第二章 软件定义企业新能力

第一十一节 MES系统助力智能制造

南京康尼机电股份有限公司 祖雪飞
 

1 传统MES系统的定义与应用

        MES系统是制造执行系统的简称,它是由美国的AMR公司在90年代初期的时候提出来的,目的是为了使MPR计划的执行功能进行加强,把车间作业现场和MPR计划进行现场的控制,利用执行系统把它们连接起来。这里面所说的现场控制主要指的是数据采集器、条形码、PLC程序控制器、机械手以及各种各样的检测和计量的仪器。MES系统通过设置必要的接口,和厂商之间建立起合作关系。现代的MES系统是一种管理系统,它是面向制造企业和执行层的生产信息化。它能够给企业提供计划排程管理、设备管理、采购和成本管理、对生产过程进行控制、对项目看板进行管理、对底层数据进行集成分析、对上层数据进行集成分解等等的管理模块,目的是为企业打造出一个可靠、全面、可行并且扎实的制造协同管理的一个平台。
        MES的体系结构经历过两个发展历程,即从T-MES向I-MES的发展历程。传统的MES(即T-MES)是在1960年在零星的车间级应用里面发展起来的。它又可以分为专用MES和集成MES 两大类。专用的MES是属于一种自己就是一体的应用系统。它一般是对单一的生产问题来说的。这些问题包括制品的库存过大、设备的利用率低以及产品的质量不能够得到更好的保证,它能够给这些问题去提供有限功能。比如质量设备、设备的维护、作业维度、物料管理,还可以适合于某一种特定的生产环境(如应用于MEMS车间和半导体的MES,应用于FMS系统的MES)。专用的MES具有投入少、实施快等等的优点,但是它的可集成性和通用性都比较差。集成MES系统的初衷是为了针对某些特定的行业(如装配、半导体、食品和卫生、航空等等)特定的环境而进行设定的。目前整个的工业领域都得到了拓展。它在功能上面已经实现了与上层处理事务和下层控制系统进行实时的集成。MES集成化具有相当丰富的应用功能,还具有统一的逻辑数据库和产品及工程的模型等优点。但是这类系统一般都会对特定的车间环境有着特殊的依赖,柔性相对来说也比较差,缺少广泛的集成能力和通用性,很难伴随着业务的过程发生变化而进行重新的配置。
        可集成MES这个概念是AMR在发展和分析信息技术的方面和MES应用的前景之下提出来的,它是将消息机制、组件技术模块化应用到MES系统的开发中,它是两类传统的MES系统的结合。在表现形式方面看,I-MES具有专业MES系统的特点,就是说可以实现上下两层的集成。另外,I-MES还具有可扩展、可重构、客户化和互操作等等的特性。能够实现各个不同厂商之间的集成和原有系统方便的进行,目前的基于组件的I-MES是MES发展的主要的方面。综合利用成熟的技术和理论,形成可以适应,可以集成,可以重构的MES的框架体系,为了进一步提高MES软件能够跨行业的使用、适应和协调能力进行强有力的支持。基于现在已经具有的成果和基础,发出符合我国流程工业和离散制造业特点及需求的MES软件系统、构件库和相关的工具。

2 智能制造的概念及体系架构

        智能制造的定义是由人类专家和智能设备一起组成的人和机器一体化的一种智能系统,它主要在制造的过程中进行智能的活动,比如一系列了判断、分析和决策等等。主要通过人与机器结合在一起共同做事,进而扩大延伸或者部分的去取代人类的专家从事制造中进行的脑力劳动。它更新了制造及其自动化的概念,并扩展到高度集成化、柔性化和智能化。
        产品的智能化一般包括自适应工况、产品的个性化定制与服务、人机交换、自主决策;而装备的智能化,是将很多歌专家的经验和他们的专业知识进行融入感知、执行和决策的环节,给产品制造在线注入知识进化和学习的能力,比如来说在很多机械装备里面实现各种动态信息的制造;车间的智能化,主要表现为一个车间到底要生产什么,车间的设备的运行状态如何,质量如何的去管控,物料是否能做到及时的配送,是不是具有生产防范错误的系统,是不是有作业的指导,什么时候可以开始进行生产的统计,产品是不是能进行及时的发送和运输等等都可以成功的实现全局的生产和管理控制;工厂的智能化,一般包括智能化生产的管理与控制。智能化的物流与仓储、智能的生产线和加工中心,还有智能化生产的管理与控制;当然最重要还是要实现一个完整生产现场的智能化控制,举例而言很多很多的企业都开始使用了自动化的仓库,还有没人引导的小车等等。实现了工厂智能化最应该重视的人与机器的互动。智能制造还体现在建立制造一体化知识库与产品设计体系;以生产知识的再次利用和共享作为目标聚焦制造问题下的制约条件,从而进一步建立产品设计的体系;把那些长期研究目标的工厂和生产过程中的一些知识的共享作为目的,来建立出可以重构的生产与生产管理的体系;构造建立出柔性的设备,把研究库的研究成果加以利用,从而开发探讨出一种柔性人机一体化的新模式,进一步的去探讨出大规模下的生产模式。

3 智能制造中MES系统的应用和智能制造的未来

        智能制造的任何一个角落都存在着工业软件。而MES是企业制造业信息化的非常重要的组成部分。它贯穿于生产、生产制造和工程技术的交集,它是智能制造的重要灵魂,因此其在智能制造体系建立的过程中存在着举足轻重的作用和地位。在工业时代的推动下,智能制造业一定会焕发出新的生命力,主要体现在智能制造的设备将会实现高度的自动化,生产系统具备实时应对各种事件的功能,从而可以保证彻底的对生产过程进行优化。这种生产的优势不仅仅体现在生产条件特定的情况下,而且可以在Internet的网络大环境下去实现横向最优化。制造业在一步步迈向智能化的过程当中,就迫切的需要MES将零散化、碎片化的数据进行整合然后去进行分析,互联互通数据,去打通产品设计、供应链管理、客户管理、效率系统管理,真正去实现底层的控制层,、层的执行层、上层的计划层整体的优化。最终使制造业企业的资产产品的成本更低、市场的风险可控、使用的效率更高、市场风险做到可控,把制造业的整体竞争力做到有力的提升。

4 MES是如何助力于智能制造

        4.1 MES助力于工艺部门用来保证品质的均一
        工艺部门是制造执行系统的支持。它主要是根据工厂的平衡生产计划制定出工艺技术的思路,把问题整明确,进一步提供出解决的方案。由生产部去协调各部门的物流信息流和各道工序。基础设施在成熟的情况下,可以根据各个信息链的终端去做到及时的反馈数据信息,对各个生产环节进行优化,已做到实现工厂信息自动化和生产的自动化。1)远程控制自动去下发指令。MES根据不同的应用场景,不同的数据,人员能力的不同,设备的投入等方面去采取不同的数据的采集方式。即使去获取设备、各工序、物料等数据。系统可以通过将各个工艺环节的数据进行反馈从而及时的去分析产品的质量,使生产的参数得到进一步的优化,细节化每一道生产工序,严格的按照标准去执行,保证生产的高效管理。2)设置权限。设置多角色的协同参与机制,定出一个规则,都按照这个规则去实施,不同的界面功能同一个用户有着不同的权限去控制,里面只显示出其负责的任务,用来实现全面的职责分明,业务协同,做到生产质量的较为严格的控制。3)自动化报警。工艺系统的管理必须要做到双重的确定,当任务的执行过程中某个环节的工艺出现了和工艺标准不一样的情况,若系统无法做到自动修复,就会立即报警,然后切换到人为的操作过程中。4)自动的生成生产日记。品质管理的方面,要对复杂的生产过程进行严格的监视,对生产过程进行多角度、全方位的数据采集的记录。校验工艺参数,对报警的内容进行监视,防止问题的出现为主。确立出问题到底属于什么范围,以便于提出解决的方案。
        例如,系统会对某个时刻进行自动记录,会记下到底是哪位工人进行了哪种操作,还有当时设备所处于的状态,如温度、电流、压力和速度等等。所有问题必须以实际生产的数据作为依据,并进行有效的记录和分析。
        4.2 MES助力生产部门最大限度去按照计划来节约资源
        精益管理追求的是用最小的花费和代价去换取最大的成果。对应用MES系统的工厂和未使用MES的生产效率进行对比会发现,在符合工艺要求。保证质量的情况下,在工序需求被满足的前提之下,MES可以实现生产的均衡化,使原材料的供应、排产计划可以得到均衡的组织,用来消除浪费、平衡生产力,最大程度去避免环节中断,把库存减少。最大限度的去控制零部件、半成品、成品库存、原材料的内存最小化。生产不能既不能多做也更不能少做。通过成品生产、原材料的最优化,从而提高了生产的效率、最大限度的节约的资源、优化了各部门之间的互相协作、减少了生产过程中出现的不确定的因素、缩短了生产的周期、还大大提升了生产的节拍。在信息流、业务流和作业流复杂的相关联的生产环境中,智能制造的执行系统会快速响应并去解决问题。通过采取有效措施进行隔离可以进行防范。MES系统一路的保驾护航,覆盖了整个智能制造的精益生产以及管理,一步步达到管理生产的目标,提高了效率的同时还保证了品质,生产稳定性也有了大大的提升。
        4.3 MES助力智能制造业实现高效的自动化
        精益的意义在于有条不紊,无微不至,了如指掌。精益不单单代表的是对做事情的态度积极认真,更重要的是在智能生产中的种种小细节的积累,是经验日积月累的增长,是对智能制造进行精确的剖析。在智能制造中使用MES,可以用来分析出所存在的各种各样的不确定的因素,利用高效且合理的算法,用足够的耐心去解开联合在一起的问题,从而进一步去创立出多元化的解决问题方案,这些都自然而然的实现了一种智能状态,一种不需要人为去参与的状态。
        发达国家的MES已初步实现了产业化,其应用不仅仅覆盖了离散领域,还覆盖了流程制造的领域。并能够给企业带来相当大的经济效益。MESA分别在1993年和1996年以一种调查问卷的方法对很多个典型企业进行了两次的MES应用的调查,这些典型企业覆盖了下列的7大行业:塑料与化合物、医疗产品、金属制造、汽车、玻璃纤维、通讯、电气/电子等等。调查的结果显示企业使用MES后,可大大的缩短制造周期,同时还能使生产提前期变短,减少在制品,减少数据输入时间,消除作业转换中的文书工作,改进产品质量。减少次品,消除文书工作的损失。智能制造的良性的运营使生产去和计划达到密切的配合,并且能够在较短的时间里面去把握现场和市场的变化,这是保证计划快速合理的得到修改的关键。MES应用的实践积累和技术方面的研究成果,是国际先进制造智能工厂必须要走的路子,必将推动中国的伟大的蓝图建设。
        4.4 MES助力于智能制造的任务派工方面
        MES在完成生产的计划之后,可以自动去生成任务派工的单据,应该去根据设备的实际加工过程中能力的变化,制定出生产的具体过程还有各设备的详细的操作顺序,并对这些进行优化;为了使柔性得到相应的提高,生产任务必须以实际的执行情况和设备的情况,结合资源的配置,进行动态的现场配置。

5 展望和总结

        MES软件弥补了生产车间生产的过程和企业计划层控制系统之间的间隙,给企业提供出一个有弹性、精细化、快速反应的制造化环境,它能够去帮助企业把生产的成本降低,可以做到按期交货,提升了服务质量,提高了产品的质量,使国家的企业在全球化竞争之中可以矗立于不败之地,MES在智能制造的过程具有如此的重要性,因此国家将其列入“十一五”期间重点发展的信息化方向之一,将及其国内MES及其相关领域里面的优势力量,和智能制造紧密的结合起来,让两者相辅相成。相互促进,这些都将对中国企业的发展起到重要的作用。我们有理由去相信,未来的中国,MES和智能制造将是密不可分的。
        本文是在研究智能制造建设的大背景下,MES系统应该所具备的延展性和功能,智能制造与MES的关系,MES是如何去助力于智能制造的大方向下,给企业的智能制造的道路提供了可以借鉴和参考的思路。伴随着智能制造建设的一步一步推进,现有的工业的结构都将得到跃升和改进,让中国真正的实现从制造大国到制造强国的华丽蜕变。相信在未来中国在世界制造业的会得到更高的提升,让我们拭目以待。
 
        (本文引自《中国科技博览》 ,(2017)05-0136-02)