机械制造企业制造过程信息系统研究

，重庆（400030）摘要：在综合分析制造执行系统技术发展的基础上，结合我国机械制造企业的具体情况的，提出了面向车间的制造过程信息管理系统总体模型，分析了制造过程信息管理系统在总体模型中的作用和信息流，介绍了制造过程信息管理系统的主要功能模块，并对系统实现的一些相关技术进行了探讨。关键词：MES；生产调度；集成0.引言美国先进制造研究协会(AdvancedManufacturingResearch，AMR)于1990年11月首次正式提出制造执行系统(MES)的概念，历经十几年，MES经历了由单一功能向集成化MES的演变，正在向标准化、协同化、智能化MES发展。MES在计划层信息管理的MRPⅡ/ERP与制造单元的设备控制系统之间构筑一座信息桥梁，连接企业上层管理与工作地之间过去一直被忽略但却急需解决的信息断层[1]。机械制造企业是典型的离散类制造企业，由于物料和产品生产工艺的特点，目前还存在一些函待解决的问题：产品零部件多，生产计划的变更使工序级的生产计划编制困难，加工过程关键路径的变化增加了调度和协调的复杂性了，不能满足车间调度实时性的要求；操作中涉及到的物料、设备、工具和文档等资源离散地分布在企业中，资源管理比较复杂；过程控制层的信息不能实时、准确的反馈给MRPⅡ/ERP系统。签于这种情况，本文提出了面向车间的制造过程信息管理系统的结构模型，分析了制造过程信息管理系统在总体模型中的作用和信息流，介绍了车间作业计划、生产调度等主要功能模块，旨在对机械制造企业MES的规划和实施提供一些有用的参考。1.制造过程信息管理系统的结构模型针对机械制造行业的特点，参照AMR于1992年提出的三层企业集成模型，本文提出了符合机械制造企业生产特点的制造过程信息管理系统的结构模型，如图1所示。模型中各个层次的特点如下：(1)计划层计划层主要是系统，也可能是SCM、SSM、P/PE等系统或者是它们中的某些组合。计划管理层强调企业的计划性，以客户订单和市场预测为计划来源，制定生产计划、管理企业的各种资源、管理销售和服务等。该层主要解决企业资源的合理利用和生产计划的编制问题。(2)执行层位于执行层的制造过程信息管理系统强调计划的执行，依据计划层下达的生产计划和指令，根据车间的实时情况制定工序级的生产计划，控制产品的生产过程及其相关的操作。该层可以共享上层产品设计部门设计的最新的与生产相关的技术资料（主要是产品设计和工艺资料），用来指导工人的操作和设备的运行。该层主要对整个生产过程进行动态优化管理，从根本上解决工序级生产计划的制定、车间调度实时性和底层实时信息上传的问题。(3)控制层位于底层的控制层包括DCS、DNC(分布式数控系统)、PLC、SCADA等系统，强调生产过程和设备的控制。其作用是对生产过程和设备进行实时监控，并对实时生产数据进行采集，通过执行层传递给计划层。该层主要解决设备的自动控制以保证生产出合格产品并采集实时生产数据。2.制造过程信息管理系统与上下层的信息传递基于上述的结构模型，制造过程信息管理系统与上层计划层和底层控制层之间的信息传递如图2所示。、临时计划、库存信息、人力资源订单完成情况、WIP信息、物料消耗情况、质量成本信息短期作业计划、生产指令、控制参数作业/任务状态、设备/人员状态、物料使用情况、生产优化参数图2制造过程信息管理系统在企业中的信息流MRPⅡ/ERP制造过程信息管理系统DCS/DNC/PLC/SCADAP/PE物料BOM、技术资料（工艺、图纸、标准等）实际物料BOM、改进工艺资料设备设备运行控制数据采集一方面，制造过程信息管理系统接收来自MRPⅡ/ERP系统的生产计划、库存信息等、和来自P/PE系统的物料BOM、技术资料，根据车间的生产情况制定短期作业计划，并把生产指令、控制参数下达给底层控制系统；另一方面，系统接收底层传递来的任务完成状态、设备状态、物料状态等实时信息，经过一定的汇总处理后，把订单完成情况、WIP信息、质量成本信息等传递给MRPⅡ/ERP系统，把实际物料BOM、改进工艺资料传递给P/PE系统。从时间因素分析，MRPⅡ/ERP系统计划系统考虑的问题域是中长期的生产计划(时间因子＝100倍)，制造过程信息管理系统处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题(时间因子＝10倍)，控制层系统则必须实时地接收生产指令，使设备正常加工运转(时间因子＝1倍)。它们相互关联、互为补充，实现企业的连续信息流[4]。由此可以看出，制造过程信息管理系统起到了信息中转的作用，保证了整个企业内部信息流的顺畅流通，极大地提高企业的信息交换率，加快企业的信息化进程，对推动企业CIMS和并行工程的实施以及实现现代企业管理系统一体化具有重要的意义。3.制造过程信息管理系统的主要功能模块研究制造过程信息管理系统的核心功能模块有四个，即车间作业计划、生产调度、车间制造资源管理、车间信息管理，加上质量管理、产品跟踪就构成了系统的基本框架。各个功能模块的结构和信息传递如图3所示。(1)车间作业计划接收生产订单并进行分解，根据工程设计部门编制的最新的工艺等技术资料、车间资源状态，平衡设备能力、指派加工设备，编制车间作业计划。计划投放前要仔细核实车间的实际情况，检查工作中心、工具、物料及生产提前期的有效性，解决计划与实际间存在的问题，最后建立和落实车间任务，同时要检查物料短缺情况，及时加以解决。主要功能包括对月、周、日生产计划的编制、修改、查询，车间资源需求（设备、物料、工具等资源），能力平衡等。(2)生产调度根据车间作业计划向车间工作组发出生产指令，常见的生产指令如生产工单或称为生产工票。生产调度通过安排良好的作业顺序来最大限度多地减少生产过程中的准备时间。监控生产过程，对生产过程中的设备故障、工艺变更、需求计划改变、车间资源波动等具体问题进行调整，实时地做出生产方案、工艺路线、车间资源分配的更改决策，进而调整车间作业计划，以满足实际生产的需求。进行实时调度应避免大范围调整原有的计划，以保证生产进程的平稳性。(3)车间制造资源管理车间制造资源管理包括了对物料、设备、技术资料、工具工装、工人等生产所需的各种资源的管理。车间制造资源准备到位是生产进行必不可少的前提，然而目前大部分制造企业的车间浪费在生产准备上的时间远远多于实际加工消耗的时间，提高车间效率的关键就是降低生产准备的时间，因此有必要对车间的制造资源进行统一管理。车间制造资源管理记录了车间各种资源的实时状态信息，并提供资源使用情况的历史记录，确保生产资源的正常使用；对资源不足、设备故障等异常问题及时进行报警和上报处理，避免生产进程的中断，保证生产进程的连续性。(4)车间信息管理车间信息管理一方面对文档进行管理，控制、管理和传递生产指令、工程图纸、标准工艺规程、零件的数控加工程序、批量加工记录、工程更改通知和各种转换操作间的通讯记录；同时通过数据采集接口来获取和更新与人员、设备、操作、工序、物料以及其它与生产功能相关的各种数据和参数，形成过程当前的状况信息，以便其它相关系统和人员进一步使用，。采集到的数据通过其它相关功能模块或直接存入数据库进行实时更新。除了以上四个核心功能模块以外，质量管理对从制造现场采集的数据进行实时分析以保证良好的质量控制和确定生产中需要注意的问题；产品跟踪提供产品任意时刻的状态和位置信息。车间制造过程信息管理系统的这六个功能模块是相辅相成的，共同为工厂的运作提供了信息基础的核心。4.系统实现相关的技术探讨(1)集成技术的应用要实现企业连续、实时的信息流，MES就必须实现与上层ERP系统和底层控制系统的集成。MES与ERP系统的集成模式大体上有三种：封装调用集成模式、间接集成模式和直接集成模式。封装调用模式是通过接口调用封装在定义对象中的属性和操作方法来实现系统集成的；间接集成模式主要包括通过中间文件、中间数据库以及XML数据流等来实现ERP与MES系统的集成，XML集成技术既可以把XML看成是一个文件集进行传输交换集成，又可以将XML文件作为一个数据源进行访问起到中间数据库的功能，因此目前XML技术已经得到大规模的应用；直接集成模式是将MES系统的数据存放在ERP系统的数据库中，两个系统直接对各自的数据库进行操作，并交换数据，实现两个系统的数据库的真正共享，但是这种方法只局限于开发一整套的ERP和MES系统[2]。在生产实践中，MES与底层控制系统间需要传输实时数据，如工艺数据、设备状态数据、流程控制数据等，由于MES底层的过程控制产品都是由来自不同厂家的DCS、SCADA、PLC等系统扩展和延伸而成的，缺乏统一的数据结构和标准的数据接口，从而造成底层控制系统集成困难，也不易形成统一的接口进行信息反馈。OPC(OLEforProcessControl)技术的出现，使得这一状况得到改观。OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统，为多种多样的过程控制设备之间进行通信提供了公用的标准接口，标准接口保证了互操作性，使得所有支持OPC的客户能够以一致的方式访问所有OPC服务器。在具体的实施过程中，企业应该根据自己的实际应用环境，通过对企业的运营模式、发展目标和业务过程作充分的研究确定适合自身需求的解决方案。(2)信息终端采集数据的实时性和准确性车间现场的实时数据主要是通过信息采集设备采集到以后，有的要进行简单处理，由操作工人通过触摸屏输入或者直接传入MES系统的。来源数据的实时性和准确性是企业内部信息流顺畅和实现敏捷制造的必要前提。采集数据的实时性和准确性，有利于使零件的加工时间更加精确合理，保证了排产的可操控性，使生产提前期更加合理有效，从而提高企业的生产效率，提高效益。5.结语随着企业信息化应用水平的不断提高，企业逐渐认识到实现企业计划层与车间执行层的双向信息流交互，通过连续信息流来实现企业信息全集成，是提高企业生产效率的一个重要因素。本文提出的机械制造企业车间制造过程信息管理系统较好地弥补了ERP不能对具体产品生产进行排产和控制生产过程的局限，解决了底层实时信息不能及时反馈到上层计划和调度部门的问题，从而为机械制造企业的信息化工程提供了一种可行方案。[1]丁伯慧等,离散型制造企业MES系统架构的研究[J].管理技术,2006,04.[2]柴天佑等,制造执行系统的研究现状和发展趋势[J].控制工程,2005,11.[3]王成桥,乔非.ERP与MES集成模式方法研究[J].工业工程,2006,3.[4]马万太,谭惠民,黎志刚等.ERP闭环实现关键－ERP/MES/底层控制集成系统研究[J].中国机械工程,2003.[5]罗鸿.ERP原理/设计/实施[M].电子工业出版社[M],2005,7.[6]王慧斌等,信息系统集成与融合技术及其应用[M].国防工业出版社,2005,11.[7]MESA.MESExplained:AHighLevelVision[M].Pittsburgh:MESAInternationalWhitePaperNumber6,1997.AResearchforManufacturingProcessInformationManagementSysteminMechanicalManufacturingEnterpriseWangYongliangManufacturingEngineeringInstitute,ChongqingUniversity,Chongqing(400030)AbstractBasedoncloseanalysisonthedevelopmento