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多品种小批量机械制造企业MES系统

随着市场竞争的日益激烈,多品种小批量生产已经成为当今制造业主导的生产方式。制造执行系统(Manufacturing Execution System,mes)作为连接企业计划管理系统和过程控制系统的桥梁,正在受到越来越广泛的关注,其定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”,它为操作人员R 管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态。当前针对 MES系统 的研究主要有两大类:针对流程型生产企业如钢铁、烟草等;针对离散型生产企业如大部分的机械制造企业等。本文论述了机械类多品种小批量生产企业MES系统的作用,明确了这种生产企业MES的定位和范围,提出这种MES调度子系统的功能结构,探讨这一MES系统实现的关键技术,旨在对多品种小批量生产企业MES的规划与实施提供一些有益的参考。

多品种小批量机械制造企业MES系统的作用

目前,支持工厂综合自动化的系统主要分为支持面向企业的计划管理系统和面向底层制造资源的生产过程控制系统两大类。计划管理系统强调的是企业的计划性。它们以客户定单和市场需求为计划源头,力求充分利用企业内的各种资源、降低库存、提高企业的整体运作效率。而生产过程控制系统,则强调设备的控制。通过控制优化,减少人为因素的影响,提高产品的质量与系统的运行效率。尽管这两类系统的推广取得了一定的效果,但却忽视了两者之间的有效配合,从而导致企业上层计划缺乏有效的实时信息支持、下层控制环节缺乏优化的调度与协调,致使计划管理层与底层控制层无法进行良好的双向信息流交互。最终导致交货期被延误,使企业失去市场竞争力。

制造执行系统(MES)能够很好地解决上述存在问题。MES建立了以生产作业管理为中心的计算机辅助车间管理信息系统,它将来自企业生产管理系统的计划信息转化为指令下发到生产过程控制系统,并从生产过程控制系统中获得生产实际数据,向计划管理系统及时地提供生产实际状况信息。可以实现基础数据、生产作业计划、过程控制、生产调度和报表统计等管理的一体化,达到生产作业的优化调度和制造资源的合理配置,从而为多品种小批量生产企业缩短制造周期、降低生产成本、提高制造质量提供了有效的信息化手段。

多品种小批量机械制造企业MES系统的体系结构

参照ARM三层企业集成模型,可以建立多品种小批量生产企业信息化的三层结构模型。

它针对多品种小批量机械制造企业的特点,明确了MES系统在信息化体系中的位置,并突出了生产计划和调度体系的作用。模型中各个层次的特点如下:

①计划层 如MRPⅡ系统,强调计划的执行。主要处理销售订单管理、库存控制、应收账、应付账管理、采购管理等事务。由它产生主生产计划(MPS)、物料需求计划(MRP)以及许多其他的文档,包括车间生产所需的加工单等。根据生产计划,初步确定车间作业计划,确定在什么时间,使用何种设备和资源,加工完成什么零部件及加工批量等。

②MES系统(制造执行系统)层 包括生产作业计划、生产调度、设备管理、质量管理、物料跟踪、工艺管理、数据管理、数据分析等功能模块。管理的重点是产品生产的执行过程;作用是以min或h为单位平衡整体的生产能力,对产品的制造过程进行跟踪。MES层的计划系统基于工厂内的详细状况,对产品交货期、生产工艺限制、生产顺序优化等进行综合考虑,制定生产作业计划,进行动态生产调度。

③控制层(PCS) 强调设备的控制,主要处理来自执行层的信息;实施监控车间状态,并将生产过程中的动态数据和状态信息实时反馈给执行层;根据车间现有状态及来自执行层的信息,实施控制生产过程。

④MES系统与上下层的信息流动 MES向上层计划管理系统提交生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品的存放位置与状态、实际定单执行等涉及生产运行的数据;向底层生产控制系统发布生产指令控制及有关生产线运行需要的各种参数等。同时分别按受上层的中长期计划和底层的数据采集设备的实际运行状态等。

多品种小批量机械制造企业MES系统的核心功能模块的研究

生产调度系统是多品种小批量生产企业MES的核心部分,考虑到实际应用情况,多品种小批量机械制造企业MES系统的调度子系统可以由3个核心模块组成,即作业计划模块、生产调度模块和物料跟踪模块,再加上一个数据库管理系统便构成了系统的基本框架。

1)生产作业计划的分解接受生产计划并将其分解为任务单元、平衡设备能力、指派加工设备、编制作业计划。与其相关联的实体有工具、原料、设备、工艺路线以及匹配规则等。主要功能模块包括对月、周、日计划的编制、调整、查询;能力需求;设备能力负荷;物料需求;工具需求等。

2)生产调度模块主要解决在给定生产计划的前提下,针对各故障、供需变动、工艺切换、资源波动等造成的系统状态变化,进行在线作业计划调整,实时地做出生产方案、工艺路线、资源分配的变动决策,以满足实际生产的要求。在进行动态的实时调度时,应尽量在原有的调度基础上进行修改,避免大范围调整造成的生产不稳定的状态,以保证各生产工序生产平稳。

3)物料跟踪模块将生产指令下达给车间工作组进行生产,同时由物料跟踪管理进行物料跟踪。从过程控制系统或人机交互系统采集生产实际数据与生产指令完成信息,进行显示和分析整理,向生产调度模块提供所需的生产实际数据。并最终将反馈信息传递给生产计划部门,为物料跟踪和合同跟踪提供准确信息。其主要功能包括以下内容:日计划执行结果输入、汇总、查询及反馈;任务完工的确认,确认车间加工完成;零件加工进度跟踪;拖期任务统计;在制品信息查询;生产报表(月、周、日);工时统计;废品统计等。

4)数据库管理子系统对设备性能、产品系列、零件种类、工艺卡等各种数据进行整理,形成标准规范化的文本,在此基础上建立相应的数据库。系统资源数据库包括设备库、工艺库、工具库、原料库等。数据库管理主要指对各资源数据库中数据的增加、删除、修改与保存操作。系统数据的维护包括数据库功能的设计以及对过时数据的更新操作,数据库数据的导入/导出操作。

作业计划模块由生产计划驱动,从资源数据库中提取资源信息(包括设备信息、工具信息、工艺信息、原料信息等)结合优化调度算法,生成作业计划单,并下达给车间工作组。而生产调度模块根据物料跟踪模块反馈回来的信息一方面将此信息再反馈给作业计划模块使之进行作业计划的调整,另一方面及时更新资源数据库,同时发挥调度功能,下达指令给车间工作组。

有关系统实现的一些技术的探讨

1)数据库技术的应用本文所提出的MES系统,是将数据采集、计划、调度指令的下达、执行人员咨询等集成一体的信息系统。而在如此规模的信息系统中,最为重要的就是它的心脏_数据库。生产调度计划单所需的数据都是由数据库中各个表提供的,而数据库的数据则分别由车间各工作组、各科室提供的。数据采集设备及车间各工作组提供现场数据,如:设备状态的好坏、已生成的成品量等。而作业计划子系统查询数据库提供的上述信息做生产计划单,安排生产。

根据用户对数据库的不同需求,根据数据产生的日期,数据库分设2个子库:实时库和历史库。实时库用来存放最近的信息,包括:车间各工作组现场数据表,工艺数据等加工信息表等等。而过时的信息则放在历史库相应的表中加以保存,以便以后使用。此外,实时数据库系统应具有与各种DCS系统、PLC工业微机采集系统的接口,实时数据库系统还应具有快速的数据处理能力等特点。

2)有关现场控制与数据采集系统的建立基于系统网络运行的基础,并且根据一般多品种小批量生产企业的实际情况,现场控制和数据采集系统建立可以采用基于电子看板式的数据采集方式。其工作方式是:车间计划调度人员分配模块,分配任务给制造资源单元,通过企业局域网,终端计算机获得任务,呈现出任务列表,这就是电子看板。电子看板给出了制造资源单元当班要完成的任务。电子看板的功能包括任务分配显示、领料登记、任务进度录入和工时反馈。工人可以通过电子看板获得自己本班需要完成的任务,到现场的在制品库领取相应物料进行加工,并通过电子看板进行领料操作,提供物料的现场流动信息;在任务完成加工后,人员通过此电子看板录入任务进度,从而向计划调度层反馈任务的进度和工时信息。

3)计算机网络的构建计算机网络是整个系统得以正常运行的基础,是集成技术的物理体现,它直接影响整个系统的总体功能。在网络设计上,一般要注意这样几个问题:要有明确的选型原则;要设计合理的系统结构和网络拓扑结构;要选择开放的网络协议软件。另外,设计时还应注意传输媒体的选择、通信性能以及网络服务需求等方面的问题。

结语

制造业信息化工程是当今世界制造业发展的大趋势,是中国制造业实现跨越式发展的重要机遇。对于传统的多品种小批量生产企业来说,在现有基础上寻找合适的信息化道路是一个重要任务。信息化不是简单的购买计算机,更重要的是企业组织结构和运转方式的彻底改变。本文所提出的 MES 系统体系弥合多品种小批量生产企业上层计划部门与下层控制系统之间的间隔,解决了底层信息不能及时反馈到上层计划和调度部门的问题,对生产过程中出现的扰动现象,给予及时解决。并且在实际应用中也体现了其明显的作用,从而为多品种小批量机械制造企业信息化工程提供了可行方案。





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