先進制造模式下的MES應用與發展趨勢

文章來源:盟思軟件    時間:2019-06-18 11:24:05
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1 前言

 

    全球經濟和國際市場的變化,為我國的制造業轉型發展提供了機遇。如:從勞動密集型的加工基地到中高端制造基地;在大力發展消費品制造業的同時,加大裝備制造業的發展;努力降低能源消耗;加大產品創新設計等。除了產業方向、產業結構的調整外,另有三個明顯特征:

 

    (1)向先進制造業的轉型,既是轉型的重要內容,又是轉型的主要手段;既包括先進制造技術的應用改造,更包括先進制造模式的提升。

 

    (2)面向區域經濟化的產業聚集。產業集群更強調企業間的合作和產業鏈的和諧。

 

    (3)企業競爭方式和價值目標的轉移。由面向穩定市場的產能型向適應多樣變化市場的敏捷型,由產品體現到核心制造能力體現。

 

    向先進制造業的轉型發展,促進了企業競爭力內容和價值目標的改變。相應地,這對于制造業企業信息自動化技術的應用,無論是其框架構成,還是核心功能與關鍵邏輯,都有直接的影響。如圖1所示的研究路線,本文重點圍繞適應于制造模式變化的MES提升進行研究。

 

 

2 MES適應于制造業轉型的整體發展趨勢

 

    2.1 MES是制造企業信息化自動化系統的重點和當前熱點

 

    區別于服務業,制造活動是制造企業的核心活動。作為制造活動的實體單位,計劃目標和企業價值的實現環節,車間管理是企業管理的焦點。

 

    伴隨著制造業信息化技術的應用,特別是以ERP為代表的上層管理應用的推廣實施,一方面,企業在解決了合理投入/產出計劃之后,開始回歸到對車間管理活動的關心;另一方面,由于上層應用系統中對車間問題和制造執行過程的弱化,缺少全面及時的執行過程及現場設備支撐和支持,使得計劃的執行效果和計劃的進一步優化受到制約;更為重要的是,車間現場作為整個生產系統物流和信息流的交匯點,其管理除了具有多部門和多系統的集成性、數據交互處理量大且實時性高等特點外,更因其涉及到的資源的變化性而需要復雜的自我調整能力和靈活適應能力,因而,難以由其他的系統功能代替。

 

    早期的制造資源計劃MRPII因其囊括了包括制造執行車間現場管理在內的制造企業當時的所有功能,而在制造業得到了有效推廣。但一方面,因受當時的技術水平和管理需求所限,在管理時間粒度、信息實時性、上下層應用的集成能力上,已難以滿足當前的需求;另一方面,由于市場不再具備當時相對平穩的特點,MRPII復雜的計劃過程、僵硬的提前期等致命缺陷,難以彌補計劃與執行的間隙,而不適于當前的市場環境。

 

    企業資源計劃ERP源于制造企業MRP和MRPII,定位于企業信息集成框架、企業功能和過程的集線器,并迅速擴張為包括非制造企業在內的各行各業的通用解決方案。盡管為擺脫其在功能上面面俱到卻不深入的局面,后期集成了客戶關系管理CRM、供應鏈管理SCM、先進計劃與排程APS、電子商務EB、商務智能BI等許多優秀的單項軟件功能,但因沒有顧及其最基本的生產管理功能(特別是生產現場管理功能)的擴展,在制造業中的應用效果不近理想。

 

    目前,以MESA提出的“計劃一執行一控制”三層結構模型為基礎,以ERP為主體形成上層的各種企業級資源計劃和決策分析應用,以MES為主體,并結合CAD/CAM等形成圍繞產品設計制造過程管理的中間層應用,以產線、裝置、設備等不同層面的監測與控制作為下層的自動化應用,并通過先進的軟件架構技術,實現層間的信息集成和功能集成,已成為制造業企業信息自動化系統的整體框架。這一框架的發展,呈現出了“二頭優先、中間落后”現狀,MES已成為近年來的應用和發展熱點。

 

    2.2 MES及其發展趨勢

 

    面向AMR集成,MES作為上下層應用間的信息集線器,從上層接收中長期計劃,向上層提交作業實績等生產運行數據,向下層發布生產指令及控制參數、接收匯集下層數據采集和設備運行狀態等,要求較高的實時性。

 

    在功能上,區別于單純的車間管理系統,而是面向包括制造作業和控制(M0&C)間的整個企業制造活動。拋開其面向不同過程和工藝的行業性,普遍采用基于11個功能模塊的“龜甲”功能模型。這些基本模塊包括:工序詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文檔控制、產品跟蹤和產品清單管理、性能分析和數據采集。計劃、調度是核心,優化是關鍵。

 

    除了流程生產、離散生產、混合生產等帶來的MES具體功能配置的差異外,面向不同的制造模式和管理目標,MES在核心功能的配置及其邏輯、系統的架構實現技術等方面都有明顯的不同。在國際上,MES已從專用功能系統發展到了數據、網絡、應用的集成系統(I-MES),并逐步向在系統、接口、業務上可重構的智能MES發展。

 

    面向MES的可重構和智能性,除了在支撐技術上采用構件技術、Agent技術、服務技術等提升系統架構外,更應結合我國制造業轉型的特征,對MES進行核心功能的提升,才能更好地適應并促進這一轉型。

 

    如圖2所示,MES的整體發展趨勢是:功能拓展與系統集成,模塊和支持業務的可重構能力加強,核心功能與系統的智能性提高。本文面向市場環境變化帶來的由規模生產到品種生產的制造模式變化、產業鏈優化帶來的動態聯盟與產業聚集的產業模式轉型趨勢,把MES在核心功能與實現目標上的提升方向分為以下三個層面:

 

    (1)面向市場的快速變化和分類需求,突出制造執行過程的敏捷響應能力,適應于企業敏捷制造、精益制造等先進制造模式的應用;

    (2)面向產業聚集趨勢,突出制造執行過程的協同能力,促進產業鏈和諧,提升企業在產業鏈中的競爭優勢;

    (3)面向企業核心價值體現由產品向核心能力的轉變,拓展企業核心制造能力系統,促進轉變并增強企業的核心競爭力。

 

 

3 面向敏捷和精益制造,MES強調生產執行過程的敏捷響應能力

 

    3.1 敏捷制造和精益制造應對市場多樣性和變化性

 

    目前制造業正從規模經濟向品種經濟發展,需求日趨主體化、個性化和多樣化,產品壽命周期越來越短、品種不斷增加,客戶對交貨期的要求、對產品和服務的期望越來越高。商務環境的變化速度超過了傳統企業跟蹤調整的能力,要求企業生產管理模式反應速度快、成本低、質量高、產品更新速度快,亦即具有“敏捷性”。

 

    敏捷制造思想旨在“以變應變”,提高企業的應變能力。通過快速配置各種資源,有效和協調地響應用戶需求。敏捷制造的實現,一是強調“競爭一合作”,采用靈活多變的動態組織結構,如動態聯盟;二是不斷提高企業自身能力,實現對技術、管理和人員的全面協調集成。

 

    精益制造亦即“按需的無庫存生產”,核心就是企業在為顧客提供滿意和及時的產品與服務的同時,把生產資源效能最大化。精益制造以敏捷制造為前提,通過不斷減少在制品庫存,暴露和改善企業生產活動中各環節存在的問題。

 

    區別于大批量生產模式下以生產規模與效率作為競爭優勢、以庫存調節滿足市場需求,作為先進制造模式,敏捷制造和精益制造都十分重視客戶的個性化需求、重視全面質量管理,追求以最快的速度、最好的質量和最低的成本來迅速靈活地響應需求,從而贏得競爭。同時,二者的實現,除了強化產供銷的協同外,更依賴于制造執行過程的快速響應。

 

    3.2 AMES的核心功能

 

    AMES即敏捷響應的制造執行系統(Manufacturing Execution System with Agile Respones)或敏捷制造模式下的制造執行系統(Manufacturing Execution System in Agile Manufacturing Mode)。

 

    MES向AMES提升,一是通過功能調整和接口強化,拓展并集成與制造環節直接相關的部分經營管理、產線控制等功能,貫穿于客戶訂單確認后到客戶產品交付前的,從產品設計、作業計劃、工藝路線以及質量控制方案等作業前管理,到作業執行過程中的跟蹤與調度、質量跟蹤與評價、倉庫與生產物流管理,以及設備、能源等制造資源的監控和管理,形成以MES為中心的制造企業信息化系統;二是面向新的管理模式,對MES的核心功能模塊進行改造,細化作業粒度,充實相應的優化目標、調度模型,體現系統的綜合應變能力。

 

    以產線柔性和排產優化為主要手段的AMES在離散性行業已開始應用。而對于較早應用MES的流程類行業,本文以鋼鐵行業為例,結合濟鋼集團的產銷一體化系統改造,進行了研究,給出了其典型特征和核心功能的實現。

 

    如圖3所示,MES向AMES發展主要表現在:一是功能范圍上的拓展,包括集成銷售管理部分功能的產銷一體,始于工藝設計的全程質量監測與控制;二是功能深度上的提升,包括作業計劃生成的多目標優化、作業過程調度的動態自適應以及設計智能化。

 

    3.2.1 以產銷一體化的集成框架為基礎,并通過訂單基元同步和細化作業粒度,提高敏捷響應的靈敏度

 

    產銷一體化系統本身就是對傳統MES的拓展和改進。通過功能擴展和接口增強,全面集成銷售、設計、生產、質量等環節。

 

    以訂單為核心對象,貫穿于從作業計劃的形成、作業計劃的執行、作業實績的處理,實現了訂單狀態的全程跟蹤;并根據流程和批次行業的特點,借助于訂單基元的建立,實現了銷售單元與爐次、軋次等作業單元間的協調,并通過作業粒度的細化,減少異常業務損失,提高響應靈敏度。

 

    結合訂單的整個執行過程,采用PDCA的質量管理模型,分別將質量規劃、實施、檢查和處理四個階段貫徹到工藝設計、作業優化、作業執行過程中,實現了質量管理控制的全程化。

 

    3.2.2 通過基于訂單要素的多目標與基于權重學習的動態優化模型,滿足作業計劃的敏捷性

 

    采用以訂單基元為對象的優化處理,并根據訂單的產品質量屬性、價格屬性、交貨期量屬性等形成多個優化目標,采用訂單質量滿足、成本預期控制、產線負荷相對平衡、交貨期量完成率最高、產能最大的優化策略,并考慮產線分段中的物流連續性等自然約束條件,產生詳細的工序執行設備分配和工序間時間調整方案。

 

    整個優化過程采用分步、循環的結構,采用目標控制閾值和優化目標加權實現多目標的綜合,采用動態方式形成不同優化對象間的優先級排序。

 

    基于訂單基元的分解合并、基于訂單交貨期量完成率的動態優先級排序,有利于多訂單的作業混排,保證作業計劃的整體求優。

 

    3.2.3 強化作業過程的凋度和作業執行過程中的質量控制

 

    作業執行過程管理保證作業計劃的實現。在傳統MES對執行過程的跟蹤監測基礎上,AMES突出了作業調度和質量控制兩個功能。

 

    作業計劃下達后,設備、原材料、能源等資源狀況的變化,設備能力、質量控制帶來的實績調整,以及市場因素帶來的新的特殊計劃,都需要MES具有動態自適應調度能力。自適應性來自系統對變化因素的詳細分類和不同分類的替代策略,如庫存替代、工藝替代、質量替代、設備替代以及產能平衡等;其動態性建立在對環境狀態的實時監測基礎上,及時捕捉作業粒度和節拍,替代或插補作業指示,動態保持各計劃的相對順序基本不變,并在一個計劃周期結束前反饋未執行的計劃。基于多策略模型的復雜控制是動態自適應調度實現的關鍵。

 

    對應于作業執行過程,質量管理采用面向工藝過程的過程式質量控制。質量全程檢測的集成是基礎,對照各工序質量特性標準自動進行質量判定是核心。同時,對于質量結果的應用,除了基于質量統計分析基礎上的敏感影響因素挖掘以及工藝能力評價外,及時依據質量判定結果,對工藝參數、作業實績進行動態調整,從而實現前饋式質量控制,提高作業計劃的完成度。

 

    3.2.4 質量與工藝設計一體化、自動化

 

    質量設計與工藝設計密不可分。特別是對于物料性能連續變化、裝置自動化程度相對較高的流程行業而言,最終產品的質量要求更直接由各工藝過程的控制參數所決定。質量設計的結果作為作業執行過程中的質量指示。

 

    訂單質量設計的內容直接與訂單產品相關。特定于鋼鐵行業,訂單的質量屬性可細分為材料成分子集、外觀尺寸子集、機械性能子集、制造規范子集等,前三者來自于客戶的訂單要求,后者來源于質量設計,用于質量的過程控制。

 

    為保證質量設計與作業計劃間的緊密結合、動態交互,并有助于作業執行調度中的替代策略實現,質量設計的自動化、標準化、智能化是前提。系統在標準訂單匹配基礎上,增加了基于質量一工藝標準匹配知識庫的標準訂單質量屬性匹配、基于質量屬性相似度和質量實績偏離度計算模型的非標準設計案例學習等方法。

 

4 面向產業聚集,MES強調協同、  智能以及核心制造能力

 

    4.1 產業聚集與企業制造模式的變化

 

    除了企業內制造資源的高效利用和敏捷響應外,先進制造還強調企業間的資源協調,產生了動態企業聯盟、分散制造、社會化制造等制造管理模式。產業聚集正是這一變化的宏觀表現形式之一,集群化正成為我國制造業發展的新趨勢。

 

    集群面向特定的行業,通過細化和優化產業鏈分工,高效整合企業間的資源,形成以龍頭企業為主導的區域特色競爭優勢。產業聚集模式中:

 

    (1)強調企業間的合作關系。先進制造模式的理念是共贏、利益共享,有競爭、更要合作(即2W+2C)。這不僅表現在產業鏈上下游企業間的合作依賴,還表現在競爭性企業間的合作。從而帶來了設計制造的分布式、并行性、虛擬化以及制造過程的自組織性。

 

    (2)企業依靠其核心能力生存。區別于分散的產業鏈合作,由于淡化了在原料和客戶方面的地域優勢作用,企業的核心能力成為其參與聚集區產業鏈合作的主體內因。從而放棄大而全的結構化競爭優勢,而轉向企業獨有的、主動而又持久的核心競爭力,企業目標價值體現明顯改變。

 

    (3)產業聚集促進了動態聯盟協同和產業鏈優化的有效性。一方面,因企業間地理空間上的集中,物流半徑減小;另一方面,通過產、學、研、政、金等的結合,為企業提供了良好的外部環境和服務平臺。企業應充分利用這些平臺,專注于內在的核心能力提升。

 

    4.2 適應于產業聚集和企業價值體現變化的MES提升

 

    面向上述制造模式的變化,除了在MES架構上采用分布式、基于服務等來提高系統平臺的可重構性外,在其功能上,基于AMES在提升企業敏捷響應能力之上,應加強企業間的制造協同和生產物流的社會化管理提高產業鏈層次上的重構能力、面向企業核心制造能力提高制造過程的智能性和敏捷響應的主動性。建立在數字化技術之上的虛擬、仿真、預測等技術是關鍵支撐。

 

    4.2.1 協同制造執行系統

 

    協同面向動態聯盟下的企業間資源整合,同時強調產品設計過程和制造過程的并行化。與基于產品的模塊化與標準化、系統的集成能力和協商交互能力的產品協同設計所不同,協同制造更關注于資源和能力的動態性、過程調度的實時性。

 

    協同制造執行系統CMES(Collaborative Manufacturing Execution Systems)是在MES層對分散控制系統和分布執行系統的集成。不同于停留于企業層的簡單外協委托加工管理,而是貫穿于協作企業間整個制造執行過程;不僅強調資源的整合,更強調過程的重構。

 

    分布制造執行系統之間,可采用面向服務的集成,由上游MES為下游MES提供服務、并由下游MES對上進行跟蹤。服務內容主要包括:本地制造資源滿足服務申請的整合優化、制造實績的監測、調度目標的修改服務等,同時,服務申請方的作業計劃與作業調度應針對不同的異地MES給與不同的優化閥值。基于過程仿真(工藝質量實現與作業執行過程)的虛擬技術是保證CMES有效運行手段之一。

 

    4.2.2 強化社會化的生產物流管理

 

    產業聚集模式下的協同制造,建立在跨企業的設備與產能的動態整合與重構,無論是生產物流的半徑還是其管理都不再局限于單一企業內,以及生產物流的社會化。區別于貿易范圍下的社會化物流,生產物流的效率和準時率直接影響著生產過程節拍時間和成本,影響著制造過程的敏捷響應能力,尤其是離散型和裝配型的行業。

 

    圍繞社會化的生產物流的低成本和高效率,應強化MES中的物流管理功能。既包括將物流的靜態規劃納入MES作業計劃管理、并依據物流時間閾度合理規劃安全的中轉庫存,也包括將物流執行過程的跟蹤監控和動態調度納入MES作業執行管理,并增加相應的執行替代策略。

 

    同時,區別于傳統的社會化商貿物流管理,準時性和系統信息交互實時性是生產物流管理的優先目標,也是MES與物流管理系統集成的依據。

 

    4.2.3 基于數字技術的智能制造執行系統

 

    制造系統的應變能力最終依賴于制造單元環境和制造執行過程的智能性,亦即只能制造。對于MES,智能性既是可重構能力的支撐,也是可重構發展的目標。

 

    智能MES在保證以交貨期為目標的敏捷性基礎上,更強調制造過程應對新的產品需求、迎合新的管理模式的能力。除了在優化算法和調度算法實現上的可擴充性和智能性外,建立在產線柔性和全能單元基礎上的MES,是離散、裝配類行業的主要方向;流程行業的智能MES則應基于過程仿真和復雜控制制造。

 

    數字化技術是智能MES的關鍵技術。除了底層控制過程的模型數字化外,工藝質量設計的虛擬與仿真、作業過程的虛擬與仿真、制造資源有效性的主動預測等是主要的應用形式。

 

    4.2.4 集成核心制造能力管理

 

    現代企業間的競爭已由具體的優勢產品、市場占有與經營策略、資源優化與高效利用、機會之爭轉向能力競爭。適應于核心能力的競爭,企業由多角化戰略開始在確立和培養核心能力基礎上“回歸主業”。企業核心能力作為用戶價值的來源,持續優于競爭對手并難以模仿和替代的獨特風格與效用,新產品衍生和新業務擴展的延展性,是企業取得和維持競爭優勢的最關鍵因素。

 

    核心能力來源于企業的綜合積累,包括知識、資源、技術技能和管理技能。作為制造類企業核心活動的制造過程,是企業核心能力部署和應用的關鍵。通常定義企業的核心制造能力為企業核心能力在制造過程中的應用表現,是制造活動體現用戶價值,快速響應市場,并能夠長久保持競爭優勢的能力綜合。

 

    產業聚集下產業鏈的細化與優化,更是依賴于制造類企業的核心制造能力。圍繞核心制造能力的選擇應用及提升和核心制造能力的管理,是兩個重要的方面。

 

    核心制造能力的選擇應用及提升又主要表現在用戶價值的體現、制造過程的快速響應兩個角度。前者保證設計要求的產品優勢性能及其可衍生性的實現,重點在于工藝設計平臺與仿真模型、質量控制手段與質量管理過程;后者面向主動型AMES的構建,重點在于設計和作業計劃形成過程的快速流程與工具手段、在基于實績實況的作業過程調度基礎上增加調度的預測性和智能性,適于產業聚集下外部平臺的集成。

 

    能力和資源都是高于過程的企業級管理對象,核心制造能力的管理面向產業聚集下跨企業的生產組織中的能力集成。因而,核心制造能力管理系統(CMC)位于企業層(如圖4所示)。其功能主要包括能力需求、能力評價、能力優化、能力控制、能力集成、能力實現。

 

 

5 結語

 

    本文概括了我國制造業向先進制造轉型面臨的由規模生產向品種生產、虛擬企業與產業聚集兩大特點,圍繞MES適應于這一制造模式轉變而應進行提升的方向進行了研究。在遵從MES整體向可重構、智能發展的趨勢基礎上,分別給出了敏捷制造執行系統、協同制造執行系統、智能制造執行系統的三個提升層次,最終應滿足企業由產品競爭到核心制造能力競爭的轉型。詳細的技術實現有待于進一步研究。

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