（机械制造及其自动化专业论文）面向机械下料车间的mes建模与系统开发.pdf

摘要 摘要 制造执行系统( m a i i u f a c t 耐n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 是位于上层计划管理系 统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统。随着市场竞争的加剧和制 造业信息化的发展，越来越多的制造企业开始在生产车间实施m e s 系统来优化生产 管理、提高生产效率。本文以机械下料车间为研究对象，对其制造执行系统的体系 结构及开发实现进行了研究。 论文首先系统地分析了机械制造企业中下料车间的生产业务流程及其功能地 位，提出了下料车间m e s 系统的总体模型，并从系统的功能视图、资源视图、过程 视图、信息视图和物理模型等不同角度对系统的总体模型进行了详细的描述。在此 基础上，建立了系统的结构功能树，运用d e f 方法设计了机械下料车间m e s 系统 的功能模型和信息模型，为系统的实现奠定了基础。 然后，对系统角色权限控制和下料车间m e s 与e r p 系统的信息集成两项关键 技术进行了重点研究。在划分用户角色、定义角色权限的基础上，采用菜单定制的 方法和菜单自动生成技术实现了系统角色权限的控制；接着分析了下料车间m e s 与 e i 冲系统的信息交互和集成模式，采用中间文件交换的方式实现了系统的信息集成， 并解决了系统集成过程中异构数据的转换问题。 最后，在所研究的理论基础上，运用b s ( b r o w s e r s e e r ，浏览器朋艮务器) 结构 模式和m i c r o s o f cv i s u a ls t u d i o n e t 开发工具对下料车间m e s 系统进行了设计开发， 实现了系统的角色权限控制、车间资源管理、下料生产管理、在制品管理以及生产 信息统计等功能。 关键词制造执行系统；机械下料车间；功能模型；信息模型；角色权限；信息集 成 a b s t r a c t m a n u 舭t l l r h l ge x e c u t i o ns y s t 锄( m e s ) i s am a n a g 锄e n ti n f o n i l a t i o ns y s t e mo fm e w o r k s h o pl a y e r ，l o c a t e db e t 、e e l lm ep l a n i l i n gs y s t e mo f t l l eu p p e rl a y e r 姐d 也ei n d u s t r i a l c o n 仃0 lo ft h eg r o l l n dn o o r w i mm ee x a c e r b a t i o no ft l l em 破e tc o m p “t i o n 趾dt h e d e v e l o p m e n to fm 觚u f a c 嘶n gi n f 0 肌a t i z a t i o n ，m o r e 锄dm o r ee n t e 印r i s e sb e 百n t 0 i i n p l e m e n t 地si nn l e i rp r o d u c t i o nw o f k s h o pt 0 叩t i i i l i z et l l ep r o d u c t i o nm a l l a g 锄e m a i l d i m p r o v ep r o d u c t i o ne m c i e i l c y h lt h i sp 印e r ，也e 引壮t e c t l l r ea 1 1 dr e a l i z a t i o no fm e s i n m e c h a n i c a lb l a l l l ( i n gw o r k s h o pw a ss t u d i e d f i r s t l y ，t l l eb u s i n e s sp r o c e s sa 1 1 d 缸1 c t i o no ft h eb l a n k n gw o r k s h o pi nm e c h a n i c a l m a n u f a c t l l | 血ge n t e 印r i s e s w e r ea i l a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y ，a 1 1 o v e r a nm o d e lo fm e s o r i e n t e dt om eb l a n k n gw o r k s h o pw a sp u tf 0 n ) l ，a r d ，锄dad e t a i l e dd e s c r i p t i o nf 0 r t 1 1 e o v c r a l lm o d e lw a s 西v e n6 o mt h ed i f f 打e n t 嬲p e c t so f 如n c t i o nv i e w ，r e s o u r c ev i e w ， p r o c e s sv i e wa 1 1 dp h y s i c a lv i e w o nt h i sb a s i s ，也ef i m c t i o ns 乜1 l c t u r e 仃e eo f t l l em e sw a s e s t a b l i s h e d 锄dt h e 劬c t i o nm o d e l s 锄di n f 0 r m a t i o nm o d e l so f t h es y s t e mw e r ed e s i 印e d b vm i l i z i n gd e fm e t h o d ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o r t h er e a l i z “o no ft 1 1 es y s t e m t h e n ，铆ok e yt e c h n o l o g i e so f t h es y s t e i l lr o l ea u t h o r i t yc o n t r 0 1a n dt h em f o m a t i o n i 1 1 t e 掣a t i o nb e 帆e e l lb l a l l l ( i n gw o r k s h o pm e s a n de r ps y s t e mw e r es p e c i a l l yr e s e a r c h e d o nt h eb a s i so fm em v i s i o no fu s e rr 0 1 e sa n dd e f i l l i t i o no f t h er o l ea u t h o r i t y ，t l l ea u t o m a t i c g 朗e r a t i n gt e c m i q u eo fm e n ua l l dt h em e t h o do fc u s t o m i z i n gm e r mw e r eu s e dt or e a l l z e m es y s t 锄r o l ea u t h o r i 够c o n 仃0 1 a n dm e l l ，t h e 缸e 笋a t i o nm o d e sa 1 1 d i n f o n i l a t i o n e x c h 孤g eb 咖e e nt h em e s 锄de r ps y s t e i l l w e r ea 1 1 a l y z e d ，t l l em 锄c d i a t ef i l e s e x c h a n g em o d ew 觞a d o p t e dt oa c h i e v et h ei n f o n l l a t i 叩缸e 伊a t i o n ，觚dm ep r o b l 锄o f h e t e r o g e l l e o u sd a _ t ac o n v e r s i o ni nm ep r o c e s so fs y s t e mi n t e 伊a t i o nw a s a l s os o l v e d f i i l a l l y ，0 nt h eb 撕so ft h e o r 舐c a l 咖d y ，m es t m c t u r em o d e lo fb s ( b r o w s e r s e r v 哪 a n dd e v e l o d m e n tt o o lo fm i c r o s o rv i s u a ls t u d i o n e tw e r eu s e df o rm ed e v e l o p m e n to f t h eb l a m 血gw o r k s h o pn 匝st 0r e a l i z e 劬c t i o l l so ft l l e c o n t r 0 1o fm er o l e 跏t h o r i t y ， w o r k s h o pf e s o l l r c e sm a i l a g e m e n t ，b l a n k i n gp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，w o r k m 。p r o c e s s p r o d u c tm a n a g 锄咖觚dp r o d u c t i o ni n f o m a t i o n s t a t i s t i c s k e yw o r d sm 籼t i l m gc x e c u t i o ns y s t e r n ；m e c h 撕c a lb 1 础n gw o 汹o p ；劬c t i o n m o d e l ；证仍r m a t i o nm o d e l ；r o l ea u t h o r i 够；i n f o 吼a t i o ni r n e 罂a t i o n i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 近年来，伴随着日益激烈的国际化竞争和客户对产品需求的多样化，制造企业 的生产模式开始由大批量的刚性生产向多品种小批量的柔性生产转变；伴随着计算 机网络和大型数据库等信息技术的发展，企业的信息系统也开始从局部的、事后处 理方式转向全局的、实时处理方式l 。期间出现了精益生产( l e a np r o d u c t i o n ，l p ) 、 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 等新的制造理念与方法：在企业管理系统软 件领域从物料需求计划( m a t e r i a l sr e q u i r e m e n t sp l 锄i n g ，m r p ) 到制造资源计划 ( m a n u f a c n l r i n gr e s o u r c ep l 锄i n g ，m i 冲i i ) ，直到企业资源计划( e n t e r p r i s er e s o u r c e p l 锄i n g ，e r p ) 系统的迅速普及；在过程领域中，可编程逻辑控制器( p r o 酉a m m a b l e l o g i cc o i m 0 1 l e r s ，p l c ) 、集散控制系统( d i s t m u t e dc o n t r 0 1s y s t e m ，d c s ) 得到广 泛应用【2 1 。制造业运行模式的演变和信息技术的进步促进了制造业信息化的发展，而 实施信息化是现代企业提高自身竞争力、赢得市场的重要途径之一。 尽管企业信息化的各个领域都取得了长足的发展，但是在实现信息集成的过程 中，企业经营管理的信息化与生产设备的自动化作为两个独立的分支各自发展，从 而形成了它们之间的过程、系统甚至文化裂缝，造成这些异构计算环境间不能交换 有关信息。企业级的信息管理系统无法及时准确地得到实际的生产信息，无法有效 掌握生产现场的真实情况；而底层的生产控制系统也得不到切实可行的生产计划和 生产指令，从而造成计划与生产的脱节，降低了信息化的整体作用。造成这些问题 的主要原因是过去的信息化架构不完整，缺少车间级的制造执行系统( m a i l u f a c 嘶n g e x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 这一重要环节。 1 2 制造执行系统( s ) 概述 1 2 1姬s 的定义与内涵 m e s 是美国管理界9 0 年代提出的新概念。美国先进制造研究机构a m r ( a d v a i l c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a l i c h ) 通过对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 p m i 冲i i 为代表的企业级管理软件，以s c a d a 、h m i ( h u i i l a n m a c m n ei n t e m c e ) 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 全面集成的车间级管理软件群组成。根据调查结果，刽r 于1 9 9 2 年提出了三层企 业信息集成模型，即计划层、执行层和控制层，将m e s 定义为“位于上层计划管理 系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统，m e s 为操作人员、管理 河北科技大学硕士学位论文 人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源( 人、设备、物料、客户需求等方面) 的 当前状态信息【3 1 。如图1 一l 所示。 反 馈 与 控 制 企业资源计划层 m r p l i e r p ( 计划层) 彳n 尸 制造执行层 ( 执行层) 彳n 罗 生产控制层 p c s ( 控制层) 细 化 和 执 行 图1 1a 脉三层企业信息模型 f i g 1 l a m r m r e e l a y e re n t e r p r i s ei i l f 0 肌a t i o nm o d e l 制造执行系统国际联合会( m e s a ) 将m e s 定义为：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，从而使其既能够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信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【4 5 】。从该定义中可以看出，m e s 采集从接受订货到 制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管理活动。它强调是当 前视角，即精确的实时数据f 6 j 。 美国国家标准研究院( n i s t ) 有关m e s 的定义是：为使从接受订货到制成最终 产品全过程的管理活动得以优化，采集硬件、软件的各种数据和状态信息【7 1 。 但无论如何定义，都强调m e s 是实时生产信息的集成和生产过程的优化系统， 而不是单一解决某个生产瓶颈。它需要收集生产过程中大量的实时数据，并对实时 事件做出相应的分析和及时处理；同时又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，通过企业的连续信息流来实现 企业信息的整体集成。 1 2 2国外姬s 的发展与应用现状 从上世纪7 0 年代后期，各企业开始开发或引入单一功能的软件产品和软件系统， 如设备状态监控系统、质量管理系统、生产管理系统等，所有这些系统可以理解为 2 第1 章绪论 传统的m e s 系统( t - m e s ) 。t - m e s 分为专用m e s ( p o i n tm e s ) 和集成m e s ( h n e 掣a t e d m e s ) 两类。专用m e s 是一种自成一体的应用系统，它针对某个单一的生产问题( 如 在制品库存过大、产品质量得不到保证、设备利用率低等) 提供有限功能( 如物料 管理、质量管理、设备维护、作业调度等) ，或适用某种特定的生产环境( 如应用于 半导体和m e m s 车间的m e s 、应用于f m s 系统的m e s 等) 。它具有实施快、投入 少等优点，但通用性和可集成性差。集成m e s 系统起初是针对特定行业( 如航空、 装配、半导体、食品和卫生等) 特定的规范化环境而设计的，目前已拓展到整个工 业领域。在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。集成化 m e s 具有丰富的应用功能、统一的逻辑数据库、产品及过程模型等优点。但该类系 统依赖特定的车间环境，柔性差，缺少通用性和广泛的集成能力，难以随业务过程 变化而重新配置和动态改变1 8 以川。 到9 0 年代初，美国先进制造研究协会a m r 在分析信息技术的发展和m e s 应用 前景的基础上，提出了可集成m e s ( i l l t e 盯a t a b l em e s ，i m e s ) 这一概念【l l 】。可集 成m e s 是将模块化、消息机制和组件技术应用到m e s 的系统开发中，是两类传统 m e s 系统的结合。如图1 2 所示，其模型可以概括为实时数据库支持下的4 个主要 功能：( 1 ) 工厂管理( 资源管理、调度管理、维护管理) ：( 2 ) 工厂工艺设计( 文档 管理、标准管理、过程优化) ；( 3 ) 过程管理( 回路监督控制、数据采集) ；( 4 ) 质 量管理( s q c 一统计质量管理、l i m s 一实验室信息管理系统) 。在这个模型指导下， m e s 在2 0 世纪9 0 年代初期的重点是生产现场信息的整合【1 2 】。 誉一一蠢引 i 一烈 舞| 溜裁 批判铡篓鉴j f i g 1 2 1 1 1 t c 呈捌蜘m o d e lo fm 匣s 1 9 9 7 年，m e s a 提出了m e s 的功能组件和集成模型【1 3 】。由于市场竞争环境的， 变化，独立企业之间的竞争已经逐渐演变为价值链之间的竞争【1 4 】，企业间需要协同 价值链中所有实体共同完成产品的设计、供料、制造、运输以及服务等工作。为了 3 河北科技大学硕士学位论文 适应这一变化，m e s 又朝协同制造方向发展。以m e s 为核心，向制造业中各个系统 之间的经营过程延伸的制造业企业整体解决方案正在形成。因此，m e s a 于2 0 0 4 年 提出协同制造执行系统( c o l l a b o r a t i v em e s ，c m e s ) 的概念【1 5 ，l 酬，指出c - m e s 的特征是将原来m e s 的运行于改善企业运作效率的功能和增强m e s 与在价值链和 企业中其他系统和人的集成能力结合起来，使制造业的各部分敏捷化和智能化。同 时并行发展起来的是采用a g e n t 技术对离散制造业m e s 进行研究。c h e n l l 7 】等采用 a g e n t 技术进行了制造调度与供应链的协调研究，d n v e r 【1 8 】等采用w i n d o w sd n a 技 术实现了一个基于多a g e n t 的m e s 原型系统，c a n g a r l l9 】等采用i d e f 0 和i d e f l x 建 模方法对基于多a g e m 的m e s 进行了模型构建。 在应用方面，美、日、欧等工业发达国家非常重视对m e s 技术的研究与系统开 发f 2 0 五2 1 ，并形成了m e s 软件产业。如美国的h o n e y w 色l l 公司【2 3 】率先从单一的m e s 功能模块发展到整个协同生产管理解决方案，面向制药行业开发了p o m sm e s 系统； 著名的e r p 软件供应商s a p 公司在其产品s a p r 3 系统中整合了m e s 功能1 2 引。还 有美国的i n t e l l u t i o n 公司开发了面向多种行业的f i xf o r w i n d o w s ；日本的横河电机公 司【2 5 】开发了面向石油相关企业的终端自动化系统e x a t a s ；德国的s i e m e n s 公司【2 6 】 为满足制造企业的需要，提出了一个全新的m e s 范例，即由s i m a t i ci t c o m p o n e n t 和s i m a t i ci tf r a m e w o r k 组成的全集成自动化解决方案模型。m e s 的应用覆盖了石油、化工、钢铁、冶金、医药、食品、纺织、造纸等流程行业和电 子、汽车、航空、机械等离散制造业【27 1 ，并给企业带来了巨大的经济效益。在国外 很多行业应用中m e s 已和e r p 相提并论，而且m e s 已经成为目前世界工业自动化 领域的重点研究内容之一【2 引。 1 2 3国内s 的发展与应用现状 国内对m e s 的研究开发起步较晚，目前主要停留在m e s 的思想、内涵与体系 结构方面的研究上【2 9 】。在国家8 6 3 计划资助下，国内的许多高等院校和科研院所在 m e s 理论与应用系统开发方面做了一定的研究工作。在m e s 理论研究方面，加入了 一些先进的思想，如敏捷、并行、可重构；在系统开发方面，采用了面向对象、构 件、代理等技术，取得了一定的成果1 3 。 清华大学的杨帆、萧德云等人提出了一种有利于管理和控制分布式流程工业的 基于a g e n t 的制造执行系统结构，这种结构具有较好的柔性和扩展性【3 l 】；周华等人 为了达到快速控制系统的目的，提出了一种基于a g e n t 模型、r o l e 模型和c h a r a c t e r 模型驱动的机遇代理的m e s 体系结构【3 2 1 。 南京航空航天大学的曹江辉【3 3 】等人重点研究了基于u m l 的制造执行系统层次 演化对象建模技术，提出一种基于软构件的制造执行系统体系框架，并对基于 4 第1 章绪论 c o 对认的制造执行系统的开发进行了深入研究；杨浩、朱剑英等人【3 4 琊】运用面向分 布式对象的远程方法调用技术，提出了一种基于多a g e n t 的开放式、模块化、可集 成的敏捷化智能制造执行系统。 中国科学院的于海斌【37 j 等采用a g e n t 技术、工作流技术和软件构件技术对可集 成的制造执行系统的构件和软件系统开发进行了研究，并提出了领域层、对象层和 基础构架层的三层体系结构的基于多a g e n t 的可集成m e s 。 华中科技大学的饶运清、李培根【3 o 】等对敏捷化制造环境下的基于多a g e n t 的 m e s 的建模、控制结构和调度策略进行了研究，提出了车间层、虚拟单元层和设备 资源层的三层体系结构，构建了基于c o i 氇a 规范的分布式网络化制造原型系统。 在此基础上，朱传军1 4 l j 等人利用基于c o r b a 分布式对象技术与规范来封装车间管 理的各功能构件，并开发了一个基于c o r b a 的可重构的m e s 原型系统。 河北科技大学的岳彦芳、杨光【4 2 ，4 3 】等建立了基于w e b 技术的面向机械加工车间 的制造执行系统模型，对离散行业中小型制造企业机械加工车间的制造执行系统的 应用流程进行了深入研究并开发了相应的软件。 妻； 其它还有周华m j 等人针对在加工车间多变环境下，如何保证制造系统的伸缩性 和敏捷性这一问题，给出了m e s 中全能体的结构和一个m e s 原型。宋海生1 4 5 】等研 究了网络联盟企业中基于w 曲的分布式生产单元m e s 软件体系结构。潘颖、张文孝 【4 6 】提出一种基于多a g e n t 的分布式离散制造业制造执行系统体系结构，并研究了其 中每个a g e n t 的运作机制与多a g e m 之间的交互协调机制。 就应用而言，目前m e s 已在钢铁、石化等行业得到一定的应用并开发完成了若 干自主产权的m e s 系统，如：中国石化m e s ( s m e sv 1 o ) 、上海宝信m e s 【4 7 1 等。 在离散型制造业，生产过程数据的采集相对困难，不同类型的企业存在较大的差异， 因此m e s 的应用困难较大，成功的范例也相对较少【4 引。但并不等于说离散企业不能 或不需要m e s ，恰恰相反，由于离散企业在过去的管理上存在更多的人为因素和更 多的不科学性，因而就更需要通过m e s 来提高管理水平。同时国内对离散制造m e s 系统及集成技术进行了探索性研究，并取得初步成效( 如西飞m e s 等) ，国内市场 上也出现一些针对离散制造业的m e s 产品【4 9 ，5 0 】，如：o m e s 、0 r b i t m e s 、天为 m e s 等。 从总体上看，在m e s 的研究与应用方面，我国与美国、欧洲以及日本等些发 达国家还存在相当的差距；就产品来讲，自主研发才刚刚起步，有少数国内i t 公司 一方面模仿国外的模式，另一方面也在总结提炼国内制造企业实施m e s 的经验，研 发出的产品以实验室产品居多，离商品化还有一段路程。 1 2 4m s 的发展趋势 5 河北科技大学硕学位论文 m e s 是面向车间层的生产管理技术与实时信息系统，它是实施企业信息化、实 现车间生产敏捷化的基本技术手段。由于m e s 强调控制和协调，使上层的计划系统 与底层的执行系统实现了集成。因此，短短几年间m e s 在制造企业中迅速推广开来， 并给企业带来了巨大的经济效益。 目藕大多数企业，尤其是机械制造企业在信息化建设进程中，实施c a d 、c a p p 、 e i 冲、m e s 等信息化系统是分阶段进行的，导致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。m e s 内部各模块之间以 及m e s 系统与其它信息化系统之间的信息难以保证一致性和准确性，从而制约了企 业内部各信息系统间的协调，降低了信息化的整体作用。随着市场竞争的日益加剧， 企业要想赢得市场、赢得用户就必须全面提高企业的产品质量，降低生产成本，增 强产品全生命周期的服务。同时还要对不确定的车间生产环境作出快速而准确的反 应，提高车间作业计划的实时性和灵活性，以适应敏捷化制造的要求。因此，m e s 的集成化、智能化、实时性和敏捷化已成为其重要的发展方向。 1 3 课题的研究意义 随着制造业信息化的发展，面向解决工厂级计划的m i 冲i i 、e r p 等信息系统以 及面向底层车间控制的p c s 信息系统已经发展的比较成熟。但是目前大多数企业， 尤其是机械制造企业在信息化建设进程中，实施c a d 、c a p p 、e r p 、m e s 等是分 阶段进行，各模块之间存在着“信息孤岛 ，即各模块之间相互独立，缺乏数据共享。 信息孤岛使企业内部信息在水平方向上产生断裂，导致各功能模块间功能重叠、数 据冗余与矛盾等一系列问题。同时，这些信息化系统和现场自动化控制系统在内部 的数据结构、反应速度、处理方式等方面存在着较大的差异，很难实现其对车间制 造过程的“工序级”监控，致使位于企业上层的资源计划层与底层的生产控制层产 生了“信息断层”。企业级的业务管理系统无法得到及时准确的生产进度、在制品状 况和设备利用状况等生产现场数据；而生产现场的工作人员和设备也得不到切实可 行的生产计划与生产指令，造成企业生产经营信息在垂直方向的阻断【5 1 1 ，大大降低 了企业信息化的整体作用。 本课题通过对机械制造企业生产流程的梳理，建立了面向机械下料车间的m e s 系统模型。在研究下料车间m e s 与e i 心、c a p p 之间信息集成的基础上，进行系统 的开发，旨在下料过程中各个已存在的信息孤岛之间架设“信息桥梁”，实现对底层 车间制造过程的控制；同时为机械制造企业其它车间m e s 系统构建与集成提供参考， 来满足机械制造企业实现产品快速、个性化定制开发的需求，充分发挥制造业信息 化的优势。 1 4 课题的来源及研究内容 6 第1 章绪论 1 4 1 课题的来源 本课题来源于河北省石家庄市新华区科技局项目“制造过程管理( m p m ) 信息 化系统研究”。 1 4 2 课题的研究内容 ， 一- 一- 一一j： 本课题主要工作是根据机械类制造企业的运作特点和生产流程，对其整个制造 过程中的信息流转进行梳理；根据机械制造企业生产流程与特点，建立机械制造企 业车间级m e s 系统的总体模型，运用i d e f 建模方法来构建机械下料车间的m e s 系统的功能模型和信息模型；分析系统的模块组成并对各功能模块进行详细的设计， 研究m e s 系统与e r p 、c a p p 之间的异构数据交换方式，并在此基础上选择合适的 编程语言和数据库开发工具进行机械下料车间m e s 系统开发；调试运行m e s 系统， 并将其应用于一家机械制造企业，完善系统的各功能模块，以实现其对机械制造企 业底层车间制造过程的信息集成与控制。 1 5 本章小结 本章描述了制造执行系统( m e s ) 的产生背景，分析了国内外m e s 的发展与应 用现状，指出了在该领域研究中存在的不足及有待深入研究的方向。结合企业信息 化所带来的问题和m e s 的发展趋势，阐述了课题的研究意义。在本章的最后，介绍 了课题的来源和主要研究内容。 7 河北科技大学硕士学位论文 第2 章机械下料车间m e s 系统的体系结构 2 1机械下料车间的生产管理现状与分析 2 1 1 机械下料车间的主要功能与定位 车间是制造企业按照产品生产各个阶段或产品各组成部分的专业性质以及各辅 助生产活动的专业性质而设置的组织生产的基本单位【5 引。它作为制造系统的生产任 务执行层，一方面从企业上层管理系统中接收生产任务，依据自身能力需求和平衡 进行生产加工并及时反馈生产状态信息；另一方面根据企业的各部门要求对人、机、 料、法、环五大管理要素进行管理。 在机械制造领域，所谓的下料是指确定制作某台设备或产品所需的材料形状、 数量或质量后，从整个或整批材料中取下一定形状、数量或质量的材料的操作过程。 下料是产品或部件生产的第一道工序，也是影响生产和产品质量的关键工序。机械 下料车间的主要功能如图2 1 所示：其接收企业上层生产计划部门下达的生产任务， 根据原材料库存状况、设计部门提供的零件图样及产品工艺信息，计算工时定额并 确定下料工艺；结合车间加工能力、人员设备状况、产品交货期等信息，制定下料 作业计划。由车间调度员对下料作业计划进行生产调度，以生产工票的形式下发给 工人进行下料作业。此外，机械下料车间还负责对原材料出入库、生产数据反馈、 下料质量检验、零件流转、考勤统计、工时统计、车间设备与人员等信息的管理。 图2 1机械下料车间的主要功能 f i g 2 - l m a i nf i l l l m i o no f m e c h 蛐i c a lb 1 锄k 访gw o r k s h o p 由此可以看出，机械下料车间的管理涉及到产品生产的各个方面。一方面它执 8 第2 章机械下料车间m e s 系统的体系结构 行企业上层的生产计划，为下道工段( 铆焊、机加等) 的加工做好下料准备，在制 造生产系统的物流中起到承上启下的作用；另一方面它对涉及到下料生产中的信息 流进行规范化管理，以保证下料生产的顺利进行。机械下料车间处于零件流的上游， 是企业产品生产链的起始环节，也是影响生产和产品生产质量的重要一环。建立面 向机械下料车间的制造执行系统，共享制造信息和优化管理制造过程，提高下料车 间的管理水平，不仅可以提高车间的生产效率，给企业创造经济效益，还对整个企 业管理水平的提高有很大促进作用。 2 1 2 机械下料车间的现状分析 本课题的依托单位石家庄市长宏冶金设备阀门有限公司是一家面向订单式生产 制造冶金阀门和焊条设备的省级科技型企业，拥有下料、焊接、热处理、加工、装 配、成品检验试压、整理等十五座标准生产车间。目前，“e r p 信息化管理以及产 品c a d 、c a p p 开发设计在该企业已全面实施，并且在供应、销售、库存及生产计 划等方面已取得初步成效。 通过对其下料车间的调研发现，下料生产过程的信息沟通主要以传统的纸质单 据、电话等方式进行；下料生产数据的采集和统计依靠人工记录，工作效率低而且 容易出错；e r p 库存信息不能及时更新，有效的信息无法及时准确地传递到相关的 人员，生产的计划性不强；下料工艺制定及下料生产过程人为因素影响较大，缺乏 规范化的车间生产管理，导致大量边角余料的浪费。同时，在信息化管理实施的过 程中数据共享性差，不同部门的信息系统对于相同信息无法实现共享，导致在不同 部门之间出现大量的重复录入数据的工作，浪费了大量的人力资源。下料车间m e s 项目的开发与实施，是企业信息化管理迈向车间层信息管理的第一步，是实现企业 生产数据共享、优化车间管理的关键一环，同时也为其他车间实施m e s 系统建立了 一个有效的平台。 2 1 3 机械下料车间的业务流程 通过对该企业生产特点和制造流程的实际调研与梳理，建立了其下料车间的业 务流程图，如图2 2 所示。 生产计划科从销售科接收订单任务信息( 合同传递单、：合同变更通知单) ，做好 生产准备计划。一方面根据技术科提供的产品技术资料( c a d 图纸、自制件明细等) 及工艺文件，制定生产任务( 月度生产计划和临时生产计划) ，进行任务分解后下发 给下料车间；另一方面根据合同任务信息、物料库存情况及车间反馈的物料需求计 划制定月度采购计划给供应科。技术科做好生产技术准备，为供应科提供产品b o m ， 向下料车间发放相应图纸工艺及质量标准。供应科根据物料采购计划采购所需材料， 9 河北科技大学硕士学位论文 并将之存入原材料库，以保证下料车间加工生产的顺利进行。下料车间的工段长接 收下料生产任务，一方面下达下料工艺准备给车间工艺员，由车间工艺员根据产品 的图纸工艺信息制定相应的下料工艺( 下料工艺卡) ；另一方面将生产任务信息下达 给调度员，调度员则根据工厂日历、车间加工能力、物料库存、生产资源状态及下 料工艺等信息制定相应的下料作业计划，以生产工票的形式将下料作业下发给工人， 进行下料作业。下料作业完成后，车间质检员对下料产品进行质量检验，将合格品 则存入半成品库，为产品的下道工序做好准备；同时汇总检验记录( 质检评审表) 上报质检科，并将质检信息( 检验记录单) 反馈给作业调度员，以便其对相关的作 业计划做出及时地调整。在整个下料生产过程中，车间统计员完成生产资源状态( 物 料消耗、工人考勤、工时统计、设备运行状态与数据采集等) 信息的统计分析，并 将之以报表的形式反馈给车间调度员和企业的绩效财务科。 图2 - 2 。f = 料车间的业务沉程图 f i g 2 2 t h c w o r kp r o c e 豁o fm e c h 锄i c a lb l 鲫k i n gw o r k s h o p 2 2 s 系统的总体模型 根据上述制造企业车间生产流程与特点的调研分析，构建面向机械下料车间的 m e s 系统总体模型，如图2 3 所示。 1 0 第2 章机械下料车间砸s 系统的体系结构 生产数据管理模块获取产品设计信息和工艺信息，由主生产计划管理生成采购 单、委外生产单和企业自己的生产任务单，同时结合设备情况生成能力计划；生产 任务管理模块对主生产计划进行分解，下达到下料车间，由车间对下料作业计划进 行调度，调度结果自动生成电子工票，工人根据工票进行下料生产。工票反馈后， 上层管理人员可以及时通过在制品管理模块了解生产的进度，使得生产更具透明化； 除此之外，系统还可以对车间设备及人员的动态信息进行管理，及时反映设备的运 行情况、人员的出勤状况等动态信息。 图2 3 机械下料车间m e s 系统的总体模型 f i g 2 - 3 g e r a lm o d e lf o rm e ss y s t e mi i lm e c h 锄i c a lb l 觚k i l l gw o r l c s h o p 2 3 机械下料车间s 系统体系结构的描述 2 3 1s 的功能视图 功能视图是描述m e s 系统中的功能组成。m e s 系统的目的在于为下料车间提供 各种不同任务的支持，收集与任务相关的信息，存储于统一的数据库中，使不同的 任务在数据库信息的基础上得到协调。为了实现机械下料车间生产的敏捷性，对下 料任务、生产环境的变化做出快速响应，参考m e s a 国际组织的报告及有关文献， 提出了下料车间m e s 系统的功能视图1 5 引，如图2 4 所示。该视图主要包括系统总体 功能目标和系统功能模块构成两个方面。其中总体功能目标是要结合下料车间的生 产制造特点，实现对车间下料过程物料、生产、质量、人员、设备等要素的信息化 管理，以支持和实现下料过程的可视化、实时化和透明化，从而支持整个企业生产 过程的精益化管理；在系统总体功能目标指导下，结合下料车间生产的特点，构建 系统的各功能模块。 车间基础数据管理：建立、组织和维护车间的各种基础数据和生产要素数据， 1 1 河北科技大学硕士学位论文 以提供给其它模块使用。这些数据包括生产单元日历、时间模式、人员静态信息、 设备基本信息、产品b o m 、下料工艺、工时定额、n c 加工程序等。这些信息多为 静态数据，变化较少。 资源状态管理：管理人员、设备、工具、材料等资源，以最新的时间结构提供 资源状况信息。如材料准备，人员出勤，设备负荷等活动的及时状态，为下料作业 优化和顺利进行提供基础。 公共信息发布：发布车间内部的公共信息，如企业通知、作业计划变动、绩效 信息、问题讨论、留言等。 图2 - 4m e s 系统的功能视图 f i g 2 - 4 f u n c t i o nv i 州o ft l l e 埘：ss y s t e m 作业计划与调度：接收企业生产部门下达的生产任务或e r p 系统下达的主生产 计划和c a p p 系统的工艺规程、工艺文件等，根据有限资源，对生产活动进行优化 排序，确定作业时间。对车间的生产进行适时管理和控制，解决生产中出现的问题， 并向企业的e i 冲系统反馈生产进度、工时、成本和其它统计数据。 生产工票与工况数据采集：接收作业计划与调度系统下达的生产指令，反馈工 作地人员、设备等关于过程、材料和运行状态的数据，接收单元反馈的完工信息和 资源计划跟踪信息；及时反馈生产过程中所形成的各种信息，并尽快地向企业生产 协调系统、e i 冲系统和质量管理系统反映生产和产品质量情况，使生产过程中出现 的故障、问题得到及时解决。 文档控制：管理和分配关于产品、过程、设计或定单的信息。 机床数据采集：自动采集机床的实际运行状态，如开、关机时间，有效加工时 间等，形成机床实际运行的统计数据和历史记录。 维护管理：计划和执行适当的活动，保持设备和资产正常运行。 下料质量管理：记录、跟踪和分析下料生产质量，给出提高生产质量的措施。 数据统计与业绩分析：自动、及时地统计车间生产中形成的各种生产数据，监 1 2 第2 章机械下料车间姬s 系统的体系结构 测车间的生产进程、产量，形成产品的全部历史记录和相应的规范报表，将实际结 果与由企业、顾客制定的目标进行比较。业绩结果包括资源利用程度、资源有效性、 产品的单位循环时间、与计划和执行标准的一致性、工人的工资等，为计划层的下 一步决策提供依据。 2 3 2s 的资源视图 一 系统的资源视图描述了机械下料车间m e s 管理中完成下料生产所需要的资源， 包括物料资源、设备资源、人力资源、生产资源和系统支撑资源。按照这一分类情 况，建立了下料车间m e s 系统的资源视图，如图2 5 所示。 机械下料车间m e s 系统的资源 设备 资源 艄陲 人力 资源 驯麽 生产 资源 蓁il鲞ll|茎|ll薹ll蓁 图2 5 垭s 系统的资源视图 f i g 2 5 r - e s o u r c ev i e wo f t l l em e s s y s t e m 应 用 软 件 其中，物料资源主要包括原材料供应与库存情况、半成品出入库记录；设备资 源主要是与下料生产相关的加工设备以及辅助设备，包括下料机床( 剪板机、数控 火焰切割机、锯床等) 、配套工具( 焊条、工夹量具、标准件等) 和输送设备；人力 资源包括车间的管理人员( 车间主任、工段长、统计员等) 、技术人员( 工艺员、调 度员、质检员等) 和下料生产人员( 工人) 的动静态信息；生产资源涉及到下料生 产运行各环节中的信息，包括基本的工艺信息( 图纸要求、工艺规程、n c 加工程序 等) 、作业调度信息、下料过程信息及加工质量信息；支撑资源为下料车间m e s 系 统的构建提供基础支持，主要包括计算机网络硬件设备、系统的软件环境、数据库 工具( s o l 等) 和应用软件。 2 3 3姬s 的过程视图 下料车间m e s 系统的核心是对制造过程的物料、下料作业、下料质量、车间设 备及人员等要素进行全面的管理，其过程视图描述了产品零部件在下料车间制造系 统运行的完整的活动链，如图2 6 所示。 1 3 河北科技大学硕士学位论文 首先由企业生产计划部门根据e r p 系统的主生产计划向下料车间下达带有生产 令号、零件名称、数量和基本时间限制的生产任务。作业计划系统接受任务之后， 首先向图库、工艺库查询相关信息；如果信息缺乏，则向有关系统发出指令要求及 时补充所需信息，如向下料工艺管理模块( c a p p 系统) 发出零件名称、批量、原料 等信息，要求制定相应的下料工艺。c a p p 系统根据这些信息通过图档管理系统从数 据库中得到该产品的图纸后进行工艺规划，并将规划好的工艺存入工艺资源库，并 向n c 程序管理系统发出工序信息，要求准备下料程序。n c 程序管理系统则根据工 序图产生数控程序，并将其存入下料加工程序库。 完成情况 物