支持网络化制造的车间资源集成若干关键技术研究

华中科技大学

硕士学位论文

支持网络化制造的车间资源集成若干关键技术研究

姓名：左革成

申请学位级别：硕士

专业：机械电子工程

指导教师：饶运清;黄刚

20050427

III 摘 要 网络化制造通过采用先进的网络技术制造技术和其他相关技术实现企业内部信息的共享集成企业间的协同制造执行系统(MES)是CIMS 中的重要一环它位于上层的企业生产计划管理系统与底层的工业控制之间其目标是实现车间生产过程及其相关制造资源的集成并对其进行有效管理跟踪和控制但是迄今为止的大部分MES 系统都缺乏对车间资源的进一步整合以及同企业上层企业联盟的信息交互所以本文提出了网络化MES 解决方案开发了面向动态联盟的支持网络化

制造的车间资源集成执行系统

论文首先介绍了课题的研究背景来源和目的综述了区域网络化制造的研究现状和体系结构分析了支持网络化制造的MES 技术发展状况提出了在网络化制造环境下车间MES 存在的问题指明了在网络化制造环境下进行车间制造资源内部集成

外部公布的必要性和可行性 根据对成都王牌车辆厂等单位的调研论文提出了在网络化制造体系中车间制造资源建模的网络层次结构

使用了多Agent 和UML 技术对车间资源进行了静态和动

态的建模

最后建立了支持网络化制造的车间资源集成框架

并提出了网络化集成MES 解决方案

基于上述研究工作和成果本项目组基于.NET 平台开发了网络化MES 原型系统对系统需求分析功能模块数据库设计进行了详细论述该系统已得到实际运用并在论文中给出了系统的部分界面显示

最后

对全文进行了总结

并指出了在支持网络化制造环境下MES 中车间资源集成的进一步研究方向与发展目标 关键词制造执行系统

MES 网络化制造 资源集成 多智能体系统(MAS)

Abstract

As an advanced manufacturing mode, networked manufacturing can achieve not only information sharing and integration within enterprise but also collaboration of different enterprises with the aid of advanced manufacturing technology, networked technology and related technologies. As an important part of CIMS, Manufacturing Executing System (MES) is the production management system on the shop floor, which fills the communication gap between the manufacturing planning system (e.g. MRPII/ERP) and the control system. It aims to integrate the production process in terms of labors, materials, equipments and work-in-progresses so as to achieve the effective production and control on the shop floor. However, most existent MES systems lack the ability to integrate the manufacturing resources and communicate with other information systems within the enterprise or with other enterprises.This thesis presents a networked MES solution, where a manufacturing resource integration execution system is developed to support networked manufacturing for virtual manufacturing organizations.

The background, objective and significance of the project are introduced. The essence, functions and research on "Regional Networked Manufacturing" are summarized. The development of networked manufacturing MES technology is discussed. The disadvantages of the traditional MES in the networked manufacturing environment are put forward. Meanwhile, the necessity and feasibility of the manufacturing resource integration modeling and information issuance are pointed out.

According to the investigation in Chengdu Wangpai Vehicle Company, the network hierarchy for the shop floor resource modeling is proposed. The multi-agent-based static manufacturing resource model and the UML-based dynamic model are both developed. Lastly, the integration architecture of the manufacturing resource modeling in the networked shop floor environment is established and the solution of the integrated and networked MES is presented.

Base on the achievement above, a prototype of the networked MES based on DOTNET is described. The requirement analysis, function description and database design are discussed in detail. This system is put into practical use, and some examples are given.

Finally, the conclusions are drawn and the further research directions of MES in a networked manufacturing environment are pointed out.

Key Words: Manufacturing Execution System(MES) Networked manufacturing resource integration multi-agent system (MAS)

IV

1 1 绪 论

1.1 课题的背景来源及目的 网络化制造是网络经济时代的必然产物因此它在包括中国在内的世界上很多国家都受到普遍重视网络化制造的核心是利用计算机网络跨越不同企业之间存在的空间差距通过企业之间的信息集成业务过程集成和资源共享为企业开展异地协同设计制造网上营销供应链管理等提供技术支撑和手段实现产品商务的协同产品设计的协同产品制造的协同和供应链的协同从而缩短产品的研制周期和研制费用提高整个产品链和制造群体的竞争力

车间层的生产管理与信息资源集成是企业生产系统和CIMS 中的重要一环车间作为制造企业的物化中心产品最终要通过车间制造出来车间生产计划制造资源的状态等最终决定了一个企业的实际生产能力产品质量状况车间生产及管理自动化是实施企业CIMS 整体解决方案的共性核心关键技术车间生产管理及其信息系统的敏捷性在很大程度上决定着整个企业的敏捷性[1][2]为适应敏捷化的车间制造环境制造执行系统MES:Manufacturing Execution System 的概念近十年来逐步形成并得到迅速发展[1-6]MES 是位于企业上层生产计划MRPII/ERP 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

MES 的任务是根据上级下达的生产计划充分利用车间的各种生产资源生产方法和丰富的实时现场信息快速低成本

地制造出高质量的产品 以产品生产为主线车间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实时制造信息的集散地对车间制造资源及制造过程的优化管理是提高企业核心竞争力的关键问题之一在网络化制造环境下根据中国目前制造业特别是中小企业的现状不大可能对企业的现有制造资源进行大规模更新因此充分利用现有资源和现代信息技术对车间的各类系统进行网络化改造和车间MES 中各类资源的集成可以充分提升车间信息化程度实现企业各层的信息互通给企业带来极大的经济效益提高中国制造业核心企业竞争力研究支持网络化制造的车间MES 制造资源的集成也是实现我国制造业资源集成与共享的基础和前提

本课题来源于国家863计划资助项目支持网络化制造的车间资源集成与制造过程管理项目编号为2003AA411120和国家863计划资助项目成德绵区域网络

2 化制造系统的开发与应用项目编号为

2002AA414050

1.2 网络化制造系统研究综述

1.2.1 网络化制造的基本概念 计算机网络技术的迅速发展为现代制造企业跨地域跨行业以及为企业内部实现信息实时传递和技术的交流共享提供了可执行的条件制造业面临的是全球性的市场

资源技术和人员的竞争

制造将不再是传统意义上制造而是一个以Internet 技术为基础跨国界全球性的大制造概念即我们所称的网络化制造Network-based

Manufacturing

这就需要建立一种市场需求驱动的

具有快速响应机制的网络化制造模式这将是当前乃至今后若干长的时期内制造业所面临的最紧迫的任务之一是制造企业摆脱困境赢得市场掌握竞争主动权的关键[7]

香港理工大学李荣彬教授针对香港制造业发展提出了

分散网络化生产系统(Dispersed Network Production System)的概念[8]据此发展由李荣彬和同济大学的张曙教授联合提出DNMS Dispersed Networked Manufacturing System ,并由重庆大学作为主研单位之一完成863/CIMS 主题的重大项目之一的现代集成制造系统应用网络在网络化制造的系统模式网络化制造的单元技术网络化制造集成技术安全技术网络化制造平台等研究方面取得了一定的成果重庆大学的但斌刘飞等人从网络化制造的集成性出发提出了NIMS Networked Integrated Manufacturing System 的概念[9]

指出网络化制造是指基于网络包括Internet Intranet Extranet 的制造企业的各种制造活动包括市场运作产品设计和开发物料资源组织生产加工过程产品运输与销售售后服务等

及其涉及的制造技术和制造系统

北方交通大学的齐书增邓亮波等提出了智能网络化制造平台的概念[10]华中科技大学的杨叔子院士等提出了企业集成环境下的MAS

Multi-Agent System 网络制造模式和基于CORBA 的制造模式

[11][12] 国外研究人员也对网络化制造相关概念给出了定义与网络化制造相关的提法主要有Networked Manufacturing e-manufacturing e-factory 等

网络化制造可以看作是e-manufacturing 的一种主要的实现技术和系统 综上网络化制造特征的基础上我们可以定义网络化制造为网络化制造是企业为了应对知识经济和制造全球化的挑战实施的以快速响应市场需求和提高企业竞争

3 力为主要目标的一种先进制造模式通过采用先进的网络技术制造技术和其他相关技术构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统

[7]

1.2.2 开展网络化制造研究与应用的意义 开展网络化制造能促进我国制造业企业的信息化并通过信息化带动工业化的发展进程实现用高新技术改造和提升传统产业的目标可以从整体上提高我国制造业的水平提高企业竞争力促进我国制造业走向世界并为提高我国制造业在世界经

济中的地位起到重要的推动作用

其意义在于

1

解决资源重复浪费实现区域/行业内资源优化配置通过建立网络经协同设计制造环境利用遍布全球的信息网络企业可以在广泛的地域范围内寻求合作伙伴构成网上虚拟企业联盟该联盟以市场为驱动以共同利益为纽带将不同企业和机构的制造资源动态联接起来进而实现资源优化重组并提高资源的利用率2提高创新能力采用数字化网络化技术

改造传统产业

提高劳动生产率

通过推进各地区/

行业技术创新体系的建设提高

企业的产品创新能力3建立信息技术支持的市场环境迎接全球化的竞争对于中西部地区的企业来说客观上与沿海地区存在着地理位置上的差距采用网络化制造技术可以直接与外界进行合作与交流

从而跨越地理位置所带来的障碍4建立信息技术服务体系推进高新技术的应用通过在各地区建立网络化设计制造技术服务中心可以解决许多企业专业技术人材不足问题另外通过全国范围的网络化技术协作可以实现专业配套

降低开展网络化设计制造技术应用的难度5通过

实施区域网络化制造战略

实现企业间集成和动态联盟优化运行提高区域/行业的经济竞争力6加强国际合作参与国际竞争的需求 1.2.3 网络化制造系统国内外研究与应用

网络化制造技术是在Internet

技术得到广泛应用的情况下出现的先进制造模式其概念形成和初步的应用是在20世纪90年代中期在随后的几年网络化制造技术得到了迅速的发展其应用也取得了显著的成果

国外的相关研究有1NIIIP 研究项目NIIIP National Industrial Information Infrastructure Protocols 项目从事关于虚拟企业方面的工作目的是通过研究企业间合作的方案使得合作者之间消除由于不同的数据结构不同的过程和不同的计算环境所造成的障碍2网络化设计网络化设计的典型研究项目有DICE SHARE 和

4 PACT 等DICE 是基于计算机的设计系统在这个设计系统中提供了一个共享工作空间多个设计人员可以按照各自的工程学科进行设计在该项目中采用了基于全局控制机制的面向对象的数据库管理系统以此来解决设计人员之间的协调和交流此项目较为系统地研究了分布式协同设计的问题目前研究工作已拓展到以Internet 为基础的异地协同问题上来美国Lowa 大学工业工程系建立了一个Internet 实验室其主要研究项目包含如何利用WWW 技术建立基于客户服务器形式的协同设计模型3网上制造CyberCut 项目发发了网上设计系统WebCAD 网上工艺设计指导系统

WebCAPP

和访问机床的开放式控制器

以对零件进行加工

CAMNET 项目提供材料选择生产性能分析等一系列服务 在国外网络化制造技术也已经得到了较好的应用比如美国通用电器公司利用网络与其经销商和客户直接通信GM Access 系统通过卫星使总部工厂和公司的9000

个经销商互相联系

进行订单管理

销售分析

预报和维修等

思科系统公司CISCO 每天通过因特网实现的销售超过4000

万美元87%的订购是通过网上完成的而在中国100%的业务都是通过网络完成的

国内对网络化制造的研究部分见1.2.1节至于对网络化制造的应用起步也较晚始于90年代初具体应用有四川省科技厅和西南交通大学进行的成德绵区域网络化

制造方案设计[13]周丹晨等进行的基于B/S 架构三层体系的企业初步实施[14]以及现

代集成制造系统应用网络CIMSNET 的使用等其中CIMSNET 是面向制造业的全国性虚拟网络是为适应制造业的发展趋势而建设的我国第一个以高技术为依托面向制造业的专业性分布式应用型网络系统该网络于1999年2月开始建设利用已有三大主干物理网络在全国范围充分调动和发挥了十几所高校和科研院所的技术优势实现了全国现代集成制造技术信息与资源的有机集成

1.3 MES 系统研究综述

1.3.1 MES 的概念模型以及功能

MES 的概念最早形成于80年代末进入90年代逐步成型并获得迅速发展它的目标是最终实现制造资源管理生产过程计划与物料流动质量控制工艺等的全面集成并为网络化制造战略的实施奠定基础

美国先进制造研究机构AMR Advanced Manufacturing Research 将MES 定义为

5

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情况以及跟踪所有资源

人

设备

物料

客户需求等的当前状态[6][15]

AMR 于90年代提出的企业集成模型清楚地描述了

MES 在企业系统中的位置见图

1-1

图 1-1 企业集成模型

计划层

(MRP/ERP)

强调企业的计划性它以客户定单和市场需求为计划源头,充分利用企业内的各种资源降低库存提高企业效益执行层(MES)强调计划的执行通过MES 把ERP/MRPII 与企业的现场控制有机地集成起来控制层(Control)强调设备的控制包括PLC 数据采集器条形码各种计量及检测仪器机械手等

的控制

从这模型可以看出

MES

在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁填补了两者之间的空隙

以下的MES 的概念模型包括系统的定位模型和功能模型其中系统的定位模型

反映了MES 与企业其它应用系统的关系

具体如图1-2所示

[16][17][18]

图 1-2 MES 定位模型

从图1-2可知作为生产管理系统核心的MES 为其他各种企业应用系统提供现

6 场的数据信息

ERP 系统需要MES 提供成本制造周期和预计产出时间等实际生产数据供应链从MES 中取到生产订单的实际状态企业当前的实际生产能力情况以及企业中生产换班的相互约束关系销售和客户服务模块的成功报价和准时交货决定了每个时刻生产的实际情况所以它必须和MES 有密切的联系

生产工艺管理是基于MES 的产品产出和质量数据进行优化的而控制模块则必须每时每刻从MES 中取

到生产配方或操作指导技术资料

另一方面MES 也要从其他的系统中获取到自身需要的数据ERP 的计划数据是MES 进行生产调度的依据供应链通过外来物料的采购和供应时间控制着生产计划的制订和某些零件在工厂中的生产活动时间销售和客户服务模块提供的产品配置和报价为实际生产订单信息提供基本的参考数据生产工艺管理提供实际生产的指导文件和各种配方及操作参数从控制模块传来的实时生产状态数据被MES 用于实际生产性能评估和操作条件的判断总之MES 和其他系统之间是具有功能重叠但又价值唯一的关系

[16]

MES 本身的主要功能概述如下

[16]

资源管理对资源状态及分配信息进行管理包括机床辅助工具(如刀具

夹具量具等

)

物料劳动者等其他生产能力实体以及开始进行加工时必须具备的

文档(工艺文件数控设备的数控加工程序等)

详细计划

基于现有资源状况

负责生成操作计划提供基于指定生产单元相关的优先级属性特征方法等的作业排序功能

生产调度

以作业

订单批量成批以及工作订单等形式管理和控制生产

单元中的物料流或信息流

文档管理管理与生产单元相关的记录/单据该部分还完成包括对生产历史数据的存储进行维护的操作

现场数据采集

负责采集生产现场中的各种必要的数据信息这些现场数据可以从车间手工输入或由各种自动方式获得

人力资源管理

提供按分钟级更新的员工状态信息数据人力资源管理可以与设备的资源管理模块相互作用来决定最终的优化分配

质量管理

把从制造现场收集到的数据进行实时分析以控制产品质量并确

定生产中需要注意的问题

过程管理

监控生产过程

自动修正生产中的错误提高加工效率和质量或者向用户提供纠正错误并提高在制行为的决策支持

设备维护管理跟踪和指导企业维护设备和刀具以保证制造过程的顺利进行

7 并产生除报警外的阶段性周期性和预防性的维护计划,也提供对直接需要维护的问题

进行响应

生产跟踪提供工件在任意时刻的位置及其状态信息

性能分析

此模块能提供按分钟级更新的实际制造过程的结果报告

并将这些结果与过去的历史记录及所期望出现的经营目标进行比较

可以看到MES 每一个相关的功能模块事实上都是以车间底层的制造资源为对象的可以说对车间资源合理的集成和管理是MES

功能更好的扩展

1.3.2 MES 的发展现状和发展趋势

鉴于MES 的重要性近年来美日欧等工业发达国家非常重视对MES 技术的研究开发与系统应用先后提出过传统的MES

Traditional MES, T-MES

可集成的

MES Integratable MES 等概念[5][19][20]并开发出一些相关的MES 软件产品T-MES 是

指在第一阶段发展起来的信息系统

可以简单地将它分为两大类1专用的MES 系统

Point MES 这类系统是自成一体的应用系统它只能解决某个特定领域的问题针如车间维护生产监控有限能力调度或是SCADA 等2集成化MES 系统

Integrated MES 这类系统针对一个特定的规范化的环境而设计的如航空装配半导体食品和卫生等行业目前已扩展到整个工业领域但此类系统依然是针对一个特定的行业缺少通用性和广泛的集成能力目前市场上占主要地位的还是传统的

MES 随着信息技术和网络技术的飞速发展很多企业的生产模式逐渐向网络化制造发展车间除了具有常规的生产管理和控制功能外还应具有实现单元动态重构以及通过网络对外交流和合作的功能[21][22]而前面提到的MES 体系结构和设计方法的共同

特点是以本企业生产为核心

着眼的是如何

管好自身研究的范围限于单个车间环境下的MES 集成在区域化乃至全球化市场形成的今天采用这样的体系结构所建立的单个企业范围内的信息系统对其他企业而言

在一定程度上是一个相对封闭的

自动化孤岛由于缺乏有效的支持网络化制造的车间制造资源集成与过程管理系统因而无法实现企业远程监控与管理以及异地企业间实时协作和即时的客户服务等网络化制造功能针对上述情况近来有学者提出了一种对传统车间实施网络化改造与性能提升以支持网络化制造的MES 即扩展的网络化MES [21][22][23][24][25]它是基于Intranet 和Fieldbus 的制造系统内部管理信息智能网与控制信息智能网的集成以及基于Internet 的制造系统的外集成扩展的MES 作为集成的分散化智能制造系统中的

8 一个自治节点它不仅要实现计划在车间的执行以及车间管理和对制造过程及设备控制的一体化操作而且还要成为整个制造系统中的虚拟资源以满足敏捷制造环境下面向任务的动态可重构的要求

在对支持网络化制造的MES 系统研究方面我国的起步较晚

与国外相比还有较大差距

但近年来在国家863/CIMS 主题等国家项目的支持下在相关技术领域进行了卓有成效的研究亦取得了不少成果 在MES 网络化方面同济大学的宋海生等[33]提出了网络联盟企业中基于Web 的MES 体系结构指出在分布式MES 系统中可以构成一个基于Web 的Agent 分布式制造环境以制造单元协调电子生产经理为网络联盟企业运行的核心软件系统以应用服务供应商ASP 为运行模式以浏览器/服务器为连接网络的方式以作业计划和调度为核心完成制造执行系统所要求的功能实时与其它制造单元协调电子生产经理通讯实现异地生产信息的集成南京航空航天大学的曹江辉等[40]基于企业内部网MRPII PDM 与MES 集成以及通信方面提出了基于CORBA 的MES 的实现方法

在车间制造资源建模与集成方面西安交通大学的周光辉等[31]提出了基于移动

Agent 的网络制造资源集成利用移动Agent 技术的资源封装和集成方案及框架中国科学院沈阳自动化所的于海斌等[5]提出采用工作流面向对象和多Agent 技术进行

可集成的制造执行系统

I-MES 的构建和软件系统的开发

西北工业大学的和延立

等[41][42]提出了基干多Agent 系统的制造资源集成框架通过建立一个集成制造环境以实现制造资源的有效利用和配置合肥工业大学的韩江等[30]针对产品提出了基于移动Agent 的产品信息集成并给出了一个基于校园网的实施案例华中科技大学CIMS 中心的饶运清提出了基于多Agen 和CORBA 技术的车间制造资源封装建模[61]在支持网络化制造的制造过程管理方面清华大学的范玉顺等[43]提出了在CIMS 环境下基于过程集成的CIMS 应用集成支持系统南京航空航天大学的周万坤等[44]提出了基于

物料清单的制造过程工作流模型等 总之国内在企业制造资源集成制造过程管理与执行系统及其支持网络化制造等方面进行了若干研究并取得了一定成果但对车间制造资源的通用化集成化机制缺乏系统深入的研究和开发应用

更没有将MES 与区域网络化制造系统进行集成研究与工程应用

从以上对MES 的发展现状分析我们可以把MES 的主要发展趋势归纳为四个方面即更加重视和强化系统的可集成性开发具有网络化功能支持网络化制造的

9 过程管理与执行系统强调过程管理支持整个企业链上生产过程的协同以客户为中心

支持电子商务 1 强化系统的可集成性

[5][26][27][28][29]

长期以来具有可集成性的MES 一直是研究的重点和难点一个主要的原因是现有的MES 系统集成性功能解决得不是很好

其主要原因是由于制造企业的硬件和软件系统分别来自不同的厂商企业采用多种混合的信息平台和遗留系统同时还要考虑支持将来最新技术另一方面由于用户的需要在不断地变化和增加做好的功能模块经常要扩展组件需要具有互换性集成费用高为解决上述问题目前通常综合采用了很多

COTS Commercial Off-The-Shelf 软件如中间件工作流数据库事务处理/消息系统CORBA ORBS AGENTS 等或采用标准的结构框架和API 使得系统具有良好的扩展性和开放性 2 支持网络化功能

[25][27][32][33][46]

Internal/Intrant/Extrant/Web 以及网格计算Grid Computing 技术的发展为分布式环境下的信息传输数据访问与资源共享奠定了技术基础特别是Web 技术的出现可以提供一种成本低用户界面友好的网络访问介质解决了企业集成过程中信

息与资源的实时访问与互通问题

MES 使用实时连续

完整

精确的数据优化从定单到产品完成的整个生产活动通过网络使MES 与ERP SCM SSM P/PE 等系统集成实现企业的过程集成和数据共享

具有网络化功能的MES [25]的外部集成基于浏览器/Web 服务器结构

以统一的浏览器界面通过Web 服务器访问MES 的数据库便可方便地得到有关MES 统内部的信息MES 以同样方式可获得其它分系统的信息

通过接入Internet 实现多源信息的共享与集成在网络化环境下由单车间MES 可以拓展到多车间MES 实现MES 内部资源集成以及在广域范围同一层面车间MES 的整合实现网络化车间的构想

这样各个子MES 都成为整个系统中的虚拟资源面向任务得以支持制造系统重构使内部资源面向任务和实时制造信息得到合理配置 3 强调过程管理

支持生产协同

[34][35][36][37][38][39] 随着分散化网络制造模式的发展在车间生产管理与控制领域下一代MES Next Generation MES

[36]的概念被提出其显著的特点是生产同步性它通过MES 引擎在一个和几个地点来进行工厂的实时生产信息和过程管理以协同企业所有的生产活动建立过程化敏捷化有效的组织和级别化的管理使企业生产经营达到同步化 4 面向客户支持电子商务

[26][32][36]

10 近年来随着供应链管理

SCM 客户关系管理CRM 等企业信息化软件的发展电子商务开始兴起使制造企业直接面对全球市场与此同时企业的管理模式

也在发生变化

要求企业不仅对内要

管好自身同时对外还要建立良好的客户关系也就是说企业经营与生产管理要逐步转向以客户服务为中心分布式网络化制造模式充分体现面向用户的思想要求车间管理系统既可以接收工厂计划层次下发的任务也可以作为独立的单位接收来自企业外部的订单综合安排车间的生产计划在订单的执行过程中通过Web 与客户其他制造车间进行协调实现信息共享提供运作效率解决订单执行过程中可能出现的冲突客户可以通过Web 查询了解生产的进度等情况甚至直接参与制造过程的管理与执行 1.3.3 支持网络化制造的MES 资源特征和存在的问题

车间制造资源是MES 要实施的主要对象也是MES 进行集成的重要组成部分它主要包括人员硬件资源和软件资源其中硬件资源设备包括加工设备机器人物料处理系统工装夹具刀具量具以及计算机与网络设备等自动化半自动化和非自动化的设备等软件资源包括针对车间开发的应用程序信息系统网络应用软件和遗留系统以及相应的数据库等人员是指车间生产过程的操作者和管理者是车间硬件资源和软件资源的使用者车间资源这几部分相互协作配合实现了车间的生产过程 车间作为制造企业的物化中心如何在网络化制造环境下合理地对车间内各种资源进行合理调配和实时信息的及时反馈是提高车间生产效率和企业生产效益的关键所在也是MES 的功能之一目前大部分企业实施的MES 作为车间层一级的管理系统在车间资源的集成车间计划的执行起到了一定作用

但是它也存在一些缺陷

1通用性差

主要是考虑特定行业

或者当前车间的状态以及单项功能的实现而没有考虑类型相关企业地域相近其他企业的适用性2信息实时性差表现在车间一级与制造部门一级以及企业决策层一级缺乏必要的实时信息交互车间的制造资源是动态的一个微小的生产调整或者过程变化都会使系统无所适从无法及时反馈到上层部门做出相应动态调整3可拓展性差所在的车间基本上是个相对封闭的单元虽然它上与计划层下与具体的控制执行层有着很大联系然而大部分还只是纵向的关联同一工厂内车间与车间不同工厂相似的车间之间还不能够产生密切的联系形成资源优势互补随着制造网络化全球化趋势的不断扩大车间生产环境越来越充满了不确定性因此要求车间一方面要在内部对车间资源进行合理布

11 置集成以面对任何不可预测的内部扰动另一方面要进行网络化改造与外部产生互动的联系以适应网络化制造的要求及时地高质量地低成本地生产出满足客户需求的产品本文研究工作的主要目的就是针对传统资源组织存在的缺陷给出了车间MES 制造资源内部集成以及与区域网络化制造系统集成等方面的解决方案

1.4 本文的主要工作和组织结构

1.4.1 本文的主要工作

笔者和MES 项目小组自2003年3月起曾深入成都王牌车辆厂成都飞机制造厂和东方气轮机厂做了大量的调查研究与分析为研究和开发区域网络化制造企业联盟中车间层MES 资源的集成化做了大量的工作本文是上述工作中的一部分主要内容如下 1

分析了网络化制造系统体系结构以及在企业纵向层面集成MES 的研究 2

提出了支持网络化制造的车间制造资源集成框架对以车间层面为基础的框架进行了分析 3

支持网络化制造的MES 系统资源集成的方法包括模型的建立数据库的设计开发等 4 最后根据前面提出的理论和技术针对王牌车辆厂进行了实例开发并结

合软件技术进行介绍

1.4.2 本文的组织结构 本文共分为六章分别讨论了集成化MES

系统集成技术的若干关键问题

第一章为绪论介绍了课题的背景来源及目的

对网络化制造系统和MES 系统的研究做了综述并对MES 的研究现状及其发展趋势做了讨论最后针对MES 中制造资源存在的问题介绍了本文的主要工作 第二章分析了网络化制造系统体系结构以及网络制造集成平台对区域动态联盟的网络化制造系统若干关键技术进行了研究并讨论了网络化制造平台集成MES 的必要性和可行性设计出了集成MES

的网络化制造平台体系结构

第三章从企业中的车间层资源的新特点出发

给出了基于车间层的网络体系结构提出了车间内部制造资源集成框架具体讨论了采用的技术理论和集成的过程

第四章从MES 集成的实际应用出发分析了支持网络化制造的MES的具体系统设计以及与上层系统信息集成交互的方法

基于上述理论成果第五章介绍了一个实例系统的具体实现过程

第六章对全文进行了总结并展望了下一步研究工作

1.5 本章小结

本章说明了课题的目的及来源综述了区域网络化制造和MES 研究现状分析了MES 本质讨论了MES 发展现状指出了MES 网络化集成化的发展趋势

12

13 2 区域网络化制造系统体系结构

2.1 网络化制造系统体系结构概念 网络化制造系统的体系结构是描述网络化制造系统的一组模型的集合描述了网络化制造系统的功能结构特性和运行方式研究网络化制造系统体系结构的目的在于更加深入地分析和描述网络化制造系统的本质特征并基于所建立的系统模型进行网络化制造系统的设计实施

系统改进和优化运行

[7] 根据制造业的发展历史和现状现代制造企业的组织形态和关联模式可分为以下几种独立企业企业集团制造行业制造区域和动态联盟等

2.2 区域网络化制造系统研究

本人所属的华中科技大学MES 项目组参与了四川制造业信息化生产力促进中心组织的成德绵区域网络制造系统的开发工作

2.2.1 区域网络化制造的内涵意义 网络经济和知识经济的兴起使得传统制造环境发生了根本性的变化制造行业的竞争方式逐渐转向以企业生产的柔性化和市场响应速度为中心的竞争与此同时制造网络化方面的研究正在全球迅速兴起围绕网络化制造模式出现了一系列的新概念新思想如敏捷制造虚拟制造虚拟企业动态联盟分散网络化制造等等这些新概念

新思想无不体现了企业基于网络化的制造理念

网络化制造的内涵就是以市场需求为驱动的以数字化敏捷化柔性化为基本特征的新型的生产制造

模式

是现代企业制造的发展趋势

区域网络化制造是一种符合我国国情的战略发展模式[47][48]它吸取了敏捷制造的思想和哲理并根据中国国情进行了创新可以

很快地进入工业化实用阶段

区域网络化制造Regional Networked Manufacturing

System,RNMS

是先进制造技术和网络技术相结合的结果

是一种用高新技术改造传统产业用信息化带动工业化的一种模式 我们可以定义区域网络化制造系统为在一定的地域如省市地县范围内采用官产学研的组织模式在计算机网络包括因特网和区域局域网和数据库

14 的支撑下动态集成区域内的企业高校研究院所及其制造资源和科技资源进而形成一个开放性的区域集成制造系统[7]该系统包括网络化制造信息系统网络化资源优化管理系统虚拟仓库及网络化销售系统网络化产品协同开发系统虚拟供应链及供应系统网络化技术支持中心等见图

2-1

区域网络化制造系统能综合运用计算机网络和数据库等技术支持企业的产品开发和经营活动增强企业走向国际市场的能力能创建和支撑一种新的产学研合作模式从而高效率地利用本地区的科技资源能支持企业的动态联盟实现制造资源的优化重组快速响应市场机遇能支撑网络化的新产品协同设计和开发提高企业新产品开发能力能建立企业的网络化销售系统和整个区域的各种子产品网络化的博览中心和销售中心利用高新技术开拓销售市场能实现区域内重要设备的联网运行和控制显著提高设备利用率提高本区域的制造能力等

专业技术专家知识库

Extranet

图 2-1 区域网络化制造系统结构

面向区域的网络化制造系统是结合区域制造业的构成特点以整个区域内各种制造资源的整合和优化利用为核心从而综合提高整个区域制造业的技术水平管理水平和市场竞争力其总体分类情况如图2-2所示包括销售资源市场资源制造资源技术支持资源等

15

图 2-2 区域网络化制造系统资源分类 区域网络化制造系统是实现区域资源优化配置提高区域整体竞争能力的重要手段通过建立区域网络化协同设计制造环境利用遍布全球的信息网络制造企

业可以以市场为驱动展开协作将区域内不同企业和机构的制造资源动态联接起来实现资源优化重组提高资源的利用率提高区域整体竞争能力随着区域网络化制造生产模式的深入研究和开展必定从根本上解决长期困扰我国制造业的资源利用率低下重复建设严重等问题

2.2.2 成德绵区域网络化制造系统概述 由成都德阳和绵阳构成的地区是西部地区经济最为发达最富活力的区域之一2000年成德绵GDP 占四川全省的47.15%高新技术工业产值占全省的80%制造业是成德绵区域经济的重要组成部分

占工业总产值的96% [13]成德绵区域具有明显的区域科技优势集中了全省50%的科技人员和60%的科研机构并有着良好的制造业信息化技术基础根据调查

成德绵区域在CAD 技术财务和管理系统方面已有较高的应用比率ERP 技术的应用也已初具规模但是成德绵区域制造业也存在以

下问题 1

产业结构和产品结构不合理成德绵区域的产业结构层次低产品结构不能适应需求结构的变化产业结构亟待调整 2 区域创新能力低成德绵区域传统制造业大多是在计划经济体制下形成的专业化配套能力弱多数企业仍停留在经验设计和仿造阶段技术创新的整体水平与发达国家存在着不小差距制约着企业的竞争能力

3 制造资源配置效率低成德绵区域有制造业明显的行业优势但制造资源

16 的优势并没有得到充分发挥制造业企业专业化水平低 成德绵区域地处西部信息相对闭塞已成为制约企业参与全球竞争的瓶颈迫切需要解决制造业的信息不对称在国家863/CIMS 主题的支持下成德绵区域网络制造系统要以制造资源共享和优化利用为核心以促进中小企业群群体发展为核心以促进区域整体创新能力的提高促进区域资源的优化利用促进制造业产业链的形成和发展促进跨区域协作能力的提高和区域经济的发展 以下所述的网络化制造系统平台均指成德绵区域网络化制造系统

平台

2.3 MES 集成于网络化制造平台的必要性和可行性

2.3.1 网络化制造环境下企业生产的特点 在区域网络化制造战略模式的发展下要求企业之间打破传统的相对固定不变的供应链关系而以市场和客户为纽带建立起动态的供应链关系和合作关系利用区域有限的制造资源通过企业间的协作敏捷快速地组织生产响应市场的需要企业面对的不再是相对稳定的供需链关系而是更大程度上的根据灵活多变的市场需求和用户需要来组织生产及时响应市场的需要在这种状况下企业将面临更加复杂多变的市场需求这种需求日益具有小批量个性化多品种多样化的趋势企业必须通过实现信息化改造提高自身的敏捷性和市场响应速度按照市场需要组织生产

才有可能在新的网络化制造环境中取得竞争优势

其生产特点主要体现在以下几方面 1

用户订单更加个性化多样化突然性

由此导致企业生产任务的灵活度 动态性更强企业的生产管理除了完成传统的中长期生产计划外要能对一些不确

定性任务

紧急任务外协任务给予灵活的处理以体现企业响应市场的敏捷性灵活性 2 产品的专用性复杂性更强多样化个性化的市场需求往往导致了企业生产的产品有非标准的复杂的工艺特性需要组织设计人员快速的进行设计开发如采用快速原形制造技术

简称

RPM 再投入进行车间生产 3 车间制造资源的通用性适用性较强生产设备以通用设备为主按照工艺原则组织车间分工生产的适应性较强但多品种小批量的企业生产方式相对于大批量生产车间和流水线车间而言具有生产率相对较低生产周期长等问题

17 4

车间作业计划编制的复杂性网络化制造环境下企业车间的作业计划编制工作量大且非常复杂工时定额的准确性差影响了计划的精确性 5 企业各层之间信息互通的重要性根据所生产产品的多样性企业所拥有的车间制造资源以及相应的上层编制必须具有柔性和敏捷性执行层和计划层必须要做到信息共享

实时互通 2.3.2 支持网络化制造的MES 系统需求分析 根据网络化制造环境下企业生产的特点下面就支持网络化制造的车间层生产

分析其功能需求 1 支持网络化制造的MES 定位于企业层与生产控制层的连接

具有建立敏捷柔性开放性注重车间管理信息与企业上层管理系统计划技术物质部门

之间的信息共享和反馈 2

实现灵活的生产计划管理方法和敏捷的生产调度策略要求能对来源复杂动态多变的车间任务给予灵活处理例如可以利用静态调度算法对车间调度进行控制以及车间生产任务进行状态跟踪等限于篇幅该部分功能在本文没有叙述但是在项目中已经加以实现 3 车间的物流管理车间物流包括原材料在制品等是车间资源的重要组成部分之一在网络化制造环境下企业的产品具有品种多批量小等特点给生产组织带来了一定的困难因此要求车间管理系统能够提供对车间的物流特别是在制品进行跟踪调度查询和统计以达到减少加工零部件进入车间后的生产周期提

高车间生产效率的目的 4

生产设备的任务组织和生产过程的实时控制

生产设备属于车间硬件资源要实现敏捷化生产来自生产设备的实时采集数据是必不可少的工序作业分派到每个设备工作中心后必须对该作业的进度情况进行跟踪反馈对设备的生产情况状态和维修状况进行跟踪统计这些实时数据是车间生产控制的基本数据同时也是车间生产计划安排和生产调度的基本依据之一 5

对车间各类资源包括物流库存品在制品成品等的丰富的查询和强大的统计分析功能支持网络化制造的MES 系统包括多个层次的使用者

如车间层的车间主任计划和调度人员工段长等部门层的物资部和销售部等企业层的计划部和相关领导等区域网络化制造平台的区域联盟企业使用者等这些角色都围绕支持网络化制造的MES 系统关注其中的部分信息和数据

为他们提供丰富的查

18 询接口和各种统计数据是帮助他们完成自身职能的重要保证 6

车间人力资源的管理对车间层人力资源的管理既是整个MES 系统的一个重要组成部分也是提供给人力资源部和财务部分析数据的重要来源 7 车间管理系统的对外协作接口和信息发布功能网络化制造环境下车间要建设成一个开放的生产单元一方面作为区域网络化制造系统的一部分企业的

车间有必要把车间空闲的生产能力信息

通过预测或者根据现有的生产计划分析得出作为一种可共享的资源发布到外界并保证信息数据的可靠性一致性完整性以提高现有资源的利用率另一方面在网络化制造模式下企业的车间要实现敏捷生产拥有快速的市场响应能力靠车间自身的能力往往不能满足需要特别是生产

任务紧和需要某些特殊加工时

需要将任务外包

缓解内部瓶颈这就需要车间之间和企业之间的协作这些工作都可以通过对外协作和信息发布平台来完成 8 在区域网络化制造平台上基于企业联盟发布的各类资源信息实现各成员企业的资源优化配置即在企业联盟内部能以最快捷最经济的方式获得所需的资源可以看出以上功能与传统的MES 功能要求见1.3.1节既有共同之处也有

不同的地方

其中的不同之处主要体现在网络化的协同和支持网络化制造的集成方面而这也是支持网络化制造的MES

系统的重要特征

2.3.3 支持网络化制造的MES 与平台集成的必要性和可行性

在第一章1.3.3节中曾经介绍到MES 弥补了MRPII/ERP 系统在车间管理中的缺陷解决了企业计划和车间控制之间的衔接问题提高了车间层的物流信息流的流通性进而提高了车间的敏捷性和适应性

但是MES 过多关注对车间生产过程的反馈和控制强调车间生产的柔性和敏捷性造成了MES 在实施过程中的复杂性管理的复杂等劣势由上节对支持网络化制造的MES 系统功能分析可知在网络化制造环境下传统MES 的功能还不能够满足现有车间的需求另一方面中国的中

小制造业企业为了进行传统MES 的实施把车间底层制造资源全部更新换代也是没必要的由此可知在网络化制造环境下对企业底层MES 进行改造

使之集成于

区域网络化制造平台是必要的 网络化制造平台作为支持平台和实施工具将为制造企业开展网络化制造提供有效的服务它首先要容纳各种企业应用服务系统必须提供一个逻辑上的容器容纳和支持本地或者分布在异地的应用服务系统运行其次网络化制造平台可以建立对位于逻辑容器中运行的本地或异地的应用服务系统提供集成的服务体系[49]特别是对

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