西门子制造执行系统平台SIMATIC IT是优秀的工厂生产运行系统平台，其提供了“极型化”的理念，可用于工厂建模和生产操作过程的模拟；其整个功能体系都是依照功能以模块和组件的协同工作来执行的。此平台的优点包括：实施的制造执行系统项目采用ISA-95国际标准进行整体流程的搭建，可以满足几乎所有生产执行功能的要求；以“框架+组件”的灵活结构，提供方便和可配置的系统功能来满足客户需求；在技术层面上采用以服务为支撑的业务流程，对外接口可以使用标准通信协议；对于定制化的功能，提供系统接口和开发环境，对外数据的传输进行定制化开发。

简单来说，西门子制造执行系统平台SIMATIC IT完全契合企业系统与控制系统集成的国际标准ISA-95，且由一组专门的组件和软件库组成。图4.2所示为SIMATIC IT在整个企业系统中的层级功能以及与上、下游系统的关系。

图4.2　SIMATIC IT在整个企业系统中的层级功能以及与上、下游系统的关系

西门子有世界一流的硬件控制系统，能与SIMATIC IT进行无缝连接，而上层的生命周期管理产品也为西门子重要的产品设计软件，能够和SIMATIC IT进行工艺文件传递。对于第三方的底层控制系统，SIMATIC IT可以使用标准的OPC协议进行数据采集；对于上层的其他业务系统，可以使用B2MML的国际标准数据协议进行通信。

SIMATIC IT有一整套建模体系，所有的工作流程都可以在建模器中建立实际的模型，模拟工厂的生产状况。为了实现流程的多样化适应目标，可以在编辑更新流程的时候使用不同版本来控制，这既更新了产品生产的流程，又使原有的模型不受影响，给产品生产增添了许多灵活性。在建模过程中对每一个模块的定义和流程段的说明，更让整个工厂的生产处于透明化监控之下。

在SIMATIC IT建模器中，每一个图标都是一个功能控件，SIMATIC IT提供了丰富的功能控件来以图形的方式进行设计，并用拖拉和连线的方式快速建立各种流程，以配置内部信息，从而将不同的流程集成为一个系统。这样的生产线建模大大地减少了工程量，提高了部署速度和可扩展性。

1.数据展现和功能系统

制造执行系统需要尽可能地采集生产线上的数据，以便实际分析整个生产的运行情况。SIMATIC IT通过与底层控制系统集成来实现数据采集，借助不同领域的行业库完成行业规范的各种分析和运算，然后给管理业务部门提供进行决策的重要数据。对于不同的需要，从流程行业到离散行业，SIMATIC IT产品都可以提供数据相关的解决方案，实现数据采集与数据交互。

在构架数字化工厂的战略中，西门子在企业管理层的智能套件、研发套件和产品生命周期管理软件都与SIMATIC IT对接，并将企业层面的工艺设计数据、产品研发数据、行业规范数据和工单物料数据都传输给制造执行系统，让多方位的系统融入数字化体系，打通封闭的数据孤岛，在制造执行系统作为中心通道的框架下共享整体制造的丰富信息。

从图4.3可以看到，SIMATIC IT是一个系列产品，包含了几乎整个制造行业的各个方面和相关系统，其行业库更是覆盖从离散到流程的全行业。其中针对生命科学，因其行业的特殊性和行业合规的严格审查制度，SIMATIC IT有特殊的产品和解决方案来满足客户需求。所有这些行业库都基于工厂的数据采集，还有其他周边软件系统提供的业务信息，例如订单信息、物料信息、工艺信息等，然后进行数据整合并生成制造执行系统需要的结果，当然这些整合后的数据将和其他系统共享。因此，原始数据和数据采集成为制造执行系统成功运行的关键。

图4.3　SIM ATIC IT制造行业产品组合

1）控制系统的数据管理

数字化系统的重要基础就是数据的获取和存储。SIMATIC ITHistorian是西门子制造执行系统解决方案中的重要模块，是专门用于数据采集、数据处理和数据分析的组件，它可以从各种不同的设备中采集数据，也可以对来自各种不同系统的数据进行统一使用和存储，以满足企业对数据收集和利用的需要。

SIMATIC IT Historian可以作为一个独立产品使用，即单独为企业提供数据采集、处理和管理的解决方案，但其更重要的功能是作为生产线数据的收集系统，为制造执行系统项目提供实时和现场的第一手信息。如果选择了西门子制造执行系统整体解决方案，SIMATIC IT Historian就会起到信息中心的作用，并通过制造执行系统为企业提供高效的关键绩效指标分析。

在国际标准ISA-95的范围内，SIMATIC IT Historian可涵盖以下领域：

（1）实时数据采集；

（2）历史数据管理；

（3）生产过程分析；

（4）质量标准监控。

模块中主要的名词解释如下：

（1）数据点（Tag）：每一个数据点是需要采集、验证和归档的最小单元。

（2）数据获取通道（OPC DAC）：自动配置连接数据点和WinCC无缝连接。

（3）工厂绩效分析器（PPA）：存储采集的各种数据。

（4）历史数据展示（HDD）：对收集的数据进行各种图形曲线展示。

（5）管理工具（PAT）：管理数据采集的项目和数据库，以及备份数据库。

（6）工厂数据备份（PDA）：压缩大量数据到备份数据库。

在应用层面，SIMATIC IT Historian进行数据连接时，可在网络上直接看到所有的OPC开放服务器，这就简化了不同系统之间的协议，因为根据OPC的标准协议，各种不同厂商的数据系统都可以连接SIMATIC IT，如此就降低了数据采集的难度，而这些硬件设备就是数据点的信息列表。

数据连接配置过程如下：

（1）自动在网络中寻找OPC服务器；

（2）选择数据采集的OPC服务器；

（3）选择具体的数据点。

在连接遵循标准协议的第三方控制系统的时候，SIMATIC ITHistorian的配置过程非常简单，在网络通畅的情况下，输入几个系统配置参数，数据服务器之间就开通了数据通道。

一般来说，自动化设备只保证生产运行正常就可以了，并不保存过往的数据，其监控画面主要用于实时管理，而制造执行系统却可以完整保留生产的历史数据，两者结合，就可以对生产进行追溯，对效率进行分析，起到之前工厂单个系统难以达到的作用。在数据接口为标准的状况下，制造执行系统对自动化设备的数据采集会成为简单的配置过程。自动化系统原先并不保存的历史数据也将完整地存储在制造执行系统中，这样就给出了针对整个生产线分析的基础数据，而在数据采集的过程中，实时数据的展示也是SIMATIC IT Historian的一大亮点，它可以像WinCC的人机界面系统一样，直接监视现场生产的状况。

2）业务系统的数据管理

对于工厂生产业务来说，物料管理是个典型的范例，它关联了客户的订单、生产的工艺以及人员和物流的各种信息。在数字化工厂的体系下，整个生产过程中的物料流动带动了生产信息的变化，也把制造执行系统大框架内上层和下层的数据整体结合了起来。

物料管理器（Material Manager）是SIMATIC IT的主要功能器件，不仅存储物料信息，而且记录物料与整个生产过程中的工单、装配、成品等的一系列关系，在物料追溯过程中起到整齐划一的作用。在SIMATIC IT中，物料的管理有着非常有规划的结构。

物料管理器的功能就是帮助回答ISA-95国际标准中“什么可以被生产”的问题。针对物料在生产中的应用以及物料的管理，SIMATIC IT使用了层级性定义的方式关联物料，并说明物料之间的各种组合关系。

物料的结构如下：

（1）系统中有层级关系；

（2）按照结构进行定义；

（3）层级和顺序相互关联。

对于物料来说，构建物料体系颇为重要。为了区分各种不同的物料，以及在系统中可以顺利地查找物料，SIMATIC IT使用物料类型（Type）、物料类别（Class）和物料定义（Definition）的层级架构定义整个生产过程中的各种物料及其相关属性，如图4.4所示。SIMATIC IT要求不能有无法归类的物料，如果有了这样的物料，系统对成品的定义将无法实现，在生产过程中，无法归类的物料也将使物料清单难以有完整的说明，生产质量无法保证。

（1）物料类型：

①其定义了一组物料类别，所有都和某特定生产相关。

②对于一个物料类型，可以有多个物料类别与其对应。

（2）物料类别：

①其定义了一组物料定义，用来在生产排程或生产过程中使用。

②对于一个物料类别，可以有多个物料定义与其对应。

（3）物料定义：

①其描述生产所拥有的相似特性，这些相似特性可以用来描述生产的产品。

②对于一个定义，可以有多个物料批次与其对应。

图4.4　物料层级架构

在物料被定义清楚之后，实际的物料将按照物料定义进行管理，管理的方式以物料批次（Lot）为概念，以实际物料使用的单位为量度，进行实际生产中需要的物料批次和物料子批次（Sublot）的划分。一个物料批次只能是同一种被定义的物料，如图4.5所示。

图4.5　物料定义架构

（1）物料批次：

①其序列号代表了特定数量的物料定义。

②对于一个物料批次，可以有多个物料子批次与其对应。

（2）物料子批次：

①其代表物料批次中某一个可管理的部分。

②在生产中，可为特殊物料定义的实体。

对于数字化工厂来说，物料清单是从工艺设计软件导入制造执行系统中的。数据在各种系统之间的传递，让生产系统能够自动获取正确的设计信息、工艺信息。整个生产工艺带动了正确的物料需求，而生产则会以物料清单（图4.6）为基础进行装配，整个装配信息又存储于制造执行系统中。

图4.6　物料清单

（1）标准物料清单包括物料、名称、数量、单位等信息，例如汽车的车身、车架、电动机、车轮。

（2）配置物料清单包括编辑详细物料清单、管理物料清单属性等信息，例如，整车需要4个轮子的零、部件配置比例，车身颜色的属性。

物料在生产过程中不是不变的，而是不断变化的。为了满足对物料处理的说明，SIMATIC IT提供了一整套物料生产的辅助功能，可以对物料的搬运工具进行定义和说明，并对物料在生产区域中的存放和移动进行记录。

（1）辅助配置：

①搬运单元：代表某种可以批次装入物料的容器，如托盘（Pallet）和箱（Box）。可以向其中添加物料，也可以从中全部或部分地取出物料。

②物料位置（Location）：位置为物理性的区域，用来存放某批次或子批次的物料，如工位、线边库。位置信息可以和在建模器中定义的车间（Site）和区域（Area）关联。物料可以在位置间移动。

（2）物料管理器——追溯：

①向前追溯：系统展示对生成所选择的物料批次而进行的操作。(www.daowen.com)

②向后追溯：系统展示对使用所选择的批次而进行的操作。

SIMATIC IT的物料管理器有网页和视窗应用两种显示界面（图4.7），可方便地按照物料类型进行定义，并且对实际的物料进行批次区分。所有的物料都用唯一序列号进行编码，而相关物料的层级关系与实际物料的对应关系在系统中都给予了结构化的展示。

图4.7　物料显示界面

2.生产过程和生产管理

传统企业的生产信息（机加工、热处理）大都是通过纸质介质进行记录的，由于生产信息比较多，容易出错，质量检验信息只记录结果，不登记具体数值，质量检验部门只知道检测结果，而不清楚检测数值，而当产品质量出现问题时，收集当初的生产信息和检验信息比较困难，尤其对于大批量生产的产品，问题更为严重。

SIMATIC IT使用了一系列功能产品来保证生产过程中的正确运行。SIMATIC IT的优势就是在各类数据被采集之后，这些数据能在系统中按照功能定义进行相应的联系，从而使生产正常而有效地进行。其中产品定义和人员管理就是生产过程中不可或缺的重要功能。

1）产品定义和产品生产

产品定义管理器（Product Definition Manager，PDefM）是SIMATIC IT的一个组件，用来更简便地管理产品和生产，让不同产品能被配置在系统中，并让操作人员在生产过程中尽量节省时间，以便提高生产效率。产品定义管理器的功能是在配置过程中定义说明各种产品和生产所需的资源、步骤、过程。产品定义管理器的设计是按照国际标准ISA-95来制定的，以最大限度地满足行业规范。

产品定义管理器的作用是回答“如何生产”一个产品的问题，它建立每一个生产步骤的描述、生产途径、生产线关系等，并把设备、物料、人员和各种相关参数一并关联起来。也可以这样理解，当要生产一个确定的产品时，什么技能的人员在什么设备上进行生产，需要什么样的物料，所有这些问题都是产品定义管理器需要回答的。

（1）理论框架。

①产品生产规则：产品的生产必须符合一定规则。

根据ISA-95国际标准，产品生产规则定义了生产一个产品的步骤，给出了一个基本问题的答案：“这个产品是怎样生产的”。

②产品段：产品成品的各个阶段。

根据ISA-95国际标准，产品段定义了完成每个特定生产步骤的变量、物料、设备等资源配置，回答了一个生产中的基本问题：“完成一个生产操作需要什么样的资源？”产品段是直接和产品操作相关的，对应于生产中的流程段（Process Segment），不同点是流程段不和具体产品相关，而产品段和某一特定产品紧密相关。

③产品段的资源类型。

每个产品段都会给出相应的资源，大致分为：变量、设备、物料、人员。在相应的生产步骤中，这些资源会共同参与完成特定产品的生产。

（2）产品定义的规范。

对于一个产品来说，制造执行系统应当给出其是采用什么样的生产工艺流程生产出来的，这在SIMATIC IT中与生产规则相同。这里介绍产品定义管理器使用的规范，包括产品生产规则、管理产品生产规则的生命周期、版本、产品段的生成和管理，以及定义后的合格检测。

①生成产品生产规则。在产品定义管理器中，生成产品生产规则是第一步，具体有以下两种产品生产规则。

a.标准型规则：允许在生产系统中定义。

b.变量型规则：是一类特殊的规则，其用途是在标准型规则中作为某类输入。

②对产品生产规则可以作全新定义，也可以以下列方式重用：

在SIMATIC IT的操作层面，产品生产规则拥有可重用性，这大大提高了产品生产的速度；在同类系列产品只有少量配置不同，但基本生产条件都相同的情况下，应用不同的版本号表达不同型号的方式被采用；版本高的产品并不表明是现有产品，版本低的产品依然可以恢复生产。

在生产过程中，工单将和生产规则连接，这样一来，生产的流程就和客户所需要的订单在生产体系上匹配起来。图4.8所示为某种关联关系，产品生产过程被放大以后，就知道具体的生产线是否可以生产这种产品，而生产线的设备和技术要求将与工人的技能关联，生产过程的物料与仓储管理紧密结合。这样的多重关系被定义在产品模块里，生产依照产品生产的定义进行。由此，SIMATIC IT做到了完整的控制。

图4.8　某种关联关系

（3）产品生产规则的生命周期。

任何一个产品都有其生命周期，产品生产规则也有其生命周期，其意义是：在发布给生产之后就不可以再进行编辑，管理生命周期是配置生产的重要环节。

①生命周期及其属性。

产品定义管理器提供两类产品生产规则的基本生命周期：

a.开发状态（DEV）；

b.标准状态（STD）。

产品定义管理器中的生命周期有两个主要特性：

c.启用：确定产品生产规则是否能在工单管理器建立生产工单时被使用。

d.编辑：确定产品生产规则的配置可以被编辑或消除。

②生命周期中的开发状态。

开发状态的产品生产规则一般用来进行开发和测试，不会要求任何审核，所以其开发状态只有无须分配的“NA”。任何一个产品生产规则的开发状态如果是“NA”，就表明可以同时进行编辑和使用，即可以对其进行编辑、配置、消除，或通过工单管理器进行工单关联。要说明的是，此类开发状态的产品生产规则可以随时转换成标准状态的产品生产规则。

③生命周期中的标准状态。

标准状态有若干生命周期环节，每个标准状态都是启用和编辑特性的组合，它们决定了此状态情况如何工作。

一个产品生产规则以编辑“ED”作为标准状态的开始，正常情况下下一步是等待批准“RA”，在编辑和等待的情况下，此产品生产规则是可以被修改的，但不能被用来生成生产工单。在这两种情况下，标准状态可被转换到开发状态。从等待“RA”变成批准“AP”后，产品生产规则就不能再被修改了，而工单就可以由此创建。从批准“AP”还可以转变为废弃“OB”。

总体来说，制造执行系统对产品进行定义之后，产品的性质和生产过程就都有了明确的系统信息。实际将依据定义在系统中的信息进行产品的生产。

2）人员管理和生产规划

工厂生产一般来说都需要生产调度，人员管理是生产调度中的重要环节。不同技能的人员，以及不同班次的人员在生产过程中，都需要针对不同产品进行编排。人员管理器（Personnel Manager，PRM）是SIMATIC IT的一个组件，可用以便捷地管理人员，在工厂中按照系统配置的技能进行一系列工作。

人员管理器主要针对生产过程中的人力资源进行管理，其在ISA-95国际标准中帮助回答了“什么时间有什么产品被生产出来”的问题，因为人员记录了产品生产的进度，所以在系统中进行配置的时候，需要把各种人员特质（如资质、分组等）都配置出来。系统也需要指定人员到各个班组，还可以查看人员操作的过程记录。最终的人员数据和生产数据将被系统整合，如某操作员完成了什么任务、操作了哪台机器、使用了哪些物料、完成了哪个工单等。

在使用人员管理器的各项功能之前，需要对基础数据进行配置，主要包括配置日期类型、配置操作类型、配置角色、配置组类型、配置属性类型、配置资格测试。基本数据配置见表4.1。

表4.1　基本数据配置

人员管理器提升了SIMATIC IT作为优秀制造执行系统平台的整体效能，它可以对人员进行基本的分组，即按照生产班次、职位和技能进行分组管理。相关信息还可以与休假、交接班以及关键岗位联系起来，如个人资质认证的信息。

人员管理器的另一个主要功能是记录特定人员的岗位操作。在关键岗位上，操作的指令将被记录在数据库中，这对整体的追溯起到了重要作用。当一个操作人员主要在某个机台上工作的时候，那么这个机台的所有操作记录就都与此操作员关联。这样对于人员的技能和考核就有了非常充分的判断依据。

举例来说，在整个工厂生产不同类型的车时，因为生产工艺、物料、设备的不同，可能需要接受过不同培训的工人进行装配。进一步而言，物料仓储管理人员的技能一定不会和车间生产人员的技能一样，当有物料管理或物料交接的工作时，物料管理人员也需要在系统中定义，即两类车由两个不同的班组来生产，生产流程将按照生产线设备（图4.9）的步骤进行，而物料会由另一个仓储管理组来运作。人员组的分配见表4.2。

图4.9　生产线设备

表4.2　人员组的分配

如果要总结人员数据的定义，在人员管理器中，需要对人员组及其相关的功能进行定义，包括配置人员、配置人员组、配置资格测试。建立人员组时，配置人员是指实际的工厂员工，并不要求一定是人员管理器中配置的系统用户，因为只有与系统有数据交互的操作的人员才需要分配一个系统账户。

3）工单管理和制造执行

工单管理的重要性是不言而喻的，因为只有有了工单，才有生产。定义好生产系统之后，就可以根据生产的定义阐述工单的执行了。工单管理器（Production Order Manager，POM）是SIMATIC IT的一个组件，可用来简便地实现系统操作与过程控制，使生产能在要求的时间内开始。

工单管理器不仅和客户订单关联，也和产品生产、生产排程有紧密的关系。在ISA-95国际标准中，工单管理器帮助回答了“什么可以被生产”的问题。工单管理器依然遵循生产运行条件构建工单的层级关系。

工单管理器的功能是让工单能够在系统遵循规则的情况下被结构性配置，以最大限度地满足市场行业规范。

（1）工单层级模型。

工单管理器使用规划（Campaign）树管理工单结构，如图4.10所示。

图4.10　工单层级

①规划：任务的最上层是规划，用来定义特殊生产排程，并收集某时间段内的生产要求。

②工单：规划归组一系列的生产要求，用来定义特殊的生产要求，其可由多个需求子集组成。

③任务：工单是由一系列要求阶段组成的，用来定义特殊的需求子集，以支持生产操作。

（2）时间范围。

时间范围可以是生产要求的计划阶段，用来确认分配时间的合理性；规划的配置过程会确认配置的阶段是否合理，用以限制规划的开始和结束；工单管理器中的时间范围表达了某个确定的时间段，如月、年；工单也可与时间范围关联，用以限制工单的开始和结束。

（3）家族和类型。

工单虽然可以用层级的方式划分，但若要按照具体情况清楚地归类工单，则不是一件容易的事情。SIMATIC IT给出了两种归类方法，即家族和类型。

①家族：代表汇集起来的有共同目的的工单和任务；

②类型：定义有相同特性的工单和任务。

在工单管理器中，其关联的生产过程，如工单的完成状态，也都需要在生产过程中进行数据采集和存储。