智能制造概论-2 智能制造系统

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智能制造系统2021-04-241主要内容2021-04-2422021-04-243智能制造系统通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成。从系统的功能角度，智能制造系统可以看作若干复杂相关子系统的一个整体集成，包括产品全生命周期管理（PLM）系统、制造执行系统（MES）、过程控制系统（PCS）、企业资源计划（ERP）及将各子系统无缝衔接起来的信息物理系统（CPS）等。2.1

智能制造系统架构2021-04-2442021-04-2452.2

产品全生命周期管理系统2.2.1

PLM概述产品全生命周期管理(Product

Lifecycle

Management,PLM)系统是智能制造系统的一个重要组成部分。它对产品从需求提出至被淘汰回收的整个过程进行严格的流程控制管理，是对产品生命周期中全部组织、管理行为的综合与优化，包括产品需求分析、产品计划、概念设计、产品设计、数字化仿真、工艺准备、工艺规划、生产测试和质量控制、销售与分销、使用与维修及报废与回收等主要阶段。2021-04-2462.2产品全生命周期管理系统PLM是一种先进的企业信息化思想，是企业在激烈的市场竞争中降低成本、增加收入、加快产品上市的最有效的手段之一。PLM是当代企业面向客户和市场，快速重组产品每个生命周期中的组织结构、业务过程和资源配置，从而使企业实现整体利益最大化的先进管理理念。PLM将先进的管理理念和一流的信息技术有机地融入现代企业的工业和商业运作中，从而使企业在数字经济时代能够有效地调整经营手段和管理方式，以发挥企业前所未有的竞争优势。PLM主要由三大类软件系统组成：CAX软件、cPDM软件和相关的咨询服务软件系统。2.2

产品全生命周期管理系统2.2.2

PLM的发展历程PLM作为一个概念，出现的历史很悠久。但是，直到最近几年，才开始彰显它强大的生命力。PLM并非单纯的企业单一功能应用产品。PLM形成了涵盖从规划到具体的支持解决方案的流程体系。这一体系覆盖整个企业部门及供应链。2008年，Dassault公司率先提出了PLM2.0的概念，并给出了以社会社区方式来实现PLM的具体手段方法。PLM2.0是基于

Web2.0的PLM领域应用软件。PLM领域的著名公司有PTC、Dassault、SIEMENS

PLM、20A21-u04t-2o4

desk等。72021-04-2482.2

产品全生命周期管理系统2.2.3

PLM与PDM的区别PLM有效涵盖了PDM的核心内容,使得PDM成为了PLM的一个子集。但是,PLM还能够完成对产品生命周期各层级供应链信息的有效整合利用,从而更加高效。由于PLM与PDM的继承关系，各大PLM厂商所推出的相关系列产品不会让客户感到面目一新，往往能从中发现PDM的影子。一些ERP厂商基于ERP系统的特点需求，提出了独具特色的PLM解决方案，进而在这一广大市场中占据了一席之地。仅仅将PDM、CAD、数字化装配与某个ERP、SCM系统连接起来，并以Web技术支持其流程运作，是无法实现PLM系统功能的。2021-04-2492.2

产品全生命周期管理系统2.2.4

PLM的主要功用根据Aberdeen公司的预测，全球PLM市场的年增长率高达10.9%。在可以预期的将来，其市场需求量超过ERP系统是主流趋势。此外，根据Aberdeen公司的分析报告，实施了PLM以后的企业，原材料成本可节省5%-10%,库存流转率可提高20%-40%，开发

成本可降低10%-20%，市场投放时间减少15%-50%，质保费用降低15%-20%，制造成本降低10%，生产率提高25%-60%。2021-04-24102.2

产品全生命周期管理系统2.2.5

PLM的建立方法1基于企业资源规划PLM系统物料需求规划与产品数据管理（MRP

and

PDM）人力资源与项目管理(HR

and

project

management)采购与项目管理(purchasing

and

project

management)财务与项目管理(financials

and

program

management)生产管理与工程(production

management

andengineering)2021-04-24112.2

产品全生命周期管理系统2以供应链管理为出发点组成PLM系统供应链规划与产品数据管理(supply

chain

planning

andPDM)生产规划与项目管理(production

planning

and

programmanagement)资源获取与产品数据管理(resource

acquisition

and

PDM)资源获取与协同产品设计(resource

acquisition

andcollaborative

product

design)需求预测与产品组合管理（demand

forecasting

andportfolio

management）2021-04-24122.2

产品全生命周期管理系统3以客户关系管理为出发点组成PLM系统市场分析与产品组合管理（marketing

analytics

andportfolio

management）客户服务与产品数据管理（customer

service

and

PDM)销售预测与项目管理(sales

forecasting

and

programmanagement)客户关系管理与客户需求管理(CRM

and

customer

demandmanagement)知识管理与产品组合管理(knowledge

management

andportfolio

management)2021-04-24132.2

产品全生命周期管理系统2.2.6

PLM的发展趋势定制化的解决方案高效多层次协同应用多周期产品数据管理知识共享与应用管理数字化仿真应用普及2021-04-24142.3 企业资源计划（ERP）ERP概述企业资源计划（ERP，enterprise

resource

planning），通过科学、精准及系统化的管理方法，为企业及员工制定科学有效的具体决策执行方法。这其中，智能信息化技术是它的物质基础。ERP系统是现代所有企业采用的标准信息管理运作模式。它可

以保证企业更加高效地根据市场配置资源，从而提高财富创造

的效率，进而为企业在全面智能制造时代的深度发展奠定基础。可以从管理思想、软件产品、管理系统三个层次定义ERP，不同层次侧重不同。2021-04-24152.3 企业资源计划（ERP）2.3.1

ERP概述1管理思想层次管理整个供应链资源精准服务精益生产、同步工程和敏捷制造保证事先计划与事中控制形成精准闭环反馈软件产品层次管理系统层次2021-04-24162.3 企业资源计划（ERP）2.3.2

ERP历史发展1）20世纪60年代的MRP系统2）20世纪70年代的闭环MRP系统3）20世纪80年代的MRPII系统4）20世纪90年代的ERP系统软件。（2）B/S架构ERP系统B/S架构即Browser/Server(浏览器/服务器)架构。2021-04-24172.3 企业资源计划（ERP）2.3.3

ERP系统分类1按功能分类通用型ERP系统专业ERP系统2按所采用的技术架构分类（1）C/S架构ERP系统C/S构架即Client/Server(客户/服务器)架构。该架构需要使用高性能计算机、工作站或小型机，客户端需要安装专用的客户端软件。（2）B/S架构ERP系统B/S架构即Browser/Server(浏览器/服务器)架构。2021-04-24182.3 企业资源计划（ERP）2.3.3

ERP系统分类1按功能分类通用型ERP系统专业ERP系统2按所采用的技术架构分类（1）C/S架构ERP系统C/S构架即Client/Server(客户/服务器)架构。该架构需要使用高性能计算机、工作站或小型机，客户端需要安装专用的客户端2021-04-24192.3 企业资源计划（ERP）2.3.4ERP企业应用具体的问题如下:利益矛盾导致项目难以有效推进；风险承担意识不统一，往往难以做出符合市场需求的最优的市场决策；企业需求的定义和描述往往受制于管理人员的思维定式和具体的企业条件，往往难以发现企业面临的关键问题;管理者缺乏某些项目经验，导致ERP系统管理方法的分析建模不能反映项目的真实需求。为解决以上问题，需要专业的ERP咨询公司来起到桥梁纽带作用。2021-04-24202.3 企业资源计划（ERP）2.3.5

ERP系统带来的效益据美国生产与库存控制学会(APICS)资料显示，MRP

II

/ERP系统能产生以下经济效益：库存减少30%-50%；延期交货情况减少80%；采购提前期缩短50%；停工待料情况减少60%；制造成本降低12%；管理人员减少10%的同时生产能力提高10%-15%。2021-04-24212.3 企业资源计划（ERP）2.3.6

ERP平台式软件ERP平台式软件基于现有ERP开发平台，通过调整平台系统的具体参数设置，可以达到快速、精准、高效地制定符合企业特色需求的ERP管理系统的目的。ERP平台式软件具有以下特点。功能搭建工作可快速完成全面和一体化的应用开放式平台协同商务灵活的调整机制管理软件完全受企业掌控无须代码开发2021-04-24222.4 制造执行系统（MES）MES的产生与定义美国先进制造研究中心AMR将MES定义为:“MES是位于上层计划管理系统与底层过程控制系统之间的面向车间层的管理信息系统，它为生产操作人员和企业管理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)的当前状态”。国际制造执行系统协会MESA对MES也给出了较为详细的定义：

MES能够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。当生产车间发生实时事件时，MES能够对此

做出及时的反应和报告，并用当前的准确数据进行处理和指导。通过对状态变化的迅速响应使MES减少企业内部无附加值的活

动，有效指导生产车间的生产运作过程。2021-04-24232.4 制造执行系统（MES）2.4.1

MES的产生与定义从MES的定义可看出，MES具有如下三个显著特征。优化车间生产过程。MES是对整个生产车间制造过程的优化，而不是单一地解决某个生产的瓶颈问题。收集生产过程数据。MES必须提供实时收集生产过程数据的功能，并做出相应的分析和处理。MES是联接企业计划与车间控制层的桥梁。MES需要与企业计划层和车间生产控制层进行信息交互，通过连续的企业信息流实现企业信息的集成。2.4 制造执行系统（MES）2.4.2

MES的角色作用传统的企业信息管理是按照企业现有的物理层次进行划分和配置的，一般为五层模型结构。MES概念出现后，MESA提出了一种扁平化的三层企业结构模型。2021-04-24242021-04-24252.4 制造执行系统（MES）在上述三层企业模型中，计划层是面向整个企业，以整个企业范围内的资源优化为目标，负责企业的生产计划管理、财务管理和人力资源管理等任务。控制层是指车间生产过程自动化系统，利用基础自动化装置与系统，如PLC、DCS或现场总线控制系统对生产设备进行自动控制，对生产过程进行实时监控，采用先进的控制技术实现生产过程的优化控制。而制造执行层位于计划层与控制层中间，在两者之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙。2.4制造执行系统（MES）2021-04-24262021-04-24272.4 制造执行系统（MES）2.4.3

MES的功能模块资源分配和状态管理（Resource

Allocation

and

Status）工序详细调度（Operations

Detail

Scheduling）生产单元分配（Dispatching

Production

Units）文档控制（Document

Control）数据采集（Data

Collection/Acquisition）人力资源管理（Labor

Management）质量管理（Quality

Management）过程管理（Process

Management）维护管理（Maintenance

Management）产品跟踪和产品清单管理（Product

Tracking

and

Genealog性能分析(Performance

Analysis)2021-04-24282.4 制造执行系统（MES）2.4.4

MES与其他信息系统的关系MES是面向车间范围的信息管理系统，在其外部通常有企业资源计划ERP、供应链管理SCM、销售和服务管理SSM、产品和工艺设计系统P&PE、过程控制系统PCS等面向制造企业的几个主流的信息系统。ERP——包括财务、订单管理、生产和物料计划管理以及其他管理功能。SCM——包括预测、配送和后勤、运输管理、电子商务和先进计划系统。SSM——包括销售力自动化、产品配置、服务报价、产品召回等。P&PE——包括CAD/CAM、工艺建模、产品数据管理PDM等。

PCS——包括DCS、PLC、DNC、SCADA等设备控制以及产品制造的过程控制。2021-04-24292.4 制造执行系统（MES）2.4.4

MES与其他信息系统的关系MES作为车间范围的信息系统，是生产制造系统的核心，它与其他信息系统有着紧密的联系，负有向其他信息系统提供有关生产现场数据的职能。同时，MES也需要从其他子系统得到相关的数据。MES与其他信息系统也有交叉和重叠。2021-04-24302.4 制造执行系统（MES）2.4.5

ERP/MES/PCS的信息集成MES的主要功能是将企业信息管理系统（ERP）和底层的过程控制系统（PCS)）衔接起来，形成从数字化生产设备到企业上层的计划管理系统（ERP）的信息集成。在企业三层管理模式下，以ERP为企业上层的信息管理系统，担负有企业生产经营计划、物流管理、财务管理以及人力资源管理等管理任务；车间底层的过程控制系统（PCS）担负了生产设备及生产过程的控制；MES作为计划管理层与生产控制层之间的桥梁，既承担有分解细化管理层计划任务，下传生产控制指令，调度现场资源，又担负有向计划管理系统提供有关生产现场数据的职能。2.4 制造执行系统（MES）2.4.5

ERP/MES/PCS的信息集成图2-4

ERP/MES/PCS三者间信息流模型2021-04-24312021-04-24322.4 制造执行系统（MES）2.4.6

MES的发展趋势1.MES朝着新一代MES的方向发展新一代MES具有开放式、客户化、可配置、可伸缩等特性，支持网络化功能。新型MES的集成范围更为广泛。新一代的MES应具有更精确的过程状态跟踪和更完整的数据记录功能，并具有多源信息的融合及复杂信息的处理与快速决策能力。新一代MES支持生产同步性和网络化协同制造。MES成为智能工厂的核心MES成为实现精益生产的关键环节2.4 制造执行系统（MES）生产制造、供应链、工程技术生产是工厂所有活动的核心，MES是智能工厂三个维度的

交叉点和关键点图2-5

MES是智能工厂的核心2021-04-24332.4 制造执行系统（MES）图2-6精益生产的实现2021-04-24342.5 信息物理系统（CPS）信息物理系统（Cyber

Physical

System，CPS）是物联网的升级和发展，CPS中所有的网络节点、计算、通信模块和人自身都是系统中的一分子。图2-7信息物理系统平台2021-04-24352.5 信息物理系统（CPS）CPS定义信息物理系统是将虚拟世界与物理资源紧密结合与协调的产物。它强调物理世界与感知世界的交互，能自主感知物理世界状态、自主连接信息与物