如果要在SAP中完成基于件次的计划也是可以的，但除了要在SAP中建立相应的算法模型之外，还必须满足一个计划工单等于一个件次，一个批次等于一个件次这样的约束条件。这是因为，到目前为止所有的ERP系统中的计划都是基于工单的来进行。所以，在这种最新的架构中，采用了所谓的独立工业模块。当然，这种独立的工业模块除了直接在市场上采购外，也可以由客户自行开发。另外，在这种架构中，SAP ERP系统与三级MES系统构成了一个大的执行层，SAP ERP是企业级的执行层，而三级MES系统是分厂或车间级的执行层。这里保留了现场调整与事件处理功能，主要用来处理突发事件和短期的计划调整，使得三级系统可以及时处理各种现场情况。

在这种架构中，三级MES系统成了名符其实的制造执行系统，即只有执行没有计划。可以说这种架构完成了三级MES系统的进一步瘦身，实现了真正的“厚四薄三”型的ERP/MES架构。

作者：IDS Scheer中国副总裁 王磊