先进制造执行系统(MES)的探讨置效益和创新于首位

lihuolin958

　　随着经济的全球化和制造企业及其产品生命期的缩短，提升企业对商务环境的适应性和竞争力，已成为现代制造企业生存和发展的关键之一。信息、系统、控制和计算机科学的最新成就为实现企业的信息化和智能化经营、管理和生产提供了有力的武器。上世纪九十年代发展和形成的制造执行系统(MES)已成为构建经营管理层(如ERP，SCM(供应链))和生产装置层(DCS/PLC/APC)之间信息通道的双向桥梁。一个先进的MES，在获得经营管理层的战略计划(Strategic Plan)和经营决策后，按照生产装置的状况，运用相关的MES 模块，构建由原料(Bill of Material)到成品的生产装置或多条生产线的生产计划，调度，能源、质量、库存、排放和效益等管理，监控及跟踪，以达到在滿足约束条件下的多目标最优化操作。当生产过程出现异常或偏离期望工况时，或经营管理层下达新的信息(诸如订单变更)，MES 从通过生产机理和统计学习所建立的模型库、知识库和数据及信息融合等工具，进行自动分析、推理和诊断，然后通过下层的DCS/PLC/APC 调整生产参数或加工方案，从而使生产过程进入一个新的平稳操作工况。MES 同时将其结果上传给ERP/SCM 和存放于自身的动态数据库，作为今后统计学习的宝贵源知识。需要指出的是除了少数与MES 相关的标准(如ISA95)外，目前尚无国际上认可的MES 国际标准，因此MES 尚处于百花齐放的阶段。当我们引进或学习消化国外MES 软件和工业的解决方案时，除了眼观前台的可视景观外，更要深入研究其后台的支撑技术和软件。如同其它IT 软件产品一样，如果忽视了这一点，IT 项目可能以失败而告终。需要指出的本文所定义的不少先进MES 的功能恐怕还未包含在现有的商品化MES 产品中，因此研发具有自主知识产权的先进MES 产品是一条有效的道路。
　　本报告的主要目的是探讨如何研究与开发我国具有自主知识产权的先进MES 软件产品和工业解决方案，以提升我国先进制造业和IT 产业的国际竞争力。
　　报告内容分为如下四个部分:
　　1. 多尺度KPI(Key Performance Indicators)模型、监控和诊断
　　KPI 定义为：
　　可供选择的产品及中间产品质量、能效、排放(emission, for example, Carbon management)、收率(yield)、设备利用率或产能、交货期(on time delivery)、库存和中间库存(WIP)以及现金流等性能的统计指标。
　　多尺度定义为:
　　- 时间尺度{实时和可供选择的时窗，如年、月、日、小时等}
　　- 空间尺度{设备、单一生产装置、多生产装置和全厂}
　　- 功能尺度，如上述的 KPI 和其它描述生产装置的有关状态
　　KPI 模型定义为:
　　- 由 DCS/PLC 传感器、虚拟传感器(virtual measurement)、实验室采样分析等数据和机理，计算KPI 统计特性的算法、软件工具和集成。
　　- 应用传感器网络(sensor network)和相对测量(relative measurement)的软件工具。
　　监控和诊断系统定义为:
　　- 由 KPI 的统计特性与定标系统(e.g., domestic and international benchmarks)和相同条件下的历史性能相比较，从而实现监控，即确定你当前所处的位置。
　　- 通过启用模式匹配、推理、知识库和优化，由系统提供决策支持或自动修正，通过改变生产参变量达到改进KPI 的目标。也即指引如何离开当前的异常或低劣工况以获得持续的改进。
　　- 功能尺度，如上述的 KPI 和其它描述生产装置的有关状态。
　　2. 先进计划和调度(Advanced Planning and Scheduling (APS))
　　APS 是MES 中的一个关键模块，包括下列三个子模块:
　　生产计划
　　生产调度
　　动态调度或再调度它们的具体功能将在第四部分通过案例介绍。
　　3. 关键的后台支撑技术:
　　报告将简要介绍数据和信息融合、传感器网络，NP-Hard 优化和网络复杂性等在研发先进MES 中的应用。
　　4. 案例研究:
　　简介近十年来从事的相关研究案例和结果
　　以产能为目标的基于模型和规则的半导体芯片生产线(Semiconductor Wafer FAB)的调度和”What-If”仿真软件。
　　应用 SOA(自组织算法)热轧(Hot Strip Mill (HSM))调度
　　应用 MAS(多智能体)和SOA“炼钢-连铸-热轧”(Steelmaking-Continuous Casting-HSM)的集成调度
　　半连续聚合反应器的调度和动态优化控制
　　NP-Hard 优化过程的相变和基于自组织的极值优化(Extremal Optimization)方法
　　报告最后提出关于我国关于MES的研发和应用的几点建议。报告的详细内容可参阅PPT


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