生产车间计划管理信息系统

1、4.4.6 制造执行系统（MES）应用目标：公司信息化建设虽然在产品设计、工艺管理等环节中发挥了积极的作用，但在数字化制造方面涉及较少，仅完成了 30 台数控机床的 DNC 传输，还不能实时采集生产数据，不能对设备和刀量具进行管理和监控，不能整合工艺流程和跟踪工单。通过 MES 系统的实施，建立基于车间层面的生产制造执行管理控制系统，实现从车间生产资源的跟踪管理、在制品的跟踪管理，到计划调度的实时落实和节点反馈，涵盖产品制造过程中进入加工状态的所有环节，能够具体帮助公司车间生产部门实现加工过程的高度信息化、柔性化、精益化和智能化。应用重点：生产订单管理生产订单建立：接收 MPS/MRP 生成的

2、经过下达的生产计划订单，支持直接生成订单，订单合并和订单拆分，支持订单投放预测，可获得缺料、代料情况，生成代料、缺料报表。生产状况跟踪：生产状况跟踪主要是对完工物料下级物料的批次号和序列号的情况、状态进查询和跟踪管理。订单完工管理：订单完工管理可对生产进行确认或者结束，确认订单完工，系统即自动关闭相应的备料计划，处理。生产订单统计：对设定时段内的数据进行综合查询，通过计算完工率对生产进度进行控制、管理。动态调度执行管理动态调动执行是 MES 系统的运作中枢，管理者可通过此功能对生产现场进行精细控制。调度派工：MES 可以按照设备、人员下达生产任务，生成派工单，系统将生产作业指令直接送达到生产现

3、场。生产作业指导：在 MES 系统将生产任务下达给具体设备和操作工的同时，也将生产指导文件（图纸、三维模型、工艺指导书、技术文件等）一并下达给现场操作终端。操作工在生产准备阶段，可以通过查阅电子化的生产指导文件，完成对生产工艺的消化，提高对生产加工过程的掌控能力。现场控制：MES 系统提供简洁的现场终端操作页面，帮助操作工完成生产执行数据的准确且方便的采集。 在每日上班生产开始前，操作工通过扫描胸卡的方式登录现场终端，查看生产任务或通过扫描产品条码定位需要报工的生产工单，在系统中点击加工开始，加工结束后，输入日完工数量后，完成报工操作。车间物料管理管理生产单位二级库房，准确管理车间物料使用情况

4、，具有备料计划发料查询、统计、审核、修改功能。数据采集通过数据采集实现MES系统所需要的任务执行信息能够第一时间由现场反馈到MES系统，利用数据采集管理MDC系统，实现对生产现场状况信息进行第一时间的获取并提供多种数据分析图报告，帮助车间管理层充分了解数控设备加工状况，有更多科学依据帮助决策和管理。关于生产设备的数据采集，可依据设备配置情况和需要采集的数据类型，采用不同的技术实现手段，大致分为自动数据采集和手工录入方式采集。4.3线平衡设计和产能约束分析在对线平衡设计和产能约束分析进行研究和分析前，简单说明以下其得以研究的基础生产线的 U 型布置。4.3.1精益生产中生产线布置的方法精益生产中

5、的生产线布置主要的方法是 U 型布置20。这是因为多制程作业主导的单件流线生产，是将加工品经由一次一次的加工而制成成品，所以作业员必须顺着加工顺序而走动下去。如果设备的布置排成直线式的由这一端投入生产，再由另一端生产出来，那么作业员就会有空手走回原点的动作浪费，为了减少这种浪费，就必须将生产的投入点即材料的放置点，与完成品的取出点位置尽可能地靠近，也称为“OI一致”原则。（1）U 型布置优点。U 型生产单元内，由于多种机床紧凑地组合在一起，减少了迂回搬运浪费。将投入点与取出点接近，免除工人“返回”造成的时间浪费。（2）U 型布置的缺点。U 型生产线要求机器“不落地生根”，具有可动性，扬弃大型化

6、的观念，朝小型化改变，扬弃中央式的设施。但是，在实施精益生产的初期，部分设备可满足上述条件，但是，仍然存在一些设备具有以下特点:（1）数量较少，但价格昂贵，大部分零件都需要使用此设备进行加工。（2）设备仍在使用寿命内，目前市场上具有相同加工能力的设备还不满足小型、专业化的要求。另外，即使满足要求，更换新设备的成本高。（3）生产现场环境,一些高精密设备，当移动之后需要重新调试，搬动的震动也有可能影响设备的精密性。对于一些厂房，由于使用时间较长，现场地面的水平程度也会影响机器设备加工的精确性。由于该 U 型线布置已被广泛研究并运用，本文不作过多研究。重点将是在 U 型线的基础上研究如何真正能做到各

7、条线之间的产能平衡。4.3.2线平衡设计平衡是精益生产线成功的关键。当精益生产线运转时，所有工序都以同一速度来完成工作。即使个别生产工序需要不同的生产时间，精益生产也会把全部工作时间拆分为相同的工作21。线平衡的目标，从本质上来讲是工艺流程改善的延伸，与需要完成的生产任务相比，它要求各工步之间的生产时间是均衡的（需要注意的是每个工步达到整条线的平衡而产生的投入可能是不一样的），它的工具可用在那些包含以下区域流程：订单录入部门、制造工作单元、装配线。在进行线平衡的深入研究之前，我们再了解以下几个基本概念：线平衡所使用到的关键工具是“时间分析”和“节拍时间图”，当然，其它分析工具，如技能矩阵图、数

8、据图将对分析产生重要作用。线平衡技术在涉及“一件流”,也就是一般意义上所说的“One-piece flow” 时，并不排除在某些过程之间的“一组流”， 这是“客户定制化”生产模式下所必然产生的一项过程，与传统的“多品种、小批量”没有本质区别，但必须充分理解它的含义，然后去可变化的使用这类概念。“增值”和“非增值”活动。简单来说，增值即“客户付费的活动”；而“非增值”分两种情况，第一种是“业务过程中必须的非增值活动”，客户不付费，但为了将产品生产出来，必须存在的活动，如生产线的配料或取料动作，对这类活动而言，不可消除，但必须使其最小化；最后一类是典型的非增值活动，客户既不付费，业务过程也不支持其

9、存在，这是我们要避免的浪费。接下来，让我们以理论结合实际的方式看以下线平衡如何运用。（1） 线平衡当前状态每个单独的任务是不平衡的，如下图 4-1,可能是工艺时间不均衡造成，也可能是产能约束（瓶颈）造成，最终体现为与节拍时间之间的差异大小。注：节拍时间（TAKT Time）客户需要的时间，即其付费的时间。（2） 理想的状态是排除所有浪费，完美的平衡所有工序的任务，达成工作时间的平衡并使其小于或等于节拍时间，如图 42。（3） 在实际生产过程中，我们的任务是通过各工序工作任务的调配、尽可能的减少非增值时间，以平衡各工序产出和效率，如图 43。如何实现线平衡呢？着就需要进入产能约束分析。4.3.3

10、产能约束分析进行产能约束分析的前提是了解什么是时间陷阱：(1) 时间陷阱限制了一个流程的产出,落入时间陷阱的工序的产能比它的前一道或后一道要少。(2) 时间陷阱会随时间的变化而变化每月、每周甚至每天都有可能，基于这一周期内生产产品种类的变化或其它如新产品导入等特殊原因。(3) 时间陷阱也可能是由于自然的原因而引发，如生产流程不畅、人员变化、材料短缺和设备的可利用性。(4) 时间陷阱也可能是由于非自然的原因而引发，如做事的流程不畅、人员士气、不安全的作业环境或培训等。3.2 离散制造车间生产过程控制系统分析从产品类型和生产工艺组织方式上对企业进行分类，企业可划分为流程(连续)生产行业和离散(加工

11、装配)制造行业。离散制造业主要是通过对原材料物理形状的改变和组装，使其成为产品。典型的离散制造行业包括汽车、机床、日用电子消费品等。与流程制造业相比较，离散制造车间生产管理要复杂得多。生产计划难预测，产品工艺复杂，设备自动化水平低，现场数据多，作业较繁琐，不易掌掌握等。因此，建立一个完整车间制造过程信息管理系统是对离散车间信息化的发展是十分必要的。生产过程控制，就是要确保企业产品在制造过程中按照规定的方法和顺序始终处于受控状态下进行，这是企业质量管理体系中最重要的一部分工作，有效实现产品质量的过程控制62。生产过程控制是离散制造过程的核心，它包含了车间生产制造各个方面的信息，其组成结构如图 3

12、.2 所示。它主要包括了：现场数据采集和管理、生产调度、生产现场监控、劳动组织、质量控制、成本控制、工艺反馈与改进、生产统计、定额核算、安全生产、车间的人员调配以及整个车间设备状态监控等整个车间生产过程涉及到的工作。考虑到离散制造过程中产品复杂、生产数据多、加工周期较长等特点，其生产过程控制系统需满足实时可靠、控制稳定的要求。车间生产过程控制系统利用 RFID 技术采集车间生产过程信息，主要衔接上层决策系统ERP/MES 与底层 RFID 设施层，对整个车间的生产进行管理和控制。通过从图 1 生产过程控制组织结构图的分析，基于 RFID 离散制造车间生产过程控制系统从模块上划分，整体可分为：数

13、据采集和处理模块、生产计划模块、生产状态监控模块、闭环实时控制模块和信息管理模块。该系统功能模块如图 3.3 所示。其中，数据采集和处理模块、生产计划模块、生产状态监控模块、闭环实时控制模块实现了对生产过程数据的采集、生产计划引入、车间状态监控、生产闭环调度等功能，是整个系统功能实现的核心部分。而信息管理模块提供必要的信息查询和统计分析功能。2) 基于 RFID 的生产过程信息管理系统功能模型RFID 技术具有自动识别对象和采集信息、抗干扰能力强、适应环境能力强、存储量大、可重复利用等优点，可以弥补现有生产信息管理系统在数据采集方面的缺陷。通过有效的实时数据采集，实现对现有的生产过程管理系统提

14、供实时准确的数据信息。具体表现在如下几个方面：在质量管理上，通过 RFID 进行实时数据采集，保证物料、设备、人力、工具等资源的正确使用，尤其是在混合装配生产线上，利用 RFID 识别零部件来确保物料被送到正确的位置，减少出错率，实现无纸化生产，从而保证产品的可靠性和高质量。在车间生产调度上，通过 RFID 对生产现场的设备和人员的实时跟踪，监控其工作状态。若当 RFID 系统采集到当前有设备处于空闲状态时，就可以及时将设备空闲状态信息反馈给生产计划管理层，便于生产排产模块能够及时的编排当前最优的生产计划，并将其返回给生产管理系统。在生产过程监控上，通过获取 RFID 的编号，可以从数据库中查

15、出绑定有 RFID 标签的物料及在制品所在的位置，而且通过读写器实时采集信息实时获取在制品加工信息，从而实现对生产过程的实时监控。在订单跟踪上，每个订单都包含一种或多种不同的产品，RFID 技术可以实现对每一种产品从原材料到成品整个生产过程的跟踪，实现对整个定单执行情况的监控。从原材料出库到成品加工完成入库，RFID 系统将自动采集每道加工工序、所用的设备和操作人员，每道工序的加工开始时间和完工时间，避免了人工数据记录的信息滞后和出错。在库房管理上，RFID 系统可记录物料、半成品、成品的批次、材质、入库时间等信息，方便生产人员进行合理的安排生产和企业管理人员查询。在参照了 MESA 给出的

16、MES 标准，本文提出了基于 RFID 的车间制造过程信息管理系统的功能模型，如图 4.4 所示。生产过程信息管理系统的开发要与相应的企业需求相关联，本文主要针对离散制造企业，分析目前企业的生产管理现状和管理需求，设计出了适合企业发展需求制造信息管理系统。本文将重点研究基础数据管理、数据采集、在制品管理、订单跟踪以及库房管理几个模块。充分利用 RFID 的技术优势，实时采集车间生产过程数据，设备运行状态等信息，对车间调度进行优化，使操作工和加工设备得到合理利用，通过对生产过程的实时跟踪与监控，掌握订单整体执行进度，实现对车间生产的整体控制。4.2 制造过程数据采集和处理方法生产现场的数据采集和

17、处理是整个制造过程管理系统的基础，该模块的核心要求是数据的准确性和实时性，中有准确实时地采集到加工信息，才能实现对生产过程的全面跟踪与控制，使生产计划和调度与实际生产同步。数据采集和处理基本流程如图 4.5 所示：4.2.1 RFID 数据采集系统的设计现代离散制造业越来越趋向于多品种小批量生产，机加工生产车间为了实现柔性生产，生产现场的设备一般是根据设备属性或工艺来安排，可采用多点数据采集的方案。另一方面，考虑到对生产现场数据的实时性和成本的要求，我们选择基于 CAN 总线的串行通信方式采集信息。数据采集的具体过程：(1) 订单下达后，系统给每个订单一个指令单号，给订单包含的每个工件一个工件

18、号。(2) 初始化电子标签，将工件号录入电子标签，生产过程中，读写器可通过采集标签的工件号查询到工件信息。由于工件表面的每个地方都有可能被加工，所以可将电子标签贴于装载物料的托盘上。(3) 每个工位都设有进料缓冲区和出料缓冲区。首先，将贴有电子标签的装载物料托盘运送至第一道工位的进料缓冲区，操作工通过读写器扫描电子标签，系统就根据工件号从数据库中查询到工件信息、操作员和加工工序，系统记录当前时间为加工开始时间。当加工结束时，操作工再次扫描电子标签，系统记录其结束加工时间，计算出加工工时并更新工件加工信息。加工完成后，操作员进行自检，合格与否，将质量信息反馈给系统，并将半成品放入出料缓冲区，等待

19、运送至下一道工序进行加工。后面工序如同第一道工序。(4) 最后一道工序加工完成后，需要运送至质检区进行半成品检验或成品检验。将工件的检验信息记录至数据库中，对于不合格的工件，判定其是返修或报废，以及重新加工的工序，责任人等。RFID 应用系统整体架构如下：在 RFID 应用系统中，读写器通过 CAN 总线与工位控制器相连，工位器通过串口方式与车间控制计算机相连，车间控制计算机又通过企业局域网与数据库服务器相连。当绑定有电子标签的物料进入读写器工作范围内时，读写器采集标签信息，通过数据库查询相应的产品信息，记录当前加工信息，向标签中写入当前工序的完成状况、操作员的信息、半成品质检信息等。采集到的

20、信息通过 RFID 中间件处理后，传送至服务器数据库中，使生产现场的数据在整个企业内得到实时共享，实现对生产过程的整体管理与控制。基于 RFID 技术的应用系统架构图如根据以上流程假设某月计划中工件的工艺路线为TP1, P2,P3，N为该工件的加工批量，其中设Tn为加工第n道工序Pn所需的时间，Tn为第n道工序的加工准备时间，En为Pn的加工设备，TEn(i)为En在第i天的可加工总工时。由上假设得出第n道工序的加工任务量占该计划总任务量之比an，如(3.1)所示:an=(Tn×N+tn)/j=1mTj×N+tj m为最后一道工序的序号 （3.1）第i天中的加工任务为单个工