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-1-大型装备制造企业车间生产管理系统1王振伟,刘颖,王光禹,周川重庆大学机械工程学院,重庆(400030)E-mail:hawl186@163.
com摘要:针对大型装备制造企业具有的订单驱动和涉及大量大型复杂零件的加工制造两大特征及由此带来的生产过程的复杂状况,提出了一种适合大型装备制造企业的集成化的车间生产运行模式,在此运行模式基础上,建立了支持该模式运行的集成化车间生产管理系统,给出了该系统的体系结构、功能结构,并对系统实现的关键技术进行了研究.
最后,将该系统应用于某装备制造企业,取得了良好的效果.
关键词:大型装备制造企业;生产运行模式;车间生产管理系统;集成化中图分类号:TH166;TP391.
引言在世界工业发展的历史上,装备制造业的发达与否,是衡量一个国家国民经济持续发展的物质基础是否雄厚的产业之一[1].
大型装备的生产具有面向订单设计的制造驱动方式、客户的项目管理要求、单件小批多品种大成套的生产组织方式等特征.
其生产一般具有以下特点:产品品种多、单件/小批量、零部件系列多,生产过程复杂多变;产品及其零部件的设计方案依据订单制订,因而在其制造过程中经常需要对其设计进行改进或修改;产品设计、准备和制造周期长;多数是小批量订单,订单数量多,生产中常常面临对紧急订单的处理问题;满足交货期是生产计划与控制的主要追求目标.
因此,如何使得大型装备制造企业的生产过程能够有效地应对各种复杂的生产状况,提高企业的快速响应能力和生产计划的可执行性,减少废品率,缩短交货周期等,是这类企业普遍面临的问题.
为解决上述问题,进而改善管理,提高效益,很多大型装备制造企业都在大力推进信息化建设.
MRPII/ERP、MES、CRM等各种信息化管理技术的应用,为提高企业的竞争能力提供了有效的手段.
这些信息化管理技术涉及产品开发、生产管理和营销过程等方面,通过对大型装备制造企业的活动信息与资源进行集成和管理,增强企业的竞争能力.
生产车间是企业物料流、资金流、信息流的汇集点,是企业效益源头,因而成为企业管理与控制的重点.
为应对大型装备制造企业复杂的生产状况,提升企业管理水平,提高市场竞争力并加快企业信息化建设,一个有效的高度集成的车间生产管理系统非常重要.
国内外许多专家和学者对车间生产管理系统的实现技术和方法进行了大量的研究,并取得了许多有价值的研究成果.
如:文献[2]提出了一种支持生产计划、预测加工模式和生产控制为一体的系统平台;文献[3]提出了一种基于组件的可重构车间管理系统;文献[4]提出了一种基于组件的与MRPⅡ/ERP、CAPP、物资供应系统和工时定额系统集成的车间生产管理系统;文献[5]提出了一种基于公共对象请求代理体系结构(CommonObjectRequestBrokerArchitecture,CORBA)的可重构制造执行系统;文献[6]给出了一种适合复杂装备制造的集成生产管理系统解决方案;文献[7]对数控车间的信息集成技术进行了研究,提出了一种基于Web服务和组件技术的数控车间数字化信息系统的解决方案.
等等.
这些研究为大型装备制造企业车间生产管理系统的构建提供了一些有效的理论和实用的技术方法.
然而,从车间生产运作模式的角度对大型装备制造企业车间生产涉及到的各个环节的信息进行有效集成的管理信息系统的研究还不多.
1本课题得到国家科技支撑计划子课题(2006BAF01A27-2-9)的资助.
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cn-2-本文根据大型装备制造企业具有订单设计的离散制造驱动方式、复杂多变的生产状况等特征,结合目前对车间生产管理系统的研究现状,从车间生产运作模式的角度给出了适合大型装备制造企业的车间生产管理系统解决方案.
在应用方面,将以上提出的方案将应用于某装备制造企业,取得了良好的应用效果.
2.
集成化车间生产运行模式对于大型装备制造企业而言,由于其具有的订单驱动及涉及大型复杂零件加工制造两大特征,产品及其零部件的生产加工过程往往是整个生产过程的核心环节.
车间担负着根据订单的不同情况和生产过程的复杂状况制定作业生产计划,合理组织生产活动,确保订单的按期保质履行等各种任务.
针对大型装备制造企业车间生产过程所面临的复杂情况,提出了一种车间生产管理集成运作模式.
总体框架如图1所示.
主要由目标层、业务执行层、信息交互层、状态分析层以及信息集成共享层组成.
在该框架中,目标层是该模式的总体运行目标,通过业务执行层中各业务活动的执行,支持总体目标的实现;信息交互层是大型装备制造企业整个业务执行过程与车间生产过程的纽带;状态分析层则将信息集成共享层获取的各种信息转换为支持各种业务活动的有用信息.
图1集成化车间生产运行模式框架Fig1AFrameworkofintegratedworkshopproductionoperatingmodehttp://www.
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cn-3-目标层:针对大型装备制造企业的生产特征及生产状况的复杂性,建立其优化运行的总体目标,包括:缩短产品的生产周期,保证订单的按时完成;提高产品的加工质量,减少废品的产生;降低生产成本;提高市场的响应能力,尤其是对紧急订单的处理能力.
具体表现为:及时获取产品设计图纸、加工工艺、NC代码等产品设计信息以及生产计划、质量计划、成本计划等信息,支持企业实现无纸化生产和有效提高企业生产计划的准确度;提高生产过程信息交互的速度和效率,实现生产加工对生产计划的快速响应;实现生产现场加工状态信息的动态采集,为管理层提供加工进度、设备利用状况、在制品状况等关键数据支持,为管理层实时做出计划决策提供信息支持;支持生产计划的动态调度和优化运行,实现车间生产的高效组织和运行.
业务执行层:在大型装备制造企业车间集成运行模式下,要实现其目标层的各个运行目标,需要相应的业务活动支持.
业务活动主要包括市场部门、物资部门、生产部门、技术部门、设备部门、质检部门、财务部门、客服部门等.
其中生产部门是集成化车间生产运行模式下最为核心和复杂的部门,该部门需根据接到的订单制定出一个较为合理生产计划,对随意变更生产计划、紧急加单或任意取消单能进行适当的限制并做出快速的反应;同时监控设备的运行情况和产品的加工进程,对企业各个部门的活动进行协调,支持车间生产的集成运行.
由于大型装备制造企业车间生产过程的复杂性,因此运行机制的建立包括了多方面的内容.
依据各级生产计划的制订,以车间级的优化运行机制为基础,依次向上建立部门级优化运行机制、企业级优化运行机制,向下建立工段级优化运行机制、设备级优化运行机制,各种机制之间相互关联,进而实现整个生产计划的动态运行.
信息交互层:信息交互层描述了大型装备制造企业集成化车间生产运行模式的信息交互过程.
从订单的接收、原料的采购、零配件的外协计划、产品的设计、工艺设计、到生产计划的制订和作业调度的安排,以及制造检验、生产统计、成本分析、设备管理、产品的入库和配送以及客户服务等各个环节产生的相关信息.
其信息交互模型如图2所示.
由图2可知,在集成化车间生产运行模式中,通过与涉及车间生产相关业务部门的信息沟通,及时获取相关信息并完成信息的交互和反馈,因此,正向信息流以及信息反馈流形成了一个信息交互模型.
图2集成化车间生产运行模式的信息交互模型Fig2Aninformationexchangemodelofintegratedworkshopproductionoperatingmodehttp://www.
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cn-4-状态分析层:在大型装备车间集成运行模式中,状态分析层主要提供各种生产运行状态分析工具,以订单的执行情况为主线建立状态分析工具.
包括对客户信息与客户沟通挖掘客户潜在需求,并帮助客户逐渐明确需求,进而确定订单的分析工具,原料和外协零配件计划的查询工具,生产计划的制定和分析工具,产品的完成进度和质量信息的查询工具,产品的配送和客户接收信息查询工具等.
信息集成共享层:大型装备制造企业车间生产管理系统通过集成ERP系统的生产计划信息、PDM系统的产品信息、CAX系统的设计和工艺等技术信息、供应链上原料和外协件供应信息、车间设备层的设备运行信息、客户关系管理系统的客户需求与反馈信息等,实现从客户服务(含售前服务和售后服务)、产品配置、采购管理、生产制造、质量检验、成本控制、成品入库、产品发运、客户签收等订单生命周期的信息共享和业务协同.
3.
车间生产管理系统的体系架构基于上述集成化车间生产运行模式,建立一个大型装备制造企业的车间生产管理系统,以支持该运行模式的应用实践,该系统的体系结构如图3所示图3大型装备制造企业集成化车间生产管理系统体系结构Fig3Anarchitectureofintegratedproductionmanagementsystemforlargeequipmentmanufacturingenterprise(1)系统支撑层:包括数据库管理支撑分系统、网络支撑系统和信息安全管理与控制分系统,是系统运行的基础和支撑.
(2)系统功能层:通过系统集成接口能有效地实现与企业其他信息系统如PDM、ERP、SCM、CRM等涉及企业产品数据管理、经营管理、供应链管理和客户管理等信息系统集成.
实现车间生产管理系统与这些系统实现数据传递和信息共享.
其核心功能主要是实现生产作业计划的制定、下发和接收,生产任务的分配、监控和调整,生产现场信息的采集、反馈和分析等集成运行,包括生产作业计划管理、生产作业进度监控、数据采集、综合报表与查询、文档管理等功能模块.
(3)集成工具层:包括SOA框架、业务流程管理中间件、集成规范以及信息传输和交换等内容,为大型装备制造企业车间生产管理系统与其它相关系统的集成提供技术支持和规http://www.
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cn-5-范管理.
(4)多渠道接入及信息交换层:企业高层管理人员、车间管理人员、操作工人、以及供应商和客户等,通过相应的身份验证和权限分配,以多种方式(web浏览器,信息终端,手机等工具)接入系统.
例如通过多功能信息交互终端[8]能够实现与车间加工设备的互连,进行NC代码的上传和下载,能自动实时地获取设备的状态和加工进度信息,同时该终端作为工人的工作信息平台,能够获取加工所需要的信息(如零件图纸、工艺、加工任务等)并采集生产任务的进度和物料消耗等信息,以实现车间无纸化生产;能够支持PC、PDA、RFID等多种方式的数据采集和信息交互、远程用户(出差在外的管理者、客户等)通过互联网进行系统的访问等.
4.
车间生产管理系统的功能结构大型装备制造企业车间生产管理系统的系统功能结构如图4所示.
主要包括制造基础数据管理模块、系统管理模块、生产作业计划与调度管理模块、数据采集管理模块、综合查询与报表分析管理模块、系统集成接口等功能模块.
图4大型装备制造企业集成化车间生产管理系统功能结构Fig4AFunctionalstructureofintegratedproductionmanagementsystemforlargeequipmentmanufacturingenterprise制造基础数据管理:制造基础数据管理是车间制造过程管理运行的基础,实现的功能包括零件主数据、产品结构、生产设备、工艺规划、标准工序、工厂日历和员工信息管理等.
系统管理:包括用户管理、角色管理、权限管理、数据管理和日志管理等功能.
生产计划与调度管理:根据生产订单,进行生产加工调度并以工序订单的形式下发执行,并监控生产过程,对生产过程中的设备故障、工艺变更、需求计划改变和车间资源波动等具体问题进行调整,实时地做出生产方案、工艺路线和车间资源分配的更改决策,进而调整车http://www.
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cn-6-间作业计划,以满足实际生产的需求.
主要包括生产作业计划制定、生产作业计划派工、生产作业计划接收、调整和查询,以及生产进度的查询与分析、异常情况的处理查询等.
数据采集:通过数据采集接口来获取和更新与人员、设备、操作、工序、物料以及其他与生产功能相关的各种数据和参数,形成了过程的当前状况信息,以便其他相关系统和人员进一步使用,这些现场数据可以从车间手工录入或由各种自动方式获取.
包括生产进度采集、设备状况采集、产品入库采集、质量数据采集等.
综合查询与报表分析管理:根据车间的生产管理要求生成各类常规的生产汇总报表,同时能够提供多种方式、灵活的、多维度的分析和查询,为管理人员提供生产进度、库存、产量、质量等方面的资料.
包括物料报表查询、质量报表查询、生产进度报表、远程查询等.
系统接口管理:主要通过该系统与ERP系统、SCM系统、CRM系统以及PDM系统、CAX系统和底层设备等企业信息系统的有效集成,实现车间生产过程与相关环节的实时协同和集成运行.
5.
系统实现的关键技术分析5.
1基于多功能信息交互终端的动态车间作业计划研究大型装备制造企业具有产品生产周期长、生产过程多变等特点,如何保证生产过程计划有序,是车间生产系统管理的难点和重点.
一个有效的动态车间作业计划是解决这一问题的最有效措施之一.
要制订一个可行的车间作业计划,要对影响生产过程的各种内外变化进行实时的监控,并将车间作业计划与实时监控系统有效地集成起来,对这些变化产生响应,滚动生成新的作业计划,从而使整个生产系统处于一种动态的、计划有序的状态下.
基于多功能信息交互终端的动态车间作业计划较好的解决了这一问题.
如图5所示图5基于多功能信息交互终端的动态车间作业计划框架Fig5Aframeworkofdynamicjobshopschedulingandbasedonmulti-functioninformationexchangeterminal多功能信息交换终端实现了大型装备制造企业车间生产管理系统向下与底层监控设备的集成,用于对底层设备信息的监控,实现设备生产运行状态的信息采集.
车间管理人员和企业高层可以实时监控生产过程,对生产过程中的设备故障、工艺变更、需求计划改变和车http://www.
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cn-7-间资源波动等具体问题进行调整,实时地做出生产方案、工艺路线和车间资源分配的更改决策,进而调整车间作业计划,以满足实际生产的需求.
从车间作业计划中所截取的最近一段时间的作业计划,称这"最近一段时间"的跨度为车间作业计划的时间长度.
若车间作业计划时间长度过长,监控的信息不能及时地反馈到车间生产管理系统,原有计划的执行偏差将逐渐加大,并逐渐失去指导意义;若车间作业计划时间长度过短,计划频繁地发布,不仅可能破坏正常加工的连续性,也容易使工人对计划的严肃性和可行性产生怀疑.
因此,一个合理的作业计划的时间长度对于保持生产系统的计划有序是至关重要的.
将实时监控的数据与计划数据进行对比,评价执行的偏差,确定是否对车间作业计划进行滚动.
具体方法是:设某一天实际加工的工序总数为Nr(rN由对监控数据的统计得到),其中与计划吻合的工序数量为sN,则执行的吻合率可表示为:ω=NrNs*100%(1)执行的偏差率表示为:σ=(1-NrNs)*100%(2)设定一个偏差率门槛值,记为[σ],当σ>[σ]时,即对车间作业计划进行滚动,否则,仍然维持原来的计划.
5.
2基于SOA的系统集成技术面向服务的架构(ServiceOrientedArchitecture,SOA)是一种基于标准的、松散耦合的企业架构,具有语言独立性、松散耦合、跨平台、良好的封装性、位置透明等特点[9].
同以往的C/S或B/S结构相比,SOA的最大特点就是有一个灵活而且功能性很强的服务层.
基于SOA的分布式应用集成系统可以分为3层,如图6所示,其中,面向服务的应用又可以分为3层:组件层为服务层提供数据层的封装;服务层为业务层提供统一的接口;业务流程层则提供了业务逻辑规则的实现.
每一层次都利用下一层次的实现,而又对上层提供接口.
图6基于SOA的车间生产管理系统的分层式结构Fig6AhierarchicalstructurebasedonSOAofworkshopproductionmanagementsystem企业资源层:该层主要包括企业现有系统,如ERP系统、CRM系统、SCM系统和数据库服务器等,能够为车间生产管理系统的集成化运行提供数据和功能支持.
这些应用系统目http://www.
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cn-8-前在企业中对业务起了支撑作用.
基础组件层:以组件库的形式为整个车间生产管理系统体系架构提供了各种零、部件,用户根据需要去选取.
资源组件是车间各种制造资源组件集合,如设备、工具、人员、日历等;通用业务组件为车间生产管理系统提供各种通用化的组件,如订单处理、数据录入、统计分析等;专用业务组件主要针对具有某种特殊要求的车间生产管理系统所定制的组件,如数控代码、成本管理、电子看板等.
其它业务组件则包括客户资料信息、物资供应信息、产品配送信息、终端交互信息等.
服务层:按照业务领域对服务进行了划分,并对外提供各种基础服务.
系统的功能由不同粒度的服务实现,每个服务通过良好定义的网络服务描述语言(WebServicesDescriptionLanguage,WSDL)进行描述,如与设备的接口通过设备接口服务来实现,车间制造业务管理由相应的业务管理服务来实现.
服务可以根据粒度分层.
业务流程层:用于管理和运行企业的各项活动及服务,是由一系列在逻辑上相关的任务组成的,流程引擎运行整个虚拟企业的工作流程时,将按流程向各个虚拟企业发出服务调用的请求.
业务流程执行语言(BusinessProcessExecutionLanguage,BPEL)是SOA实现组合服务和服务编排的重要技术基础,其灵活性、嵌套组装、可恢复性等特点使服务组装能更好的适应企业业务流程.
表现层:系统提供的用户接口,用户通过表现层使用系统提供的服务.
针对一个面向客户的订单查询活动,SOA先把CRM系统的客户资料信息查询模块和身份验证模块、ERP系统的生产计划的功能模块、CAX和PDM系统的结构和工艺设计功能模块,MES的车间任务管理模块和任务跟踪功能模块以及其他相关模块封装成相应的功能组件,以便重用、集成或组合成流程.
当发出订单跟踪请求时,车间生产管理系统可根据集成组件的细粒度服务配置成粗粒度的服务信息,实现请求响应,并可以实现与系统的信息交互.
6.
应用实践某装备有限公司是以大型燃气轮机、大型超临界机组、重型发电机组和风力发电机等产品为主的大件加工企业,具有典型的多品种、单件/小批量、订单定制、多任务成套生产特点,产品的复杂程度高.
通过实施大型装备制造企业车间生产管理系统,综合各个业务系统域,实现了企业内外部的信息集成和过程集成,提高了企业的经济效益.
具体表现在以下方面:图7车间生产管理系统的管理端与终端操作界面Fig7theinterfaceofmanagerandterminalintheworkshopproductionmanagementsystemhttp://www.
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cn-9-(1)改进了产品开发过程,降低了产品设计和工艺方案的返工次数,提高了产品质量,产品开发周期比实施前缩短30%~40%;加强了设计和生产管理的联系,设计和工艺部门产生的明细表、产品结构和工艺信息直接成为车间生产管理的输入数据,能够有效地被共享和使用,并且均用电子文档的形式下达,同时采用电子化的方式进行相关信息的采集与上报;提高了信息传递的效率和减少纸张浪费,实现了车间无纸化生产,减少了产品工件的报废数量,降低了生产成本.
(2)生产管理部门可实时了解加工任务进度情况、物料供应情况、生产异常状况、质量控制情况及设备运行状况;改善了企业实时数据的报表能力,以及物料与设备的管理状况;提高了生产计划的制定效率和准确度,并可根据客户特殊需求的改变或者紧急加工任务的插入灵活地调整生产;保证订单的按时完成,缩短了生产周期,降低了交货期.
本文通过针对目前大型装备制造企业具有订单驱动的生产方式以及复杂多变的生产过程,从车间生产运作的角度,提出了一种大型装备制造企业的集成化车间生产运行模式,其总体框架主要包括目标层、业务执行层、信息交互层、状态分析层和信息集成共享层.
在上述模式的基础上,建立了一种大型装备制造企业集成化车间生产管理系统.
研究了该系统的体系结构和功能结构,并对基于多功能信息交互终端的动态车间作业计划以及一种基于SOA的系统集成技术等系统实现的关键技术进行了研究.
该系统在一家大型装备制造企业中得到了初步应用,有效提高了企业生产车间的管理水平和生产效率,增强车间应对复杂生产状况的处理能力,为解决其生产过程面临的问题提供了一种有效的途径.
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cn-10-LargeEquipmentManufacturingEnterpriseWorkshopProductionManagementSystemWangZhenwei,LiuYing,WangGuangyu,ZhouChuanSchoolofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,(400030)AbstractAimingatthecomplexsituationsinthelargeequipmentmanufacturingenterpriseswhichhavetheproductioncharacteristicsoforder-driven,involvingalargenumberoflargeandcomplexpartsmanufacturingetc.
Anoperatingmodeofintegratedworkshopforlargeequipmentmanufacturingenterprisewasimplemented.
Onthebasisofit,anintegratedworkshopproductionmanagementsystemwhichsupportthismodewasestablished.
Thesystemarchitectureandfunctionalstructurewereputforward,andthekeytechnologyofsystemwasstudied.
Finally,thesystemisappliedinanequipmentmanufacturingenterpriseandagoodeffectivenesshasbeenobtained.
Keywords:largeequipmentmanufacturingenterprise;operatingmode;workshopproductionmanagementsystem;integrated作者简介:王振伟,男,1984年生,硕士研究生,主要研究方向为制造系统工程,生产系统运作与优化.
E-mail:hawl186@163.
com联系电话:15826179313刘颖,女,1973年生,硕士研究生导师,主要研究方向为计算机集成制造系统.