机械制造企业车间制造过程信息集成方案研究

1、机械制造企业车间制造过程信息集成方案研究在综合分析制造执行系统(MES)技术发展的基础上，结合我国机械制造企业的具体情况，研究机械制造企业车间制造过程、主要功能和信息交换关系，提出通过车间制造过程集成企业的管理和技术系统，建立一种车间制造过程的集成方案，以满足企业的集成需求，并结合案例进行说明。美国先进制造研究协会(AdvancedManufacturingResearch，AMR)于1990年11月首次正式提出制造执行系统(MES)的概念，历经十几年，MES经历了由单一功能向集成化MES的演变，正在向标准化、协同化和智能化MES发展。MES在计划层信息管理的MRPII/ERP与制造单元的设备

2、控制系统之间，构筑了一座信息桥梁。企业上层管理与工作地之间的连接过去一直被忽略，现在已成为急需解决的问题。当前，MES的研究和应用领域可以分为两大类：1)石化、天然气、水处理、电力和造纸等流程型企业；2)机械制造、仪器仪表和电子等离散制造企业。MES在流程行业的研究和应用已经取得明显的成果；然而由于自身的行业特点，MES在离散制造业的研究和应用还相对较少。随着我国离散制造业自动化水平的提高，对MES的应用提出了更大需求，因此国内外在MES方面的研究和应用也越来越多。随着企业的不断发展，企业原有的管理系统、设计系统如何通过MES进行相互的集成也成为当前的研究热点。鉴于此，需要对机械制造企业的制造

3、过程进行研究，建立一种通过企业的制造过程实现企业管理、设计和制造方面集成的方法，从而为企业的发展提供有效的支撑。制造过程信息管理的结构模型针对机械制造行业的特点，参照AMR于1992年提出的三层企业集成模型，笔者提出基于机械制造企业生产特点的制造过程管理的结构模型，如图1所示。图1车间制造过程管理结构模型1)计划层:计划层主要是MRPII/ERP系统，也可以是PDM/CAPP、供应链管理(SCM)等系统或者是它们中的某些组合。计划管理层强调企业的计划性，以客户订单和市场预测为计划来源，制定生产计划，管理企业的各种资源、管理销售和服务等。该层主要解决企业资源的合理利用和生产计划的编制问题。在计划

4、的编制过程中，需要企业的设计系统例如PDMCAPP系统提供产品工艺和图纸信息。执行层：位于执行层的车间层信息系统强调计划的执行，依据计划层下达的生产计划和指令，根据车间的实时情况制定工序级的生产计划，控制产品的生产过程及其相关的操作。该层可以共享上层产品设计部门设计的最新的与生产相关的技术资料(主要是产品设计和工艺资料)，用来指导工人的操作和设备的运行。该层主要对整个生产过程进行动态优化管理，解决工序级生产计划的制定、车间调度实时性和底层实时信息上传的问题。控制层：位于底层的控制层包括分配控制系统(DCS)、分布式数字控制(DNC)、可编程控制(PLC)、数据采集监视控制系统(SCADA)等系

5、统，强调生产过程和设备的控制。其作用是对生产过程和设备进行实时监控，并对实时生产数据进行采集，通过执行层传递给计划层。该层主要解决设备的自动控制，以保证生产出合格产品并采集实时生产数据。可以看出执行层是连接企业管理、设计和底层装备的平台，通过执行层可以将上层的计划和工艺等制造信息下发到装备进行生产，同时可以将底层装备的生产信息实时反馈到计划层面，为企业制定准确的计划提供依据。因此，企业的制造过程信息对企业管理、设计和制造的集成具有重要作用。机械制造企业车间制造过程研究车间制造过程的管理主要包括车间作业计划、生产调度、车间制造资源管理、数据采集、文档管理、质量管理和产品跟踪等，其基本过程如图2所

6、示。更新立档伶理生产调度反II反质量信息炸产仃从Lx_V皋间作j业计划产開跟踪广naJ9数据采集图2机械制造企业车间制造过程信息流车间作业计划：接收生产订单并进行分解，根据工程设计部门编制的最新工艺等技术资料和车间资源状态，平衡设备能力，指派加工设备，编制车间作业计划。计划投放前要仔细核实车间的实际情况，检查工作中心、工具、物料及生产提前期的有效性，解决计划与实际间存在的问题，最后建立和落实车间任务，同时要检查物料短缺情况，及时加以解决。主要功能包括对月、周、日生产计划的编制、修改和查询，车间资源需求(设备、物料和工具等资源)，能力平衡等。生产调度：根据车间作业计划向车间工作组发出生产指令，常

7、见的生产指令如生产工单或称为生产工票。生产调度通过安排良好的作业顺序来最大限度地减少生产过程中的准备时问。监控生产过程，对生产过程中的设备故障、工艺变更、需求计划改变和车间资源波动等具体问题进行调整，实时地做出生产方案、工艺路线和车间资源分配的更改决策，进而调整车间作业计划，以满足实际生产的需求。3）车间制造资源管理：车间制造资源管理包括对物料、设备、技术资料、工具工装和工人等生产所需的各种资源的管理。车间制造资源准备到位是生产进行必不可少的前提，然而目前大部分制造企业的车间，浪费在生产准备上的时间远远多于实际加工消耗的时间，提高车间效率的关键就是降低生产准备的时间，因此有必要对车间的制造资源

8、进行统一管理。车间制造资源管理记录了车间各种资源的实时状态信息，并提供资源使用情况的历史记录，确保生产资源的正常使用；对资源不足、设备故障等异常问题及时进行报警和上报处理，避免生产进程的中断，保证生产进程的连续性。4）数据采集：通过数据采集接口来获取和更新与人员、设备、操作、工序、物料以及其他与生产功能相关的各种数据和参数，形成了过程的当前状况信息，以便其他相关系统和人员进一步使用，这些现场数据可以从车间手工录入或由各种自动方式获取。数据采集的间隔可以很短，有时可达到分钟级的精度。采集到的数据通过其他相关功能模块或直接存入数据库进行实时更新。除以上四个核心内容外，制造过程信息主要还包括文档管理

9、控制，管理和传递生产指令、工程图纸、标准工艺规程、零件的数控加工程序、批量加工记录、工程更改通知、质量管理和控制信息。通过车间制造过程的研究和车间制造过程管理结构模型，机械制造企业车间制造过程的信息交换如图3所示。生产计划、將时计划*存侣亂、人力疲腫卖际物料BOM.改进11艺资料MRpnTgRPh车命谿B養a|-I1*佶业/务狀态、设SU人员狀想-物舛使舟怖况、生产优化参数DgDNC/PLC/SCADA皆备运轩控制f图3车间制造过程的信息交换一方面，车间层信息系统接收来自MRPII/ERP系统的生产计划、库存信息，以及来自PDwCAPP系统的物料清单（BOM）、工艺等技术资料，根据车间的生产情

10、况制定短期作业计划，并把生产指令、控制参数下达给底层控制系统；另一方面，系统接收底层传递来的任务完成状态、设备状态和物料状态等实时信息，经过一定的汇总处理后，把订单完成情况在制品（WIP）信息和质量成本信息等传递给MRPI/ERP系统，把实际BOM、改进工艺资料传递给PDM/CAPP系统。从时间因素分析，MRPWERP系统计划综合考虑的问题域是中长期的生产计划（时间因子=100倍），车间层信息系统处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题（时间因子=10倍），控制层则必须实时地接收生产指令，使设备正常加工运转（时间因子=1倍）。它们相互关联、互为补充，实现企业的连续信息流。机械制造企业车间制造过

11、程集成方案研究通过对车间制造过程的研究，车间制造过程成为连接技术、管理信息系统和车间装备的桥梁，因此需要将车间制造信息与管理和技术信息集成，其集成运行过程如图4所示。备忡貌则息制1.L議入式慈一完工恻根现场数IBs-wors图4车间制造过程信息集成运行模式首先，通过柔性集成接口将ERP系统中的车间作业计划和工单信息传输进入车间层信息系统，根据工单信息中的加工零件信息，从PDM系统中获取相应的工艺过程信息；通过柔性集成接口将工艺路线和工艺路线中所涉及的所有图纸，从PDM系统中传输进入车间装备层信息系统。根据车间实际生产情况，利用车间装备层信息系统对工单涉及的工艺过程和图纸进行局部调整，然后将整个

12、工单任务和相关联的工艺和图纸下发到指定的装备，加工人员通过装备旁边的嵌入式终端进行加工操作。加工人员通过终端获取任务和图纸，然后将加工情况通过终端进行反馈，因此，实际的车间层加工信息再通过柔性集成接口反馈进入ERP系统，使生产计划的管理人员能够实时了解车间的生产情况，同时这些生产信息为EKP中的计划管理、物料需求计划等计算提供准确的信息。考虑企业的设计、管理可能会不断地发展变化，因此集成的实现采用集成平台的集成适配器方式进行，目的在于可以采用配置的方式来定义集成的接口，尽可能地与信息系统本身无关，从而使信息系统能够支持企业的不断发展，集成方案如图5所示。远程终端服务黯系统远程P适配搭适配器I适

13、配_L_应曲丿产品数据管理垂统CADfcAElcAMwors图5一种车间制造过程集成方案图5中，每个信息系统都对应一个集成适配器，用于表达需要用于集成的内容。考虑到现在集成技术的发展，最常用和最直接的方式是基于数据库层面的集成，因此适配器主要描述了需要用于集成的数据来源、结构和条件等。在实际应用中，各类适配器大致描述如下。1）在工程设计中，CAD/CAE/CAM系统主要与PDM进行集成，而PDM系统对外则需要在适配器中对其中的产品数据结构（EBOM）、设计更改信息、工艺过程信息和图纸信息等进行描述。2）在管理信息系统中，通过适配器对其中的产品结构信息（MBOM）、设计更改信息、工艺信息、财务信

14、息、仓库信息和计划工单信息等进行描述。3）在车间制造过程信息系统中，除了需要对其中的计划工单信息、工艺信息和图纸信息等进行描述外，适配器还是一个中间层，用于实现管理和技术的集成。4）在办公自动化系统中，由于是领导层用的集成界面，因此它主要采用柔性接口的方式，通过集成适配器获取各个信息系统中的相关数据，供决策层使用。5）其他数字化装备，例如立体仓库等，在适配器中需要对库存管理信息进行描述。当建立完各个系统的适配器后，通过适配器信息映射技术来完成适配器描述信息的转换和传输。适配器信息映射技术主要完成将各种信息在不同的信息系统之间进行转换。例如，通过映射技术，可以将管理信息系统适配器中的有关计划工单

15、的信息，与车间装备层信息系统适配器中的计划工单信息，进行匹配和转换传输。映射技术通过配置的方式来确定各种适配器之间的逻辑和数据关系。因此，通过集成平台的方案和实施，系统之间的信息集成转变成为各种适配器之间的集成，而适配器对信息的描述与具体的系统无关，只与其数据库数据有关；适配器之间的信息映射是通过配置关系产生，因此也与具体的信息系统没有关系，所以整个集成平台技术与具体的信息系统没有直接的耦合关系，当信息系统发生变化和改进时，通过动态的配置调整，可以使集成平台继续为信息集成服务。应用案例某增压器厂通过车间制造过程有效地集成了管理、技术信息系统和车间装备，建立了车间层的信息系统，其中的工单管理界面如图6所示。一方面，该系统接收来自管理、技术信息系统的生产计划、BOM和工艺等技术资料，根据车间的生产情况制定作业计划，并把生产指令、控制参数下达给车间装备；另一方面，系统接收车间装备传递来的任务完成状态、设备状态和物料状态等实时信息，经过一定的汇总处理后传递给管理、技术信息系统，从