第四讲-制造执行系统.doc

第四讲 制造执行系统主讲人：长安大学工程机械学院 蔡宗琰 教授联系电话：（029）82338269，（029）85251906-mail: dr_1.制造执行系统的内涵制造执行系统（Manufacturing Execution System）是由美国先进制造研究机构（Advanced Manufacturing Research Inc, AMR）于20世纪90年代初提出的，旨在加强制造资源计划（Manufacturing Resources Planning, MRPII）的执行功能，解决上层生产计划管理和底层生产过程之间脱节的矛盾，实现企业信息流的连续性。制造执行系统的应用实践表明，制造执行系统不仅能够提高计划的实时性和灵活性，而且能够改善车间的生产绩效。因此制造执行系统的理念获得制造业界和软件业界的广泛接受。正是在这种背景下，国际制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association, MESA International）于1992年应运而生，并迅速得到国际著名软件供应商和制造业界的积极响应。国际制造执行系统协会的成立，标志着制造执行系统软件产业正式形成。对制造执行系统，目前还没有一个公认的定义。MESA International和AMR分别给出制造执行系统的定义，但目前比较受工业界和学术界认同的是MESA的定义。即制造执行系统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，制造执行系统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制造执行系统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。制造执行系统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。MESA International还总结出制造执行系统的功能，它包括工序详细调度、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等11个功能模块。而且在制造执行系统的发展过程中，还出现了大量的只具备制造执行系统的部分功能的软件产品，如批量管理（Batch Management）、数据采集（Data CollectionAuto IDBarcode）、电子批量管理（Electronic Batch Management）、电子文档管理（Electronic Document Management）、电子工作指令（Electronic Work Instructions）、有限能力调度（Finite Scheduling）、集成的制造执行系统（Integrated MES）、实验室信息系统（Laboratory Information Systems）、维护与资产管理（Maintenance or Asset Management）、生产过程仿真（Process Simulation）、质量控制管理（SPCQCQuality Management）、在制品跟踪（WIP Tracking）等。这些软件产品是制造执行系统软件产品譜的重要组成部分。分析MESA International所提出的制造执行系统的定义、功能以及制造执行系统软件产品譜，可以看出制造执行系统的根本任务是车间的生产管理控制，而对车间底层控制的支持则是其特色。制造执行系统处于AMR的三层企业集成模型的中间层（执行层），一方面它对来自计划管理层的生产管理信息细化分解并做出决策，将操作指令传递给车间底层控制；另一方面它实时监控车间底层设备和仪表的运行状态，采集设备和仪表的状态数据，经过分析与决策后采取适当的措施，并及时将生产状况反馈给计划管理层。这不仅方便可靠地将管理控制系统与信息系统联系在一起，而且实现了计划管理层与车间底层控制之间的无缝联接。从这种意义上讲，制造执行系统是介于计划管理层和车间底层控制之间的面向制造过程的集成化车间生产管理控制系统，它实际上是一种计算机辅助车间生产管理控制系统。2. 制造执行系统的发展状况制造执行系统的成功实践和信息技术的发展，促进制造执行系统的研究和应用不断发展。制造执行系统的研究和应用发展大致经历了传统的制造执行系统、可集成的制造执行系统和分布式的智能制造执行系统等三个阶段。各阶段的典型应用系统和研究单位如表1所示。 表1制造执行系统的发展阶段发展阶段典型应用系统研究单位传 统制造执行系统专用的制造执行系统有限能力调度、在制品跟踪、质量管理和电子文档管理等针对某个特定领域开发的系统软件供应商集成的制造执行系统面向半导体、航空航天、装配、石化、食品和卫生等行业，在功能上能实现上层事务处理和底层实时控制系统的集成软件供应商可集成的制造执行系统兼具集成的和专用的制造执行系统的功能，即既能实现上层事务处理和底层实时控制系统的集成，又能将其部分功能作为可重用构件单独销售。OMG的MES/MC工作组，NIIIP的SMART项目，日本的OpenMES框架规范，台湾成功大学的集成的制造执行系统框架，南京航空航天大学的制造执行系统软件等。分布式的智能制造执行系统基于多Agent的智能制造执行系统NIIIP-SMART参考体系结构虽然在应用需求的驱动下制造执行系统的研究取得了许多积极的成果，但由于制造执行系统本身固有的复杂性，制造执行系统这一研究领域仍然存在许多问题，突出表现在以下四个方面： 制造执行系统本质上是一个计算机辅助车间生产管理控制系统，因此，车间调度是制造执行系统的核心功能。但由于离散型制造的车间调度问题是一个NP Complete 或NP hard 问题，在建立车间调度问题的数学模型时常常需要做出一些假设以便于问题的求解。这不仅使车间调度存在理论研究和实际应用之间的脱节；而且对同一个车间调度问题，由于所做的假设不同，所得到的数学模型就不同，导致同一个车间调度问题对不同的人是不同的研究对象。这种状况使车间调度的理论研究成果非常丰富，但这些研究成果很少获得实际应用并产生经济效益。车间调度问题的这种被动局面已经严重影响了制造执行系统的使用效果。而且，目前计划管理层软件功能的向下延伸和车间底层控制软件功能的向上扩展，使得这两类软件都可以具备制造执行系统的部分功能。所有这一切都是对制造执行系统的严峻挑战。 传统的制造执行系统通用性差，缺乏可扩展和互操作能力，难于随业务过程变化而进行相应的功能配置。这使得传统的制造执行系统软件可重用水平低，软件开发周期长。 可集成的制造执行系统本质上是模块化应用构件环境（Module Application Component Environment, MACE）下的信息控制，必须具备客户化、可扩展和互操作等分布计算能力。但由于目前CORBA和COM/DCOM等分布计算技术本身存在的缺陷，使得可集成的制造执行系统的实际应用很难达到预期效果。 分布式的智能制造执行系统的理论基础是多智能体系统（Multi-agent System, MAS）理论。多智能体系统理论已被应用于制造规划、资源优化和制造控制等领域，并取得了一些研究成果30；而且被认为是未来制造系统中实现降低生产费用、生产分散化控制、自适应和处理复杂过程的关键技术。但分析这些已有的成果可以发现，其中有的研究成果离实际应用还有较大的差距，有的研究成果更是Agent包打天下，变成解决一切问题的灵丹妙药，这显然是不切实际的。因此，将用多智能体系统理论求解制造问题所取得的成果在制造业推广应用还需付出艰苦的探索。同理，分布式的智能制造执行系统的研究目前仍停留在理论探讨上。由以上分析可知，制造业的应用需求导致制造执行系统的出现，并驱动制造执行系统研究和应用的发展。但制造执行系统的研究和应用成果滞后于制造业的需求。这对制造执行系统既是挑战也是机遇。作者认为，当前加大可集成制造执行系统、分布式智能制造执行系统和车间调度问题的研究力度，使其研究成果尽快应用于制造实践，是很有必要的。同时，在制造企业信息集成系统的框架下，研究支持企业全面信息集成的制造执行系统和提高软件开发柔性的可重构制造执行系统，对推动制造执行系统理论研究和实际应用具有重要意义。3. 制造执行系统的功能模块根据面向制造企业信息集成系统的制造执行系统的功能模型和制造执行系统的数据流程图，可设计制造执行系统由生产管理分系统、物料管理分系统、在制品管理分系统、DNC管理分系统、设备管理分系统、质量管理分系统、人力资源管理分系统、成本管理分系统、生产数据分析分系统、基础数据管理分系统和系统管理分系统等11个分系统组成，如图1。各分系统又分别由若干个功能模块组成，现阐述如下：图1 制造执行系统的组成3.1生产管理分系统生产管理分系统由厂部生产任务、车间生产任务、车间月计划、车间周计划、物料需求计划、车间日计划和派工单管理等功能模块组成，如图2。各功能模块的具体功能是：厂部生产任务：提供输入界面将厂部生产任务录入系统，同时提供自动导入厂部生产任务的自动导入接口。车间生产任务：根据厂部生产任务，参照车间BOM，生成车间生产任务。包括车间生产任务汇总和车间生产任务维护等2个子功能模块。车间月计划：将车间生产任务自动分配到月，生成车间月计划；并能根据制造任务优先级的变化调整车间月计划。本功能模块包括车间月计划编制和车间月计划维护等2个子功能模块。车间周计划：根据车间月计划、制造BOM和资源状况，根据倒排算法求解车间周计划。在求得车间周计划后，生产管理分系统应提供系统自动生成、系统自动生成加人工调整和人工编制等3种周调度甘特图的生成方式。对前两种 图2 生产管理分系统生成方式，生产管理分系统应提供以车间生产能力最高、车间资源利用率最高和车间生产成本最低等单项优化目标或组合优化目标为目标函数，制造任务优先级、车间资源状况等为约束条件，求解车间周调度甘特图的算法。同时，应能针对诸如制造任务优先级变化、生产设备故障等生产突发事件生成替代的车间周计划及其相应的调度甘特图。本功能模块包括车间周计划制定和车间生产周计划维护和周调度甘特图生成等三个子功能模块。物料需求计划：根据车间月计划和工艺技术文件制定车间月物料需求计划，根据车间周计划和工艺技术文件制定车间周物料需求计划；并根据车间月/周计划的变化，对车间月/周物料需求计划进行维护。本功能模块包括月物料需求计划生成、月物料需求计划维护、周物料需求计划生成和周物料需求计划维护等四个子功能模块。车间日计划：根据车间周调度甘特图、车间资源状况和车间生产状态，制定车间日计划，并能根据周计划的变动（周调度甘特图的变化）生成替代的车间日计划。在制定车间日计划时，应及时调度车间资源，并做出相应的资源和人力安排。派工单管理：根据车间日计划和车间资源调度结果，下发派工单。在下发派工单之前，应核实车间资源安排和人力安排的落实情况。生产管理分系统应提供安排资源、下发设备操作指令和调配人员三种操作中的任一种操作没有确认，就不能下发派工单的功能。3.2物料管理分系统物料管理分系统由库房管理和工装刀具管理等功能模块组成，如图3。各功能模块的具体功能是： 图3 物料管理分系统库房管理：管理原材料、毛坯和辅料的接收与发料,并能根据车间月物料需求计划和周物料需求计划制定车间月和周原材料/毛坯/辅料准备计划。同时，管理车间库房的日常事务，主要包括仓库类型和库位的定义、库存存放设置和移库等库存事务管理、仓库盘点、库房授权和库房台帐管理等日常事务。本功能模块包括仓库定义、库位定义、仓库授权、入库管理、出库管理、工装刀具准备计划、工装刀具库盘点、库存事务管理和工装刀具台帐管理等9个子功能模块。工装刀具管理：管理工装刀具的接收、归还、领料、借用、报废和调拨等出入库管理事务，并能根据车间月物料需求计划/周物料需求计划制定车间月/周工装刀具准备计划。对工装刀具的出入库管理，应提供类似于图书馆的图书日常管理的功能。同时，管理工装刀具库的日常事务，主要包括工装刀具库类型和库位的定义、库存存放设置和移库等库存事务管理、仓库盘点、工装刀具库授权和工装刀具库台帐管理等日常事务。本功能模块包括工装刀具库定义、工装刀具库位定义、工装刀具库授权、入库管理、出库管理、原材料/毛坯/辅料准备计划、仓库盘点、库存事务管理和台帐管理等9个子功能模块。3.3在制品管理分系统在制品管理分系统由零件转移管理、工序转移管理、完工管理和在制品台帐管理等功能模块组成，如图4。各功能模块的具体功能是： 图4 在制品管理分系统 零件转移管理：管理零件在车间之间的转移，包括零件转入管理和零件转出管理。在零件转移单确认后自动更新车间的在制品库存状态信息。本功能模块包括零件转入管理和零件转出管理等两个子功能模块。工序转移管理：管理零件在车间内部各工序之间或各班组之间的转移。在工序转移单确认后自动更新车间的在制品位置和状态信息。完工管理：管理车间各工段的零件完工报告、零件还工报告和零件报废报告等完工状态信息。包括DNC工段完工管理、自动制造系统完工管理和常规工段完工管理等3个子功能模块。在制品台帐管理：管理零件的设计借用、临时挪用和零件的齐套信息，管理在制品转移流水帐和在制品查询。零件的设计借用管理，应实现借用路径和借用数量的查询以及借用成本归集等功能。对借用路径查询，还应能实现借用路径的从产品到零件的正向查询、从零件到产品的反向查询、从某一部件到产品的向上查询和从某一部件到零件的向下查询功能。零件挪用管理，应能记载零件挪用申请和批准的情况。齐套管理应提供最低齐套数查询和缺件状态报告功能，并实现齐套信息的正向查询、反向查询、向上查询和向下查询功能。流水帐管理和在制品查询应提供在制品的数量、位置和状态信息的查询功能。本功能模块包括设计借用管理、零件挪用管理、齐套管理、流水帐管理和在制品查询等5个子功能模块。3.4 DNC管理分系统按制造车间的自动化特征分，制造车间中的工段可分为常规工段、自动化制造系统和DNC工段等工段，其中以DNC工段的管理最为典型。DNC管理分系统由NC程序管理、完工报告管理、设备和刀具监控、工装刀具临时申请和设备故障维护等功能模块组成，如图5。各功能模块的具体功能是： 图5 DNC管理分系统NC程序管理：管理NC程序的下载、上传和仿真，包括NC程序上传、NC程序下载和NC程序仿真等3个子功能模块。系统应能在确认收到派工单后自动链接到NC程序管理界面。对NC程序下载，系统应实现根据NC程序代码编号从基础数据中调用，或从相关的NC程序库中下载的功能。对NC程序上传，系统应实现先通过NC程序仿真检验合格后再上传到机床的控制计算机中或直接上传到机床的控制计算机中的功能。完工管理：管理完工状态的审核报告，包括完工报告和日报等两个子功能模块。系统应提供提交完工报告或日报的可选功能，即对给定的派工单任务，如当日未完工，则提交日报；如已完工，则提交完工报告。对完工报告，系统应提供在只有通过检验合格的确认后才可报完工的功能。对质量检验不合格的零件，应提交零件还工报告或零件报废报告。设备和刀具监控：监控设备和刀具的状态、采集设备和刀具的运行数据，包括设备监控信息查询和刀具状态信息查询2个子功能模块。系统应提供自动监控与采集和在计算机终端人工输入数据的功能。对自动监控与采集，系统应提供设备故障和刀具损坏的报警功能。工装刀具临时申请：管理工装刀具的临时申请。系统应提供只有在确认工装刀具状态报告后才可提交工装刀具临时申请的功能。设备故障维护：管理设备故障和设备维修状态的报告。系统应提供只有在确认设备状态报告并停机后才能提交设备故障报告的功能。3.5设备管理分系统设备管理分系统由设备管理和备件管理等两个功能模块组成，如图6。各功能模块的具体功能是： 图6 设备管理分系统设备管理：管理设备维修保养计划的录入和维护以及计划执行情况的记录，管理设备运行信息、故障报告与维修信息的记录和查询。包括设备状态管理、设备维修保养管理、设设备台帐管理等3个子功能模块。备件管理：管理车间设备备件库的日常事务，主要包括备件库类型和库位的定义、库存事务管理、仓库盘点、备件库库授权和备件库台帐管理等日常事务。本功能模块包括备件库定义、备件库库位定义、备件库授权、出入库管理、备件需求计划、仓库盘点、库存事务管理和台帐管理等8个子功能模块。3.6质量管理分系统质量管理分系统由质量基础数据维护、质量标准管理、车间质量检验、车间质量控制、车间质量分析等5个功能模块组成，如图6。各功能模块的具体功能是： 图6 质量管理分系统质量基础数据维护：维护质量管理的基础数据。质量基础数据包括质量等级、缺陷等级、质量原因类型、检验项目、检验工种、检验工作中心和检验工具仪器等数据。本功能模块置于质量管理分系统而不置于基础数据管理分系统，主要是为了便于将质量管理分系统设计为可扩充的软件模块。质量标准管理：维护质量标准，包括抽样标准维护和检验标准维护等两个子功能模块。车间质量检验：管理车间生产全过程的质量检验，包括转入零件检验、工序检验、未道工序检验和出库检验等4个子功能模块。车间质量控制：根据车间质量数据生成质量控制图，包括控制图生成、控制图查询和质量控制报告单等3个子功能模块。系统应实现控制图的自动生成，并对生产过程中影响零件质量的各种因素提出控制建议。车间质量分析：根据车间质量管理过程中形成的各种质量数据生成质量分析图形和质量分析处理意见，包括直方图生成、直方图查询、排列图生成、排列图查询和质量分析报告单等3个子功能模块。系统应实现直方图和排列图的自动生成，并提供生成各种质量分析报表的自定义查询功能。3.7人力资源管理分系统人力资源管理分系统由考勤管理、员工状态管理、员工业务信息维护和人力资源台帐管理等4个功能模块组成，如图7。各功能模块的具体功能是：图7 人力资源管理分系统考勤管理：管理员工的出缺勤和遵守劳动纪律情况。包括员工出缺勤统计和员工缺勤原因记录等两个子功能模块。系统应实现使用形码考勤的功能。员工状态信息维护：管理车间全体员工的状态信息，包括生产现场的员工状态信息维护和生产准备的员工状态信息维护等2个子功能模块。员工业务信息维护：管理员工的培训情况、工种和资历的变化情况及其业绩考核情况等业务信息，包括员工工种维护、员工资历维护、员工培训维护和员工业绩考核维护等4个子功能模块。 人力资源台帐管理：管理车间人力资源台帐，包括员工出勤查询、员工出勤月报表、员工状态查询、员工实时状态查询和员工业务信息查询等5个子功能模