为什么离散制造业的工业管理软件难开发？
素材提供：千妙科技产业观察 知识分类：业界拾贝 关键词：MES,智能制造 发布日期：2023-09-19
市场需求决定了MOM产品的平台化、供应商的规模化是必然的发展趋势。
【尊重原创，网摘文献仅供学习。作者：国机智能技术研究院有限公司 孔祥君 高云鹏 吕海洋，原文刊载于《新型工业化》2023年第09期第13卷】
制造运营管理系统（MOM）承接企业运营管理环节的生产指令，与企业资源计划（ERP）及产品全生命周期管理（PLM）等系统紧密集成，按照产品设计及工艺要求，组织并管理生产制造相关的人、机、料、法、环等各类要素，实现从生产订单下发到产品完工入库之间的计划排产、作业执行、物料配送及流转、质量检验、设备维保等企业相关业务的数字化、信息化、智能化，是制造企业建设智能工厂的核心系统。离散制造业普遍在生产制造环节具有生产组织灵活多变、人工参与度高的特点，尤其是对于复杂装备制造相关行业，更是呈现产品结构复杂、定制化程度高、多品种小批量等特点。相对于流程制造业，离散制造业在生产制造环节的信息化、数字化、智能化的程度相对较低。
近年来，制造运营管理系统作为支撑制造企业生产制造环节信息化、数字化的核心工业软件，受到越来越多的离散制造企业的重视和应用。MOM领域的技术和服务水平成为我国离散制造企业数字化转型的决定性因素之一。制造执行系统（MES）自20世纪70年代出现以来，一直是制造企业生产环节信息化管理必需的信息系统。根据ISA95-2010中的定义，MOM主要覆盖生产制造过程中12种类型的业务活动，通常也被认为是MOM系统应该具备的功能模块（图1），其中包括基础资源管理相关业务（资源分配与控制、文档控制、人力资源管理三类）、与生产计划及组织相关的活动（详细工序排程、生产派工、工艺过程管理、数据采集、生产跟踪、质量操作管理、物料管理及跟踪、绩效分析）。
图 1 ISA95—2010 定义的 MOM 所覆盖的业务活动其中的物料管理及跟踪是ISA95-2010在ISA95-2000对MES定义的基础上新增的一个业务域，也可以看作是MES和MOM管理业务域的主要区别。相比于ERP系统，MOM系统可以将生产计划和调度的细度由订单级细化至工序级，将进度采集的颗粒度由周/天细化至天/小时，对于一些特定工艺，更可以实现作业过程的工步级管控，因此大幅提升了生产管理的精细度和实时性。我国自2000年前后开始出现第一批专业提供MES系统软件和服务的供应商。部分企业从代理欧美国家的成熟MES软件起步，后逐步开始自研系统。其服务的目标行业起初主要集中在汽车、电子、电器等相对批量化、流水化，工艺相对稳定，基础管理相对较好的一些离散制造行业，后来逐步扩展到对MES系统有较大需求的复杂的装备制造行业。随着“中国制造2025”相关战略的推进，MES成为企业建设智能工厂/数字化车间所必需的软件系统，其市场需求猛增，从而带动了一大批MES厂商的出现。据不完全统计，我国目前MES厂商有数百家，但市场集中度极低，绝大多数MES厂商所服务的行业局限在特定的行业，且定制化程度很高，因此很难发挥软件的低/零边际成本复制性的优势，难以壮大自身规模，使MES行业呈现出大而不强的明显态势。近年来，随着离散制造企业数字化需求的成熟和发展，MES系统逐渐演变为制造运营管理MOM。除了MES系统覆盖的生产计划相关业务活动，MOM还包括仓储物流管理、质量管理、设备管理。相比于覆盖某类车间生产执行的MES系统，MOM既是一类软件系统，也是一种管理理念的体现。MOM覆盖的业务域更广泛，包括与生产制造紧密相关的物流、质量、设备，促使生产制造环节各业务紧密集成、协同的优势更为明显，更有利于生产制造相关业务的一体化管控。因此，从MES到MOM发展的驱动力不是厂商的“圈地”行为，更多的是制造企业的数字化、信息化的提升需求。作为一种管理类工业软件，MOM一直未能像同为管理类软件的ERP一样出现大的平台型产品或者具有较高市场占有率的供应商。根据2022年数字化企业网的统计和预测，国内年度市场规模约为60亿元，并有超过10%的平均年增长率。而国内目前离散制造业MOM厂商鲜有MOM业务规模超过亿元者。以此推算，目前中国尚无整体市场占有率超过5%的产品和厂商,如图2所示。
离散制造业MOM系统未能形成平台化、规模化的原因及其迈向规模化的壁垒和技术难点，包括以下几点（图3）：
（1）在MOM系统研发方面，难以形成对不同生产组织模式及工艺类型均能够高度适配的平台化产品，即平台化产品的研发难度很高；（2）在系统实施应用方面，难以与企业流程上游的信息系统及下游的设备产生顺畅而有效的数据交互，导致其运行不畅，而这背后则是对MOM从业人员服务能力和用户企业基础数据提升的要求；（3）在知识传播方面，缺少理论体系的支撑，导致行业从业人员及用户对MOM难以形成共识，从而导致行业人才的培养以及对MOM的学习、掌握、应用存在一定困难；（4）MOM作为智能工厂的核心系统，其上游关联经营管理、设计工艺、供应链等多个业务域，且MOM的成功实施往往需要对上游业务系统存在的问题进行梳理和解决，因此对实施人员的能力要求较高，但目前行业从业人员的水平与用户对服务能力的需求存在差距，无法满足行业快速发展的需求。MOM对生产制造相关业务的适配性包括以下三个方面，如图4所示。
生产组织主要包括计划排产、任务分配、物料的领用或配送、质量检验模式等[7]。其主要内容是支撑生产管理人员进行生产任务及相关支撑任务活动的组织，并将任务指令传递到具体的执行人员或者设备进行最终的执行。对生产组织模式适配的难点，一方面，根据产品的批量特点、产品结构复杂度、工艺特点等会产生很多细分模式，比如生产物料的领用，有按单个订单单独领料、按多个订单合并汇总领料但仍区分物料与订单的对应关系、按多个订单汇总领料但不区分物料与订单的对应关系等多种模式；另一方面，对于离散制造业，由于大部分企业具有多品种、小批量、定制化特点，其工艺稳定性、供应链可靠性不佳的现实导致很多客观存在的异常，这些异常需要MOM以异常模式进行适配，比如装配时软件、领料后物料清单（BOM）变更等场景。若MOM系统不能支持这些异常模式，则会造成系统内信息与实际执行的业务不符，即出现线上线下业务“两层皮”的情况，导致系统失去对业务的支持和管控。对于离散制造业，不同工艺类型车间的生产组织模式及管控重点有很大差异。对于冷加工工艺，如机加工、装配、下料、冲压等，管控的重点在于计划排产、任务调度、物料齐套配送、材料利用率或设备综合使用效率等，管控的颗粒度一般是在工序或工位任务层级，且根据所生产产品的类型特点会有不同的模式差异；对于热加工工艺，如焊接、铸造、热处理等，管控侧重点除了包含生产组织之外，关键在于通过工艺执行的合规性管控实现对过程质量的控制，这要求MOM进行工步级细化的数据采集和管控，因此MOM一般需要实现与工艺设备的集成，以进行实际执行工艺参数的采集、记录以及合规性的实时对比管控。由此可见，不同工艺类型的离散制造车间，对MOM系统的功能要求差异很大。中大型的企业一般都具有多种工艺类型的车间，且不同车间之间通常有紧密且频繁的物料供应关系，如铸造件毛坯供应机加工车间，机加工件供应装配车间，下料车间毛坯供应焊接车间，下料毛坯和焊接件均供应装配车间，而车间仓库对以上车间均有物料供应和接收关系。因此，每类车间部署一套MES/MOM系统会产生大量的系统集成，造成跨系统的计划和物流协同，性能和数据一致性难以保证。因此，支持多种车间类型的MOM系统是企业的最佳选择，但这对系统功能、工艺的适配性提出了很高的要求。MOM系统是一个管控到工序甚至是工步级细度的系统，生产执行最末端的操作工、库管员、配送人员、质检员等人员每天需要在系统中进行高频率的操作。因此，MOM系统必须结合操作的批量、空间、时间等工况，将每个操作的易用性做到最佳，而对于具备与设备集成进行数据自动传递的情况，则应尽量实现集成。因此，项目实施过程中需要实现操作页面的快速高效定制化，并且在后续使用过程中，随着现场工艺的升级，MOM系统的相关功能也需要由用户企业人员进行修改适配。对此，MOM系统必须具备支持页面快速开发和修改的低代码开发工具，而这对于团队规模普遍不大的多数MOM供应而言也是一个不小的挑战。如图5所示，MOM/MES系统在整个制造企业智能工厂中的位置决定了其管理的业务流程处于企业整体流程的末端。而ERP及PLM系统的物料主数据、计划数据、制造BOM数据、工艺数据、采购到货信息是MOM系统运行所必需的输入，是MOM运行顺畅的生命线。但对于大部分离散制造业而言，这些数据的质量普遍不佳。其中常见的问题包括物料的一物多码、制造BOM不准确甚至是缺失、工艺数据结构化程度不够、采购到货信息不能及时录入等。这些数据问题对上游系统本身的运行效果会有一定的影响，但一般不会影响其运行过程的顺畅性。但对于MOM系统而言，这些数据问题往往会对MOM产生严重的阻断性影响，导致其流程无法顺畅运行。以制造BOM不准确问题为例，虽然企业制造BOM不准确，但依然可以进行物料需求的运算和成本的核算，不会对结果产生大的影响。但对于MOM而言，制造BOM不准确会造成装配车间的物料无法按照用料时间和用料工序/工位进行物料的配送，造成车间现场缺料或者物料提前配送的混乱状况。
MOM系统与生产设备，如机床、焊机、熔炼炉等进行集成，可实现实际工艺参数、生产进度的自动采集，从而减少人工操作，提升使用效果。MOM与设备的集成在技术协议方面一般不存在问题，问题往往出现在数据交互方面。最常见的问题是MOM系统与设备能够连通，但MOM需要的数据，设备却无法提供，而设备能够提供的数据并非MOM业务功能所需。尤其是对于企业已有设备的集成，往往出现难以说服设备厂家临时开放所需数据变量的情况，或者需要付出昂贵的代价。MOM与设备在集成过程中，存在某个环节的关键数据无法自动采集的情况，从而造成企业管理流程无法顺畅执行，这通常会使MOM的使用效果大打折扣。ERP系统经过多年的发展，已经具备了较为成熟的理论体系，各类教材资料相对完善。与ERP相比，MOM目前尚无成熟的理论体系，加之MOM系统所管理的生产制造业务域的多样性、灵活性等特点，造成MOM行业整个产业链上知识传递的困难。研发人员、实施人员、集成商、终端用户等对MOM的知识掌握和传递缺乏统一的模型和术语。理论体系的缺失也会造成后备人才培养的乏力，这对MOM行业的健康发展有着潜在的深远影响。MOM行业平台化、规模化难度高，但行业的入门门槛很低。针对特定场景开发一个具有特定功能的MOM系统并不困难，因此MOM行业没有大企业，多数为中小规模企业，甚至有大量的微型企业。行业缺少大企业造成行业对高水平人才的吸引力不足。另外，MOM的主要应用场景在生产现场，要积累业务知识就需要在工作环境相对艰苦的车间深耕，这也是留住高水平IT人才的障碍之一。而缺乏理论体系带来的另一后果就是无法从高等教育阶段设置专业课程从而引导高素质人才进入本行业。以上种种原因造成MOM行业从业人员的整体水平与用户需求存在差距，因此MOM的平台化、规模化之路还很长。MOM系统需要与设备紧密集成，需要采集并处理大量的实际工艺执行参数信息。而所采集的海量工艺参数也需要在设备端进行一定的初步过滤、运算，随后设备将有效的或者MOM中管理目标所需的数据传回MOM进行处理利用。例如，对于焊接过程的工艺参数，焊机数据采集系统在采集到焊接的电流、电压等工艺参数后，需要将真正施焊之前的试焊阶段的无效参数过滤掉，只将真正施焊的工艺参数传回数据采集平台进行存储。MOM系统则从数据采集平台获取数据工艺参数，与无损检测的结果数据进行综合运算后，产生工艺参数，优化反馈信息。因此，边云协同的架构是MOM系统技术架构的未来趋势。另一方面，为了支持最终用户的运维人员根据自身的业务场景需要进行MOM系统功能页面的定制、修改、扩展等，MOM系统必须具备低代码开发支撑能力。因此，PAAS化是MOM系统技术架构的另一发展趋势。MOM除了覆盖计划协同及任务排产、仓储物流管理、质量管理和设备管理四部分业务功能外，未来还将会向企业业务链的上下游扩展，向上游的生产计划、采购部分等业务延伸。一方面，MOM作为生产管理的核心系统，物流仓储、质量检验、设备维保等业务与生产计划及作业执行紧密相关，生产计划排产及现场工序作业执行过程中必然存在物料配送及转运、工序检验等过程，将这些业务通过MOM平台进行集成并统一管理是生产顺畅运行、生产过程受控、提高生产精益化的重要保证。因此，MOM系统将“责无旁贷”地向物流仓储、质量检验、设备维保等业务延伸。另一方面，MOM将向采购到货后的业务延伸。MOM系统实施后，车间现场随之增加MOM系统运行所必需的工控机、手持终端、工业平板等设备，因此车间现场的物流人员、操作工等使用统一的MOM系统和所配置的信息化终端进行物料接收等业务，可以避免同一个角色使用多个软件或硬件系统导致的软硬件切换问题，提高操作便捷性，更重要的是能保证采购物料出入库登记的及时性，保证账实相符，从而为生产计划及任务的安排提供更为准确的物料齐套数据支撑。对于离散制造业，不同规模的企业结合自身的需求特点和资源配置，对MOM系统的建设方式各不相同。总体上，MOM建设方式呈现出三种趋势：对于小型制造企业而言，MOM的SaaS化趋势明显。小型企业的生产相对简单，管理的复杂度相对较低，对MOM的需求主要集中在进度统计、关键物料或产品的扫码记录等方面，需求相对简单，容易标准化，可以通过使用SaaS化MOM进行满足。另一方面，小型企业在信息化的资金投入、人员投入等方面相对有限，因此SAAS化的商业模式也容易缓解其一次性资金投入的压力，并且为企业节省运维人员的投入。因此，中小型制造企业的MOM向SaaS化发展是目前的趋势。对于中大型企业，选用专业供应商的第三方平台产品是目前的趋势。一方面，中大型企业的生产制造业务的复杂度较高，不同生产类型对MOM的需求特点差异化大，管理需求不仅面宽而且部分环节管理的精细度也高，业务量大，数据量也大，因此对MOM系统功能的完备性、适配性、可靠性、扩展性都具有较高的要求，一般不容易通过短期的定制化开发解决，需要相对成熟的平台化产品方能满足。另一方面，多数中大型企业的信息化团队并不具有足够专业的软件设计和开发能力，难以支撑一个能够充分满足企业需求的、较为复杂且可靠的MOM系统的设计和开发。因此，对于中大型企业而言，选用专业供应商所提供的成熟的MOM平台是更好的选择。对于超大型的集团类离散制造企业，自研MOM系统也不失为一种选择。多数超大型企业具有较大规模的信息化团队，甚至是专业的信息化、数字化公司，这类企业不仅具有自研MOM系统的能力，而且可以根据企业自身生产制造的特点开发更适应企业自身业务需求的MOM系统。自研系统与工艺的适配性、易操作性可根据自身的特点由自有信息化团队进行反复修改打磨从而不断提升。除此之外，超大型制造企业的信息化团队还具备将自研自用的MOM系统向同行业进行推广复制的能力和意愿。因此，目前多数超大型集团型制造企业均自研MOM系统，这也将是未来一段时间内的趋势。MOM系统是我国离散制造业在生产制造环节实现数字化、信息化、智能化的核心工业软件，也是离散制造业数字化转型的关键要素。由于离散制造业在生产制造环节的多样性、灵活性等特点，加之我国MOM行业自身所处的发展阶段和水平，系统的平台化仍存在很大的难度。但市场需求决定了MOM产品的平台化、供应商的规模化是必然的发展趋势，且存在充分的可行性。我国制造业具有对MOM的巨大市场需求和培育土壤，加之MOM系统供应商前期的积累，因此，我国通过加强MOM产品锻造和知识体系建设，不断提高行业从业人员和后备人才的水平，并通过业务架构和技术架构平台化、行业供应商集中化和规模化的发展路径，未来MOM系统将逐步满足离散制造企业对MOM平台完善度及供应商服务能力日益提高的需求。 
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