深入探索工业制造领域中的 ISA95 标准
Joey
在当今快速发展的工业领域，数据已经成为企业寻求简化流程、提高效率和获得竞争优势的重要资源。特别是在 ISA-95 框架下，自动化领域为有效管理数据提供了机遇，但也带来了一些挑战。
本系列文章将深入分析 ISA-95 中数据管理的难点，并探讨统一命名空间的概念及其优势。我们还将介绍如何实现统一命名空间，包括使用 ISA-95 设备模型标准和集群技术进行多站点数据复制。
作为该系列的首篇文章，本文将探讨 ISA-95 标准的基本概念，它们在改进制造流程方面的重要性，以及在促进跨职能协作方面的作用，所有这些都有助于优化和推动传统工业运营的实施。
了解 ISA-95 标准
ISA-95 标准，也称为 ANSI/ISA-95 或 ISA-95，是由国际自动化协会（ISA）制定的国际标准。它专注于制造业中企业和控制系统的集成。ISA-95 代表“企业-控制系统集成”，该标准提供了一个框架，用于规划和实施企业内业务和制造流程之间的互操作性，旨在提高它们之间的协同效率。
ISA-95 的主要目标是创建一种通用语言和结构，以促进企业不同层面之间的沟通和数据交流，上至制定业务决策的企业层面，下至管理实时生产流程的控制层面。该标准有助于拉近信息技术（IT）和运营技术（OT）之间的距离。
ISA-95 层次结构（自动化金字塔）
制造业自动化金字塔是 ISA-95 层次结构的概念性表示，它通常与工业自动化和控制系统相关联。自动化金字塔也称为“工业 3.0”自动化层次结构，展示了工业环境中控制和自动化系统的层次结构。通过这种可视化的方式，有助于理解制造环境中不同的控制层次以及它们之间的联系。
自动化金字塔的层级从下到上通常包括：
- 第 0 层：现场设备和仪器：这是金字塔的最底层，包括各种物理现场设备，如传感器、执行器和仪器。这些设备负责在制造过程中收集数据，并将其传送至上层进行处理，同时也负责控制机械设备的操作。
- 第 1 层：控制设备和可编程逻辑控制器（PLC）：这一层主要实现基本的控制功能。PLC 和控制设备接收来自现场设备的输入，并根据预先编程的逻辑做出决策。它们直接管理着流程和机械设备的运行。
- 第 2 层：监督控制：这一层涉及监督控制系统，它们能够从 PLC 和控制设备收集数据。该层为特定区域或流程提供实时监测、数据汇总和有限的控制能力。
- 第 3 层：制造执行系统（MES）：MES 负责管理生产计划、工单、质量控制以及制造业务的整体协调。该层是车间与企业级系统之间的桥梁。
- 第 4 层：企业系统：这是金字塔的最高层，其中包括用于管理财务、销售、采购和规划等各种业务运营的企业资源规划（ERP）系统。企业级系统接收来自下层的数据输入，以支持更高级别的决策。
ISA-95 不仅仅是一个金字塔式的层次结构。另一方面，它提供了一种更全面、更标准化的方法来集成业务和控制系统，帮助企业规划和实施业务与制作流程之间的互操作性。在考虑实施 ISA-95 这类标准的不同控制级别时，自动化金字塔是个有用的可视化工具。
信息模型类别
信息模型类别指的是一种分类系统，用于组织和分类企业制造流程不同层面之间交换的信息。该模型提供了一个结构化框架，用于定义和理解需要交换的信息的类型，以确保业务流程和制造流程之间的有效沟通和无缝集成。
- 控制与监测：此类别涉及与设备、流程和生产活动的实时控制和监测有关的信息。包括传感器、设定值、警报、操作状况以及其他用于实时操控的数据。
- 生产计划：此类别包含有关生产计划和调度的信息。包括生产订单、工单、生产顺序、任务的开始和结束时间以及生产计划的任何变动的数据。
- 性能分析：此类别涉及用于分析制造过程性能的信息。包括与周期、生产速率、停机时间、效率指标、质量测量和其他性能指标相关的数据。
- 质量与合规性：与质量控制和合规性相关的信息属于此类别。包括有关质量标准、检验结果、测试数据、不合格情况、纠正措施和法规遵守情况的数据。
- 维护与可靠性：此类别包括有关设备维护、可靠性和资产管理的信息。包括维护计划、维护活动、备件库存、设备状况监测以及预测性维护的数据。
- 物料流和库存：有关物料流、库存水平和物料需求的信息包含在此类别中。涉及物料消耗、物料请求、库存数量以及物料跟踪的数据。
- 资源分配：此类别涉及与资源分配和利用相关的信息，例如人员、设备、工具和设施等。包括资源可用性、分配和使用情况的数据。
- 订单履行：与订单处理和履行相关的信息被归类在此处。包括客户订单、订单状态、订单变更、发货详情和交货计划的数据。
设备对象模型
ISA-95 标准中的设备对象模型侧重于表示制造和生产过程中使用的物理和逻辑设备及资源。该模型提供了一个结构化框架，用于组织、分类和管理设备，以便在制造环境中进行有效的监测、控制和维护。
该模型层次结构的目的是表达不同设备单元之间的物理和逻辑关系，以及它们在生产过程中各自的作用。根据行业和组织的不同，具体的术语可能有所差异。设备对象模型层次结构的一般组织方式如下：
- 企业：这是层次结构的最高级别，代表整个组织或公司。它包括所有生产地和设施。
- 生产地：生产地是进行生产操作的实际地点或设施。它可以是工厂、车间或任何其他设施。一个生产地可以有多个区域或分区。
- 区域：区域代表生产地内进行特定类型生产活动的特定区域。可以为不同的流程、产品或功能指定不同的区域。
- 单元：单元是指区域内的独立设备或特定的生产单元。单元可以是单个机器、装配线或工艺单元。它们是生产流程中的主要操作组件。
- 控制模块：控制模块指的是单元内可以单独控制和监测的功能或模块。它可以是较大单元内的某个子系统、设备或组件。
- 组件：组件指的是构成控制模块的小部件或子组件。这一级别可能在一些层次结构中不存在，组件对于复杂系统特别有用。
ISA88 的目的是为流程控制行业中批量控制系统的设计和规范提供相应的标准和示范。
第 4 层（ERP）和第 3 层（MES）之间的信息交换
在 ISA-95 框架中，第 4 层（企业）和第 3 层（制造运营管理）之间的信息交换模型涉及企业层的业务流程和运营管理层的制造运营流程之间的沟通和数据交换。这种交换对于协调业务战略、生产计划和车间执行非常重要。
信息模型可以分为以下几类：资源、生产能力、产品定义、生产计划和生产性能。
- 资源可用性：第 3 层实时向第 4 层反馈当前资源的可用情况和可能对生产造成影响的潜在问题。第 4 层根据生产订单的要求，指定相应资源来安排生产活动。
- 生产能力：第 4 层和第 3 层交换制造能力和潜在问题的信息。第 3 层向第 4 层报告制造能力的使用情况，以说明可用资源的使用效率。
- 产品定义：第 4 层给出待生产产品的详细规格和要求。第 3 层检查第 4 层给出的产品规格和要求是否正确且适合生产。
- 生产计划：第 3 层从第 4 层接收生产计划，其中详细说明了完成订单所需的生产活动的顺序和时间。第 3 层还要及时将生产计划的任何变化或更新（如延期、订单加急或因资源限制而做出的调整）反馈给第 4 层。
- 生产性能：第 3 层和第 4 层实时分享生产进度，包括生产数量、完成情况和任何偏离生产计划的信息。第 3 层还提供关于质量检查、测试结果以及生产过程中发生的任何质量相关问题的数据。
总的来说，第 4 层通过向第 3 层下达生产订单、工单和资源分配请求来发起信息交换。第 3 层则通过反馈资源可用情况、生产进度、质量数据和生产计划的变化来回应。
制造运营管理活动模型
制造运营管理（MOM）活动模型是 ISA-95 框架的组成部分，它专注于分解和组织制造运营流程中涉及的活动。它提供了一个详细的视图，展示为了满足更高层次流程（如生产订单和工单）的要求而在车间内执行的任务和操作。
制造运营管理活动模型是企业层面（第 4 层）定义的高级业务流程与制造运营管理层面（第 3 层）在车间执行的具体操作之间的桥梁。
结语
总之，ISA-95 标准在加强制造领域的沟通和集成方面发挥了重要作用，但要使其适应现代工业管理还有许多挑战。制造领域不断增长的复杂性，加上工业 4.0 等技术的快速发展，需要可能超出标准结构化框架能力的更高灵活性。作为现代工业管理中的两个关键组件，EMQX 和 Neuron 提供了一种理想的解决方案。通过将它们分别用作 MQTT Broker 和工业网关，企业可以提升在动态生产环境中的连接性、适应性和数据处理能力，两者结合可无缝融入到当今的工业环境中。