随着经济全球化的不断发展,企业间的竞争越发激烈。离散制造企业要想提高其竞争力就要实现敏捷制造和精益生产,如此才能在根据市场变化迅速地调节产品的种类和数量的同时不断地减少不必要的浪费以降低成本。而制造执行系统作为企业信息化体系中控制系统与管理系统的衔接部分,是提高企业生产制造管理水平的重要工具,对企业实现敏捷制造和精益生产具有重要作用。
1 敏捷制造与精益生产
敏捷制造(AM)是指制造企业采用现代网络信息技术手段,通过动态地、有效地协调整合各种生产要素,快速配置各种资源(包括技术、管理和人),响应用户需求,实现制造敏捷化的一种现代制造模式。其核心是制造业要在不断变化、不可预测的经营环境中,着力提升企业市场应变能力和快速反应能力的一种战略性举措,是现代制造业发展的方向,更是制造业信息化的必然趋势和本质要求。
精益生产(LP)是一种及时制造、消灭故障、消除一切浪费的生产管理方式,也是全员参与持续改善的一种管理状态。它综合了大量生产与单件生产方式的优点,力求在大量生产中实现多品种、高质量、低成本。它不但使制造工业获得了飞速发展,同时也带动其他领域乃至整个社会发生了深刻的变化。
精益生产和敏捷制造虽然分别代表了东西方管理模式的发展方向,但也有许多相同点。他们都强调利用市场知识和先进的现代化技术来为客户提供所需的产品。由于敏捷制造适于处理动态变化的市场需求,而精益生产提供了均衡生产调度和降低系统运行成本的功能,因此将二者综合集成应用到生产制造过程中,可以使制造企业利用现代化技术合理配置各种资源生产出满足客户需求的多品种、高质量、低成本的产品,从而增强其市场竞争优势。
2 离散制造业实现LP和AM需要MES
制造业按其产品制造工艺过程特点总体上可概括为连续制造和离散制造。离散制造的产品往往由多个零件经过一系列并不连续的工序的加工最终装配而成。对于离散制造、业来说,要实现精益生产和敏捷制造就要把重点放在生产车间上,借用先进的计算机网络技术、数字通讯技术、企业建模技术等来提高企业现场的生产制造管理水平和过程管控能力,以便减少浪费、加快生产节拍、减少库存和提高产品质量等。目前,离散制造业在进行敏捷制造和精益生产时普遍存在着物料浪费、交货拖期、库存资金被大量占压、产品质量不稳定、有订单但做不出来等许多问题。离散制造业要想解决以上问题就需要不断提高其信息化水平,运用信息技术来实现精益生产和敏捷制造。
目前,离散制造业基本上都实现了ERP和车间内的现场控制系统(FCS),但是ERP系统和FCS系统都具有各自的局限性,从而在企业范围的信息化过程中暴露出上层计划系统与底层控制系统之间的生产执行领域的空白,使得排产和调度过于依赖经验,计划的可行性和应变能力较差,生产执行过程不透明,管理者难以及时准确地获取生产信息。因此,离散制造业急需运用制造执行系统(MES)来连接上层计划系统与底层控制系统。
MES是美国管理界于20世纪90年代提出的新概念。MES是处于计划层和车间层操作控制系统之间的执行层,在整个企业信息系统中起着承上启下的作用。MES对生产过程进行实时监视、诊断和控制,完成生产单元整合和系统优化,在生产过程层进行物料平衡、制订生产计划、实时排程、优化调度,进而对生产过程物料、能量、质量、设备、资金,甚至人力资源统一进行监测、分析、控制和优化,实现了从订单下达到产品完成整个生产过程的优化管理。
3 AM和LP下的MES应具备的功能
相对于连续制造业来说,离散制造业对MES的要求更高:数据采集系统更为复杂、对作业计划调度管理的要求达到工序级别、采用以产品BOM为核心的生产模型等。根据精益生产和敏捷制造的特点并结合MES全球协会对MES功能模块的划分以及相关文献,离散制造业的MES应具备以下几个基本功能:
a.数据采集,即获取产品生产加工过程中的各种数据和参数。为方便采集数据,在标识产品时尽量采用条码或无线射频技术。
b.工艺管理,即根据库存管理提供的物料的规格、状态、库存情况和设备、人力的能力、状态、利用情况,利用CAD和CAM进行工艺设计和编制,为车间、计划部门提供工艺图纸、技术参数等信息。
c.高级作业计划调度。它接收ERP系统下达的生产计划,并对计划进行逐级分解,根据资源约束和均衡生产的要求,通过高效实用的车间作业计划与调度算法合理安排生产过程中的各种资源。
d.过程控制。该功能监控生产过程、自动纠正生产中的错误并向用户提供决策支持以提高生产效率。通过连续跟踪生产操作流程,在被监视和被控制的机器上实现一些比较底层的操作;通过报警功能,使车间人员能够及时察觉到出现了超出允许误差的加工过程。
e.质量管理。质量管理作为MES在制造企业应用的重要部分,其核心思想是帮助企业建立PDCA式的闭环质量管理体系,固化当前的企业质量管理流程,提高质量计划编制、质量检验、质量跟踪分析、质量改进业务执行的效率。
f.设备管理。记录生产设备的状态数据,通过活动监控和指导保证设备的正常运转。包括设备状态监控、设备台账管理、设备维修管理和备品备件管理等。
g.人力资源管理。通过记录员工在生产过程中的数据来评估工人的工作能力和核算劳动工时等,为员工激励和培训提供依据。
h.产品跟踪。通过监视工件在任意时刻的位置和状态来获取每一个产品的历史记录,该记录向用户提供产品组及每个最终产品使用情况的可追溯性。
i.执行分析。该功能通过对过去记录和预想结果的比较,提供以分为单位报告实际的作业运行结果。执行分析结果包含资源可用性、资源活用生产单元的周期、日程遵守及标准遵守的测试值,可以为管理者提供决策支持。
4 基于SOA的离散制造业MES架构
制造执行系统在离散制造业的整个信息集成系统中起承上启下的作用。它的各个功能子系统既是独立的,又是相互协同的。同时,它与其他系统的集成更依赖于企业信息化的整体架构。因此,离散制造业的制造执行系统的架构必须是一种模块化的,能表现分布特性、开放性以及能够与其他信息系统完美连接的集成框架。
SOA是一种建立、维护、管理IT系统和业务流程的方法。IBM对SOA做出了如下定义:它是一个组件模型,它将应用程序的不同功能单元(服务)通过服务之间定义良好的接口和协议联系起来。接口采用完全中立的方式来定义,独立于实现具体服务的硬件、操作系统和编程语言。在SOA架构下,以服务形式出现的业务逻辑可以被共享、重用和配置,这样不同的信息系统之间或系统内部的应用集成就变得轻而易举。因此,采用基于SOA的系统模式有利于面向精益生产和敏捷制造的离散制造业MES集成框架的实现。
笔者参考相关文献,提出一种基于SOA的离散制造业MES架构。其中,企业服务总线(ESB)是企业服务运行的基础平台,负责对分散在整个企业以及企业外延的服务进行中央配置、部署和管理,为系统提供统一的服务调用接口。而服务质量控制、安全管理与监控则是通过特定工具、响应机制和标准来监视各层的运行,提供日志服务和身份验证功能,保证服务的健壮性,确保服务质量。如图1所示,整个制造执行系统架构从下向上依次分为5层。
图1 基于SOA的离散制造业MES架构
a.数据层。数据层主要包括实时数据库和关系数据库,通过接口机采集来的实时数据存储于实时数据库中,而非采集数据则存储于关系型数据库中。它与ERP的数据库系统通过开放接口进行数据交互,实现了与ERP的无缝连接。
b.组件层。组件层主要包括许多Agent组件。每个Agent组件都是一个基本功能实体,可以实现某项原子服务Agent组件之间可以通过通讯进行协商来实现服务层的某项服务。
c.服务层。服务层承上启下,向下连接具体实现技术,向上连接业务流程。该层以Web服务平台为基础设施,包含封装的各种Web服务(如工艺管理服务、质量管理服务和人力管理服务等)以及OWL-S/UDDI服务信息中心。它运用web Services将下层的Agent组件包装成服务,并通过消息与业务层进行通信。
d.业务层。业务层以业务需求为导向,选择合适的服务,利用工作流技术,组合形成业务服务流,直接支持企业业务过程的执行。本层包含BPM的管理工具、生产管理流程知识库和BPEL引擎。根据表示层传递的消息,从生产管理业务流程本体库中查询并调用相应的业务流程模型,通过BPEL引擎的执行为服务层提供服务发现与组合的依据。
e.表示层。这一层是系统访问的入口,针对不同的用户提供不同的操作界面。UI是客户端的用户界面,负责从用户方接收命令、请求和数据,传递给业务层处理,然后将结果呈现出来。UI控制逻辑负责处理UI和业务层之间的数据交互以及UI之间状态流程的控制,同时提供简单的数据验证和格式化等功能。
5 应用分析
CG公司是一家工程机械制造企业,本文将以CG公司为例介绍基于SOA的离散制造业MES在离散制造企业的运用。
a.CG企业的信息化需求。
随着经济的不断发展,CG企业的规模不断扩大,为了提高企业自身的竞争力,CG企业的领导层决定进行企业信息化建设。企业已经应用了ERP和FCS,但效果不佳,未能达到企业信息化的目标。为了进一步提高企业现场的生产制造管理水平,实现资源的有效利用,企业决定使用MES。希望通过MES的使用实现资源的合理调度、生产车间的实时控制以及整个生产过程的有用数据的统计分析等。
b.MES系统实现方案。
MES作为制造业信息化建设的重要组成部分,除了能够满足公司业务需求之外,还必须具有很高的安全性和稳定性,综合各方面需求以及企业自身的实力,CG企业选择了C/S(客户机朋艮务器)模式。客户端主要用于基础数据的录入、更新和删除等,通过调用应用服务器端的方法进行数据的查询、统计等处理。应用服务器进行接口定义、通过方法实现相应的商业规则及功能,供客户端调用。当要求进行业务调整时,只需更新应用服务器端,这样就避免了逐个对客户端进行更新,也便于集中对业务进行处理。
c.MES应用效果。
目前,CG公司的MES在企业内部局域网环境下已成功投入运行。总体来说,MES的主要功能基本满足了企业对车间生产管理的要求。基于SAO的模式使得MES可以很好地完成其与ERP和FCS的集成,实现了数据准确、及时的传输。Agent组件的运用使得MES更加智能,对数据的采集和处理更加有效,对实时事件的反应和处理更加迅速。业务流程管理模块的使用使得MES的操作流程与车间的业务管理流程相匹配,很大程度上提高了整个车间乃至企业的生产管理效率。
6 结束语
面对激烈的市场竞争,越来越多的企业认识到敏捷制造和精益生产的重要性。MES作为连接ERP和FCS的桥梁,能够提高企业现场的生产制造管理水平和过程管控能力,从而实现企业的敏捷制造和精益生产。本文阐述了MES的基本功能,构建了基于SOA的MES架构并给出了实例分析,对其他离散型制造企业开发MES具有重要的参考价值。离散制造企业在开发MES时可以根据企业的实际情况增减相应的功能,并选用合适的编程语言进行MES的开发。
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本文标题:面向AM和LP的离散制造业MES研究