制造操作系统

引言

制造操作系统（Manufacturing Operating System），也称为MOS，是一种旨在系统性地解决制造环境中所有制造操作的软件。与计算设备中常见的用于提供多任务处理和计算机控制的传统操作系统不同，MOS旨在协调各种制造过程中所需的所有事务，例如，跟踪库存、安排生产、监督工作设备等等。

• 制造操作系统是在工业生产车间和工厂中最普遍的基础设施。它们控制着硬件、软件和用户。这些系统有助于改进多项操作，从而在最短的时间内实现最大回报，减少错误，并确保制造过程中的设定和质量。
• 特别是在当前的制造场景中，MOS比以往任何时候都更加重要。工业4.0或第四次工业革命的理念包括自动化、大数据分析、智能机械和其他精细流程的集成，使得高级操作系统的应用必不可少。

MOS能够实现

• 提高效率：通过战略性使用，制造商更容易缩短生产产品所需的时间，从而提高产量。
• 数据驱动的决策：该系统具有数据采集和存储等属性，可以使制造商在收集到的生产过程信息的基础上做出一些明智的决策。
• 改进的质量控制：质量管理工具可以作为MOS解决方案的一部分，以支持在产品的每个开发阶段实现既定的质量。

制造操作系统的主要特点

1. 实时监控和控制

实时监控和控制，涉及公司内部近乎实时的数据通信，应该用来描述MOS。这意味着必须实时监控制造过程中的所有活动，然后管理任何偏差情况，并进行其他更改以增强系统的能力。实时监控是通过在整个制造车间应用传感器、机器接口和数据自动化来系统地收集数据。

主要好处包括

• 增强决策能力：由于生产和设备状态活动的数据流以及可达到的吞吐量，操作员可以频繁地做出决策。
• 减少停机时间：这样可以在故障发生前采取措施，从而降低机器故障造成的成本，例如与预期结果的偏差，如设备故障。
• 自适应控制机制：先进的MOS设备具有集成的自优化功能，包括基于算法的动态优化机制，可以增强机器和其他生产车间流程。

实时控制比简单的过程监控更进一步。这些系统还可以用于发送通知/警报、执行（自主）操作（如改变机器的速度或温度），以及协调不同生产线之间的过程，以实现一致的产出质量。

2. 可扩展性和定制化

• 在制造操作系统中，机器的可扩展性是指生产的速度。对于生产速度或每天交易量发生变化的公司的来说，此功能至关重要。因此，理想的MOS应该是可扩展的，这意味着它不需要进行大规模的重新设计或干扰现有的业务模式。
• 它是信息系统的关键参数之一，这正是通过定制化在可扩展性场景之上增加价值的作用所体现的。这就是为什么组织的状况和制造环境可能差异很大且特定，取决于产品的类型、生产方式和组织目标。这使得MOS的位置非常灵活，允许制造商指定系统功能以反映操作环境，整合个人工具，并根据模型设计独特的界面。

可扩展性和定制化的好处包括

• 无缝扩展：当增加生产设施时，不需要重新设计整个系统。MOS可以扩展，这意味着可以集成更多的机器和数据采集点。
• 生产线的灵活性：MOS的特定模块化允许生产不同类型的产品以及不同的制造方法——例如，离散式、连续式以及在一个生产线上兼而有之。
• 以用户为中心的界面：在这种情况下，涉及仪表板和报告的用户界面是同步的，并且根据功能而变化，以满足用户在操作状态到管理层级的需求。

3. 与物联网和智能制造工具集成

在MOS中集成物联网和使用智能制造工具可以将传统制造转变为数字网络。物联网允许制造车间和机器上的设备之间相互传递信息和知识。

物联网集成的主要方面包括

• 预测性维护：物联网传感器还可以监控其他事物，包括机器的振动水平、温度以及通过它的负载。集成的MOS使用这些信息来预测可能发生的故障，以便采取措施防止计划外的系统中断。
• 数据驱动的过程优化：通过使用物联网设备产生的大量数据，企业可以全面了解流程的低效率。MOS工具还可以使用这些数据来持续优化生产控制和能源使用，以及实时或后处理稀缺资源的分配。
• 自动化和连接性：它还允许设备根据MOS的分析采取行动，例如在需要时改变输送带的速度或开启/关闭特定机器的某个模式。这种连接性创造并加强了一个更具响应性的制造体系，能够很好地应对变化。

当将其与MOS结合使用，特别是与AR等智能工具结合使用时，制造将更进一步。在制造中使用技术的想法使得制造公司可以轻松地模拟他们希望对其制造线进行的某些更改或添加；这在一个称为数字孪生的人工环境中以虚拟方式完成。它仍然可以通过向操作员提供说明或机器数据来提供此类支持，这些数据有助于提高其性能并减少错误。

制造操作系统类型

制造操作系统已经有了很大的发展。这些系统有多种形式，所有形式都有独特的机会和挑战。两个最大的区分因素是安装是在PC上还是仅在服务器上，以及使用的是终端用户许可证还是开源许可证。

1. 本地部署与云解决方案

本地部署的制造操作系统是在公司服务器和硬件上本地部署这些系统。这种部署实践已经持续了数十年，并且有多种好处伴随着特定的风险。

• 完全控制和定制：建议软件和数据都保留为组织的财产，这使得在配置软件以满足特定制造行业的需求时具有很大的灵活性。
• 增强的安全性：由于用户数据存储在本地服务器上，公司可以实施最佳的安全性，并具有最佳的安全控制功能和访问限制。
• 可靠的性能：由于本地部署的系统不需要互联网访问，因此不必担心连接是否会中断。

挑战

• 高昂的前期成本：每件物理设备，如服务器、网络等，都有第一次的高昂成本。其他成本包括与管理IT系统相关的成本。
• 维护责任：所有更改都必须在本地管理，这意味着与此类型的网络相关的操作复杂性很多。
• 有限的可扩展性：与云销售点不同，云销售点易于调整，本地部署系统的扩展需要公司购买其他硬件，这使得它相对僵化且昂贵。

云解决方案基于Web的制造操作系统指的是那些利用万维网技术的操作系统。这些解决方案的灵活性最近才使它们流行起来，因为它们的适用门槛大大降低。云解决方案还可以根据公司的容量进行管理，从而能够处理生产需求的扩展，并适合不断发展的企业。

• 较低的前期成本：订阅模式对公司有很多好处。没有大量的资本货物初始投资，企业可以以运营费用（OPEX）而非资本支出（CAPEX）来运作。
• 自动更新和维护：在其他情况下，供应商负责系统的更新或维护，确保程序定期更新，而不会给内部IT部门带来很大压力。
• 远程访问：由于基于云的MOS可以从不同地点访问，因此对于管理多个站点来说更方便；总的来说，它为异地监控和监督提供了更多的机会。

挑战

• 数据安全问题：如果制造数据存储在云端，可能会出现许多问题，例如数据泄露或不符合法规遵从性。
• 依赖互联网连接：互联网的相关性也可能成为云系统性能的担忧，因为互联网可能不太可靠且速度较慢。
• 有限的定制：因此，虽然云解决方案可能提供个性化，但仍很清楚，这种解决方案将比本地部署的系统更标准化。

2. 专有与开源系统

专有系统是由特定公司开发和销售的外部制造操作系统。客户购买许可证在其业务中使用该软件产品，并从供应商处获得服务支持，而代码所有权保留给客户。

专有系统的主要特点

• 供应商支持：多项服务，如客户支持、专业开发和更新的功能。
• 集成解决方案：可能包含许多集成的应用程序，这些应用程序通常紧密连接，并且不需要任何其他应用程序。
• 可靠的性能和更新：供应商始终负责软件的持续更新和没有危险的缺陷。

挑战

• 成本：尽管它们可能因服务、产品和其他变量而异，并且对于简单的软件或应用程序或基本的POST请求可能负担得起，但对于可能带有按用户或按设备收费的完整功能或企业级应用程序来说，它们可能非常昂贵。
• 有限的定制：“过时”软件的用户对供应商提供的产品选择很少，而且与简单地更改源代码相比，他们几乎肯定服务不周。
• 对供应商的依赖：供应商为企业提供更新和支持，如果供应商停止生产该产品或更改价格，这可能会很困难。

开源制造操作系统可免费获得，用户可以轻松定制。这些系统源自可以轻松修改以满足某些业务规范的源代码，因此非常灵活。

开源系统的主要特点

• 高度可定制性：它赋予企业组织源代码所有权以及修改它的机会，特别是根据各种生产规范。
• 经济高效：一些制造商会喜欢容易找到标准的产品，这是因为不需要许可的产品是从开源获得的。
• 社区驱动的创新：由提供插件、改进和附加功能的开发者支持，形式为插件。

挑战

• 有限的官方支持：开源系统的一个主要弱点是拥有一个活跃的用户社区；但是，它不包括大多数典型程序提供的个人客户支持。当某些法律事务所希望拥有内部专家来运行和故障排除时，这可能更受青睐。
• 安全风险：源代码的开放性意味着，如果未经检查，其中任何一个都可能构成安全威胁。这些在企业中发生的更改和扩展必须安全地完成，并符合行业最佳实践。
• 实施的复杂性：转换和安装开源MOS的过程稍微复杂一些，并且将再次需要专业的IT人员来管理内部和外部的互连、集成以及更新。

在专有和开源系统之间进行选择

导致采用专有系统的最重要的因素包括技术知识、财务实力和定制程度。需要持续支持并拥有多种可能性的组织必须选择专有系统，而拥有合格 IT 部门和个人需求的组织可以开发开源系统来适应组织的需要。

流行的制造操作系统

1. 西门子制造运营系统

西门子是一家工业自动化和数字化公司，几乎在世界每个国家都有业务。工业4.0软件是一系列互联的生产应用程序，旨在增强先进的制造过程。其目的是将整个制造的顶峰转化为西门子硬件、软件和数据的庞大解决方案。

关键解决方案

• SIMATIC PCS 7：这是一个高度发达的技术环境，用于在采用DCS格式的各种行业中执行强大的自动化程序。它具有清晰的架构以提高就业率，丰富的处理数据的多功能性，以及强大的流程控制工具。
• MindSphere：西门子的MindSphere是一个数字孪生解决方案，用于控制和维护从其智能设备收集的数据，以实现基于条件的维护、能源消耗控制和过程增强。它集成了产品、工厂和系统，提供了一个实时信息的通用点。
• Opcenter是一个应用于制造的综合系统，负责生产计划、管理和监督生产以及评估质量。它尤其因提高运营效率和确保所有领域的法律规定而受到赞赏。

2. 罗克韦尔自动化制造操作系统

另一家制造和销售工业自动化的行业巨头是罗克韦尔自动化。其专有软件旨在实现数据、自动化和运营智能，目的是提高其效率。通过认识到数字化转型是其优势，该公司已将其解决方案与制造组织必需的解决方案保持一致。

关键解决方案

• FactoryTalk Suite：这是一个大型集合，包括FactoryTalk ProductionCentre、FactoryTalk Historian 和 FactoryTalk View。这是一个现代化的组织，正在增加其运营协同作用和自动化，并提供对最新生产KPI和杠杆的洞察。
• Allen-Bradley 控制器：许多工业过程的高级控制也是使用Allen-Bradley PLC结合罗克韦尔的软件执行的。在重载情况下，这些控制器通常被认为非常可靠且高效。
• Plex Smart Manufacturing Platform：这是一个面向离散和流程行业的云解决方案。其内置功能包括供应链、生产和质量控制，提供广泛的制造视图。

制造操作系统的独特方面

• 自适应制造能力：大多数当今的制造操作系统正在被修改以纳入自适应制造的概念，以适应数据驱动的变化。这种能力帮助制造商在制造过程中以很少或没有人工协助的压力来转移生产焦点、改变工作流程和定制产品。
• AR集成：一些前瞻性的制造操作系统现在正在实施AR工具来协助操作员或技术人员。当数字信息叠加在此环境中时，这些系统还可以指导工人完成组装设备的工作流程、如何分解和清洁机器，或解决问题的决策树，这些信息会显示在表面上。
• 边缘计算以实现更快的处理：例如，由于延迟如何影响实时决策，特别是在制造系统中，一些系统正通过采用边缘计算来消除延迟。这意味着数据处理直接在工厂车间进行。本地存储数据对制造商非常有利，因为它使他们的操作感觉像实时操作，并且不会拥塞中央系统。
• 能源管理集成：可持续性和能源效率表现正成为支持制造操作系统必不可少的属性。复杂系统包括能源控制仪器来估算能源使用。它还有助于降低成本并满足法规标准要求。
• 网络安全增强：工厂中的当代安全措施包括其他形式的安全，例如检测可能阻止生产或泄露数据的异常。
• 增强的人机界面：较新的人机界面（HMI）已逐渐发展成为一种主导性的用户界面概念下降，系统变得不那么复杂。先进的人机界面可以集成手势、语音识别或触摸屏，使工人和设备之间的交互更加友好。
• 合规性管理：制药、食品、飞机制造等行业有严格的法规要求。商业制造操作系统正在引入模块，以自动记录符合监管机构要求的情况，并最大限度地减少与审计相关的困难和风险。
• 基于数据的质量控制：在操作系统中对质量进行检查的内容，现在通过使用预测性分析的高级审查进行检查和预测，以在出现问题之前。这些洞察和模式反映在实时数据中，表明未来的产品缺陷可以完全避免，从而增强消费者对产品的信心。
• AI驱动的工作流程优化：制造行业正在将人工智能整合到其业务和运营管理系统中，以编程复杂流程，并最终找出哪些区域已成为约束的空间。
  
• 协作机器人：现代生产线正逐渐计划与协作机器人或cobots一起使用。这些集成了设计元素的cobots具有安全措施和传感器，用于检测人为干预。这意味着操作系统除了在人员和机器人之间自由通信之外，还充当发生的流程的控制器。
• 微服务架构：目前，一些复杂的制造操作系统处于微服务架构下，其中各种关键组件是独立的。出于同样的原因，它与大多数ERP系统普遍组合的方法相比，提供了更多的修改和扩展单个组件的选项，在这些系统中，即使是很小的更改，也需要付出努力——这已经是固有的。