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第二章 软件定义企业新能力

第八节 船舶军工制造企业MES应用研究

中国船舶重工集团公司710研究所 姚涛 张忠波 俞涛 陈少平
 

引言

        我国的船舶军工制造行业经过多年的发展,其生产管理水平在国内制造行业中处于前列,然而通过对一些典型船舶军工企业的需求调研,发现我国船舶军工制造企业面临产能不足的瓶颈问题,如何有效提高企业的生产率、缩短产品制造周期,并提高企业的适应能力和竞争能力成为亟待解决的课题。本文通过分析国内船舶军工制造企业生产管理过程中普遍存在的问题现状,提出了构建基于MES的船舶军工制造企业生产管理平台,从而提升企业的竞争力。

1 企业生产管理现状与需求分析

        1.1 企业的生产特点和管理现状分析
        船舶军工制造企业主要生产独立研发的军工产品和一些外协的零件和部件,近些年来有向民用产品扩张之势。大部分企业经过改革开放几十年的发展,由原来几十人规模的纯手工作业,发展到目前几百人甚至上千人规模的拥有百分之七八十自动化设备的先进制造,无论是生产能力还是产品质量均有大幅度提升。船舶军工制造企业作为生产制造类企业,不仅具有制造业的普适性,也有其独特性,主要表现如下。
        1)典型的多品种、小批量或是单件的离散加工。企业的产品一般多达上百甚至上千种,每种产品的制造批量大小不一,多达几十件到成百上千件,少则几件甚至单件。
        2)多型号并举,研制和批量生产交叉进行。多型号产品在车间同时生产,研制和批量生产任务并行,特别是研制任务,设计方案变化频繁,与之相应的制造工艺、物料需求随之调整,给生产车间的生产和管理带来极大挑战。
        3)插单现象普遍,计划变更频繁。企业生产任务繁重,而且时常会接到一些指令性订单,生产过程中存在较多的紧急任务,给车间计划制定和调整带来极大困难。
        4)工艺过程复杂、生产环节多,制造难度大。由于该类企业制造的多为军工产品,对工艺要求非常高,导致产品的加工工艺比较复杂、精度要求高。
        5)产品质量要求高,生产过程对质量控制非常严格。企业对生产的产品质量要求非常高,出厂合格率必须为100%,在企业生产过程中,产品每道工序完成后都要经过严格的检验,对出现的质量问题需及时处理。
        由于国家多年的大力投入,该类企业的信息化水平一直走在行业的前列,很多企业陆续实施了PDM、ERP、CAD、CAPP与DNC/MDC等信息化系统。但企业现有信息管理系统主要集中在技术和管理部门,企业车间制造过程信息化几乎处于空白状态,众多的数控设备还处于单机作业模式,车间管理工作主要采用个人经验与人工干预的方式。这种依靠人工的生产组织与管理方式已难以适应企业的生存发展需要,生产资源管理信息和产品技术信息在车间无法快速有效利用,车间生产过程信息得不到及时反馈和控制,产品生产周期难以得到有效管控。
        1.2 企业的生产管理需求分析
        通过对国内多家典型的船舶军工制造企业的业务需求调研,归纳出企业生产管理中出现的主要问题,具体如下:
        1)生产计划难制定。计划员主要依靠落后的人工方式进行计划和调度,工作量大、难度高;企业普遍为建立多年的国企,工人素质参差不齐,造成工人能力具有不确定性;生产设备种类多样,实际生产中设备受到各种复杂因素影响,难以确定任务有效加工工时,造成实做工时具有不确定性;生产中“插单”现象时有发生,计划任务变更频繁,造成生产任务具有不确定性。
        2)生产过程难监管。企业整个生产过程不透明,大量管理人员在现场协调生产。管理人员不能及时监控生产状况,缺乏对当前生产状态的及时了解,无法动态掌握当前各种资源状况;管理人员无法快速准确定位产品的加工、质量等其关注的信息,对生产历史信息难以追溯;管理人员无法对生产计划进行及时跟踪与把控,缺乏对生产进度信息的精确把握,对生产细节信息很难及时掌控;生产现场环境复杂、突发因素多,工人没有有效的手段及时地反馈问题,管理人员无法及时获取车间异常情况信息,车间异常事件很难得到及时的处理,导致车间对突发状况的应变能力有限;生产信息复杂多样,统计工作繁重,对数据的准确性、可靠性要求很高,企业难以全面准确地获取各方面信息,导致生产信息统计分析不准确,无法有效地指导管理者制定相应的生产改进措施。
        3)管理流程难规范。企业制造车间是一个复杂的物化中心,涉及的信息种类繁多复杂,以人工操作(或干预)为主的信息系统难以形成行之有效的管理流程规范。车间信息的传递大多以人工为主,传递慢、反馈不及时,信息损失大,而且易出差错;管理人员习惯于传统的人工管理模式,对现代信息技术的发展和应用不熟悉,不能有效地采用信息化手段对生产管理流程进行梳理与规范。
        4)企业信息难集成。企业生产过程中处理的信息繁多、复杂,导致信息难以集成。加工过程中涉及设计、工艺、制造等各环节信息,要将各方面信息有效集成应用难度大;车问生产是一个离散动态过程,为了准确把握生产现场状况,对信息的实时性要求很高,但企业设备种类、品牌多样,无法通过单一的数据采集方式将所有设备相关信息采集完整,需借助多种手段获得生产数据,这些多源数据增加了企业信息集成的难度。
        本文针对国内船舶军工制造企业生产管理过程中普通存在的问题,提出了构建基于MES的船舶军工制造企业生产管理平台,大力促进企业信息技术的发展和应用,用先进的技术管理手段变革现有的生产组织和管理模式,实现生产过程管控数字化,不断挖掘企业生产制造的潜力,从而全面提升企业的竞争力。

2 制造执行系统

        制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)概念最早形成于20世纪80年代后期,20世纪90年代逐步成形并率先在欧美发达国家获得迅速发展与应用。在我国,MES起步较晚,进入21世纪后才引起国内企业的重视并逐步得到发展与应用。
        目前,业界对MES还未形成统一的定义,美国先进制造研究机构(Advanced Manufacturing Research,AMR)将MES定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的,面向车间层的管理系统”,其主要任务是通过为操作人员、管理人员提供生产计划的执行、跟踪信息以及所有资源(人员、设备、物料等)的当前状态,均衡资源的利用率,在保证生产计划顺利进行的前提下,通过提高产品质量、缩短产品制造周期等方式来提高企业的敏捷性。AMR于1992年提出的三层企业集成模型清楚地表达了MES在企业系统中的地位和作用。
        国际制造执行系统协会(Manufacturing Execution System Association,MESA)对MES所作的定义为:MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理,以此减少无效的活动,使得企业的高效运营成为可能,以迅速应对变化,从而提高企业生产活动的柔性。
        2.1 MES标准功能
        MES强调计划的执行,在企业的整个信息化系统中处于纽带环节,起着承上启下的作用。MES本身也是各种生产管理的功能软件集合。MESA归纳了MES的11个主要功能模块,包括资源管理、详细计划、排产调度、文档管理、数据采集、人力资源管理、质量管理、过程管理、设备维护管理、生产跟踪和性能分析。实际MES产品可能包含其中一个或几个功能模块,这取决于企业应用MES的广度和深度,即企业应用的需求。
        2.2 MES现状与发展趋势
        MES在发达国家已经实现了产业化,其应用覆盖了流程与离散制造领域,并给相关企业带来了巨大的经济效益。MESA于20世纪末通过调查发现:企业使用MES后,可有效地缩短产品制造周期,减少在制品数量,降低或消除数据录入时间,改进产品质量并提高工作效率。“十一五”期间,国内对离散制造MES进行了探究,并取得初步成效,在市场上出现了一些针对离散制造业的MES产品,如ICON-MES、开目MES(KMMES)和天为MES等。
        MES的发展源自制造企业的内部需求,传统MES是从20世纪80年代后期发展起来的,并逐步形成了一些专门从事MES开发的公司。传统MES分为专用MES和集成MES。人们综合二者的优点提出了可集成MES,即每个程序既是一个专门的解决方案,又可集成为一套MES产品。基于此开发的MES具有开放性、模块化、分布式和可配置性等特点。
        目前,MES正朝着新一代MES方向发展,其主要特点是基于ISA95标准,具有易于配置、变更与使用的特点,具备良好的可集成性并提供门户等功能,其主要目标是以MES为引擎实现全球范围内的生产协同。

3 基于MES的企业生产管理信息化系统设计

        3.1 基于MES的生产管理平台体系结构
        通过对典型军工制造企业的调研分析,根据MES在企业信息化建设中的地位和作用,结合企业的主体业务和企业制造业务信息流,本文提出并设计如图1所示的基于MES的军工制造企业生产管理信息化系统。
        系统主要由资源建模管理、物料管理、工时管理、计划管理与排程、任务调度管理、作业执行管理、数据采集、车间事件管理、质量过程管理、看板监控、统计分析和权限管理等模块组成,涵盖了制造现场的多维度管理,具有良好的可配置性、扩展性与可集成性,不同企业的工艺流程与管理需求可以通过现场的定义在系统中实现。系统采用分布式数控(Distributed Numerical Control,DNC)采集数据,DNC数据是具有数控装置的机床群的物理信息。

基于MES的军工制造企业生产管理信息化系统

图1 基于MES的军工制造企业生产管理信息化系统

        该系统在结构上采用C/S与B/S的混合模式,采用面向对象的思想和方法进行建模、设计与开发;通过对功能构件建模、封装与部署,从而实现系统的可扩展性与重构性;严格定义各模块和功能层次的接口,利用成熟的数据表示和交换技术作为异构系统之间的交互协议,保障系统的可塑性与灵活性。
        3.2 系统主要功能规划与实现
        3.2.1 资源建模管理
        通过对象化建模方式对车间的人员、设备、物料、结构和资源组等各方面的实体对象进行数字化建模,并对相互关联的对象建立其关联关系。企业可以通过MES的资源建模管理功能对生产车间的实体资源进行统一管理和维护。
        3.2.2 计划排程
        计划排程属于计划管理与排程模块功能。通过MES无缝集成的高级排程功能模块极大地降低了车间计划员的工作量,排程结果直观且易于调整,图2所示为高级排程。

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图2 高级排程

        3.2.3 生产过程管理
        生产过程管理属于作业执行管理模块功能。企业生产的主体过程包括接单、分解计划、编制生产任务、下发任务单、班组长确认任务到工人、工人生产加工、检验员检验和转移工运送物料等系列过程。
        MES中,生产过程管理用于实现企业这一整套业务过程管理,并对生产现场的任务执行和加工质量信息进行采集,实现了对企业生产过程的执行与跟踪管理。
        3.2.4 车间事件管理与看板监控
        生产过程时常出现各种异常事件,包括设备故障、质量异常和NC程序异常等各方面问题,为了能够及时地反馈生产现场的各种问题,工人可在车间制造终端上触发响应的报警信号,管理人员可通过相关的监控看板及时地了解生产现场出现的状况,从而能够及时地处理车间现场的问题,为生产顺利进行扫除障碍。
        3.2.5 车间工作流程管理
        车间工作流程管理属于质量过程管理模块功能。车间生产过程中包含很多管理流程,为了提高车间生产管理水平和效率,MES提供对管理流程进行工作流建模的功能,并将其应用于车间的日常生产管理中,从而规范其生产管理过程。
        3.2.6 数据采集与统计分析
        MES通过多种方式(如触摸屏、条码枪和刷卡器等)实现车间生产信息的采集,内容包括加工、质量和设备运行等各方面的信息。同时,MES可提供统计分析报表,通过对企业的生产情况进行分析统计,挖掘出企业生产背后隐藏的问题,从而针对性地改进企业生产管理薄弱环节,有效地提高企业资源利用率和企业效益。

4 MES应用实施案例

        4.1 MES项目概况
        本文开发的MES在某军工单位进行了实施运行,周期大约12个月。在此期间,基于企业主体业务流程,进行了客户定制化开发、MES的部署安装以及后续的系统联调与上线运行支持等,图3所示为企业主体生产业务流程。

企业主体生产业务流程

图3 企业主体生产业务流程

        4.2 MES实施与应用效果
        4.2.1 MES实施
        MES实施过程包括:调研与需求分析、方案编写与评审、定制化开发、系统部署联调、上线试运行与功能完善、推广应用、项目验收和服务与支持等几个阶段,图4所示为企业MES实施流程。

企业MES实施流程

图4 企业MES实施流程

        MES有别于其他信息系统,其应用成败主要在于企业的管理理念与硬件水平,其次是MES的性能。MES是先进的信息化管理技术和手段,倡导精益化生产。MES的实施势必会对企业传统的生产组织方式和管理模式带来挑战,所以实施MES项目最重要是企业领导层对MES足够的认识,有魄力和信心改变企业的生产管理现状;其次,实施MES的企业相关硬件水平要达到一定的高度,主要是企业设备自动化程度与信息化建设硬件水平;最后,MES的性能要有足够的保障,MES是面向车间层的管理系统,而车间生产是实时进行的,不能因为MES的性能影响生产的顺利进行,所以MES的稳定性与响应快速性是必须要保障的。
        4.2.2 MES应用效果
        MES在该企业的成功实施,对该企业生产管理在以下几个层面有了较大的提高和改进。
建立起适合企业信息化的总体解决方案。通过对该企业进行MES的实施,给出了企业整体信息化平台的解决方案,主要包括业务模型、车间资源模型、计划管理与排程、生产过程管理、企业一体化集成架构和企业生产数据统计分析等,并形成了完整的实施过程规范,成为该行业信息化整体解决方案的典范。
        构建了企业计划一制造一执行一体化集成框架。企业实施MES后,突破了传统的主要依靠人工或外部文件进行系统间信息传递与共享的模式,通过接口实现各系统间的有效集成,规范数据的传递与共享,极大地减少了企业数据冗余度,并提高了信息共享度。另外,通过面向车间的MES在计划层与控制层之间架起一座信息的桥梁,实现了上、中、下三层模式的企业级集成应用,实现了计划一制造·执行的一体化作业,提高了企业有限资源的利用效率,解决了企业高端数控设备利用率低的问题。
        实现了企业生产过程的有效管理。通过MES的实施,企业建立了各种主体资源的数字化模型,实现了车间资源统一管理;MES的高级排程实现了以计算机为主的自动化排程,改变了企业原有以人工为主的排程模式,极大地提高了计划调度的便捷性与敏捷性,使企业计划员大为减少,由原来8人变为2人;根据排程的排产计划生成电子跟踪卡,以记录和跟踪任务的执行信息,工人通过现场制造终端接受任务、汇报信息与反馈现场异常,管理者通过MES提供的多种看板实时监控车间生产状况,极大地提高了企业生产过程的无纸化作业程度与企业生产活动的透明化监管程度,从而使生产现场问题平均处理周期缩短25%,使生产计划执行率有效提升20% ;MES细化了质检员的工作,通过采集相关质量信息,采用工作流技术实现企业质量管理过程规范化,加强了企业对产品质量的管控,使企业产品质量平均提高了10%;系统提供丰富的报表进行生产信息统计与分析,实现了对生产历史数据的可追溯性,而且通过统计分析不断发现生产过程中的内在问题,从而持续地改进企业的生产薄弱环节,提高企业的生产效益。

5 结语

        企业生产管理与信息化建设是一个持续完善的过程,MES是企业生产管理强有力的手段与信息化建设基础内容之一,更是企业整个信息化链条的核心纽带。MES的成功实施为船舶军工制造企业的整体信息化(OA、P6、CAD、CAPP、ERP、PDM和DNC/MDC等的集成)的规划和建设奠定了坚实的基础,也为企业生产管理过程的持续改进、优化提供了有力的保障。
 
(本文引自《现代制造工程》, 2017 (3) :31-37)