基于并行制造執(zhí)行系統(tǒng)的工具管理

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文章來(lái)源：泛普軟件     1、 前言
    
    制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System——MES）的概念最早形成于80年代末，進(jìn)入90年代逐步成型并獲得迅速發(fā)展。美國(guó)先進(jìn)制造機(jī)構(gòu)AMR將MES定義為“位于上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車(chē)間的管理信息系統(tǒng)”，它為操作人員/管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設(shè)備、物資、客戶(hù)需求等）的當(dāng)前狀態(tài)。AMR通過(guò)大量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：完善的企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，普遍由以下三種軟件構(gòu)成：以ERP、MRPII為代表的企業(yè)管理軟件，以SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視）、HMI(Human Machine Interface)為代表的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控軟件，以及實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程自動(dòng)化、支持企業(yè)全面集成的MES軟件。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，AMR于1992年提出了三層的企業(yè)集成模型（如圖1所示）。清楚的描述了MES在企業(yè)系統(tǒng)中的位置。

    由圖1中可以看出，MES在計(jì)劃管理層和底層控制之間架起了一座橋梁，填補(bǔ)了兩者的空隙。它一方面可以對(duì)來(lái)自ERP/MRPII軟件的生產(chǎn)管理信息細(xì)化、分解，將操作指令傳遞給底層控制；另一方面，MES可以實(shí)時(shí)監(jiān)控底層設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，采集儀表、設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析、計(jì)算與處理，觸發(fā)新的事件，從而方便、可靠的將控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)聯(lián)系在一起。

 
圖1 AMR 的三層企業(yè)集成模型

    一個(gè)企業(yè)的制造車(chē)間，是物流與信息流的交匯點(diǎn)，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最終就是在這里被物化出來(lái)。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的完善，車(chē)間在制造企業(yè)中逐步向分廠(chǎng)制過(guò)渡，導(dǎo)致其角色也由傳統(tǒng)的企業(yè)成本中心向利潤(rùn)中心轉(zhuǎn)化，更強(qiáng)化了車(chē)間的作用。因此，位于車(chē)間起著執(zhí)行功能的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES具有十分重要的作用,它起到了信息集線(xiàn)器（Information Hub）的作用，相當(dāng)于一個(gè)通訊工具為其它應(yīng)用系統(tǒng)提供生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。車(chē)間的實(shí)時(shí)信息的掌握與反饋是制造執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)上層計(jì)劃系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證，車(chē)間的生產(chǎn)管理是制造執(zhí)行系統(tǒng)的根本任務(wù)，而對(duì)底層控制的支持則是制造執(zhí)行系統(tǒng)的特色。

    并行制造執(zhí)行系統(tǒng)（Concurrent Manufacturing Execution System ——CMES）是在制造執(zhí)行系統(tǒng)中加入并行工程的思想，故稱(chēng)為“并行制造執(zhí)行系統(tǒng)”。本文以某制造企業(yè)車(chē)間的生產(chǎn)管理為背景，對(duì)并行制造執(zhí)行系統(tǒng)及其中的工具管理方面做了一些研究和開(kāi)發(fā)。該車(chē)間CMES的開(kāi)發(fā)，是把并行工程的思想運(yùn)用于車(chē)間管理，通過(guò)進(jìn)一步的子任務(wù)劃分和估算及信息預(yù)發(fā)布等方法，小串行、大并行的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、物料、工具等資源的準(zhǔn)備及生產(chǎn)，從而大大縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，降低產(chǎn)品成本。因此，首先要對(duì)車(chē)間原有的工作流程進(jìn)行重構(gòu)，使其符合并行化的工作模式。下面我們先來(lái)看一下車(chē)間原有的工作流程。

    2、車(chē)間原有的工作流程

    車(chē)間原有的工作流程如圖2所示。生產(chǎn)科接到產(chǎn)品需求信息以后，計(jì)劃部門(mén)編制生產(chǎn)計(jì)劃，技術(shù)部門(mén)進(jìn)行工藝準(zhǔn)備。工藝文件制定完畢后，進(jìn)行物料、工具的準(zhǔn)備，一切就緒后，車(chē)間按照計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)。

            

圖 2  加工車(chē)間原工作流程

    由此可見(jiàn)，原有的車(chē)間管理流程純粹是一種串行的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)過(guò)程完全按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造的先后順序進(jìn)行。不同的系統(tǒng)之間缺乏有效的聯(lián)系。這使得原有的車(chē)間流程存在以下問(wèn)題：

    ⑴ 在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，由于不可能知道某一零件的實(shí)際投產(chǎn)時(shí)間，當(dāng)然也就不可能根據(jù)實(shí)時(shí)的車(chē)間資源狀況進(jìn)行合理的工藝設(shè)備選擇。此種情況下，一般的做法都是假設(shè)車(chē)間的資源是可用的、空閑的，這僅僅出于工藝本身的考慮而選擇了最佳的設(shè)備，從而形成了工藝設(shè)計(jì)結(jié)果。但是在實(shí)際的車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程中，常常會(huì)由于資源的種種限制和約束，使得設(shè)計(jì)好的工藝不能執(zhí)行，或者不能達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果。

    ⑵ 工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化與車(chē)間作業(yè)計(jì)劃的優(yōu)化分前后獨(dú)立進(jìn)行，缺乏協(xié)調(diào)，優(yōu)化目標(biāo)有可能發(fā)生沖突，使得最終二者都無(wú)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

    ⑶ 對(duì)由于車(chē)間突發(fā)事件，諸如機(jī)床故障、工具失效、任務(wù)變更等導(dǎo)致的作業(yè)計(jì)劃、工藝變更，不能做出快速的有效反應(yīng)，使生產(chǎn)長(zhǎng)時(shí)間中斷。

    ⑷ 二者之間存在很大的時(shí)間差，即使工藝考慮了車(chē)間的狀況。由于生產(chǎn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性，也會(huì)在實(shí)際生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)由于資源約束發(fā)生變化而導(dǎo)致工藝失效。

    正是由于存在上述問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)面對(duì)這樣的局面：設(shè)計(jì)好的工藝無(wú)法實(shí)施，必須根據(jù)車(chē)間的實(shí)際情況進(jìn)行修改；車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)某些瓶頸資源，但同時(shí)另外一些資源則負(fù)荷不足，必須調(diào)整作業(yè)計(jì)劃或者修改工藝；對(duì)于一些意外的車(chē)間故障，不能做出快速有效的反應(yīng)，車(chē)間生產(chǎn)長(zhǎng)時(shí)間中斷。這些情況極大地影響了生產(chǎn)進(jìn)度，造成了生產(chǎn)管理的混亂、無(wú)序。

    要克服以上這種情況，采用并行化的車(chē)間環(huán)境是最好的選擇。這樣可以使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段，就能全面考慮制造過(guò)程下游的可制造性、可裝配性，以及質(zhì)量保證等多種因素，減少反復(fù)更改設(shè)計(jì)的工作量。

    3、 并行化的工作模式

    要實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)和車(chē)間生產(chǎn)調(diào)度兩個(gè)環(huán)節(jié)高效工作，并行一體化的集成方案是重要的保障。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，若能充分利用產(chǎn)品制造的資源信息，充分考慮產(chǎn)品制造過(guò)程中的制造相關(guān)性的制造約束，如結(jié)構(gòu)工藝約束、裝配工藝約束、設(shè)計(jì)資源約束等，這樣就可以通過(guò)產(chǎn)品的可制造性評(píng)價(jià)來(lái)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率。據(jù)此我們可以將車(chē)間的工作流程重構(gòu)，新的流程包括以下幾個(gè)部分：工藝分析、生產(chǎn)任務(wù)分解、車(chē)間資源分析、資源優(yōu)化匹配與調(diào)度、詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)控制及監(jiān)督。圖3是新的流程的系統(tǒng)模型。由圖中可見(jiàn)，新的并行化的流程為：

    ⑴ 接收生產(chǎn)任務(wù)  包括零件圖號(hào)、生產(chǎn)批量、交貨期等信息，準(zhǔn)備開(kāi)始工作。

    ⑵ 對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行分解  形成短期作業(yè)計(jì)劃，并且通知工藝分析模塊和資源分析模塊進(jìn)行相應(yīng)的零件工藝分析和可用資源分析，從而形成初步備選工藝計(jì)劃和可用資源狀態(tài)信息表。這里的備選工藝計(jì)劃是根據(jù)零件的加工特征和生產(chǎn)車(chē)間資源形成的，它包括了工序的定位基準(zhǔn)、主要加工內(nèi)容、可用的加工方法和相應(yīng)的機(jī)床、刀具、夾具類(lèi)型等。

    ⑶ 資源優(yōu)化匹配和調(diào)度  根據(jù)工藝分析和資源分析的結(jié)果進(jìn)行綜合平衡，以特定的生產(chǎn)目標(biāo)，如資源利用率、加工周期等進(jìn)行資源優(yōu)化匹配，形成調(diào)度結(jié)果，把確定的工藝方案及資源分配結(jié)果送到下一級(jí)模塊進(jìn)行處理。 

                         
圖3 并行系統(tǒng)模型  

    ⑷ 詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制   詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)模塊接到確定的工藝方案后，結(jié)合零件技術(shù)要求及所選用的設(shè)備等資源情況，確定詳細(xì)的工藝參數(shù)，編制NC程序等，把結(jié)果送到生產(chǎn)控制及監(jiān)督模塊，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)控制，并把生產(chǎn)信息及時(shí)反饋給以上模塊，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與處理，形成閉環(huán)集成系統(tǒng)。
⑸ 系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的信息交互由集成數(shù)據(jù)庫(kù)完成。在不同的決策階段，各模塊隨時(shí)查看公共信息，以讀取有用信息，進(jìn)行各自工作。

    通過(guò)這樣并行的工作模式，可以使企業(yè)計(jì)劃安排更加合理，資源配置更有效。工具，是車(chē)間必不可少的資源之一，工具管理是制造執(zhí)行系統(tǒng)所要研究的內(nèi)容之一，特別是對(duì)于機(jī)械類(lèi)生產(chǎn)車(chē)間，刀、量、夾具等工具的管理是否科學(xué)在很大程度上決定制造執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效率的高低。由此可見(jiàn)，工具管理在整個(gè)流程中也有著至關(guān)重要的作用，如果一度成為整個(gè)流程的“瓶頸”，那么首先上游的工藝由于得不到準(zhǔn)確、及時(shí)的資源信息反饋，無(wú)法制定出符合車(chē)間實(shí)際情況的工藝文件；而下游的車(chē)間生產(chǎn)則由于資源的約束，可能會(huì)出現(xiàn)誤工甚至停工的情況，直接影響到企業(yè)的效益。所以，對(duì)工具管理而言，應(yīng)注意與各系統(tǒng)之間的信息交互和對(duì)上游任務(wù)的決策及早、及時(shí)地做出反饋，讓設(shè)計(jì)階段就能夠充分考慮到車(chē)間工具的可利用情況。而這一切就需要工具管理系統(tǒng)能夠預(yù)先發(fā)布或反饋車(chē)間的工具信息，這樣可使工藝員在編制工藝的時(shí)候，能夠了解工具庫(kù)存現(xiàn)狀，優(yōu)先考慮現(xiàn)有資源。如果沒(méi)有所需要的工具時(shí)，可提醒庫(kù)存管理員購(gòu)買(mǎi)，不必等到計(jì)劃下達(dá)后，執(zhí)行計(jì)劃時(shí)才發(fā)現(xiàn)沒(méi)有某種必要的工具，而造成停工，增加不必要的損失。

    根據(jù)對(duì)車(chē)間生產(chǎn)實(shí)際的分析,我們可以考慮從以下幾個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)工具管理的并行性：

    1. 信息預(yù)發(fā)布：

    制造執(zhí)行系統(tǒng)既是一個(gè)加工單元，又是一個(gè)信息單元。所以可以通過(guò)工具管理系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)中其它子系統(tǒng)的信息預(yù)發(fā)布可以使各個(gè)系統(tǒng)之間提前獲取有用信息，從而縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。
圖4簡(jiǎn)單顯示了車(chē)間與外部以及車(chē)間內(nèi)部各部分之間的工具信息交互。由圖中可以看出，通過(guò)訂單的預(yù)發(fā)布，可使庫(kù)存管理員依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)大致了解需要準(zhǔn)備何種工具；計(jì)劃的預(yù)發(fā)布及工藝的預(yù)發(fā)布，可使庫(kù)存管理員精確知道要準(zhǔn)備何種工具、準(zhǔn)備多少、準(zhǔn)備時(shí)限；庫(kù)存現(xiàn)狀對(duì)工藝部門(mén)預(yù)發(fā)布，可使工藝員在編制工藝的時(shí)候，了解庫(kù)存現(xiàn)狀，優(yōu)先考慮現(xiàn)有資源；信息的預(yù)發(fā)布使在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就可以開(kāi)始工具的預(yù)準(zhǔn)備，進(jìn)一步縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。

 
圖4 工具信息預(yù)發(fā)布示意圖

    2．需求預(yù)測(cè)：
   
    在企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中，預(yù)測(cè)是做出生產(chǎn)能力、營(yíng)銷(xiāo)、生產(chǎn)和庫(kù)存、人力資源、采購(gòu)等預(yù)算和計(jì)劃的基礎(chǔ)。

    一般來(lái)講,需求預(yù)測(cè)有以下幾個(gè)基本步驟：

    ⑴ 明確預(yù)測(cè)目的。預(yù)測(cè)的目的是什么？何時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)？通過(guò)明確預(yù)測(cè)目的，可以確定所需信息資料的詳盡程度、必要資源（人力、機(jī)時(shí)、費(fèi)用）的數(shù)量以及預(yù)測(cè)的精度。

    ⑵ 確定一個(gè)預(yù)測(cè)跨度。必須確定一個(gè)預(yù)測(cè)跨度，同時(shí)應(yīng)清楚當(dāng)預(yù)測(cè)跨度增大時(shí)，預(yù)測(cè)的精度將降低。

    ⑶ 選擇預(yù)測(cè)方法。

    ⑷ 收集并分析相關(guān)的數(shù)據(jù)。在開(kāi)始進(jìn)行預(yù)測(cè)之前必須收集并分析數(shù)據(jù)，明確所有的假設(shè)前提。在做出預(yù)測(cè)以及應(yīng)用預(yù)測(cè)結(jié)果時(shí)應(yīng)能滿(mǎn)足這些前提條件。

    ⑸ 進(jìn)行預(yù)測(cè)。

    ⑹ 對(duì)預(yù)測(cè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。必須對(duì)預(yù)測(cè)的全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，以便確定預(yù)測(cè)是否像預(yù)期的那樣進(jìn)行。如果不是，要重新檢查所用的方法、提出的前提條件以及數(shù)據(jù)的合理性等等；如認(rèn)為必要，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整后再進(jìn)行預(yù)測(cè)。

    就預(yù)測(cè)方法而言，可分為定性和定量?jī)煞N類(lèi)型。定性方法靠判斷、經(jīng)驗(yàn)以及專(zhuān)家意見(jiàn)來(lái)做出相應(yīng)預(yù)測(cè)。具體方法包括消費(fèi)者調(diào)查、營(yíng)銷(xiāo)人員的估計(jì)、經(jīng)理人員的判斷、管理人員和職員的意見(jiàn)等。定量方法靠利用歷史數(shù)據(jù)以及變量之間的聯(lián)系來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。定量方法有很多，如滑動(dòng)平均法、指數(shù)平移法、線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)法等。各個(gè)企業(yè)可根據(jù)自身的特點(diǎn)選擇合適的預(yù)測(cè)方法。在選擇預(yù)測(cè)方法時(shí)，必須確保所選擇的、用于特定目的的預(yù)測(cè)方法的成本和精度可被接受。

    就工具管理系統(tǒng)而言，可以根據(jù)歷年工具的使用情況，使用合適的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。需要注意的是，工具管理與整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)預(yù)測(cè)是息息相關(guān)的?？梢詤⒖籍a(chǎn)品的需求預(yù)測(cè)，來(lái)估計(jì)預(yù)測(cè)出工具資源的需求情況，并提前進(jìn)行準(zhǔn)備。

    3. 數(shù)據(jù)的預(yù)統(tǒng)計(jì)分析：

    工具管理系統(tǒng)可以根據(jù)工具的歷史記錄數(shù)據(jù)，按照某種概率統(tǒng)計(jì)出一些具有價(jià)值的特征信息來(lái)，比如在加工什么零件時(shí)，某種工具的使用率最高；一把刀具在一定的切削環(huán)境下，一般的刀具壽命是多少等；以及可以對(duì)不同廠(chǎng)家的刀具做一個(gè)性能比較，以選其優(yōu)。這樣可以使庫(kù)存管理員對(duì)庫(kù)存工具情況做到心中有數(shù)，可以提前或及時(shí)地做出準(zhǔn)備。

    4. 資源的選擇約束：

    工具管理系統(tǒng)可以預(yù)先反饋一份工具的清單供工藝人員在編制工藝時(shí)參考，這樣工藝員可以?xún)?yōu)先考慮現(xiàn)有的工具。即使暫時(shí)由于各種客觀原因得不到所需的工具，可以考慮用工具清單中其他可用的工具來(lái)替代。這樣使得在工藝準(zhǔn)備的同時(shí)，能夠提前解決資源的約束問(wèn)題，而不至于在制造階段出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)再解決，耽誤了車(chē)間的生產(chǎn)。

    4、小結(jié)

    文中針對(duì)車(chē)間實(shí)際情況，對(duì)并行制造執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了一些研究，并且針對(duì)工具管理與設(shè)計(jì)、制造的并行性，提出了一些實(shí)施策略，解決了工具管理的快速準(zhǔn)備的問(wèn)題。我們?cè)诜治鲅芯康幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已投入運(yùn)行。

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