装配车间MES应用实例

华中科技大学硕士学位论文装配型MES及其生产调度研究姓名：张晓燕申请学位级别：硕士专业：工业工程指导教师：饶运清20070529I(MES)MESMESMESMESMESMESMESOPT/TOCMESMESMESIIAbstractManufacturingExecutionSystem(MES)isanimportantmeansforenterprisetoimplementproductionmanagementinformationization.ByimplementingMES,enterprisescanremarkablyimprovetheproductionefficiencyandqualityasaresultofachievingreal-timetrackingandvisualmanagementinmanufacturingprocess.DuetotheimportanceofMESintheproductionmanagement,theMESformissileassemblymanufactoryanditsproductionschedulingonthebackgroundofamilitaryenterpriseisstudiedinthethesis,focusingonsystemdemandanalysis,systemintegrateddesign,andreal-timeschedulingalgorithminMES.Themainresearchcontentsareasfollows:Firstly,thesystemdemandofMESformissileassemblymanufactoryisanalyzedindetailbasedonthetheoryofMESandagreatdealofinvestigationandstudyofthemilitaryenterprise.TheMESfunctionalrequirementsoftheassemblyfactoryinclude:productionscheduling,realtimedataacquisition,materialtracking,qualitycontrol,toolmanagement,equipmentmonitoring,andsoon.Secondly,withtheexistingenterpriseinformationization,theMESsolutionformilitaryassemblymanufactoryisproposed,andthesystemdesigntechnologywhichinvolvedsystemarchitectureconstruction,developmenttoolsselection,databasedesignandsystemintegrationtechnologyareintroduced.Thirdly,consideringtheinsufficiencyofcurrentshop-floorscheduling,aheuristicalgorithmbasedonbottleneckdecompositionisproposedinordertosolvetheproblemofreal-timeanddynamicschedulinginMES.Besides,anexampleisgiventovalidatetheeffectivenessofthealgorithm.Finally,theconclusionsaredrawnandthefurtherresearchdirectionsofMESanddynamicschedulingalgorithmarepointedout.Keywords:MES;Assemblyshop;ProductionScheduling;Bottleneck华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题研究目的、背景和意义21世纪的制造企业面临着日益激烈的国际竞争，许多企业通过实施MRPⅡ/ERP来加强管理。然而上层生产计划管理受市场影响越来越大，明显感到计划跟不上变化。因为如果上层计划层不能及时获得车间现场的制造信息，其制定出的生产计划往往误差较大，车间难以严格执行。而底层的控制层由于没有实时动态信息的指导，其生产效率则会受到制约。而作为关系国家、民族安危的军工制造企业，由于其产品的特殊性，对于准确性、及时反馈性的要求比普通制造企业更高。虽然军工行业是最早应用信息技术的行业之一，经过多年的发展，信息化基础设施建设已经具有相当的规模，信息化工程应用水平也处在国内各行业的前列：CAD技术在绝大部分军品设计上已普遍采用；PDM和CAPP技术应用在企业逐步开展。但是军工行业的生产管理模式及相关信息化建设仍有待进一步的改进：目前，军工企业的管理层了解车间生产情况的途径主要是由厂内下一级通过定期向上一级汇报和各级别之间电话查询的方式了解产品的生产状况，这种模式带来的弊端就是不能实时、准确、直观地汇报军工企业的运作情况。由此可见，在企业的计划层与底层车间控制层出现了一道鸿沟，车间生产中遇到问题不能及时解决，所以必须要有一种全新的交互模式来取代传统模式。因此如何有效地解决两者之间的矛盾，填补这道鸿沟，提高计划的实时性和灵活性，增强生产计划管理的响应能力，同时改善资源的运行效率，已成为一个重要的研究课题。制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem,MES）的出现正好填补了二者之间的鸿沟，它是连接上层计划层与底层控制层的纽带，可以有效地实现生产计划层与车间底层控制信息的充分交互。因此，在企业中实行MES系统，车间各种信息及时传递和充分共享的基础上，车间的生产计划、调度才具有更高的合理性，车间生产过程才能得到严格的控制。基于以上原因，项目组进行了“JN-MES1.0”项目的研究——这是一个面向军工装配企业的MES系统开发应用项目。在此系统平台上，上级可以随时访问车间信息，对所关注的信息进行实时的监控、跟踪、查询。这种模式的优点是改变了传统的管理模式，使分厂的管理人员能够随时对车间的生产进度、加工情况、原材料来源等信息进行准确、直观的监控。因而，节约了时间，提高了效率，更有利于及时准确地发现问华中科技大学硕士学位论文2题，解决问题。课题的背景企业——某军工企业，是中国兵器集团公司所属的大型骨干企业，承担国家军品的研发任务，产品机构复杂、质量要求高，其生产类型为面向订单的离散型单件小批装配生产，具有一定典型性。此外，由于军工企业的保密性，目前可查询到的军工企业MES系统的成功应用案例并不多见。因此，本课题研究对探索适合中国国情的装配型企业MES的发展之路具有现实意义。1.2制造执行系统（MES）的国内外研究综述1.2.1制造执行系统（MES）的定义与内涵制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem,MES）是美国先进制造研究机构（AdvancedManufacturingResearch,AMR）在上世纪90年代提出来的概念，目的是为了加强制造计划的执行能力[i,ii,iii]。MES是位于企业应用软件的计划层和控制层之间的执行层，通过把ERP计划和车间作业现场设备控制连接起来，以解决上层生产计划管理与底层生产过程脱节的矛盾。MES集成了车间中生产调度、工艺管理、质量管理、设备维护、过程控制等相互独立的系统，使这些系统之间的数据实现完全共享，完全解决了信息孤岛状态下的数据重叠和数据矛盾的问题。同时，MES系统可以收集生产过程中大量的实时数据，对实时事件实现及时处理的同时，还与计划层和生产控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令[iv]。从而提高企业信息流的连续性和实时性，达到提高企业敏捷性的目的，也为企业实现敏捷制造打下坚实的基础。目前对于MES尚无统一的定义，MES国际联合会（ManufacturingExecutionSystemAssociation,MESA）认为[i]，“MES能通过信息的传递，对从订单下达开始到产品完成的整个产品生产过程进行优化的管理，对工厂发生的实时事件及时做出相应的反应和报告，并用当前准确的数据对其进行相应的指导和处理。”此外，MESA还通过对其成员的大量实践进行了总结，归纳了MES的十一个主要功能模块，如图1.1所示：华中科技大学硕士学位论文3图1.1MES的组成以及与其它系统的关系MES软件经过十几年的发展已经取得一定的成果：传统的MES(TraditionalMES,T-MES)从零星车间级应用发展起来，并逐渐向具有一定集成能力的复杂大系统发展。T-MES可以分为两大类[v,vi]：专用MES系统(PointMES)和集成MES系统(IntegratedMES)。专用MES是指为解决某个特定领域问题，如车间维护、生产调度或SCADA等开发的、自成一体的应用系统。集成MES则是针对特定行业（如航空、装配、半导体、食品等行业）而设计，在功能上实现了与上层事务处理和底层实时控制系统的集成。但此类系统是针对特定的行业，缺少通用性和广泛的集成能力。到90年代，MES发展为I-MES（IntegratableMES，可集成MES）和MES-Ⅱ（ManufacturingExecutionSolutions）。其主要功能为工厂管理（资源管理、调度管理、维护管理）、工厂工艺设计（文档管理、标准管理、过程优化）、过程管理（回路监督控制、数据采集）和质量管理（SQC-统计质量管理、LIMS-实验室信息管理系统）。在这个模型指导下，MES在90年代初期的重点是生产现场信息的整合[vii]。90年代中期，又提出了MES标准化和功能组件化、模块化的思路。这时，许多MES软件实现了组件化，也方便了集成和整合，这样用户根据需要就可以灵活快速地构建自己的MES。自2000年起，国际仪表协会（ISA）陆续发布了SP95系列标准，提出了MES标准模型和术语、对象模型属性、制造信息活动模型、制造操作对象模型[viii,ix,x]。美国国家工业信息框架协议(NIIIP)协会开展了一项名为SMART的研究，其目标是为整个MES应用领域提出了一个基于分布式对象的信息交换模型，如图1.2所示。该模型代表了MES软件的技术发展趋势。华中科技大学硕士学位论文4图1.2发展中MES的技术模型1.2.2制造执行系统（MES）的国内外研究现状鉴于MES的重要性，近年来MES在美日欧等工业发达国家得到了广泛而深入的研究和应用[xi]。MESA分别于1993年和1996年对实施MES系统的企业进行了两次问卷调查[i]，主要调查实施MES给企业带来的好处。调查表明：MES缩短制造周期45%左右，降低在制品25%或更多，缩短生产提前期35%左右，等等。正是由于MES在车间生产管理中的特殊作用，国际上著名的软件厂商和企业界纷纷响应并加入MESA，并推出自己的MES产品。例如，国际上著名的ERP软件供应商SAP公司在其产品SAP-R/3系统中整合了MES功能[xii]；Honeywell公司[xiii]也在它的协同生产管理解决方案中整合了MES功能；Consilium公司[xiv]面向半导体和电子行业相继开发了WorkStream(MESⅠ)和FAB300(MESⅡ)；西门子公司还建立了一套符合ISA95标准的MES产品框架和解决方案SIMATICIT；还有ASPENTech公司，EMERSON，Wonderware，Citect，Rockwell，CAMSTAR，GE，Tecnomatix，Invensy等等公司都在自己的产品中集成了MES的解决方案。日本的制造科学与技术研究中心将CORBA技术应用到MES当中[xv]，提出了一个与平台无关的开放式的制造执行系统(OpenMES)框架规范，并制订发布了Op