（机械电子工程专业论文）流程工业生产管理系统研究.pdf

摘要 科学技术的发展为制造业的技术进步创造了条件，同时也使企业面临越来越激烈的 竞争。传统制造业面临着新的挑战和机遇，为了能在市场竞争中立于不败之地，如何缩 短产品上市时间，提高质量，降低成本，改善服务，是企业永无止境的追求。因此企业 需要以先进的管理思想来指导自己的生产，加强生产管理和各生产环节之间的衔接，充 分发挥现有资源的生产能力。而传统的生产管理的思想主要针对离散型制造企业以及宏 观的计划控制，而对流程行业以及宏观下的底层数据的采集缺乏有效的信息系统的支持， 并且各系统之间缺乏有效的沟通和资源共享，容易形成所谓的“信恩孤岛”现象。因此对于 流程工业容易造成调度系统的不完善导致实时监控紊乱，增加产品的制造成本。 本论文针对上述问题进行了以下研究工作： f 1 1 在对流程工业生产的特点以及先进的生产管理理念j i t ，m r p i i ，e r p ，m e s 等进行深入研究的基础上，提出了一种基于i v i e s 的先进的流程工业生产管理模 式。 ( 2 ) 根据这种管理模式总结出一种流程行业生产管理系统的模型，并对模型进行需 求分析和详细设计。 ( 3 1 在软件上采用j 2 e e 技术对系统进行架构，采用j a v a 中间层的技术实现系统数 据和业务过程的建模，达到系统各模块的集成和可扩充性。 f 4 ) 将生产管理软件系统原型应用于实际案例，同时结合企业自身的实际情况和特 点，开发了大连钢铁集团生产管理系统。 本文所研究开发的基于m e s 的流程行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、资金流和信息流统一；以先进的j 2 e e 平台对系统软件进行架构，保证系统的健 壮性和可扩充性。通过对本系统的使用，实现了企业生产计划与生产调度的整体优化， 最终达到缩短生产周期，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。 关键词：m e s ：m r p i i ；流程工业：j 2 e e ；中问件； a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f m o d e r ns c i e n c e p r o v i d e st h et e c h n i q u ec o n d i t i o nf o rt l em a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e sw h i c ha r ec o n f r o n t e dw i t hm o r es e v e r ec o m p e t i t i o n ，t og a i nt h ea d v a n t a g ei n c o m p e t i t i o n ，i tb e c o m eap u r s u i tf o ra ne n t e r p r i s et os h o r t e nt h et i m et om a r k e t ，i m p r o v et h e q u a l i t y , r e d u c e t h e c o s t ，p r o v i d e b e t t e rs e r v i c e s ot h e c o r p o r a t i o n m u s ta d o p ta d v a n c e d m a n a g e m e n tt e c h n o l o g yt os 臼e n g t h e nt h ei n t e r a c t i o no fe v e r ys t e po f p r o d u c t i o n ，u p g r a d et h e p r o d u c t i o na b i l i t yw i t ht h el i m i t e dr e s o u r c e s t h et r a d i t i o n a lp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ti d e a si s m a i n l y a b o u td i s p e r s e d m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e a n dm a c r o - p l a n n i n g ，l a c kt h e s u p p o r t i n p r o c e s si n d t l s t r ya n dc o l l e c t i o no fr o c k - b o t t o md a t a , a n dt h ee x i s t e di n f o r m a t i o ns y s t e m si s s h o r to fi n t e r a c ta n dr e s o u r c e ss h a r ew h i c h f i n a l l y l e a dt ot h es oc a l l e d p h e n o m e n ao f i n j b r m a t i o ni s l a n d ，t h ec h a o so f c o n t r 0 1a n dt h ei n c r e a s i n go f c o s tf o ra ne n t e r p r i s e t h e p a p e r d o e ss o m er e s e a r c hf o rt h ed e s c f i b e d p r o n e m 1 t h r o u g ht h er e s e a r c ho fp r o c e s si n d u s t r ya n da d v a n c e dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n tt h e o r i e s s u c ha se r p , m r pi i ，j i ta n dm e se t c t h ep a p e r p r e s e n t st h ea d v a n c e ds t e e lm a n a g e m e n t m o d eb a s e do nm e s 2 a p p l yt h e d e s c r i b e d p r o d u c t i o nm a n a g e m e n ti d e at op r o c e s si n d u s t r y ，c o n s t r u c tt h e p r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mm o d e l ，a n da l s ob r i n go u tt h ed e m a n da n a l y s i sa n dt h e d e t a i ld e s i g n 3 a d o p tj 2 e ep l a t f o r mt od e s i g nt h em u l t i t i es o f t w a r es t r u c t u r eo ft h em o d e l ，u s et h e t e c h n o l o g yo f j a v am i d d l e w a r et om a k et h es y s t e mm o r er o b u s ta n de x t e n s i b l e 4 p r a c t i c i n gt h es o f t w a r ep r o t o t y p em a dc o n n e c t i n gr e a lc o n d i t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e e n t e r p r i s e ，t h ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo f d a l i a ns t e e lc o r p o r a t i o ni sd e v e l o p e d b a s e do nt h ea d v a n c e d m a n a g e m e n t t h e o r i e sa n d m o d e l i n go f p l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ，t h e s y s t e ms o f t w a r es m i s f i e st h ei n t e g r a t i o no fm a n a g e m e n ta n dp r o d u c t i o n ，o b t a i n st h eu n i f i c a t i o n o fn o u ? so f m a t e r i a l ，c a p i t a a n di n f o r m a t i o n t h eu s i n go fj 2 e ep l a t f o r mm a k et h es y s t e m m o r er o b u s ta n de x t e n s i b l e t h es y s t e mr e a l i z e st h eo p t i m i z a t i o no f p l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ， s h o r t e nt h ec y c l eo f p r o d u c t i o n ，q u i c k e n t h ec i r c u l a t i o no f c a p i t a l ，d e c r e a s ec o s ta n do b t a i nt h e g o a lo fo p t i m a le c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：e r p ；m e s ；p l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ；p r o c e s si n d u s t r y ；j 2 e e ；m i d d l e w a r e p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t 流程工业生产管理系统研究 1 绪论 1 1 流程工业的特点以及流程企业对生产管理的需求 流程工业是指通过混合、分离、成型或化学反应使原材料增值的行业，其生产过程一 般是连续的或成批的，需要严格的过程控制和安全性措施，具有工艺过程相对固定、生 产周期短、产品规格少批量大等特点，主要包括化工、冶金、石油、电力、橡胶、制药、 食品、造纸、塑料、陶瓷等行业【l j 。 流程工业的信息化中需要在获取生产流程所需全部信息的基础上，将分散的控制系 统、生产调度系统和管理决策系统有机地集成起来，综合运用自动化技术、信息技术、 计算机技术、生产加工技术和现代管理科学，从生产过程的全局出发，通过对生产活动 所需的各种信息的集成，集控制、监测、优化、调度、管理、经营、决策于一体，形成 一个能适应各种生产环境和市场需求的、总体最优的、高质量、高效益、高柔性的现代 化企业综合自动化系统，以达到提高企业经济效益、适应能力和竞争能力的目的瑚。 与离散工业相比，两者在财务、采购、销售、资产和人力资源管理等方面基本相似， 两者的主要区别在于川： n ) 在生产计划方面流程工业的生产计划可以从生产过程的任一具有明显工艺特征 的环节开始，离散工业只能从生产过程的起点开始计划：流程工业采用过程结陶和配方 进行物料需求计划，离散工业采用物料清单进行物料需求计划；流程工业般同时考虑 生产能力和物料，离散工业必须先进行物料需求计划，后进行能力需求计划；离散工业 的生产面向定单，依靠工作单传递信息，作业计划限定在一定时间范围之内，流程工业 的生产主要面向库存，没有作业单的概念，作业计划中也没有可供调节的时间。 ( 2 1 在工程设计方面流程工业中新产品开发过程不必与正常的生产管理、制造过程集 成，可以不包括工程设计分系统，离散工业由于产品工艺结构复杂、更新周期短，新产 品开发和正常的生产制造过程中都有大量的变形设计任务，需要进行复杂的结构设计、 工程分析、精密绘图、数控编程等，工程设计分系统是其不可缺少的重要分系统之一。 ( 3 ) 在调度管理方面流程工业中要考虑产品配方、产品混合、物料平衡、污染防治等 问题，需要进行主产品、副产品、协产品、废品、成品、半成品和回流物的管理，热蒸 汽、冷冻水、压缩空气、水、电等动力能源辅助系统也应纳入工业的集成框架，离散工 业则不必考虑这些问题；流程工业中生产过程的柔性是靠改变各装置矧的物流分配和生 产装置的工作点来实现的，必须由先进的在线优化、控制技术来保证，离散工业的生产 柔性则是靠生产重组等技术来保证：流程工业的质量管理系统与生产过程自动化系统、 过程监控系统紧密相关，产品检验以抽样方式为主，采用统计质量控制，产品检验与生 产过程控制、管理系统严格集成、密切配合，离散工业的质量控制分系统则是其中相对 独立的一部分。 ( 4 ) 在信息处理方面流程工业要求实时在线采集大量的生产过程数据、工艺质量数 流程工业生产管理系统研究 据、设备状态数据等，要及时处理大量的动态数据，保存许多历史数据，并以图表、图 形的形式予以显示，而离散工业则相对较少；流程i j k 的工程数据库主要是体现生产过 程状态的一些实时数据，如过程变量、设备状态、工艺参数等，离散工业的工程数据库 则是主要以产品设计、制造、销售、维护整个生命周期中的数据为主，实时性要求不强。 ( 5 ) 在安全可靠性方面流程工业由于生产的连续性和大型化，保证生产的高效、安全、 稳定运行，实现稳产、高产，才能获取最大的经济效益，因此安全可靠生产是流程工业 的首要任务，必须实现全生产过程的动态监控，使其成为工业集成系统中不可缺少的一 部分，离散工业处于相对安全的环境，这方面要求较低。 f 6 1 在经营决策方面流程工业主要通过稳产、高产、提高产品产量和质量、降低能耗 和原料、减少污染来提高生产率，增加经济效益，离散工业则注重于通过设计、管理等 的自动化、集成化、企业柔性化等途径，达到降低产品成本、缩短生产周期、提高产品 质量、增加产品品种，满足多变的市场需求，提高生产效率；流程工业生产过程的资本 投入较离散制造业大得多，因而流程工业需更注重生产过程中资金流的管理。 f 7 1 在人的作用方面流程工业由于生产的连续性，更强调基础自动化的重要性，生产 加工过程自动化程度较高，人的作用主要是监视生产装置的运行、调节运行参数等，一 般不需要直接参与加工，而离散工业的生产加工方式不同，自动化程度相对较低，许多 情况下需要人直接参与加工，因此两者在人力资源的管理方面有明显区别。 f 8 1 在理论研究方面离散工业经过多年的研究和应用，已形成较为完善的理论体系和 规范，而流程工业由于起步较晚，在体系结构、柔性生产、优化调度、集成模式和集成 环境等方面都缺乏有效的理论指导，急需进行相关的理论研究。 由于现代技术的革新，制造企业面临着严酷的竞争，要想赢得市场、赢得用户就必须 全面提高企业的t 、q 、c 、s 、e 。在这种环境下，制造企业对生产的需求，主要表现在 这些方面【4 1 ： 1 ) 生产成本的控制 企业要获取更多利润，就需要以最低成本制造出符合要求的产品。但是在实际生产中， 由于用户需求的复杂性，容易导致生产工艺选择的不确定性，生产计划的混乱等因素的 影响，生产往往不能在成本最优的情况下进行。因此如何控制成本，避免不必要的资源 浪费，成了企业生产的首要的目标。 2 ) 对物料和产品的跟踪 由于现代生产的快节奏客户往往需要随时掌握产品的生产进度以组织生产，制造企业 也需要对产品的形态了解，以此做出合理的计划，这就需要有新的信息系统对生产数据 的采集，以保证对产品的物料进行跟踪。 3 ) 企业数据和信息系统的共享与集成以及可扩充性 企业在生产中存在着各种的数据，不同的信息系统往往在不同的时期与不同地点进行 实施，由于企业生产作为一个实体，内部各部分需要对数据进行共享，各个不同的系统 需要相互之间进行沟通，以获取最佳效果通。同时，当企业提出新的需求，采用新的系 统，则要求可与原系统的集成，整个系统具有可扩充性。 4 ) 生产计划的精细化 传统生产作业计划的编制方法使用的是累计编号法和提前期法等，利用这些方法编制 的计划比较粗，物料的库存量比较大，不能适应企业“瓶向合同的生产”和变化的市场的需 流程工业生产管理系统研究 求。生产计划应该既考虑从企业宏观角度出发实现的全局优化，又要考虑实现生产过程 微观的局部优化，达到生产过程中计划的动态化，准确化和精细化。 5 ) 生产调度的智能化 离散行业生产最大特点是对生产原料伴有化学、物理相变等反应及变化过程的连续加 工，因此对计划的实时动态调度要求很高。近年来，智能控制在计划调度方面的应用较 为广泛，多变量、非结构化是这类问题的共性，是智能控制应用的重点领域【“i 。 1 2 制造业先进管理模式的发展与现状 为了解决企业生产中的各种问题，2 0 世纪前期，美国工程师泰勒提倡“科学管理”， 把科学的定量分析方法引入生产与作业管理中，标志一套成熟科学理论的诞生。2 0 世纪 8 0 年代后信息技术的迅猛发展，计算机大量进入企业制造管理领域，涌现出了一批与信 息技术紧密相连的先进管理技术，主要有 5 6 1 ： 1 ) 制造资源计划( m r p i i ) m r pi i 是美国2 0 世纪8 0 年代初由美国管理专家，m r p 的鼻祖奥列弗怀特在物料需 求计划( m 砌) ) 的基础上发展起来的。m r p i i 是以工业工程的计划与控制为主线的、体现 物流与资金流信息流集成的管理信息系统，它的基本思想是：基于企业经营目标制定生 产计划，围绕物料转化组织制造资源。实现按需要按时进行生产。m r pi i 系统分为5 个 刮划层次：经营规划、生产计划大纲、主生产计划、物料需求计划、车间作业计划。m r p i l 系统实现了物流、信息流与资金流在企业管理方面的集成，并能有效地对企业各种有效 的制造资源进行计划、合理利用，提高企业的竞争力。但是m r pi i 这种以汁划驱动“推” 式( p u s h ) 的集中控制，对于具有多品种、车间级、离散事件的优化处理能力比较弱，对 于二处理诸如大型工程项目，紧急订单等突发事件反应能力差。 2 ) 准时制生产( j i t ) 准时制生产是2 0 世纪8 0 年代初日本丰田汽车公司创立的。j l t 的核心是适时、适量 生产，其基本思想是“只在需要的时刻，按照需要的数量，生产需要的产品”。j i t 生产方 式力图通过“彻底排除浪费”来实现最大利润目标，为了排除浪费，j i t 相应地产生了适时、 适量生产、弹性配置作业人数以及保证质量等基本方法【5j 。实行j i t 生产模式必须满足以 下条件：生产计划平稳、减少调整准备时间、提高工人素质、生产车间重新布局、准时 采购、消除原材料和外构件的库存、加强质量管理、消除废品。目前中国企业实现j 1 t 模 式生产缺乏很多的基础条件。 3 ) 约束理论( t o c ) 约束理论是以色列物理学家戈德拉特博士的最优生产技术( o p t ) 的基础上发展起来 的。约束理论根于o p t ，o p t 认为，一个企业的计划与控制的目标就是寻求顾客需求与 企业能力的最佳配合。t o c 实施计划与控制的主要步骤包括1 5 j ：识别企业的真正约束( 瓶 颈) 所在是控制物流的关键；基于瓶颈约束，建立产品出产计划；缓冲器的管理以防止 波动：对企业物流进行平衡。实践证明t o c 理论是用来增加产销率、实现企业文化从“成 本核算型”转变为“产销增加型”的一套有效的工具和技术。 4 ) 精益生产( l p ) 流程工业生产管理系统研究 精益生产是j i t 的发展和深化，它的目标是：尽善尽美，精益求精，实现无库存，无 废品，低成本的生产。它的特点有；强调以人为中心充分发挥员工的主动性和创造性； 采用j i t ，实现高效率，低库存的多种混合生产：团队工作和并行开发产品；简化组织机 构等等。 5 ) 供应链管理( s c m ) 【7 】 供应链管理( s c m ) 是指在生产及流通过程中，为将货物或服务提供给最终消费者， 联结上游与下游企业创造价值而形成的组织网络，是对商品、信息和资金在由供应商、 制造商、分销商和顾客组成的网络中的流动的管理。它是在企业e r p 基础上构筑的与客 户及供应商的互动系统，实现产品供应的合理、高效以及高弹性。客户可以通过网络了 解产品的供货周期、订单的执行情况等，企业则可以即时了解客户的销售情况，提高决 策执行的准确性、及时性，缩短供应链的运作周期，降低交易成本。对公司内和公司间 的商品、信息、资金的流动进行协调和集成是供应链有效管理的关键。 6 ) 客户关系管理( c r m ) 客户关系管理”就是“客户从j j h ) k 使用，得到客户资料开始，所有使用产品、服务、帐 务、教育、内容、改变的纪录与分析，与为这些活动所主动发出的信息，不断满足或创 造客户需要，使客户与公司建立长期的双赢互惠关系，并使客户成为品牌的代言人。 7 ) 企业资源计划( e r p ) 9 1 企业资源计划是2 0 世纪9 0 年代初由美国著名咨询公司g a r n e r g r o u p i n c 总结m r p i i 的发展趋势而提出的一种管理思想跗。e r p 在m r p i i 的基础上，融合了j i t , o p t , a m ，全面 质量管理( t q c ) 等先进管理思想，功能覆盖企业全面业务，并扩展到供销链上有关合 作方。支持离散型制造业和连续流程行业；支持能动的全局监控能力，基于数据仓库和 联机分析处理的模拟分析能力和决策支持能力；不断采用先进的计算机技术。e r p 是当 代制造企业迎接挑战的利器。 在企业管理软件方面s a p 、o r a c l e 、p e o p l e s o f t 等跨国公司在e r p 、s c m 、c r m 等方面占据着市场的主要份额，s i e g e ls y s t e m s 则在c r m 方面占据着主导地位。国内较 大的企业管理软件公司有用友、金蝶、新中大等等，他们的软件覆盖了我国的大部分领 域，也具有很好的应用”j 。 1 3 新经济形势下生产现场管理现状以及存在问题 行销在这一、二十年间从生产导向快速地演变成市场导向、竞争导向， n n t g 使得 生产现场的状况起了很大的变化，传统现场管理方式己无法应f , - j i r n n n n ，我们可将 生产型态的变化及引申的问题归纳成以下几点驯： 1 1 产品生命周期缩短 信息电子产品晟能代表这个现象。产品汰暇换新加速迫使产品设计，工程及生产部 门之间的关系越来越紧密。生产单位不断面临新的零组件，新的设备，新的制程及经常 性的工程变更，生产现场需要一套实时生产指示系统，有效地指引生产人员作业规范， 同时能正确迅速地将生产状况反应给设计制造部门，及时找出新产品生产问题。 2 1 少量多样生产型态 流程：仁业生产管理系缆1 i ：| f 究 美国福特汽车的开创者亨利福特在2 0 年代曾说过：我可以给任何客户任何款式的 车子，只要它是黑色的。而如今己进步到客户可在销售店里从数百种组合中挑选所要的 车子配备，立即下单至工厂生产，你可以随时知道你的车子已生产至何种程度。由于少 量多样的生产型态，现场随时充斥着众多不同的制造工序，不同的在制品、零组件，生 产单位必须具备混线生产能力，弹性而有效率地在一天当中应付不同产品生产所需。 ( 3 ) 市场变化快速难以预测 商场如战场，过去大规模正规作战已不复见，而现在强调的是快速打击部队，能应 付全球各地突发状况。生产现场也是要能机动地应付变化快速难以预测的订单式生产型 态。 h ) 国际性竞争，日益激烈 经济的发展目渐国际化，所面临的不仅是国内竞争而是面对全球各地一流产品的竞 争压力。就生产而言，所面临的是要不断提升产品品质及降低生产成本。过去只把生产 现场当作是黑箱作业，如今在竞争压力下必须将此黑箱作业透碉化，找出任何影啊品 质及成本的问题，并寻求具体的对策j 。 1 3m e s 理论的提出以及m i s s 产品现状和发展趋势 以m r pi i 、e r p 为代表的管理信息系统，强调企业的计划性。它们以客户订单和市 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。以数控加工、d n c ( 分布式数控技术) 单元和柔性制造系统为代表的自动化技术 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交互，企业就难以实时反应【l 副。 车间作为制造企业的物化中心，它不仅是制造计划的具体执行者，也是制造信息的反 馈者，更是大量制造实时信息的集散地，因此车间层的资源管理、物流控制和信息集成 是企业生产系统中的重要一环，车间管理与控制系统的敏捷性在一定程度上决定着整个 企业的敏捷性。为适应敏捷的制造环境，制造执行系统( m e s ：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 l 的概念近1 0 年来逐步形成并得到迅速发展。i v i e s 是位于企业上层生产计划 ( m r p i i e r p 、和底层工业控制之间，面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。m e s 强调制造计划的执行，它在计划管理层和底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之 矧的鸿沟 1 2 1 。 美国先进制造研究机构a r m ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ) 将m e s 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、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 状念。m e s 能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。当工厂中有实时事件发生时，m e s 能及时对这些事件做出反应、报告，并用当前的 准确数据对它们进行约束和处理。这种对状态变化的迅速响应使m e s 能够减少企业内部 那些没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，同时提高了工厂及时交货的 流程工业生产管理系统研究 能力，改善了物料的流通性能，提高了生产回报率。i v i e s 还能通过双向直接通讯在企业 内部和整个产品供应链中提供有关生产行为的关键任务信息 1 3 1 。 在i v i e s 的定义中强调了三点： ( 1 ) m e s 的优化目标是整个生产过程； ( 2 ) m e s 需要收集生产过程中大量的实时数据，并且对实时事件能及时进行处理： ( 3 ) m e s 需要同时与计划层和控制层保持双向通信能力，从上、下两层接收相应数据 并反馈处理结果和生产指令。 a r m 提出的三层企业模型如图1 1 所示： 目前提供m e s 产品的公司主要是国外公司，其中包含了主要m e s 功能的产品有 1 2 1 ： 西门子的s i m a t i c i t ，w o n d e r w a r e 的f a c t o r y s u i t e 2 0 0 0 ，c a m s t a r 的i n s i t e l i v e ， c h m n e t 的f a c t e l l i g e n c e ，以及法国阿尔斯通公司的m e s 等。西门子公司提供的m e s 产品s i m a t i c i t 的功能最全，基本上包括了所有的m e s 功能，它的组织结构由框架 f f r a m e w o r k ) 、功能组件( c o m p o n e n t s ) 、工业套件( s u i t e s ) 3 部分组成，其中框架部分主要提 供了应用开发工具、建模工具和各种接口适配器，功能组件部分提供了所有对应m e s 功 能的漠块，工业套件则是专门为特定的工业领域，如离散制造企业、冶金企业、食品饮 料和制药企业提供的专门套件。w o n d e r w a r e 公司的m e s 产品f a c t o r y s u i t e 2 0 0 0 不像 西门予的产品提供了完整的m e s 功能，它的产品只提供了部分m e s 功能，包括产品跟 踪、质量管理等，更多的模块，如i n t o u c h ，i n s q l 等偏向于p c s 的功能。c a m s t m l 公 司是世界上最早提供m e s 产品的公司之一，也是m e s 协会的最早成员之一，它的m e s 产品i n s i t e l i v e 也只提供了部分m e s 功能，包括工作流程管理、物料跟踪、资源管理等， 其外延产品l i r e v i e w ，l i v e c o n n e c t ，l i v e s y n c ，l i v e r e l a y ，l i v e a l e r t 提供 更多协同制造的功能。国内目前还没有比较成熟的m e s 产品，只有宝信公司的m e s 产 品宝信m e s 、冶金自动化研究设计院的m e s 产品a r i m e s 在开发中。 在早期国际m e s 协会m e s a 的描述中，i v i e s 系统功能主要分为核心功能模块和外 围功能模块2 部分。以生产计划与数据采集、物流管理等模块合并起来形成m e s 的核心 功能，而其它的一些功能模块，如质量管理、维护管理、文档管理等形成m e s 系统的外 围功能模块。在近期m e s 协会对i v i e s 系统的功能描述上可以发现，已不再突出这种功 能上的主次之分，而是重点突出了协同制造( c o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n g ) 的概念，这主要 流程工业生产管理系统研究 是为适应经济全球化的发展。同时，也为了适应更加激烈的市场竞争，m e s 协会将原来 的m e s 系统外延扩大，加入了一些原来属于e r p 范畴的内容，如供应链管理s c m 、客 户关系管理c r m 等，从而形成了一套完整的制造企业解决方案。因此，相应的m e s 概 念也转变为m a n u f a c t u r i n ge m e r p r i s es o l u t i o n s ( n i j 造企业解决方案) 。另外，原来一些提供 e r p 解决方案的公司也意识到了e r p 和p c s 之间存在断层，在原来的系统上增加了一些 m e s 功能，这样就形成了e r p 系统和m e s 系统之间功能互相渗透的局面，双方都希望 为用户提供一整套的企业信息化的解决方案，最大限度地减少企业在这方面的投资，以 使自己能够在竞争中立于不败之地。 1 4论文研究背景及主要内容 一、论文研究背景 本论文的研究出发点来自大连钢铁集团信息化的建设。大连钢铁集团，作为一卜典型 的流程型制造企业，在激烈的竞争中面临着如何提高生产率，节能降耗，减少人员，压 缩库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，等诸多的问题。而在大连钢 铁集团的传统信息化过程中实际存在诸多问题：由于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 信息流交互，企业就难以实时反应；在生产中无法对成本进行有效的估计和控制；不能 及时追踪产品物料的生产状态。因此导致企业生产的严重混乱，其他的流程型企业电存 在相同的问题。本文通过研究流程工业的生产状况，引入先进的生产管理模式和软件架 构技术来解决企业中生产存在的实际问题。 二、论文研究的主要内容 本论文针对上述问题进行了以下研究工作： ( 1 1 调查流程工业生产中存在的问题以及生产管理的现状，总结出在科学技术高速 发展的今天，流程行业在生产信息化方面的需求。 f 2 1 在对流程行业信息化体系结构及先进的生产管理理念e r p 、j i t 、i v i 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，使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、资金流和信息流统一。 ( 3 ) 研究了中间层在企业系统运用中的重大作用，并在生产管理系统的软件实现上采 用j 2 e e 技术对系统进行架构，采用j a v a 中间层的技术实现系统数据和业务过 程的建模，达到系统各模块的集成和可扩充性。 r 4 ) 将生产管理软件系统原型应用于实际案例，在对企业进行详细调研后，做出了 需求分析，同时结合企业自身的实际情况和特点，开发了大连钢铁集团生产管 理系统。 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、资金流和信息流统一；以先进的软件平台，构造出生产计划和调度整体优 流程工业生产管理系统研究 化的流程行业生产管理系统。通过对本系统的使用，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。 2 制造执行系统m e s 的基本理论及其在流程工业中的应用 2 1m e s 的内涵 m e s 的需求是这十多年来生产形态的变革所产生的，因而它的发展史比m i s 、n l r p 、 c a d c a m 等要短，但人们对它的研究和应用却开展的非常迅速，m e s ai n t e r n a t i o n a l f m e s 国际联合会) 是以宣传m e s 思想和产品为宗旨的贸易联合会，它为了帮助其成员组 织在企业界推广m e s 制定了一系列研究、分析和开发计划。m e s 国际联合会对m e s 的 定义如下 1 3 1 ：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i v i 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。 流程工业生产管理系统研究 从时间因素分析，在m e s 之上的计划系统考虑的问题域是中长期的生产计划( 时间 因子= 1 0 0 倍) ，执行层系统m e s 处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题( 时间因 子= 1 0 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= l 倍) 。它们相互关联、互为补充，实现企业的连续信息流。 从层次角度分析，制造企业的控制结构可划分为工厂层( 或公司层) 、车间层、单元 层和设备层。其中，单元层相当于一般企业的工段或班组。通常，e r p 系统处于工厂层 和车间层，有时会扩展到单元层。设备控制系统处于设备层，有时会扩展到单元层。而 m e s 则总是处于车间层与单元层。因此，m e s 与e r p 在车间层( 有时包括单元层) 在 功能上会有部分重复，m e s 与设备控制系统在单元层有时也会有部分功能重叠，如图2 1 所示。 在m r pi i 、e r p 系统产生的长期计划的指导下，m e s 根据底层控制系统采集的与生 产有关的实时数据，进行短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程的优化 等工作。图2 2 描述了m e s 在企业中的数据流图。 在信息交互的具体内容方面，m e s 向上层提交周期盘点次数、生产能力、材料消耗、 劳动力和生产线运行性能、在制品( w i p ) 存放位置和状态、实际定单执行等涉及生产运行 的数据；向底层控制系统发布生产指令控制及有关的生产线运行的各种参数等。图2 3 描 述了i v i e s 与计划层和控制层的信息交互关系， 堡堡三些兰芏篁些至篓型塞 k l r p e r p 产品生产需求 产品工程 b , i 图纸工艺文件 预测 企业生产资源 成本计算 库存状志卜 生产计划 工程定义 订单完工状态 l 销售订单处理 人力资源 交货期状态 库存管理 物料消耗情况 采购人员分配腑况 分销 萎黼譬繁埔叫供应计划 配件需求 a 数生产能力 财务 焦点：顾客 决策地点：办公室 im e s 一 短期生产计划 工序详细强度 生产指令单 底层监控 资源分配和零件清单 状态管理 生产分析报告 生产单元分配 生产优化运行参数 生产数据采集 过程管理 卜 工序监控 人力资源管理 设备监控 维护管理人力监控 质量管理 物料监控 文档管理工序进展信息设备管理 产品跟踪 设备运行参数 人机接口管理 产品清单管理安全维护 性能分析 ，物料使用状态 数据采集 物料管理 j 焦点：产品 决策地点：车间 强2 3m e s 与计划层及控制层信息交互 f i g2 3t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nm e sa n dp l a n n i n gt i e c o n t r o lt i e 2 2m e s 的框架模型 2 2 1 i v i e s 的定位模型 m e s 作为面向制造的系统必然要与企业其它生产管理系统有密切关系，m e s 在其中 起到了信息集线器( i n f o r m a t i o nh u b ) 的作用，它相当于一个通讯工具为其它应用系统提 供生产现场的实时数据。i v i e s 的定位模型如图2 4 所示 1 3 】【1 4 】： 从图中可看出m e s 与其它分系统之间有功能重叠的关系，例如，m e s ，c r m ，e r p 中都有人力资源管理，m e s 和p d m 两者都具有文档控制功能，i v i e s 和s c m 中也同样 有调度管理等等。各系统重叠范围的大小与工厂的实际执行情况有关，但每个系统的价 值又是唯一的。 流程工业生产管理系统研究 2 2 2m e s 的功能模型 i v i e s 本身也是各种生产管理的功能软件集合，m e s a 通过其各成员的实践归纳了十 一个主要的m e s 功能模块，包括：工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、 过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、 性能分析和数据采集。m e s 的功能模型如图2 5 所示。实际的产品可能是包含其中个 或几个功能模块。各模块的功能简述如下l ”6 】： 1 1 工序详细调度( o p e r a t o i n s d e t a i l e ds c h e d u l i n g ) ：在编制生产作业计划中，该模块 提供与指定生产单元相关的优先级( p r i o r i t i e s ) 、属性( a t t r i b u t e s ) 、特征( c h a r a c t e r i s t i c s ) 以及处方( r e c i p e s ，此为可选项) 的作业排序功能。其目标是通过良好的作业顺序最大 限度减少生产过程中的准各时间。这种调度，是基于有限能力的调度并通过考虑生产中 的交错、重叠和并行操作来准确计算出设备上下料和调整时间。 2 ) 资源分配和状态管理( r e s o u r c e a l l o c a t i o n a n ds t a t u s ) ：这个模块管理机床、工具、 人员、物料、其它设备以及其它生产实体( 例如进行加工必须准备的工艺文件、数控加 工程序等文档资料) ，用以保证生产的正常进行。它还要提供资源使用情况的历史记录， 确保设备能够正确安装和运转，同时提供资源的实时状态信息。对这些资源的管理，还 包括为满足生产计划的要求对其所作的预定和调度。 3 ) 生产单元分配( d i s p a t c h i n gp r o d u c t i o nu n i t s ) ：。这一模块以作业、订单、批量、 成批和工作单等形式管理生产单元间的工作流。当车间有事件发生时，要提供一定顺序 的调度信息并按此进行相关的实时操作。生产单元分配模块，能够谰整车间已制订的生 产进度，对返修品和废品进行处理，用缓冲管理的方法控制任意位置的在制品数量。 流程工业生产管理系统研究 4 ) 文档控制( d u c u m e n tc o n t r 0 1 ) ：此模块控制、管理并传递与生产单元有关的信息 文档，包括工作指令、配方、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、工程更改通知以及各种转换操作间的通讯记录，并提供了信息编辑功能。文档 控制模块将各种指令下达给操作层，包括向操作者提供操作数据或向设备控制层提供生 产配方。此外，它还包括对其它重要数据( 例如与环境、健康和安全制度有关的数据以及 i s o 信息) 的控制与完整性维护。当然，还有存储历史数据功能。 5 ) 产品跟踪和产品清单管理( p r o d u c tt r a c k i n ga n dg e n e a l o g y ) ：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纪录，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。 6 ) 性能分析( p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ) ：将实际制造过程测定的结果与过去的历史记 录和企业制定的目标以及客户的要求进行比较。其输出的报告或在线显示用以辅助性能 的改进和提高。 7 1 人力资源管理( l a b o