（管理科学与工程专业论文）流程工业生产管理系统研究.pdf

上海人学硕j ：学位论文 摘要 面对着日益激烈的国际国内竞争，企业制定战略、传递信息、执行计划的 能力变得越来越重要了。然而在企业内部，在企业资源规划系统( e n t e r p r i s e r e s o u r c ep l a n n i n g ) 和管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) 与 车间罩的生产制造系统之间，却存在着隔阂，使得企业管理层制定的计划，得 不到准确的传递与执行，造成企业生产管理效率的低下。 制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 作为计划管理层和底 层控制层之间的桥梁，填补了两者之间的空隙，实现了企业信息化集成，己成 为面向车间生产管理与控制的主流技术。基于这种新技术，本文以流程工业为 背景，结合流程工业的特点，建立了一个m e s 型生产管理系统。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 分析了生产管理系统发展的历史、现状以及出现的新问题，进而引出 了流程对生产管理技术上的新需求，详述了生产管控系统的内容；同时介绍了 制造执行系统的定位及功能模型。 ， ( 2 ) 对生产管理系统做了模型的设计，进一步设计了其下属的各子系统； 讨论了系统的架构问题，同时研究了一个生产计划的模型。 ( 3 ) 作为生产管理的关键，详细论述了生产调度问题的起源、发展与求解 方法，结合流程工业与以往的求解方法的特点，本文设计了一种新的工序权数 计算方法，尽量缩短作业时间的同时，保证生产资源的均衡利用。 ( 4 ) 基于昆山钞票纸厂的实际生产管理现状，设计出了一套适于该厂生产 状况的基于m e s 的生产管理系统方案，包括系统的软件架构，硬件架构，以及 系统实施与运行的流程。同时对生产计划与调度两个模型做了实例计算，得到 了良好的效果。 该生产管理系统的设计与应用，对于相关行业的生产管理信息化建设具有 一定的参考价值。 关键词：制造执行系统，流程工业，生产管理，生产调度 v 上海人学硕+ l ：学位论文 a b s t r a c t f a c i n gt h ei n t e n s ei n t e r n a t i o n a ld o m e s t i cc o m p e t i t i o n ，i ft h ee n t e r p r i s ew a n t st o w i nt h em a r k e ta n dt h ec u s t o m e r , h em u s tc o m p r e h e n s i v e l ye n h a n c et h et e c h n o l o g y , t h eq u a l i t ya n dt h em a n a g e m e n ta n dv a r i o u sa s p e c t sl e v e l s a sab r i d g eb e t w e e np l a n n e dm a n a g e m e n tl e v e la n db o t t o mc o n t r o ll e v e l ， m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ( m e s ) i st h ek e yo fr e a l i z i n gb u s i n e s si n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n ，a n db e c o m et h em a j o rt e c h n o l o g yf a c e dt ow o r k s h o pp r o d u c t i o n m a n a g e m e n t t h er e s e a r c hf o rm e sh a sb e e nw e l ld e v e l o p e da b r o a d ，b u ti na s t a r t i n gs t a g ea th o m e d i r e c t e da tt h ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n ti np r a c t i c e ，t h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nf o rm e si ss i g n i f i c a n tt oi m p r o v em a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o n i nc h i n a m e s s d e f i n i t i o n , t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt h ef u n c t i o nm o d e li s i n t r o d u c e di nt h ea r t i c l e a f t e ra n a l y z et h ek u n s h a nb i l lp a p e rc o m p a n yp r o d u c t i o n p r e s e n ts i t u a t i o n ，am e ss y s t e mh a sb e e nd e s i g n e di nv i e wo fi t se x i s t e n c eq u e s t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri ss t u d i e da sf o l l o w s ： ( 1 ) h a v ea n a l y s e dt h ep r o b l e mp r o d u c i n gh i s t o r y ，c u r r e n ts i t u a t i o na n dt h en e w a p p e a r i n gp r o b l e m s ，t h e n ，w eh a v ed r a w nf o r t ht h en e wn e e do nm a n u f a c t u r i n g m a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi np r o c e s si n d u s t r i a l w ed e s c r i b et h ec o n t e n to fi t ，a n d i n t r o d u c et h et h ea l l o c a t i o na n df u n c t i o nm o d e lf o rm e s ( 2 ) h a v ed e s i g n e dt h em a n u f a c t u r i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ，w eg oo nd e s i g nt h e f o l l o w i n gs e v e r a ls u b - s y s t e m s w ed i s c u s st h es y s t e m a t i cf r a m ea n dt h ep r o d u c t i o n p l a n n i n gm o d e l ( 3 ) w ed e s i g nan e wm e t h o dt og e tt h ew o r k i n gp r o c e d u r e sw e i g h tb yw h i c h w ed e c l i n et h ef i n i s ht i m ea n da s s u r et h ep r o d u c t i o nr e s o u r c ei su s e de q u a b l y ( 4 ) a tl a s tw ed e s i g nas u i t a b l em a n u f a c t u r i n gm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n t h ef a c t o r y sr e a l i t yp r o d u c e sa d m i n i s t r a t i o nc u r r e n ts i t u a t i o n ，w h i c hi n c l u d e st h e c o n s t r u c t i o no fs o f t w a r es y s t e m ，h a r d w a r e s y s t e ma n d t h es y s t e m r u n n i n g v i l ：海人学硕f ：学位论文 p r o c e s s m e a n w h i l et w om o d e l sh a v em a d ea ne x a m p l eo i lt h em o d e lo fp r o d u c t i o n s c h e d u l i n g , a n daf i n er e s u l ti sg o t t h i sm e ss y s t e m ss t u d yo nd e s i g na n da p p l i c a t i o n ，h a v eac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et o c o r r e l a t e di n d u s t r y si n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nf o rp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，p r o c e s si n d u s t r y , p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g v i i l ：海人学硕。 ：学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：砻避 日期：丝堡垒! 三 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 磁蒯 钟 j j l l ：海人学硕i ：学位论义 第一章绪论 1 1 生产运作管理概述 生产就是创造产品和提供服务。运作( o p e r a t i o n s ) 就是将输入转化为输出 的一系列创造价值的活动，并以产品和服务的形式来体现【l 】。生产运作管理 ( o p e r a t i o n sm a n a g e m e n t ) 就是对运作中一切活动的管理。生产运作管理是管 理学的一个重要分支，发展至今已有百年历史。 随着经济的发展和科学技术的进步，现代企业所处的环境与过去相比发生 了深刻的变化。特别是各种现代管理科学理论与计算机技术在生产运作管理中 的广泛应用，进一步充实了运作管理的内涵。 1 1 1 生产运作管理的发展史 关于生产运作管理【2 】的发展历史及其中标志性的事件，j a yh e i z e r 和b a r r y r e n d e 在其所著( ( o p e r a t i o n sm a n a g e m e n t ) ) 一书中进行了系统的总结： 埃罩惠特尼( e l iw h i t n e y ，1 8 0 0 ) 被认为是较早通过采用标准化和质量 控制来推广零部件互换性的人。他在履行为美国政府生产l o ，0 0 0 支步枪的合 同时，通过提供可以互换的枪械零部件获得了额外的利润。 佛雷德里克泰罗( f r e d e r i c kw t a y l o r ，1 8 8 1 ) 被称为科学管理之父， 他在员工选择、生产计划、动作研究以及现在流行的人类工效学领域做出了巨 大贡献。他的一个主要贡献是指出管理能对改进工作方法起到非常积极的作用。 泰罗及其同事亨利甘特( h e n r yl g a n t t ) ，以及弗兰克吉尔布雷斯和莉莲 吉尔布雷斯夫妇( f r a n ka n dl i11j a ng il b r e t h ) 都是最早系统地探索最佳生 产方法的先驱。 泰罗的另一个主要贡献是鼓励管理者更多地关注下列活动：将员工放在他 t t 】j a yh e i z e r , b a r r yr e n d e r o p e r a t i o n sm a n a g e m e n t m ，陈荣秋，张祥等译中国人民大学i i ：版社，2 0 0 6 1 2 1 关于“生产运作管理”和“运作管理( o p e r a t i o n sm a n a g e m e n t ) ”，国内学者较多采用前者，国外学者 一般采用后者，实际指的是同一概念。对于引用义献中学者的说法，本文尊重原文作者的说法，但本文作 者自己的原创内容则采用“生产运作管理”的说法。 能够胜任的岗位上；提供恰当的培训；提供恰当的工作方法和工具；对需要完 成的任务制定合理的激励措施。 1 9 1 3 年亨利福特( h e n r yf o r d ) 和查尔斯索伦森( c h a r l e ss o r e n s e n ) 将零部件标准化和肉品包装与邮件分拣行业的准装配线相结合，提出了工人站 立不动而物料移动的装配线这一革命性概念。口1 在运作管理的发展历史上，有下列比较有标志性的历史事件，如表1 1 所 示： 表1 1 运作管理历史上的标志性事件 关注的重点关注成本关注质量关注定制 阶段名称早期概念时期科学管理时期大量生产时期精细生产时期-大量定制时期 时间1 7 7 6 1 8 8 0 车1 8 8 0 1 9 1 0 年 1 9 1 0 1 9 8 0 年1 9 8 0 1 9 9 5 年1 9 9 5 2 0 1 0 年 移动装配线( 福特 全球化，互联 索伦森) ，统计和准时生产制 网，企业资源计 甘特图( 甘特) ，抽样( 休哈特) ，( j i t ) ，计算机辅 划，学习型组 劳动专业化( 斯t 作和时间研经济订货批量( 哈助设计( c a d ) ，电 织，国际质量标 密，巴贝奇) ，究( 吉尔布雷里斯) ，线性规划，子数据交换 内容 准，有限能力排 零部件标准化斯) ，过程分析计划评审技术( e d i ) ，全面质量 ( 惠特尼)( 泰勒) ，排队( p e r t ) 关键路管理( t 删) ，鲍德 程，供虑链管 理论( 爱尔朗)径分析( 杜邦公里奇奖，授权，看 理，敏捷制造， 司) ，物料需求计板生产 电子商务，按单 生产 划( m r p ) 资料来源：j a yh e i z e r ， b a r r yr e n d e r 著，陈荣秋，张祥等译，运营管理 m 】，中国人民火 学出版社，2 0 0 6 总体来说，生产运作管理的发展可分为如下几个阶段【4 】：1 ) 第一阶段为1 8 世纪未期至1 9 世纪未的早期放任管理阶段即产业革命阶段，在这一历史时期， 生产运作管理仅仅是处于萌芽时期；最具有影响力和代表性的是亚当斯密国 富论提到的“劳动价值论 与“分工 的理论。在产品的生产制造过程中的 分工合作，极大地提高了生产效益。2 ) 第二阶段为1 9 世纪末到2 0 世纪4 0 年 代的科学管理阶段，以被誉为“科学管理之父的泰勒所领导的科学管理运动 为特征。泰勒提倡的科学管理是一种定量的作业管理，强调制度管理，是一种 典型的“胡罗卜加大棒式”管理思想。在这一时期，吉尔布雷思夫妇对人的动 【3 】j a yh e i z e r “d e t e r m i n i n gr e s p o n s i b i l i t yf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h em o v i n ga s s e m b l yl i n e , j o u r n a lo f m a n a g e m e n th i s t o r y4 ，n o 2 ( i9 9 8 ) ：9 4 - 10 3 【4 l 本文采用j ，陈荣秋，马士华编著生产运作管理( 机械工业出版社，2 0 0 7 ，0 6 ) 书中的划分方法。 2 上海人学硕l 学位论文 作研究和工业心理研究，甘特对工作进度图表的研究，福特公司汽车移动装配 线的运用，这些研究和成果的推广，使得生产运作管理作为一个管理学科的分 支，得到了不断地发展，也奠定了其在管理学中的重要地位。3 ) 第三个阶段为 2 0 世纪9 0 年代开始的现代生产运作管理阶段。以2 0 世纪7 0 年代计算机在管 理中的应用为时代特性。其管理特征是：为适应市场竞争，实现了产销一体化； 为满足生产日益社会化、全球化的要求，有效地协调各种复杂关系，实行管理 方法定量化：计算技术的发展，信息工作的加强，使管理手段自动化。2 1 世纪 是知识经济时代，对产品品种、质量、成本、服务提出更高要求；同时也为企 业实现知识化的生产，满足产品、时间、质量、成本、服务、清洁的顾客化需 求提供了技术支撑。日本的制造业以其高质量、低成本而具有强大的竞争力。 日本通过美国质量专家引入了全面质量管理，但是，同本企业重视人的因素， 并将质量控制方法简化，使普通工人而不是专家都懂得如何使用，从而使质量 控制成为全员参与的工作。 1 1 2 生产运作管理的职能和发展趋势 在任何企业中，不论其规模大小，都存在着技术、财务、商业、安全、会 计和管理六种活动。这些活动大量地产生于企业内部，企业正是通过这些活动 将投入的劳动力、资金、原材料以及其他资源转换成满足人们需要的产品和服 务。这样的资源转换过程就是企业生产运作过程。因此生产运作管理是一个投 入产出过程管理，使企业通过这一过程在迅速有效地向社会提供满足其需要的 产品和服务同时，满足企业自身发展的要求，实现企业的任务。 生产运作管理的基本职能就是对企业运营过程进行计划、组织和控制工作。 这些基本职能贯穿于企业运营全过程，并渗透于运营过程的每一个具体环节。 目前，运作管理工作的从业者面临着同新月异的环境，运作管理成为一门 激动人心的新学科。运作管理不断呈现出一系列新发展趋势，运营经理们也面 临着一系列新挑战，如表1 2 所示。 表1 2 运作经理面i 临的挑战 过去未来 关注地区或国内l 低成本并且可靠的全球通信和运输网络i 关注全球市场 3 l 海大学硕二l 学位论文 ( 大) 批量运输产品生命周期缩短和资金成本的压力是库存准时运输 减少 采购强调质量就要求供应商对产品的持续改进作供应链伙伴，e r p ，电子商务 出承诺 漫长的产品开发周期生命周期更短，互联网，便捷的国际通信，快速产品开发，联盟，联合设计 c a d ，国际合作 标准化产品富饶的全球市场，更具柔性的产品生产流程人量定制和对质量的强调 工作专业化不断变化的社会文化环境，知识化和信息化员1 ：授权，团队，精细生产 的社会 成本导向环境冈索，i s 0 1 4 0 0 0 ，日趋增长的报废处置环保产品，绿色制造，再生材料， 费用爵制造 未将伦理放首位企业运营更公开；公众与全球伦理观；反对期待高伦理标准和社会责任 使朋童工，及贿赂和污染 图表来源：j a yh e i z e r b a r r yr e n d e r 著，陈荣秋，张祥等译，运营管理【m 】，中国人民人学 出版社，2 0 0 6 1 2 制造执行系统研究的重要意义 1 2 1 制造执行系统建设的必要性 制造业是我国国民经济重要的支柱产业，在第二产业中位居中心地位。随 着我国加入w t o 和经济全球化的浪潮，中国正在成为“世界工厂。如何迅速 提高企业的核心竞争力，以信息化带动工业化，加快信息化进程，走新型工业 化道路，实现全社会生产力的跨越式发展，是中国制造业的当务之急【5 1 。 纵观我国制造业信息化系统的应用现状，建设的重点普遍放在企业资源规 划系统( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ) 和车间层控制( s h o pf l o o rc o n t r o l ， s f c ) 两个方面 6 1 。由于产品行销在近一二十年间从生产导向快速地演变成市场 导向、竞争导向，这对制造企业生产现场的管理和组织提出了挑战，仅仅依靠 e r p 和s f c 已无法应付这种新局面【_ 7 1 。制造企业面临着同益激烈的国际竞争， 企业开始更多地关注如何极速地响应市场变化，并通过不断提高的服务满足客 户需求。 生产运作管理作为企业创造价值的主要环节，它不仅是制造计划的具体执 f 5 】来源：中国电子政务嘲，h t t p ：w w w c - g o v o r g c n x i n x i h u a n e w s 0 0 4 2 0 0 6 1 0 3 6 7 4 5 h t m l 【q 蔡宗琰等制造执行系统研究，机械与液压，2 0 0 7 年第2 期 f 7 】来源：中国电子政务网，h t t p ：w w w e - g o v o r g c n x i n x i h u a n c w s 0 0 4 2 0 0 6 1 0 3 6 7 4 5 h t m l 4 上海人学硕：i ：学位论义 行者，也是实时信息产生的集散地，更是大量制造信息的反馈者。生产管理中 的核心环节是对生产过程的控制与协调。但是e r p 等管理系统主要是对企业的 数据进行处理和运算，主要应用在计划、预测、分析等方面，对企业生产过程 的主体生产现场管理却没有涉及到，只为生产计划的编制提供了数据信息， 企业的生产现场的管理就像在黑箱中操作一样，对于“计划”如何下达到“生 产”环节，生产过程中的变化因素如何快速反映给“计划”，在计划与生产之间 需要有一个“实时的信息通道”，因此，提出建立制造执行系统( m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 的概念，就是使计划与生产之间有承上启下的“信息 枢纽 。 制造执行系统提供生产过程透明化管理的有效途经，它可以消除企业计划 与生产控制间的信息“断层 ，使企业真正“实时反应起来，弥补了e r p 或 物料需求计划系统( m a t e r i a lr e q u i r e m e n t sp l a n n i n g ，m r p ) 偏重对计划的管控 而无法监控制造现场执行情况的缺陷，通过信息的传递对从生产命令下发到产 品完成的整个生产过程进行优化管理。 本文的主要工作是流程工业基于制造执行系统( m e s ) 理论的生产管理系 统的研究与开发。当前，以m r p ，e r p 为代表的管理信息系统，以及以过程控 制系统( p r o c e s sc o n t r o l l i n gs y s t e m ，p s c ) 、分布式数控( d i s t r i b u t e dn u m e r i c a l c o n t r o l ，d n c ) 单元和柔性制造( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g 为代表的自动化技术， 在制造业范围内已经得到大规模应用。尽管这两类系统的推广取得了一定效果， 但却忽略了两者之间的有效配合，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，计划层与车间执行层无法进行良好的双 向信息流沟通，企业就难以实时反应。在生产过程中采用m e s 是解决这一问题 的最佳选择，m e s 提供了与e r p 系统的连接、与生产或者加工设备强有力的 相互连接。e r p 生产管理系统传递到m e s 的是有关生产任务、需求量和产品 零部件明细等信息。按照1 9 9 4 年5 月美国先进制造机构a m r ( a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ) 的表述，m e s 不只是工厂的单一信息系统，而是横向 之问、纵向之间、系统之间集成的系统，即所谓经营系统。对于s c p ( s e r v i c e c o n t r o lp o i n t ) 、e r p 、c r m 、数据仓库等近年被关注的各种企业信息系统，只 l - f , 人学硕j ：学位论文 要包含工厂这个对象，就离不开m e s 。总之，m e s 可以概括为一个宗旨制 造怎样执行，两个核心数据库实时数据库、关系数据库，两个通信接口与控制 层接口和与业务计划层接口，4 个重点功能生产管理、工艺管理、过程管理 和质量管理，以及1 1 个基本功能( 包括重点功能和辅助功能) 。 1 2 2 当前基于m e s 的生产管理系统存在的主要问题 虽然m e s 能够消除企业计划与生产控制间的信息“断层”，使企业真正“实 时反应起来。但是目前开发的m e s 系统中，还是存在着不少问题。这些问题 极大地阻碍了m e s 应有的“信息枢纽”功效的发挥，降低了已有m e s 生产管 理系统的效率。 根据作者对国内外文献的调研及结合自己在工作实践中的认识和理解，对 目前基于m e s 的生产管理系统存在的主要问题做如下概括总结： 1 ) 缺乏描述动态生产工艺流程的模型：目- f i ；j n 造执行系统中描述生产工艺 流程的模型都是静态的，无法对产品生产这一动态的过程进行描述。因此，企 业需要建立一种动念的生产工艺流程模型，这个模型把物料、物料的工序、物 料的加工状态、加工时间以及使用资源情况紧密连接起来，这样才可以准确找 到物料在加工过程中的准确位置，从而实现对物料加工状态的准确跟踪，使产 品信息具有可追溯性。 2 ) 无法对产品生产过程进行实时控制：制造执行系统不能及时了解生产过 程稳定与否，对发生的问题不能及时处理。对于大部分企业，品质管制虽然引 入多年，但由于方法的落后和工具的缺失，使得质量管理仍保持在事后总结避 免再发生的阶段，依赖经验数据，无法实现过程跟踪、控制和预防。生产过程 中所采集的各类数据因缺乏系统的分析工具而很难发挥应有的作用。当前对质 量问题反馈不及时、不准确，难以系统的、定量的分析各阶段的质量状况，从 而影响到质量管理工作的系统性和有效性，同时也直接影响着产品质量。由于 质量反馈速度慢，一旦出现质量问题，会产生批量废品，造成严重经济损失， 影响企业利润。 3 ) 缺乏科学可行的调度方案：制造执行系统由于缺乏科学可行的调度方 6 上海人学硕。l ：学位论文 案，一方面使得车间设备使用不均衡现象严重，造成资源的浪费；另一方面产 品难以在规定的交货期内交货，影响企业在客户中的信誉。在车间作业调度过 程中，没有充分考虑产品的齐套性要求，造成产品生产时出现物料短缺，通过 分批交货，使得运输环节增多，成本增加。 4 ) 可集成性差：企业缺乏从整个制造车间及生产系统的角度研究m e s 本 身的功能集成、信息集成与过程集成，不能从本质上解决m e s 与其他系统之间 的信息传递和行为映射，使企业各应用系统之间的信息难以保证在一致性和准 确性的条件下进行交互，从而造成各应用系统的操作人员不得不进行大量繁琐 的手工工作对数据进行录入和修改，使各应用系统数据的正确性和完整性难以 保证。 1 3 论文选题的背景 作者在昆山钞票纸厂工作多年，本文所讨论的问题是昆山钞票纸厂生产中 所存在的实际问题。 昆山钞票纸厂隶属于中国印钞造币总公司，位于江苏省昆山市国家级经济 技术开发区，具有3 0 多年的研制、生产钞票纸等防伪纸张的历史。 随着市场环境的变化，产品生命周期逐渐缩短，产品更新加快，产品生产 由少品种大批量向多品种小批量过渡，产品上市时间缩短，客户的质量要求日 益提高，对该企业快速响应市场的要求越来越苛刻。为了提高市场竞争力，该 企业必须以最快的上市速度、最优的产品质量、最低的成本、最佳的服务及最 清洁的环境来满足不同客户的需求和社会可持续发展的要求。 面对激烈的市场竞争，该企业利用e r p 等系统进行管理与控制，但车间生 产管理仍然不能满足需求。正如前文所述，e r p 系统的服务对象是企业管理的 上层，一般对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持。因此，e r p 系统和 现场生产系统之间出现了管理信息方面的“断层 ，对于用户车间层面的调度和 管理要求，它们往往显得束手无策或功能薄弱。同时，e r p 并不能帮助和指导 工厂分析其生产的瓶颈问题以改进和控制产品的质量。企业生产管理中面临许 多问题： 7 上海人学顾j ：学位论文 1 ) 出现用户产品投诉的时候，很难根据产品号码追溯这批产品的所有生产 过程信息，快速查明诸如原料供应商、操作机台、操作人员、所经过的工序、 生产时间同期以及其它关键的工艺参数等信息。 2 ) 传统的手工数据录入方式，人工报表多，无法自动统计每个过程的生产 数量、合格率和缺陷，不能快速采集车间现场数据，造成信息丢失或滞后。 3 ) 无法对产品的质量检测数据自动进行统计和分析，以精确区分产品质量 的随机波动与异常波动，将质量隐患消灭于萌芽之中，做到预防控制。 1 4 论文主要研究内容与框架 针对上述生产过程中的实际问题，本文进行了以下研究工作： 1 ) 对流程工业生产管理的现状及存在的问题进行充分调研分析，挖掘出当 前流程行业对生产信息化方面的需求。 2 ) 在对流程行业信息化体系结构及先进的生产管理理念如企业资源规划 ( e m e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ) ，准时生产( j u s t i n t i m e ，j i t ) ，制造执 行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 等进行深入研究的基础上，提出 了基于m e s 理论的多层的企业生产管理模式，将m e s 理论运用于流程工业， 实现上层计划层和底层控制层的有效连接和集成。该方案实现了企业管理层与 生产底层的集成，体现了生产计划与生产调度的整体优化，达到了物流、资金 流和信息流的统一。 3 ) 结合制造企业生产管理理论，对m e s 系统关键技术进行分析，设计了 系统的结构、目标，并给出了各模块功能。 4 ) 参照基于m e s 理论的生产管理系统设计模型，根据企业自身的需求和 生产特点，对昆山钞票纸厂生产管理系统进行了总体设计。 本文所研究开发的基于m e s 理论的流程工业集成化生产管理系统，以先进 的生产管理理念为指导，采用了先进的生产计划调度模型，实现了企业管理层 与生产底层的集成，达到了物流、资金流和信息流的统一，以先进的软件平台， 构造出了生产计划和调度整体优化的流程行业生产管理系统。通过对本系统的 使用，可以实现整个企业生产和管理的层层优化和全局优化，最终达到缩短生 上海人学硕l ：学位论文 产周期，加快资金周转，降低成本，提高质量和服务水平，追求最佳经济效益 的目标。 本文的正文部分共分六章，各章的具体内容如下： 首先在第一章对生产管理系统研究的意义、背景以及m e s 国内外研究现状 进行了阐述。 第二章，对生产管理系统需要用到的理论基础与方法进行介绍，主要介绍 了现代生产管理学理论、计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 理论、制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o n s y s t e m ，m e s ) 理论，并介绍了m e s 系统功能及定位模型。 第三章，设计了基于m e s 理论的流程工业集成化生产管理系统的功能与架 构，并研究了一个生产计划模型。 第四章，详细论述了生产调度问题的发展、算法求解，同时设计了一个新 的算法。 第五章，结合昆山钞票纸厂生产管理现状，具体介绍了生产管理系统在该 厂的应用实践。 第六章，给出文章的结论和展望，对全文的分析加以总结，并提出存在的 不足和今后的研究方向。 1 5 本文的主要创新点 1 ) 以流程工业为研究对象，引入m e s 系统的研究，设计并实施了适合造 纸行业的基于m e s 的生产管理系统。 2 ) 在m e s 基准功能模型的基础上，结合流程工业与造纸行业的特点，设 计了一套合适的m e s 功能子系统。 3 ) 详细分析了主生产计划的分解过程。采用a h p 法确定各个目标的优先 等级，建立目标规划方程，运用优化软件求解出主生产计划，从而设计出一套 生产计划的制定模型，同时进行了实例计算。 4 ) 充分分析了生产调度问题的发展、求解方法之后，指出原有方法的不足 之处，结合流程工业特点，设计了一个基于新的工序权重计算方法的生产调度 9 上海人学硕：l 二学位论文 算法，该算法能够在尽量缩短作业时间的前提下，保证生产资源的均衡利用， 然后进行了实例计算。 1 0 j ：海人学硕。i 二学位论文 第二章制造执行系统( m e s ) 基本理论 2 1制造执行系统( m e s ) 的内涵 对m e s 的需求是这十多年来生产形态的变革所产生的，因而尽管其发展史 比管理信息系统( m i s ) 、物料需求规划( m r p ) 、计算机辅助设计生产 ( c a d c a m ) 等要短，但国内外对其研究和应用却开展的非常迅速。 目前人们对m e s 还没有一个统一的定义，比较受大家认同的是贸易联合会 制造执行系统协会( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma s s o c i a t i o n ，m e s a ) 蝉j 对 m e s 所下的定义：m e s 能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过 程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，m e s 能对此及时做出反应、报告， 并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使 m e s 能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程， 从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回 报率。m e s 还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产 品行为的关键任务信息。m e s a 在m e s 定义中强调了以下三点：m e s 是对整 个车间制造过程的优化，而不是单一的解决某个生产瓶颈；m e s 必须提供实时 收集生产过程中数据的功能，并做出相应的分析和处理；m e s 需要与计划层和 控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成【9 】。m e s 的功能定义如下图2 1 所示。 1 8 11 9 9 2 年，以美国的一些有名的m e s 软件开发商和销售商为代表，联合北美和其它一些国家的相关公司， 成立丫以宣传m e s 思想和产品为宗旨的贸易联合会制造执行系统协会( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m a s s o c i a t i o n ，m e s a ) 。国际著名的软件厂商和企业界纷纷响应并加入丫这一非赢利性组织。 9 1o r d o o b a d i ，s a h a r o nm d e v e l o p m e n to f aj u s t i f i c a t i o nt o o lf o ra d v a n c e dm a n u f a cr a r i n gt e c h n o l o g i e s ： s y s t e m - w i d e b e n e f i t s v a l u e a n a l y s i s j o u r n a l o f e n g i n e e r i n g a n d t e c h n o l o g y m a n a g e m 饥t ，2 0 0 1 ，1 8 ：1 5 7 - 1 8 4 上海人学硕j ：学位论文 芒竺竺竺l 兰兰竺兰兰兰! e 竺兰竺兰兰竺l 竺兰竺竺兰苎l 图2 1m e s 的内涵 图表来源：l i n nr ，z h a n gw h y b r i dh o ws h o ps c h e d u l i n g ：as u r v e y 【j 】c o m p u t e r s & i n d u s t r i a le n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，3 7 ：5 7 6 1 ，有所修改。 2 1 1 制造执行系统的产生背景 在制造业信息化的早期阶段，受当时的环境限制，工厂的业务管理的信息 化与生产设备的自动化通常被作为两个独立的领域而分别进行。由不同部门， 基于不同看法而建成的一系列单一功能的信息系统，产生了以下两个长期存在 的信息阻断问题。 1 ) 信息孤岛。在7 0 年代木期，随着社会和科学技术的发展及物资的同益 丰富，企业面临的压力越来越大，市场全球化导致竞争同趋激烈，企业为了求 得在下一世纪的生存和发展，纷纷寻求适合自身的先进生产管理方式和信息化 技术。这时，工厂内出现工厂内的生产调度、工艺管理、质量管理、设备维护、 物料管理、过程控制等系统之间相互独立、缺乏数据共享，从而导致功能重叠、 数据矛盾等一系列问题，即所谓“信息孤岛 现象，这种信息孤岛现象造成了 工厂中制造信息在水平方向的阻断，所带来的问题严重地制约着工厂内各种系 统间的协调，阻碍了系统整体的发展，降低了制造领域信息化的整体作用【l o l 。 1 0 ls o h a l ，a 八l o n g i t u d i n a ls t u d y o f p l a n n i n ga n di m p l e m e n t a t i o no f a d v a n e 沱dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s , 1 2 j ：海人学硕1 ：学位论文 2 ) 信息断层。8 0 年代以后，全球市场竞争更加激烈，上层计划管理系统 ( m r pi i 和e r p 等) 受市场影响越来越大，计划的适应性问题愈来愈突出，企业 明显感到计划跟不上变化，面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多产品的改 型和订单的不断调整，企业决策者逐渐认识到市场和实际的作业执行状态对计 划制定和执行的影响越来越严重，而企业级的业务管理系统无法得到及时准确 的生产实际信息，无法把握生产现场的真实情况，使上层计划的制定越来越困 难，准确性和可行性难以得到保证。同时，由于生产现场人员与设备得不到切 实可行的生产计划与生产知识，使车间调度系统失去了它应有的作用，一方面 造成在制品库存量过多，使车间管理出现混乱以及资金占用过多，延误交货期； 另一方面由于设备空闲，造成资源浪费。信息断层造成了企业生产经营信息在 垂直方向的阻断，严重阻碍了企业级的业务管理系统与车间级的输出管理系统 之间的集成，阻碍了企业信息化的发展。 8 0 年代中期以后，伴随着消费者对产品的需求愈加多样化，制造业的生产 方式开始由大批量的刚性生产转向多品种少量的柔性生产；伴随着计算机网络 和大型数据库等i t 技术的发展，在管理系统软件领域m r pi i 系统迅速普及， e r p 系统崭露头角；在过程控制领域，可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ，p l c ) 、离散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 得到大量 应用。 尽管企业信息化的各个领域都有了长足的发展，但是在工厂以及企业范围 信息集成的实践过程中，仍然难以解决信息孤岛和信息断层所带来的各种问题。 例如，在计划过程中无法准确及时地把握生产实际状况，在生产过程中得不到 切实可行的作业计划，工厂管理人员和操作人员难以跟踪产品的生产过程，不 能有效地控制在制品库存，用户无法了解订单的执行状况。产生这些问题的主 要原因仍然在于生产管理业务系统与生产过程控制系统的相互分离，计划系统 和过程控制系统之间缺乏紧密的联系。针对这种状况，作为面向企业生产执行 层的信息系统m e s 应运而掣】。 1 9 9 0 年1 1 月，美国先进制造研究机构a m r ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，1 9 9 7 ，1 0 ：2 8 1 2 9 5 【j 李铁克制造执行系统模型综述与分析【j 】，冶金自动化，2 0 0 3 ( 4 ) ： 1 3 1 7 上海人学硕上学位论文 r e s e a r c h ) 首次提出了m e s 的概念，为解决企业信息集成问题提供了一个被广 为接受的思想。 2 1 2 制造执行系统国内外研究动态 随着m e s 概念和应用系统在工业界的推广，越来越多的企业发现m e s 不 但能够提高计划的实时性和灵活性，而且能改善生产线的运行效率。 同时，美国先进制造研究机构a m r 通过对大量企业的调查发现