（计算机软件与理论专业论文）面向可集成mes的制造活动工作流建模.pdf

麦家健：面向可集成m 匝s 的制造活动工作流建模 中山大学硕兰垡堡塞! ! ! ! ! ! 望 论文题目：面向可集成m e s 的制造活动工作流建模 专业：计算机软件与理论 硕士生：麦家健 指导教师：李磊教授 摘要 在当前日趋激烈的市场竞争环境下，离散装配企业的生产方式有从大规模的 备货生产( m t s ) 转向面向订单( m 1 d ) 的小批量多样化生产的趋势。m 1 o 生 产任务紧、波动性强的特点为生产制造活动造成很大挑战，当前应用较广的 e r p 脚i i ，j i t 等先进生产方式和管理系统未能对其提供有效支持；而专门针 对车间管理控制的制造执行系统枷b s 在国内的研究与应用正处于方兴未艾的阶 段，传统m b s 还有不少缺陷制约了其应用和推广。为了改进传统m e s 缺乏通 用性、柔性、集成性和互操作性的缺陷，本文从制造执行系统b s 的核心功能 生产任务的编制和调度入手，引入工作流技术构造包含m e s 核心功能的系统， 从而改进了传统m e s ，使之具有下一代m e s 一可集成m e s 的特征并符合m 1 o 生产环境的要求。 本文从元建模、建模方法、技术实现三个层次展开论述，中间采用了创新而 可行的观点与手段，包括：第一，建立和m e s 核心功能有机融合的多维工作流 元模型，该元模型在一定的生产环境下具有通用性并且适应跟e 脚i i 系统 对接的要求。第二，采用基于物料清单的生产过程建模方法，按照这个思路建立 的工作流模型更加符合小批量多样化生产的实际要求，其各个要素基本上可以从 现有e r p m 假p 系统导出，实现控制信息从上层计划系统到中层执行系统的小 跨步平滑过渡。第三，引入下一代分布式技术x m lw 曲服务作为技术实现手段， 使其更加适应企业应用集成( e a i ) 的要求，大大增强了系统的可集成性与互操 作性。 本文的成果跟同类研究相比，在特定领域具有优势和创新性。对改善中小型 m t o 离散制造企业的车间管理，推动m e s 产品化具有较大的实用价值。 关键字：物料清单制造执行系统工作流m i de r pm r p 耋塞堡! 堕塑里叁壁堕! 塑型堕适垫三堡塑塞堡 主生查堂堡圭堂焦堡苎! ! ! ! 堡! 旦 i n t e g r a t a b l em e s o r i e n t e dm a i l u f a c t u r i n gw d r i 【f l o w m o d e l i l l g n a n 狞：m a ij 蠲i a “ m a j o r ：c o m p u t e rs o f w a r ea i l dt h e o r y s u p e r v i s o r l il e i a b s 仃a c t i nc u r r c l l te n v i r o n r n e n to fh i g h l yc o m p e t i t i o r i ，t h e r ci sat r e n do fs h i r i n gt h e p m d u c t i o nn 抑d e 舶ma m a s sp r o d u c t i o nm o d eo fm t st oam u c h s p e c i e s ， s m a 一b 砒c ho n co fm 1 d md i s c r e t ei n d u s 缸yt 1 1 ep m d u c t i o no fm i di sh i g h l y 玎u c t u 觚ta n du f g e n t 柚dt h ec u 丌n tw d e l ye m p j o y c da d v a n c e dp r o d u c t i o ns y s t e m e 脚悯i i ，j i tc 柚i 斌s u p p o r ti ti ne 脑t a st ot l l em e ss y s t e m ，h i c hp r o v i d e s f l l es o l u t b n t od e a l w i n l t l l i ss j t u a t b n ，n 狞s t u d y 锄da p p l j c 砒b no f i t m c h i 船i s i l o t m a t u r e 1 1 1 c1 h d i t i o n a lm e s sw e a l m e s sp r e v e m sh sw i d e l y 印p 1 c a t m i no r d e rt oi m p r o v et h et - m e s sh a n d i c 印，h c k i n go f g e n e m lf l e x i b l e ，i n t e g r a t e 锄d - m t e m p e m b l em l n l r e ，t h i sp a p c ro r g a n 嘲b yt l l ec o r ef b n c t i o n so f m e s ，c r e a t i i l g a1 ，o r l d l o ws y s t e mw h i c h m c 啪鹳t kc o r ef h n c t o no fm 匣s 1 ns u c hw 瞄w c i m p v et h et 豫d i t i o n a im e sb ya d d h l gt h ei i l t e g r a t a b l ec h a r a c t 盯i s t i ct oi t 锄d m 雒a g m g t ok tnm e e tt h er e q u 的m e mo f m r d p r o d u 吐i o n t h i sp 印e rs t u d 妇o u rt o p ki i lt i l r k v e i s ，s u c h 船m e t ai n o d e l m 舀嬉m e t h o do f m o d e l i n gt h em a n u 伍c t u r i n gp m c e s s 锄dt h ed e s i g no ft h es y s t e m i no l l rs t u d y w e p m p o s o m ei l l l 帕v a t i v eb u tp 嘣i c a li d e a si r l c l u d j l l g ：f 妇，w ed e s i g naw o 【f l o w m e t a _ m o d e lc o m b i l l et h ec o mf i 】n c t 0 ns 吐o fm e s t h i sm o d e ls h o w su n i v e r s a l f e a t u r e 协p a n i c u l a r f i e l da n dm e e tt h en e e do fb r i d g i f l gt h em e s 锄d e r p ，m r p i i s e c o n d w ec r e a t eas e to fm e l h o do fm o d e h n gt h ep r o c e s sb a s e do n b o mw h i c hi n a k e st h ew o “胡o wm o d c lm e e tt h er c q u m e mo fm u c h s i ”c i c s ， s m a l l b a t c hp m d u c t i o nn l o d ep c r 也c t l y t h ee l e m e n t so fw 谢l o wc a nb ee 坤o n e d 矗_ o me 酬r p i is y s t e mw h i c hs h o w st h et m s n i o no f m 白咖a t i o n 疗o mt h et o 口k v e l p l a n n m gs y s t e mt om 试d l e1 e v e ls y s t e mb yl 砒1 e ，s m o o t hs t e p s t h 砌，w ee m p 】o yt h e u 飒g eo fx m lw 曲s e r v i c e s ，t h en e w l yg e n e m t i o no fd i s t r i b u t e dt e c h n i q u ew h i c h i m p r o v et l l es y s t e m ，sj m e g r a t e 柚di n t e r o p e r a b l en 砒u r e 耋塞壁：亘塑堕塞壅! ! 墅塑型堡墨塑三笙鎏堡堡 主坐查兰堡圭兰壁垒奎 ! ! 塑兰! 壁 c o m p a r ew 孙t h ec u n n ts i m 珀a rs t u dy t h i sp a p e rd e m o n s t r a t es o m ea d v a n t a g e s 舳di n n o v a t o ni l lp a r t i c u l a ra r e a t 1 l er e s uj to ft h i sp a p e rw j l lh e l pt oi m p i d v et h e w o r k s h o pm a n a g e m e n “nm i d d l eo rs m a l fs 主z em 1 1 0d i s t 两u t 卅e n t e q i s e s 柚dt h e d e v e 】o p m e n tm e sp r o d u c t i o ni i lc i v i jm a r k c t i n k e y w o r d ：b o mm 匣sw b r k f l o wm t de r pm r p i i 麦家健；面向可集成m e s 的制造括动工作滚建模中崆学硕士学焦丝壅 ! 塑! ! ! 旦 1 _ 1 问题的提出 第1 章引言 上个世纪九十年代开始，世界市场营销状况已经从生产导离转变为市场导 向，迫使企业将制造技术与信息技术、自动化技术、现代管理技术及系统技术进 行有机整合，以应对日趋激烈的竞争。 当前，制造企业开展制造业信息化工程、引进先进生产方式的切入点主要有 以下几种： 1 引进e i i p m i c p i i 为代表的企业资源计划管理系统作为资源协调以及生产 计划的工具。 2 采用精益生产方式改造供应链，实行准时机生产( j u s ti nt i m e ，j i t ) 。 3 采用先进的制造自动化技术建立底层的工控系统，常见的有以监控和数 据采集( s u p e r v i 8 0 r yc o n t r o la 1 1 dd a t a c q u i s i t i o ns c a d a ) 为代表的生产过 程监控系统( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，p c s ) 。 上述先进生产方式和信息系统在一定程度上满足了企业对生产管理的要求， 但是从实际推广和应用效果来看，还有定的局限性。 推式生产方式的局限性。e l i p 躲p i i 代表的是传统的推式生产方式，通过销 量预测确定最终产品产量，再进行m r p 的估算安排各时段备零部件的生产计划， 在生产车问采用3 提到的皋4 造单元控制软件控制生产设备。在生产现场，物流方 向是从上游车间流向下游车间。这种生产模式具有以下问题：( 1 ) e r p m r p i i 所作的生产计划是粗放的，一般只可以落实到周。( 2 ) 企业生产管理和制造单 元控制软件之间的分离。上层的e i l p m r p i i 系统得不到精确的生产数据的支持， 而制造单元又常常不能及时得到指令来调整工作状态。e r p m r p i i 实际上无法对 生产活动进行控制。这些问题导致的直接后果是上下游车间生产活动的不协调， 上游车间生产的物料常常不是下游车间最急需的。这也是推式生产方式最容易被 j i t 支持者攻击的软肋。 拉式生产的特点和局限性。j i t 提倡拉式生产方式，即接到订单才开工生产 产品。在生产过程中，上游工序的产量完全由下游工序的需求决定。以达到用多 少生产多少以及需要多少生产多少的效果。实现零库存的最高目标。拉式生产的 优点在于对车间现场的有力控制，这是传统e r p m r p i i 方式所不具备的。然而j i t 强有力的现场控制不是建立在控制手段信息化，而是建立在对车间现场的改造以 及高素质的员工基础之上其缺陷是，生产系统具有物理意义上的刚性，企业常 常为了推出一样新产品就不得不专门新加一条生产线、重新布置车问、设计生产 壅塞壁! 堕塑旦叁壁坚翌塑曼望至垫三堡堕塞塑! 坐查生璺主丝兰苎! 竺三箜三旦一 节拍、布置看板以及进行相应的员工培训。因此，j i t 的应用范围通常局限于重 复性大量生产领域，即便是在这个领域，国内达到可以实施j i t 的管理水平的企 业也不多见。 根据上述分析，本文得出结论：在现有条件下，拉式生产模式( j i t ) 因为 其应用范围较窄和对实施企业的要求较高，因此难以在国内大范围应用：相比较 而言，e r p m r p i i 代表的推式生产模式虽然也有局限性，但比较符合国情。 显而易见，e r p 敞p i i 的缺陷根源在于没有构建一个负责计划、安捧车间层 生产活动的实时信息系统，导致制造活动处于无序状态。这种情况在面向订单生 产( m t o ) 的离散制造企业表现尤为突出。即使是实施了e r p 朋r p i i 的该类企业也 常常为以下问题所困扰。 1 _ 在不改造现有生产线和加大人员培训投入的前提下，如何保证小批量、多 样化生产的顺利进行。 2 在保证订单按期交货以及充分利用现有资源的前提下，如何实施对生产活 动进行监控并且获取生产进度以及在制品( 胃i p ) 库存信息。 3 如何建立包括生产作业计划与控制在内的制造执行系统，并与现有系统进 行有效整合，在e r p m r p i i 提供的计划与底层控制系统之间建立一座沟通的桥梁， 解决信息断层问题。 上述问题成为本文研究的出发点和求解的目标。 1 _ 2 本文的课题定位 1 2 1 本文研究的设想与范围 本文的设想是以美国管理界二十世纪九十年代提出的制造执行系统 ( m a 唧像c t u r i l l ge x e c u t i o ns y s t e m ， 但s ) 的思想和方法为基础，把工作流技术引 入m e s ，构造一个面向离散制造活动的工作流系统，通过工作流系统引导生产 活动，以解决m t d 类离散制造企业的任务安捧与制造活动控制问题，进而建立 沟通上层软件系统与生产现场控制系统的桥梁。 本文的研究范围集中在以下领域： 从研究的企业类型看，本文关注的是以电子、家电、机械产品为主的离散制 造企业。这类企业的生产活动具有相似的特征，都是通过零件装配产生附加价值， 其工艺过程也比较接近，都为原材料零部件加工装配总装配。 从生产类型来看，本文主要解决的是面向订单生产( m t o ) 小批量多样化的 生产方式。其特点是要求对工期进度严格监控，否则无法完成订单；车间内部同 时进行多种产品的生产，需要对产品批次进行管理。 麦家毽；面向可集成m e s 的制造活动工作流建模 中山丈学硬士学堕篷奎一；塑! ! ! 旦 从管理层次上看，根据m 匣s 系统的定位，本文的研究集中在车间层的生产 作业安排与执行控制。 1 2 2 本文的研究内容 本文所做的工作是：建立一个适用于特定领域的、面向制造执行系统( m e s ) 的工作流系统，以解决企业的制造任务的安排与执行问题。具体研究内容与思路 为： 首先，本文确定m e s 的核心功能为生产详细计划、生产控制、生产跟踪， 因此m e s 系统是实现生产现场控制的有力工具。 然后，本文针对传统b s 缺乏通用性、柔性、集成性和互操作性的缺陷， 提出使用引入工作流技术使m e s 具有可集成性的特征。为此本文需要作以下工 作： 在元模型定义层次，本文需要定义一个适用于离散制造活动管理的工作流元 模型，力求使该元模型可以满足m e s 的核心功能，在一定的生产环境下具有通 用性并且适应跟e 酬r p i l 系统对接的要求。 在建模过程，本文提出了新颖的建模思路基于物料清单的制造过程建模。 按照这个思路建立的工作流模型更加符合小批量多样化生产的实际要求，同时萁 各个要素基本上可以从现有e v p i l 系统导出，实现从上层计划系统到中层 执行系统的小跨步平滑过渡。 在技术实现手段上，本文采用了当前最新的分布式技术x m lw 曲服务开发 工作流引擎，使其更加适应企业应用集成( e a i ) 的要求，大大增强了系统的可 集成性与互操作性。 1 2 3 本文研究的创新点与意义 当前国内c i m s 的研究与应用往往仅关注上层管理软件( 如e 懈r p l i ) 与 底层工业控制单元p c s ，而忽略了它们之间的断层- m e s 系统，以致国内并无具 ：影响力的m e s 产品。对m e s 的研究更仅局限在概念引入与提出框架的阶段。 本文根据国际m e s 发展的潮流，研究了面向m e s 的工作流系统设计阻及运作 机制，改善了传统m e s 的若干缺陷，对推动 舶e s 产品化具有一定的理论和现 实意义。 就工作流的应用领域而言，将之应用于生产活动控制的研究并不多见。已有 和生产相关的工作流研究多数为对车间调度问题求解，并没有考虑在工作流在企 业应用的运作，更加没有和计划系统( e r p ) 的对接。 就建模的方法论而言，本文采用基于物料清单的建模方法，这种建模方法巧 麦家健：面向可集成咖e s 的制造活动工作流建模中山丈学硕士学位论文 2 5 年3 月 妙的利用了产品结构信息作为过程建模的基础，在m 1 d 离散制造领域具有独特 的优势。国内的【1 】提出过类似的设想，然而它仅仅提出了过程建模的方法，却 没有定义工作流元模型的相关要素：加之其过程模型基于经典p e 岫网，模型靓 模和复杂程度相当高，导致其不具有实践意义。 就技术手段而言，现有的m e s 或者工作流系统的集成方案多数基于 c o r b a 、d c o m c o m + 或者j 2 e e 平台其集成能力与互操作性都有局限，本 文采用x m lw 曲服务技术加强工作流系统乃至h 伍s 系统与异构信息系统的集 成能力，在理论上和实践上都比较新颖。 本文韵研究就所服务的领域主要面向以多样化m t o 生产为主的离散制造企 业。这类企业的特点是范围广，遍布关乎嗣计民生的各行各业；生产方式先进， 适应当今市场竞争环境的多样化要求。因而本文的研究成果具有普遍的适用性和 前瞻性。 1 3 文章结构 本文各章节安排如下： 第一章，引出所研究的问题、研究的内容和范围与创新性。 第二章，介绍了m i d 类制造企业自q 生产特征以及面临内的困难。分析e r p 系统的生产计划过程，指出其计划能力不足阻对多样化制造活动进行有力指导。 第三章，引入溉s 的概念，指出m e s 的定位与职能，针对传统m e s 的局 限以及可集成m b s 的研究现状，提出基于工作流的改进方案。本章实际上规定 了本文研究的对象与层次目标：建立工作在生产活动执行层的具有较高柔性、通 用性、可集成性与互操作性的工作流系统。 第四章，建立支持制造活动的多维工作流元模型。 第五章，首先列举了常用的工作流建模方法论，指出通常的建模方法论并不 适应小批量多样化m t o 离散生产管理的要求，提出采用基于物料清单的建模方 法。本文详细论述了模型建立的步骤以及活动动态调度方法并给出关键算法。 第六章，给出工作流管理系统原型系统m e s f l o w 的设计方案，其工作原理 基于第四、五章的算法，同时针对第三章的要求，采用x m i 袖服务作为关键 实现手段。 第七章总结与展望，将本文的原型系统m e s f l o w 和国内同类研究成果作 比较，分析其特点和优越性，并对进一步工作作了展望。 麦寡健；面向可集成m e s 的 爵造活动工作流建模中山大学碗= e 堂堡i 垒塞塑! ! ! 星 第2 章离散制造企业e r p 的生产计划原理与局限 2 1 离散制造企业分类与特点 2 1 1 制造企业分类 按照不同的生产工艺，可以把制造企业分为两大生产方式 2 ：离散型、流 程型。 离散型生产的产品一般由多重零部件组成。因为其产成品的最终形成是以 零部件的拼装为主要工序，所以装配是生产的重点。一般来说，电子制造、机 城制造、设备制造等行业属于此类型。 流程型生产的最终产成品的形成并不同于离散型生产一样把不同零部件装 配起来，薅是通过对于原材料的加工，使其的形状或化学属性发生变化最终形 成新形状或新材料的生产方式。流程型生产的加工工艺是连续进行的生产过 程相对稳定，但必须确保每个环节正常运行，否则将会全线停车。水泥、化工、 炼油、造纸等行业就是典型的流程型生产行业。 从生产组织类型角度看，制造企业可分为多种生产类型 3 t 4 。各种生产 类型之间存在某些异同点，不同的生产类型对生产计划的编制和管理以及车间 任务的管理有着显著不同的要求。 根据g a r t n e r 集团1 9 9 7 年e r p 软件供应商指南中的分类，制造企业从极端 的离散型生产到完全的连续型生产，可以细分为六种生产类型。 。e 卫 “ 图2 - l 制造企业生产类型分类 图2 一l 所示的六种生产类型中，前三种是按订单设计、按订单装配生产、按 库存生产，属于离散制造企业类型：后三种批量生产、重复生产和连续生产一般 来说是流程生产企业的生产类型。本文特别关注的是按订单生产( m 1 _ o ) 的方 式。 2 1 2 离散错造企业生产类型简析 按库存生产( m a k et 0s t k ，m t s ) 这种生产类型的客户基本上对最终产品规格的确定没有什么建议或要求，生 产商生产的产品并不是为任何特定客户定制的。但是，按库存生产时的产品批量 又不像典型的重复生产那么大。通常，这类生产系统的物料清单只有层，而且 生产批量是标准化的。典型的属于按库存生产类型的产品有家具、文件柜、小批 量的消费品、某些工业设备。 按库存生产类型是大多数m r p i i 系统最初设计时处理的典型生产类型，因 此，基本上不需要特殊的模块来处理它。碉p s 系统根据订单和生产预测编制出 最终完成品的生产计划，下达绘m r p 系统，m r p 系统编制出所有零部件的生产 计划和外购件的采购计划。 按订单锅造o i a k e1 m r d e b 拊o ) 艘订单装配( a s 盼m b kt oo r d e ba t o ) 在这种生产类型中，客户对零部件或产品的某些配置给出要求，生产商根据 客户的要求提供为客户定制的产品。所以，生产商必须保持一定数量的零部件库 存，以便当客户订单到来时，可以迅速按订单装配出产品并发送绘客户。为此， 需要运用某些类型的配置系统，以便迅速获取并处理订单数据信息，然后按照客 户需求组织产品的生产装配来满足客户需要。生产企业必须备有不同部件并准备 好多个柔性的组装车间。以便在最短的时间内组装出种类众多的产品。 属于此种生产类型的产品有：个人计算机和工作站、电话机、发动机、房屋 门窗、办公家具、汽车、某些类型的机械产品以及众多的消费品。 按订单设汁n 窖i rt 00 r d e r ，e 1 o ) 在这种生产类型下，一种产品在很大程度上是按照某一特定客户的要求来设 计的，所以说支持客户化的设计是该生产流程的重要功能和组成部分。在这种生 产类型中。产品的生产批量很小，但是设计工作和最终产品往往非常复杂。在生 产过程中，每一项工作都要特殊处理，因为每项工作都是不一样的，可能有不一 样的操作，不一样的费用，需要不同的人员来完成。 为了使个大型产品或项目的各个子部分能够在最后阶段精确地匹配在一 起，把不同车间和工段生产的不同的子部分组合成为一个复杂产品或项目，需要 有非常先进的配置系统( c o n 埏a m t o ns y s i e m ) 完成总体协调和管理控制工作。另 外，精确地计算各个子部分的费用也是一件很难完成的要求，因为在整个制造流 程中，不同的子部分可能是出各种不同类型的分包商( 包括内部的和外部的) 来完 成的。 属于此种生产类型的典型行业有：飞机制造业、国防产品制造业、出版业、 机械设备和发电设备制造业。 6 壅塞墨! 查蜜曼叁堕咝! 墼塑堕堕垫三堡壅塞塑! 坐查兰堡主兰壁! 坚翌! 兰! 星一 按订单( 项目) 生产是生产类型最复杂的一种，它包括从接到客户产品要求进 行设计到将最终产品交付客户使用的各个环节，从产品配置、成本核算到车间管 理均对系统提出很高的要求。 2 1 2 m t 0 类离散型生产的特征 m r 0 模式按客户订单安捧生产计划、组织产品生产，晶种、数量和时间与 客户要求致，原则上不生产多余的产品，因而可以大幅度减少物料和产成品的 库存量。降低流动资金占用量和时间，还可以避免由于需求潮流变化带来的市场 风险，因而，m t 0 是能较好地适应需求变化的生产运作模式，这也是本文着重关 注m t d 生产活动组织的原因之一。接下来简要介绍这类生产方式的特点： 1 产品结构清晰明确。最终产品由固定个数的零件或部件组成，产品的结 构可以b 1 d m 表进行明确的描述。 2 工艺路线灵活。m 卫0 离散毒g 造活动具有多品种和小批量的特征，因为每 类产品的工艺过程都可能不一样，因此其生产设备的布置一般不是按产品而是按 照工艺进行稚置的。如按车、磨、刨、铳来安排机床的位置，这与r 生产现场 布置有较大差别。 3 物辩存储简便。离散制造企业的原材料主要是固体，产品也为固体形状。 因此，对存储环境要求不高，多为室内仓库或室外露天仓库，通常生产车间也有 一部分仓储功能。这个特点对在制品管理提出比较高的要求。 4 自动化水平相对较低。离散制造的自动化主要在单元级，例如数控机床、 柔性制造系统等，因此，机械制造业也是一个人员密集型行业，自动化水平相对 较低。 5 生产计划的制订与生产任务的管理任务繁重。典型的m t o 离散制造企 业主要从事单传、小批量生产，产品的工艺过程经常变更，需要进行良好的计划 并对生产活动进行监控。 m t 0 模式的生产是需求驱动的，市场需求对品种、数量、交货期等要求的随 机性很强，其波动将导致生产作业计划和调度难度加大，生产系统运行不均衡， 还增加了人力资源配备、设备能力计划、物料供应和储存的难度，若管理水平不 高，将常出现物料供应脱节、设备故障、质量事故、人力和物力浪费、返修、退 货等问题。最严重的后果将是订单无法按期完工，令企业蒙受经济损失。 2 2 e r p 系统的生产计划层次 随着企业信息化建设的不断深入，e r p 系统开始广泛应用于制造业企业管 麦家健：面向可集成m e s 的制造活动工作流建模中山大学颐士学位论文2 0 0 ，年3 月 理，取得很大成效，其对生产活动的指导作用体现生产计划的制定。 e l i p 系统的生产计划分为两个层次：首先，以产品订货和需求预测制订主生 产计划( 肝s ) ：然后根据b o m 和提前期制订物料需求计划( 胍p ) 。 1 主生产计划( m a s t e rp r o d u c t i o ns c h e d u l e ，m p s ) 是e r p 系统第一个计 划层次，用于确定每一具体产品每一具体的时间段的生产计划。m p s 根据客户 订单和销售预测，把营销规划预定的的产品系列具体化，确定出厂产品，并成为 物料需求计划m r p 的计算依据，起到从宏观计划向微观计划过渡的承上启下作 用。主生产计划又是联系市场、主机厂或配套厂及销售网点( 面向企业外部) 同 生产制造( 面向企业内部) 的桥梁，使生产计划和能力计划符合销售计划要求的 优先顺序，并能适应不断变化的市场需求：主生产计划还能向销售部门提供生产 和库存信息，提供可供销售量的信息，作为同客户洽商的依据，起了沟通内外的 作用。 主生产计划的对象一般是最终产品，即企业的销售产品，但有时也可能是组 件的m p s 计划，然后再下达最终装配计划。 2 m p s 的结果须经粗能力计划( r c c p ) 校验。粗能力计划是对关键工作中心 的能力进行运算而产生的能力需求计划，是一种计算量较小，比较简单粗略的能 力核定方法。 粗能力计划计划的运算与平衡时确认肝s 的关键步骤，未经粗能力平衡的主 生产计划不可用于计算物料需求计划，需要修改计划以降低能力负荷或增加产 能。 3 物料需求计划( m a t e r i a lr e q u i r 锄e n tp l a n n i n g ，m r p ) 接受通过r c c p 的m p s ，并对主生产计划的各个项目所需的全部制造件和全部采购件的时间进度 进行计划运算。 m r p 是e r p 系统微观计划阶段的开始。是e r p m r p i i 的核心。m f c p 是m p s 的 进一步展开，也是实现船s 的保证和支持。m p s 的运算结果只是对最终产品的计 划( 独立需求) ，事实上一个产品通常由若干相关物料组成，同一种物料可能用 于几种产品。因此，m r p 需要根据船s 、物料清单和可用库存信息，计算出企业 要生产的全部加工件和采购件的需求量( 相关需求) 和相应的需求时间。 4 能力需求计划( c r p ) 。与 l p s 耜类，m r p 的运算结果需由能力需求计划检 验其可行性，以及平衡各工序的能力与负荷。与粗能力计划不同的是，能力需求 计划的校验是全方位的，涉及所有工作中心、工艺路线和全部订单。 综上所述，m p s ，m r p 相互配合，对企业在什么时间生产什么零部件生产多少 做了计划指导，其流程如图2 2 所示。 耋塞堡! 亘塑曼叁堕! ! 堕塑墅望煎垫三! 堕塞塑 ! 生查主堡主望堡苎竺塑! j ! ! j _ 图2 - 2 m r p 计算流程 2 3 传统e r p 对车间作业管理的支持与局限 制造任务的执行实际上是将制造资源转化为产品的过程，输入的是信息流、 物流和能量流，经过加工和检验，输出的是产品、生产信息等。车间作业管理系 统是企业生产管理的一个重要环节，负责落实计划层提出的生产任务。与计划层 相比，车间作业管理系统处理的信息量大、实时性强并且调度复杂。传统的e r p 车间管理模块一般会提供工单下达与管理功能，但是不会对车间的管理流程进行 直接和详细的支持，因此未能满足多样化生产的要求。 2 3 1 e r p 车间管理横_ 抉的任务 1 核实m r p 计划 9 宅 麦家健。面向可集成m e s 的制造活动工作流建模 中山大学硬士学位论文 2 0 0 5 年兰旦 经确认的m r p 文件虽然做过能力计划平衡，但仍需生产控制人员在正式批准 投产之前，通过m r p 计划、物料主文件和库存报告、工艺路线文件和工作中心文 件以及工厂日历，确认并保证物料、能力、提前期和工具的可用性。 2 下达制造命令 下达物料制造命令，说明零件加工工序顺序和时间。然后根据物料加工的工 序和工作中心文件发出面向工作中心的派工单，用以指示工作中心的当前工序。 3 收集信息，监控在制品生产 各种因素如物料短缺、设备故障等的存在使制造活动具有随机性和动态性， 必须对工件通过生产流程的过程加以监控。为此要查询工序状态、完成工时、物 料消耗、废品、投入一产如等项报告：控制排队时间、分析投料批量、控制在制 品库存、预计是否出现物辩短缺或拖期现象。 4 采取调整措施 如预计将要出现物料短缺或拖期现象，则应采取措施，如通过加班、转包或 分解生产订单来改变能力及其负荷。如仍不能解决问题，则应给出反馈信息修改 物料需求计划甚至主生产计划。 5 生产订单完成 统计实耗工时和物料、计算生产成本、分析差异、产品完工入库事务处理。 2 3 2 车间管理模块对生产现场控镧的不足 如2 3 1 所述，车间生产任务的启动是通过制造命令( m a n u f a c t u r i n g0 r d e r ， 简称制令) 实现的，制令也叫生产订单或者工件订单( j o b0 r d e r ) 、生产命令 ( p r o d u c t i o n0 r d e r ) 、出工单( o r ko r d e r ) ，a p i c s 对制造命令的解释为，一 个文件、一群文件或一个排程表，上面记载者对某零件或者产品制造数量的授权。 制造命令是生产管理部门发出，车问部门执行的。一张制造命令从产生到消失的 过程包括开立、发放、领料、工作中、完工、结案几种状态。流程如下； 1 生产管理部门通过l i p r 运算获得所需物料产量，据此开立制造命令，此 时制造命令处于“开立”状态； 2 生产管理部门“发放”制造命令，通知材料仓备料； 3 材料仓的各料之后，送到生产现场，这时制造命令处于“领料”状态； 4 送到车间生产现场生产，翻造命令状态处于“工作中”； 5 生产完毕，成品入库，制造命令状态改为“完工”； 6 生产管理部门把制造命令状态改为“结案”，标志任务完成。 壅塞堡! 亘旦里叁璺丝! 堕塑堕堡垫三堂塞堡主坐奎兰坠塑笙生三竺三生! 旦一 岛 勰 材料世 车间 圈2 3 制令豹生命周期 可见，制造命令到达生产现场后，系统就对其失去控制，从而e r p 系统缺乏 对生产现场的装配活动的引导，因而难以及时导正物流方向以及物流速度。 在更细韵控制粒度上，车间管理模块会提供派工单向工作中心指派加工任 务，派工单在一定程度上起了指挥物流与生产的作用。但传统e r p 的车间管理功 能仅限于派工单的生成与编辑，并没有实时调度能力，因此无法有效协调各个工 序间的活动。大量派工单堆积在生产现场，其结果仍然是无序与混乱。 因此，以下企业的生产现场管理的典型问题e r p 系统是无法解决的。 1 产品生命周期缩短导致生产作业规范不断变更。产品的更薪换代加快使 生产单位不断面临新的零组件、新的设备、新的工艺流程及经常性的工程变更， 生产现场需要缺乏实时生产指示系统，有效她指g 生产人员作业规范。 2 小批量多样化生产型态环境使混线生产出现混乱。同一条生产线需要混 合组装多种型号产品的时候，由于现场随时充斥着众多不同的制造命令，不同的 在制品、零组件，常常会出现工人部件装配错误、产品生产流程错误、产品混装 和货品交接错误的情况。 3 无法根据产品批次跟踪生产过程信息。导致产品出现质量问题的时候， 无法根据产品号码追溯这批产品的所有生产过程信息。包括原料供应商、操作机 台、操作人员、经过的工序、生产时间日期和关键的工艺参数等。 庶一 生 壹家健：面向可集成m e s 的制造滔动工作藏建模中山大学磺士学位论文2 0 0 s 年3 月 4 对物流的实时掌控能力不足。无法获得当前仓库以及前工序、当前工序、 后工序线上的每种产品数量以及回答要分别供应给哪些供应商，何时能够及时交 货等问题。 针对e r p 系统对现场控制能力的不足，近年来国外兴起了一股制造执行系统 m e s 的研究与应用热潮。事实证明，m e s 的引入确实填补了e r p 系统在车间生 产活动管理方面的空白。 麦家健：面向可集成枷e s 的制造活动工作漉建模中山大学硬士学位堡皇至塑! ! ! 星 3 1 她s 的定义 第3 章制造执行系统m e s 1 9 9 2 年成立的国际执行系统协会( m e s 8i n t 啪a t i o n a i ) 是由业界居领先的 m 匿s 软件产品和服务的开发商与供应商组成的国际性非赢利性组织，它以宣传 肛s 思想和产品为宗旨，制定了一系列的m e s 研究、分析、开发计划。 髓s a 对m b s 系统作如下了定义 5 ：m e s 系统在产品从工单发出到成品产 出的过程中，扮演生产活动最佳化的信息传递者。当事件发生变异时，借助实时 信息、生产执行系统规范、原始工作情况、资料反应及回馈，作出快速的响应以 减少无附加价值之生产活动，提升工厂生产制程的效率。 m e s 可以改善生产条件及准时出货、库存周转、生产毛利及现金流量效益， f 司时在企业与供应链之间提供一个双向的生产信息流。 美国先进制造研究机构a m r ( a d v a n c e dm a 肿白c t u r i n gr c s e a r c h ) 对m e s 的定 义则为：m e s 是介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之 间的常驻工厂层的信息系统。它以当前视角向操作人员管理人员提供生产过程 的全部资源( 人员，设各，材科，工具和客户要求) 的数据和信息【6 】。 a m r 通过对不同行业大量企业的调查，发现现有的企业生产管理系统普遍由 以e r j 协删i 为代表的企业管理软件，以s c a d a 、h m i ( h u m 蛐m h i n cj n t e f a c c ) 为代表的生产过程监控软件和以实现操作过程自动化，支持企业全面集成的m e s 软件群组成。根据调查结果，删r 予1 9 9 2 年向美国国家标准技术研究所提出了 三层的企业集成模型一c o m m s ( c u 湘m e r - o r i c n t e dm 期u 舭t i | 咖gm 卸a g e m e n t s y s t e m s ) 模型f 7 】。c o m m s 直观体现了m e s 在整个工厂综合自动化系统中的地 位( 图3 1 ) 。 c o m m s 的第一层是计划层。是决策层使用的管理工具，主要应用系统是 e r p 、c r m 、s c m 、b p m ( 企业绩效管理) 等。 c o m m s 的第二层为执行层。企业中层使用的工具m b s ( 制造执行系统) ， m e s 在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥粱。 c 0 m m s 的第三层是控制层。为一线操作人员提供以s c a d a ( 数据采集与 监视) 、h m i ( h u m 舳m a c h i n ei n t e r l c e ) 为代表的生产过程监控工具。 麦寡蹙：面向可橐成m e s 的穗造活动工俸漉建模中山大学爵士学位论文2 。0 5 年3 月 图3 - 10 0 - 嘲b 模型 3 2 c 麟m s 各层的信息交互 c 叫淞三层之间的作业互动与信息流模式如图3 2 所示：m e s 向上层e r p 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 【p ) 的存放位置和状态、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。同时分别接受上层的中长期计 翅i 和底层的数据采集、设备实际运行状态等 8 。 圉3 20 0 - 叫s 备层的信息交互 3 3 m e s 的功能与目标 根据m e s a 对旗下成员实践的归纳，典型的m e s 功能模块【9 】【1 0 1 包括工序 详细调度、资源分配、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质 壅塞壁! 堡塑里叁壁坚望塑墅堡煎塑三堡堕蕉望立坐堂苎望堕兰堡坚箜! 型翌三兰三! _ 量管理、文档控制、产品跟踪、性能分析和数据采集等1 1 个各模块的功能简 述如下： 1 工序详细调度。在编制生产作业计划中通过有限资源对作业进行蟊# 序和调度 来优化车间性能，最大限度地减少生产过程中的准备时间。 2 资源分配。根据作业任务，分配人员、设备、工具和物料协调地进行生产， 以保证生产的正常进行，并提供资源使用情况的历史记录，同时跟踪其现在 的工作状态和完工情况。 3 生产单元分配。通过生产指令( 以作业、订单、批量、工作单等形式) 将物 料或加工命令送到特定加工单元开始加工操作。 4 文档控制管理。管理与产品、工艺翘程、设计或工作令有关的信息，收集与 工作和环境有关的标准信息。 5 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。 6 性能分析。将实际制造过程测定的结果与过去的历史记录、企业制定的目标 及客户的要求进行比较。 7 人力资源管理。提供按分钟级更新的员工状态信息数据( 工时，出勤等) ， 基于人员资历、工作模式、业务需求的变化来指导人员的工作。 8 维护管理。通过监控活动保证机器和其它设备的正常运转，以实现车间的目 标。 9 过程管理监控。监控生产过程，自动纠正生产中的错误，向用户提供决策支 持以提高生产效率。过程管理还应包括报警功能。通过数据采集接口，过程 管理可以实现智能设各与制造执行系统之阀的数据交换。 l o 质量管理。根据工程目标来实时记录、跟踪和分析产品以及加工过程的质量， 以保证产品的质量控制和确定生产中需要注意的问题。 li ，数据采集。通过数据采集接口来获取并更颏与生产管理功能相关的各种数据 和参数，包括维护产品历史记录以及其它参数。这些现场数据，可以从车间 手工方式录入或由各种自动方式获取。 表3 im e s 模块分类 任务管理资源管理 辅助管理 工序详细调度人力资源管理性能分析 生产单元分配维护管理质量管理 产品跟踪资源分配数据采集 过程管理监控 文档控制管理 壹家健；面向可集戚m e s 的制造活动工作流建模 中山丈学磺士学位论文 2 ，年3 月 事实上，市面上并没有一款产品可以同时支持上述1 1 个模块。在实践过程 中，企业会有选择的实施以上若干个模块。但无论上哪个模块，一个成功的m b s 解决方案应该满足如下目标：能透明的看到制造现场；可以制定制造工程计划； 可以根据制造现场的变动实时的下达作业指示；可以预测交货期，能帮助交货期 的延迟。根据这个目标，我们提取出m 匝s 的核心功能集如表3 2 所示，它们构 成了生产计划与控制以及相关的资源管理功能。 表3 2 眦s 棱心功能集 任务管理瓷潭管理 工序详细调度 人力资源管理 生产单元分配资源分配 产品跟踪 3 4 传统躯s 的局限 传统的m e s ( t r a d