MES, ISA-95, MESA-11, cMES, NAMUR – Pourquoi y a-t-il autant de normes ?

Le terme « MES » est très vaste. Demandez à deux personnes travaillant dans le secteur de la fabrication de le définir et vous obtiendrez probablement deux réponses différentes. La définition dépendra de leur secteur d'activité, de leur fournisseur actuel et du type d'opérations de fabrication qu'elles gèrent.

En effet, cet acronyme, qui signifie « Manufacturing Execution System » (système d'exécution de la production), a été inventé après l'apparition de la technologie sous-jacente et est rapidement devenu un mot à la mode. À mesure que les fournisseurs ont suivi le mouvement en qualifiant leurs solutions très diverses de « MES », le terme a perdu de son sens.

Dans cet article, nous examinerons en détail les efforts déployés par des organisations telles que la Manufacturing Enterprise Solution Association (MESA) et l'International Society of Automation (ISA) pour normaliser cette définition afin de la rendre moins vague.

La compréhension de ces modèles et normes peut vous aider à mieux appréhender les systèmes d'exécution de la production et à évaluer leurs alternatives modernes.

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La définition la plus répandue du MES est sans doute celle du modèle MESA, qui définit le MES en fonction de domaines fonctionnels.

MESA a été créée dans les années 1990 afin de fournir des conseils sur la mise en œuvre des systèmes MES et de répondre à leur complexité croissante.

En 1997, la MESA a officiellement défini le champ d'application du MES à travers 11 fonctions essentielles, regroupées sous le nom de « modèle MESA-11 ». Ces fonctions découlent d'une vision globale de l'usine et comprennent :

1. Opérations / Séquençage détaillé
2. Expédition des unités de production
3. Suivi et historique des produits
4. Gestion du personnel
5. Gestion de la qualité
6. Gestion de la maintenance
7. Affectation des ressources et état d'avancement
8. Contrôle des documents
9. Analyse des performances
10. Gestion des processus
11. Collecte et acquisition de données
    

En 2004, le champ d'application du modèle a été élargi pour inclure les opérations commerciales. Outre les opérations de base, le modèle intégrait désormais des axes tels que l'optimisation de la chaîne d'approvisionnement et l'optimisation des actifs. Cette mise à jour est connue sous le nom de « Collaborative MES », ou C-MES.

Selon la MESA, ce modèle s'est concentré sur la manière dont les activités opérationnelles essentielles interagissent avec les opérations commerciales. Ce modèle tient compte de l'intensification de la concurrence, de l'externalisation, de l'optimisation de la chaîne d'approvisionnement et de l'optimisation des actifs.

Le C-MES s'interface avec d'autres domaines opérationnels de l'entreprise de manière périphérique. Il s’agit notamment des systèmes axés sur l’approvisionnement (SCP d’approvisionnement) ; des systèmes axés sur la clientèle, tels que le CRM et la gestion des services ; des systèmes axés sur les finances et la performance, tels que les logiciels ERP et de Business Intelligence (BI) ; des systèmes axés sur les produits, tels que CAO et le PLM ; des systèmes logistiques, tels que le TMS et le WMS ; des systèmes de contrôle (PLC, DCS) ; et des systèmes de conformité (gestion des DOO, ISO, EH&S).

Enfin, en 2008, le modèle a été étendu pour aboutir à sa version actuelle, qui couvre aussi bien la production que l'exploitation des sites, les opérations commerciales, et même des initiatives stratégiques telles que la production allégée, la qualité et la conformité réglementaire, la gestion du cycle de vie des produits, l'entreprise en temps réel, la gestion de la performance des actifs, et bien d'autres encore.

Fondamentalement, la définition d’un MES donnée par la MESA est une définition fonctionnelle qui repose sur les différentes fonctions qu’un MES est censé remplir. Pour qu’un système soit considéré comme un MES, il doit disposer de l’ensemble des groupes fonctionnels ou d’une combinaison raisonnable de ceux-ci. Mais cette définition a évolué au fil du temps. Avec le C-MES, le MES servait d’intermédiaire entre l’automatisation et la direction de l’entreprise, ainsi que de plaque tournante pour les données et les informations. Il ne s’agit pas seulement d’un ensemble de fonctions, mais d’un centre d’intégration des informations à l’échelle de l’entreprise.

La norme ISA-95 a étéélaborée conjointement par l’International Society of Automation (ISA), anciennement connue sous le nom d’Instrumentation, Systems, and Automation Society, et l’American National Standards Institute (ANSI). L’élaboration de la norme ISA-95 a débuté en 1995, lorsque les ordinateurs ont commencé à s’imposer dans les systèmes d’information et de contrôle du secteur industriel.

Contrairement au modèle MESA, qui était axé sur les processus métier, le modèle ISA-95 est axé sur l'architecture de l'information. Le modèle ISA-95 divise les systèmes de production en cinq niveaux, sur la base du modèle PERA (Purdue Enterprise Reference Architecture).

Ainsi, la norme ISA-95 permet de définir les limites entre les différents systèmes. Les dispositifs intelligents, tels que les capteurs, relèvent du niveau 1. Les systèmes de contrôle, tels que les automates programmables (PLC), les systèmes de contrôle distribués (DCS) et les systèmes de contrôle opérationnel (OCS), relèvent du niveau 2. Les systèmes d'exécution de la fabrication (MES) relèvent du niveau 3. Les progiciels de gestion intégrée (ERP) relèvent du niveau 4.

En situant le MES au niveau 3, la norme ISA-95 implique que le MES relie la production aux systèmes d'entreprise, gère les flux de travail en vue de la fabrication des produits finis, tient à jour les registres de production et optimise le processus de production.

L'objectif était d'élaborer une norme permettant une interconnexion et une intégration efficaces entre un système ERP et un MES. Cela permettrait de faciliter une communication efficace entre les parties prenantes, de réduire le coût total de possession et de garantir une intégration sans erreur.

Comme nous l’avons vu, la norme MESA définit le MES en fonction de ses fonctionnalités, tandis que la norme ISA-95 le définit en fonction de son architecture d’information. Cependant, étant donné que chaque secteur d’activité et chaque type d’opération de fabrication présente des exigences différentes en matière de production, de qualité, de processus métier et d’environnement réglementaire, les systèmes MES varient selon le secteur et le type d’opération de fabrication.

Des initiatives spécifiques à certains secteurs ont été menées pour normaliser les définitions du MES. NAMUR, par exemple, est un groupe d’utilisateurs finaux particulièrement impliqué dans l’industrie des procédés (principalement chimique et pharmaceutique). Ses recommandations s’appuient sur la norme ISA-95, mais le groupe établit des définitions plus concrètes adaptées aux besoins de son secteur.

D’un point de vue plus général, on peut distinguer les secteurs d’activité « de processus » et « discrets ». Naturellement, chaque type d’activité présente un ensemble d’exigences différentes ; par conséquent, un MES destiné à chacun de ces secteurs présentera des différences significatives.

Les secteurs d'activité liés aux processus considèrent donc le MES comme un ensemble de systèmes de contrôle des machines et des installations. À l'inverse, les industries discrètes perçoivent davantage le MES comme un système d'information en ligne, de retour d'information et de contrôle de la production.

Outre les normes que nous avons abordées jusqu’à présent, il en existe d’autres, telles que la norme VDI. La norme VDI a été élaborée par le Verein Deutsche Ingenieure en 2004 sur la base des normes que nous avons évoquées plus haut. Comme pour toutes les normes, l’objectif de la norme VDI était de donner au terme « MES » une définition précise afin d’empêcher les fournisseurs de le banaliser à des fins commerciales.

Récemment, les analystes ont constaté que les MES s’orientaient vers un modèle basé sur les applications et les microservices. En conséquence, les éditeurs de MES commencent à s’éloigner de leur position de fournisseurs de solutions globales. Ils s’essaient désormais à la commercialisation de fonctionnalités modulaires. Avec l’émergence de IIoT, nombreux sont même ceux qui se demandent si les MES ont encore leur place à l’ère du numérique. À l’heure actuelle, le marché est encore en pleine évolution. Il sera toutefois intéressant d’observer la direction qu’il prendra au cours des cinq prochaines années. IIoT ? Des MES traditionnels ? Ou les deux ?

Comme vous pouvez le constater, de nombreuses tentatives ont été menées pour normaliser la définition du MES. Pour l’expert en la matière, ces normes et ces modèles peuvent s’avérer utiles. En revanche, pour l’utilisateur final lambda d’un MES, ils peuvent s’avérer plus déroutants qu’éclairants. Une meilleure façon de définir les systèmes d’exécution de la fabrication consiste peut-être à se concentrer sur les caractéristiques communes qu’ils présentent généralement, qui s’articulent autour de cinq domaines principaux : les fonctions de production, la qualité, les ressources humaines, la collecte de données et l’intégration des systèmes.

Si vous avez déjà essayé d’aligner vos opérations sur un cadre MES, vous avez sans doute été confronté à une véritable « soupe alphabétique » de normes, telles que ISA-95, MESA-11, NAMUR ou encore cMES. On est en droit de se demander comment elles sont toutes apparues et pourquoi il en existe autant.

En résumé, « le secteur industriel avait besoin d'un vocabulaire commun ».

Au cours des années 1990, les systèmes informatiques d'entreprise ont connu une expansion rapide. Cette croissance a mis en évidence un fossé grandissant entre les systèmes de gestion d'entreprise, tels que les progiciels de gestion intégrée (ERP), et les activités quotidiennes menées en atelier. Chaque projet MES devait repartir de zéro, car personne ne s'accordait sur ce que le système devait réellement faire ni sur la manière dont il devait s'interfacer avec les autres niveaux.

Les organisations professionnelles sont intervenues pour remédier à cette situation.

La MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association) a publié son premier modèle fonctionnel, baptisé MESA-11, destiné à décrire les fonctionnalités d'un système MES telles que la planification, Gestion de la qualité et Suivi de production.

L'ISA (International Society of Automation) a ensuite publié la norme ISA-95, qui définissait la manière dont les systèmes devaient s'interconnecter, depuis les machines (niveau 0) jusqu'aux systèmes d'entreprise (niveau 4).

Parallèlement, des groupes tels que NAMUR se sont concentrés sur les industries de transformation, en ajoutant des niveaux spécifiques aux environnements réglementés.

Chaque cadre visait un aspect différent d’un même ensemble : définir les fonctions, clarifier les limites du système et prendre en compte les besoins spécifiques à chaque secteur. Le résultat a permis aux fabricants de progresser vers une plus grande cohérence, même si cela a également entraîné certains chevauchements et une complexité supplémentaire.

À l'origine, la normalisation MES vise à assurer l'interopérabilité des systèmes, à définir des responsabilités claires et à établir une méthode commune de représentation des opérations. Cependant, à mesure que les réseaux de production sont devenus plus dynamiques, avec une multitude de produits et de sites, les limites des normes rigides et hiérarchiques sont apparues au grand jour.

Les approches modernes et modulaires, telles que Composable , s'appuient sur ces mêmes principes de périmètre, d'intégration et de gouvernance, mais les adaptent à une architecture flexible, basée sur des applications, mieux adaptée aux réalités actuelles du secteur industriel.

Le secteur industriel évolue rapidement. Les gammes de produits changent, les délais de livraison se raccourcissent et les exigences en matière de conformité se renforcent. Pourtant, de nombreuses usines fonctionnent encore avec des architectures MES conçues bien avant l'apparition du cloud computing, de l'intelligence artificielle ou des systèmes en périphérie. Ces infrastructures ont fait leurs preuves pendant des années, mais elles n'ont pas été conçues pour s'adapter au rythme ni à la complexité de la production moderne.

Composable (cMES) a été développé pour combler cette lacune.

Le cMES rompt avec le concept d’un système MES unique et global pour le décomposer en applications plus petites et spécialisées. Chacune d’entre elles remplit une fonction bien définie (suivi, contrôles qualité, maintenance, etc.) et s’intègre parfaitement aux autres. Au lieu d’installer un système rigide, les équipes assemblent un ensemble de composants adaptés au fonctionnement réel de leurs opérations. Vous finissez ainsi par construire le système autour de vos processus, et non l’inverse.

Étendre et remplacer les normes existantes

Des référentiels tels que l'ISA-95 et le MESA-11 ont posé des bases importantes. Ils ont défini la structure, les flux de données et les limites du système à une époque où les fabricants avaient besoin, pour la première fois, d'un cadre de référence commun. Le cMES conserve ces fondements tout en supprimant la hiérarchie rigide qui ralentissait l'évolution des anciens systèmes.

La différence se manifeste dans la pratique. Les systèmes MES traditionnels reposent sur un contrôle descendant et une personnalisation poussée. Le cMES répartit le contrôle entre des applications modulaires fonctionnant dans le cloud. Les ingénieurs peuvent ajuster la logique par le biais de la configuration, sans avoir à attendre un fournisseur ou un long cycle informatique. Les modifications sont mises en œuvre en quelques jours plutôt qu’en plusieurs mois, ce qui est essentiel lorsque le lancement de nouveaux produits ou les mises à jour de conformité ne peuvent pas attendre.

Il ne s'agit pas seulement d'un nouveau modèle logiciel, cela modifie la manière dont les équipes de production gèrent et améliorent leurs propres systèmes.

Conçu pour l'industrie manufacturière moderne

La technologie cMES reflète le fonctionnement actuel des usines :

• Infrastructure cloud: accessible depuis tous les sites, s'adapte à l'évolution de la demande.

• Microservices: chaque fonction s'exécute de manière autonome, ce qui permet de circonscrire les mises à jour.

• Environnements « no-code » : les ingénieurs des procédés peuvent créer et modifier des applications directement.

• Intégrations ouvertes: se connecte aux machines, aux données d'entreprise et Appareils Edge à des intergiciels lourds.

• Outils basés sur l'IA: ils permettent d'assurer la surveillance, le diagnostic et la prévision au sein d'un même environnement.
  
  

Ce modèle s'inscrit dans la lignée des initiatives relatives aux jumeaux numériques, à la visibilité en temps réel des données et à la traçabilité globale qui se généralisent actuellement dans le secteur de l'industrie manufacturière. Il apporte davantage de flexibilité là où les systèmes existants imposaient une certaine rigidité, tout en répondant aux mêmes exigences en matière de précision et de contrôle.

On peut facilement se perdre dans les détails lorsqu’on examine les normes MES. Au-delà du jargon technique, la plupart d’entre elles se répartissent en quatre catégories : fonctionnelles, architecturales, spécifiques à un secteur d’activité ou modulaires.

Le tableau ci-dessous vous permet de mieux cerner les domaines d'application de chacun d'entre eux et leurs points forts respectifs.

Chaque cadre repose sur une approche différente quant au fonctionnement des systèmes de production. La norme MESA-11 met l'accent sur les fonctions. La norme ISA-95 définit la manière dont les systèmes s'interconnectent. La norme NAMUR adapte ces concepts aux industries de transformation. Quant à cMES, elle les étend à un environnement modulaire et configurable qui s'adapte à l'évolution des usines modernes.

C'est l'architecture sous-jacente qui évolue. Le cMES préserve la rigueur des opérations fondées sur des normes tout en permettant une adaptation plus rapide, une meilleure visibilité et une harmonisation plus étroite avec les pratiques de fabrication numérique, le tout sans perte de contrôle ni de rigueur en matière de conformité.

Chaque norme MES aborde la fabrication sous un angle qui lui est propre. La norme MESA-11 définit les fonctions réelles d’un système MES. La norme ISA-95 établit les modalités de communication entre les systèmes. La norme NAMUR apporte les précisions nécessaires aux industries de transformation. Des approches différentes, mais un même objectif : garantir données de production , relier des systèmes qui ne communiquaient pas efficacement entre eux auparavant et assurer la cohérence des opérations.

1. Intégrité, traçabilité et visibilité des données
Si les données ne sont pas correctes, rien d’autre n’a d’importance. Toutes les normes MES s’articulent autour de ce principe. Vous avez besoin d’enregistrements fiables, que ce soit pour tracer un lot, justifier un rapport d’écart ou déterminer pourquoi une ligne de production s’est arrêtée à 2 heures du matin.

Une bonne conception du système MES permet de rendre tout cela visible. Ce qui figurait auparavant dans des registres papier ou dans la mémoire des opérateurs est désormais enregistré automatiquement : l'état des équipements, les données saisies par les opérateurs, les résultats qualité. Lorsque ces informations sont cohérentes et complètes, les audits se déroulent plus rapidement et les efforts d'amélioration portent véritablement leurs fruits.

2. Intégration centrée sur l'humain
Les anciens systèmes étaient principalement conçus pour les machines. Les opérateurs n'étaient pris en compte qu'au second plan : il s'agissait simplement d'appuyer sur un bouton, d'effacer une alarme, puis de passer à autre chose. La réalité sur le terrain est plus complexe.

Composable change la donne. L’approche Tulippart des personnes et des flux de travail. Apps conçues en fonction de la manière dont le travail s’effectue réellement, et non selon la vision qu’en a le logiciel. Cela facilite la collecte de données aux moments clés, le guidage interactif des étapes et la modification des processus sans avoir à réécrire de code.

Le système devient un outil qui aide les gens à faire leur travail, et non un obstacle contre lequel ils doivent lutter.

3. Continuité tout au long du « fil numérique »
Tout le monde parle du « fil numérique », ce flux de données circulant sans heurts de l’atelier vers les systèmes de planification, mais la mise en œuvre a toujours été compliquée. La norme ISA-95 a donné des noms à ces couches, mais la connexion en temps réel a pris du retard.

Composable permet de combler cette lacune. Les API ouvertes permettent la circulation des données dans les deux sens. Les événements sur la ligne de production sont directement transmis aux outils d'analyse ou au système ERP, et les modifications apportées au niveau de l'entreprise peuvent être répercutées sur l'exécution. Le flux de données se comporte enfin comme une boucle, et non plus comme une pile de fichiers déconnectés les uns des autres.

Au-delà des normes : le MES pour la prochaine décennie
Le monde du MES évolue rapidement.

Pendant des années, les fabricants ont travaillé dans le cadre d’architectures rigides qui ne s’adaptaient pas facilement. La décennie à venir s’annonce différente. La flexibilité, la connectivité et l’intelligence embarquée sont désormais au cœur des débats. Les référentiels tels que l’ISA-95 et le MESA-11 restent importants, mais ils n’ont pas été conçus pour le volume de données, la rapidité des itérations ni le niveau de connectivité auxquels les usines sont confrontées aujourd’hui.

Ce qui apparaît à la place, c'est un nouveau type de système, modulaire, axé sur les données et conçu pour évoluer au rythme des activités.

Des modèles statiques aux Composable
Dans les anciennes configurations MES, même une modification mineure d'un processus pouvait nécessiter des mois de développement et de validation. Un composable change la donne. Les équipes peuvent déployer ou adapter des applications en temps réel, parallèlement à la production.

Ce n'est pas un simple concept, c'est déjà une réalité. Gartner prévoit que la plupart des nouveaux déploiements de systèmes MES au cours des prochaines années s'appuieront sur composable . Les usines en constatent déjà les avantages : une réduction des temps d'arrêt entre les changements et un contrôle plus direct entre les mains des ingénieurs.

Renforcer l’intelligence grâce à l’IA et aux jumeaux numériques
L’IA a désormais dépassé le stade de la phase pilote. Elle est désormais présente dans l’accompagnement des opérateurs, la maintenance prédictive et le contrôle qualité. Les jumeaux numériques apportent une dimension supplémentaire en reproduisant fidèlement les opérations en temps réel, ce qui permet aux ingénieurs de tester les modifications avant leur mise en production.

Ensemble, ils constituent ce que les systèmes MES traditionnels n’ont jamais réussi à offrir : un système capable de détecter, de simuler et de s’adapter en continu. Il ne s’agit pas tant de remplacer les personnes que de leur fournir un meilleur contexte et un retour d’information plus rapide.

Interopérabilité : une exigence incontournable
Tous ces progrès n’ont aucune importance si les systèmes ne peuvent pas communiquer entre eux. OPC UA (architecture unifiée de communication en plateforme ouverte), les API REST et les nouvelles normes Open Process Automation rendent cela possible entre les différents fournisseurs et à tous les niveaux.

Les plateformes MES modernes doivent s'interfacer avec tous les systèmes, qu'il s'agisse de machines, d'ERP, de systèmes qualité, d'historiques de données ou d'outils d'analyse. Les véritables gains de performance apparaissent lorsque les données circulent librement tout en conservant leur contexte, depuis la périphérie jusqu'à l'entreprise. C'est ainsi que les industriels renforcent leur visibilité et leur résilience, qui perdurent au-delà du prochain cycle de produit.

Les normes MES continuent de servir de référence en définissant le fonctionnement des systèmes, leur interconnexion et leur adaptation à des secteurs spécifiques. Mais elles ont été conçues pour un monde industriel plus lent et plus prévisible. Composable offre aux industriels une marge de manœuvre pour s’adapter. Il conserve la structure et la traçabilité des systèmes traditionnels tout en permettant des changements rapides lorsque les produits, les lignes de production ou les réglementations évoluent. Tulip ce concept en pratique. Sa plateforme modulaire « sans code » relie les personnes, les machines et les données afin que les équipes puissent ajuster directement les processus, sans enfreindre la conformité ni attendre de longs cycles de développement.

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