面向并行工程的制造执行系统的研究与开发

lihuolin958

引 言

    随着国家制造业信息化工程的推进，并行工程正被越来越多的企业所应用。并行工程强调设计过程中的信息集成、计算机辅助功能的集成，以及在多学科小组的支持卜实现并行作业与协同工作，最终缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量。但现在无论是通用理论还是现有的CAD/CAPP/CAE一体化并未面向并行机理，面向制造的设计DFM方法并不完全符合本企业的制造环境，存在着设计信息向制造信息转换但制造过程信息没有反馈到设计过程中去的问题，从而使并行工程难以实现。因此，需要将并行工程的理念从设计领域延伸到制造领域，将企业的经营管理决策层、中间的生产执行层和下面的工艺过程及设各自动化控制层集成起来，以产生最大的效益。然而，目前国内尚未发展起完各的制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)技术，面向并行工程的制造执行系统的研究对推进我国的制造业信息化工程的进展将具有重大的意义。本文以某企业的制造执行系统的应用实施为例，研究面向并行工程的制造执行系统及其关键技术。

1 制造执行系统

    1.1 制造执行系统的地位和作用

    制造执行系统的概念最旱形成于20世纪80年代末，20世纪90年代后逐步成形并获得迅速发展。美国先进制造研究机构(Advanced Manufacturing Research，AMR)将MES定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的ICI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、跟踪，以及所有资源(人、设备、物料和客户需求等)的当前状态。图1是美国先进制造研究机构AMR于20世纪90年代提出的企业集成模型，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；而控制层的数据采集为上层提供了一些必须的基础数据。

1.2 MES的功能模型

    MES作为面向制造的系统必然要与企业其他生产管理系统发生密切关系，MES在其中起到了信息集线器(information hub)的作用，它相当于一个通讯工具为其他应用系统提供生产现场的实时数据。

    MES本身也是各种生产管理的功能软件集合，它通过其各成员的实践归纳了十一个主要的MES功能模块，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、性能分析以及数据采集等。MES的功能模型如图2所示。从图2中可看出，MES与其他分系统之间有功能重叠的关系。如MES、CRM和ERP中都有人力资源管理，MES和SCM两者都具有文档控制功能，MES和SCM中也同样有调度管理等等。各系统重叠范围的大小与工厂的实际执行情况有关，但每个系统的价值又是唯一的

2 面向并行工程的制造执行系统

    2.1 并行工程对车间的需求

    并行工程（Concurrent Engineering，CE）是以CIMS信息集成技术为基础发展而来的，主要是针对产品开发领域而提出的解决方案。CE是集成地、并行地设计产品及其相关过程的系统化方法，在设计过程中考虑产品的可制造性、可装配性、可测试性，以减少设计过程中不必要的返工，力争产品设计开发一次成功。它站在产品设计、制造全过程的高度，扫破传统的组织结构带来的部门分割封闭的观念，在产品开发的早期就考虑产品生命周期中相关环节的影响，将串行设计中的大循环转化为若干个局部的小循环，力争设计一次完成，并且将产品开发过程的其他阶段尽量提前。并行工程在原有信息集成基础上，更强调功能和过程上的集成，并在优化和重组产品开发过程的同时，不仅要实现多学科领域专家群体协同工作，而且要求把产品信息和开发过程有机地集成起来，做到把正确的信息在正确的时间、以正确的方式传递给正确的人。CE通过组成多学科小组(team work)，实现设计过程的集成，将串行的过程并行起来，并由CAxDFx技术支持并行工程的实施。

    在实施并行工程的企业中，车间作为产品并行开发中的制造环节，起着非常重要的“承上启下”作用，它需要能够主动接收来自计划部门、设计部门的信息，同时迅速反馈生产现场的信息，使设计部门能及时得到生产现场的反馈，加快产品设计与制造之间以及车间内部的信息流动和反馈，使产品并行开发过程得以循环进行下去，缩短产品设计制造周期。

    为了支持并行工程，车间必须满足以下几点要求：

    （1）建立网络支撑平台
    协同工作是并行工程的首要问题，车间要支持并行工程就必须首先建立网络支撑平台，只有这样，才可能做到车间内外信息共享、工作协同。支持并行工程的MES所需的网络，除了一般的局域网外，还涉及车间现场数据采集与控制网络。车间现场网络可采用多种形式，如工业以太网、现场总线、RS-485网络或RS-232网络等。具体的网络形式，应根据数据采集系统的要求来确定。

    （2）并行化的车间的工作流程
    在车间传统的串行工作流程中#经常出现生产不能平稳进行、对一些意外的故障不能作出快速有效反应，造成车间生产长时间中断的现象，极大地影响了生产进度，使得产品开发过程中设计部门不能及时得到生产现场的信息，造成产品开发周期变长，企业经济效益下降。要保持车间的均衡生产，就需要用并行工程的理念将车间的工作流程细化重组，做到工艺准备与设计并行，资源准备与设计并行，现场制造与资源准备并行等，并且能够根据需要重新定义工作流程。

    （3）实时准确的信息共享
    车间要能够支持并行工程，实现产品的快速开发，就需要对生产信息进行细化，提高信息的共享程度，使得在产品的并行开发中，车间能够接收来自设计、计划部门的预发布信息，快速地进行生产准备，使得产品的并行开发过程得以进行下去。

    （4）适应并行环境的功能
    并行环境下的制造执行系统具有传统的生产管理所具有的一切功能，同时为了支持并行工程，也拥有传统的生产管理所不具备或者不需要的新的功能。例如系统与上层的计划设计部门关系紧密，能主动接收反馈生产现场信息等。

    （5）系统硬软件的可配置可重构
    在传统的车间里，各个单元一旦确定下来之后就很少改动，也无法改动。随着产品品种的增多，市场多变，产品并行开发中对车间生产的柔性、敏捷性的要求越来越高，这就要求在支持并行工程的车间里能够根据环境的变化对软件硬件进行重新组合。生产管理软件系统要能够根据实际情况的变化对工作流程进行重定义，对软件的功能进行增减，对生产单元进行动态配置，以适应多变的生产实际，提高车间的资源利用率，加快生产信息的反馈，使设计部门及时得到现场信息。

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