隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷發(fā)展，企業(yè)間的競爭越發(fā)激烈。離散制造企業(yè)要想提高其競爭力就要實(shí)現(xiàn)敏捷制造和精益生產(chǎn)，如此才能在根據(jù)市場變化迅速地調(diào)節(jié)產(chǎn)品的種類和數(shù)量的同時(shí)不斷地減少不必要的浪費(fèi)以降低成本。而制造執(zhí)行系統(tǒng)作為企業(yè)信息化體系中控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的銜接部分，是提高企業(yè)生產(chǎn)制造管理水平的重要工具，對(duì)企業(yè)實(shí)現(xiàn)敏捷制造和精益生產(chǎn)具有重要作用。
1 敏捷制造與精益生產(chǎn)
敏捷制造(AM)是指制造企業(yè)采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)手段，通過動(dòng)態(tài)地、有效地協(xié)調(diào)整合各種生產(chǎn)要素，快速配置各種資源(包括技術(shù)、管理和人)，響應(yīng)用戶需求，實(shí)現(xiàn)制造敏捷化的一種現(xiàn)代制造模式。其核心是制造業(yè)要在不斷變化、不可預(yù)測的經(jīng)營環(huán)境中，著力提升企業(yè)市場應(yīng)變能力和快速反應(yīng)能力的一種戰(zhàn)略性舉措，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的方向，更是制造業(yè)信息化的必然趨勢和本質(zhì)要求。
精益生產(chǎn)(LP)是一種及時(shí)制造、消滅故障、消除一切浪費(fèi)的生產(chǎn)管理方式，也是全員參與持續(xù)改善的一種管理狀態(tài)。它綜合了大量生產(chǎn)與單件生產(chǎn)方式的優(yōu)點(diǎn)，力求在大量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)多品種、高質(zhì)量、低成本。它不但使制造工業(yè)獲得了飛速發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)其他領(lǐng)域乃至整個(gè)社會(huì)發(fā)生了深刻的變化。
精益生產(chǎn)和敏捷制造雖然分別代表了東西方管理模式的發(fā)展方向，但也有許多相同點(diǎn)。他們都強(qiáng)調(diào)利用市場知識(shí)和先進(jìn)的現(xiàn)代化技術(shù)來為客戶提供所需的產(chǎn)品。由于敏捷制造適于處理動(dòng)態(tài)變化的市場需求，而精益生產(chǎn)提供了均衡生產(chǎn)調(diào)度和降低系統(tǒng)運(yùn)行成本的功能，因此將二者綜合集成應(yīng)用到生產(chǎn)制造過程中，可以使制造企業(yè)利用現(xiàn)代化技術(shù)合理配置各種資源生產(chǎn)出滿足客戶需求的多品種、高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品，從而增強(qiáng)其市場競爭優(yōu)勢。
2 離散制造業(yè)實(shí)現(xiàn)LP和AM需要MES
制造業(yè)按其產(chǎn)品制造工藝過程特點(diǎn)總體上可概括為連續(xù)制造和離散制造。離散制造的產(chǎn)品往往由多個(gè)零件經(jīng)過一系列并不連續(xù)的工序的加工最終裝配而成。對(duì)于離散制造、業(yè)來說，要實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)和敏捷制造就要把重點(diǎn)放在生產(chǎn)車間上，借用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、企業(yè)建模技術(shù)等來提高企業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)制造管理水平和過程管控能力，以便減少浪費(fèi)、加快生產(chǎn)節(jié)拍、減少庫存和提高產(chǎn)品質(zhì)量等。目前，離散制造業(yè)在進(jìn)行敏捷制造和精益生產(chǎn)時(shí)普遍存在著物料浪費(fèi)、交貨拖期、庫存資金被大量占?jí)骸a(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、有訂單但做不出來等許多問題。離散制造業(yè)要想解決以上問題就需要不斷提高其信息化水平，運(yùn)用信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)和敏捷制造。
目前，離散制造業(yè)基本上都實(shí)現(xiàn)了ERP和車間內(nèi)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)(FCS)，但是ERP系統(tǒng)和FCS系統(tǒng)都具有各自的局限性，從而在企業(yè)范圍的信息化過程中暴露出上層計(jì)劃系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)之間的生產(chǎn)執(zhí)行領(lǐng)域的空白，使得排產(chǎn)和調(diào)度過于依賴經(jīng)驗(yàn)，計(jì)劃的可行性和應(yīng)變能力較差，生產(chǎn)執(zhí)行過程不透明，管理者難以及時(shí)準(zhǔn)確地獲取生產(chǎn)信息。因此，離散制造業(yè)急需運(yùn)用制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)來連接上層計(jì)劃系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)。
MES是美國管理界于20世紀(jì)90年代提出的新概念。MES是處于計(jì)劃層和車間層操作控制系統(tǒng)之間的執(zhí)行層，在整個(gè)企業(yè)信息系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。MES對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、診斷和控制，完成生產(chǎn)單元整合和系統(tǒng)優(yōu)化，在生產(chǎn)過程層進(jìn)行物料平衡、制訂生產(chǎn)計(jì)劃、實(shí)時(shí)排程、優(yōu)化調(diào)度，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)過程物料、能量、質(zhì)量、設(shè)備、資金，甚至人力資源統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)測、分析、控制和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成整個(gè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化管理。
3 AM和LP下的MES應(yīng)具備的功能
相對(duì)于連續(xù)制造業(yè)來說，離散制造業(yè)對(duì)MES的要求更高：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更為復(fù)雜、對(duì)作業(yè)計(jì)劃調(diào)度管理的要求達(dá)到工序級(jí)別、采用以產(chǎn)品BOM為核心的生產(chǎn)模型等。根據(jù)精益生產(chǎn)和敏捷制造的特點(diǎn)并結(jié)合MES全球協(xié)會(huì)對(duì)MES功能模塊的劃分以及相關(guān)文獻(xiàn)，離散制造業(yè)的MES應(yīng)具備以下幾個(gè)基本功能：
a．?dāng)?shù)據(jù)采集，即獲取產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中的各種數(shù)據(jù)和參數(shù)。為方便采集數(shù)據(jù)，在標(biāo)識(shí)產(chǎn)品時(shí)盡量采用條碼或無線射頻技術(shù)。
b．工藝管理，即根據(jù)庫存管理提供的物料的規(guī)格、狀態(tài)、庫存情況和設(shè)備、人力的能力、狀態(tài)、利用情況，利用CAD和CAM進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和編制，為車間、計(jì)劃部門提供工藝圖紙、技術(shù)參數(shù)等信息。
c．高級(jí)作業(yè)計(jì)劃調(diào)度。它接收ERP系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃，并對(duì)計(jì)劃進(jìn)行逐級(jí)分解，根據(jù)資源約束和均衡生產(chǎn)的要求，通過高效實(shí)用的車間作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度算法合理安排生產(chǎn)過程中的各種資源。
d．過程控制。該功能監(jiān)控生產(chǎn)過程、自動(dòng)糾正生產(chǎn)中的錯(cuò)誤并向用戶提供決策支持以提高生產(chǎn)效率。通過連續(xù)跟蹤生產(chǎn)操作流程，在被監(jiān)視和被控制的機(jī)器上實(shí)現(xiàn)一些比較底層的操作；通過報(bào)警功能，使車間人員能夠及時(shí)察覺到出現(xiàn)了超出允許誤差的加工過程。
e．質(zhì)量管理。質(zhì)量管理作為MES在制造企業(yè)應(yīng)用的重要部分，其核心思想是幫助企業(yè)建立PDCA式的閉環(huán)質(zhì)量管理體系，固化當(dāng)前的企業(yè)質(zhì)量管理流程，提高質(zhì)量計(jì)劃編制、質(zhì)量檢驗(yàn)、質(zhì)量跟蹤分析、質(zhì)量改進(jìn)業(yè)務(wù)執(zhí)行的效率。
f．設(shè)備管理。記錄生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過活動(dòng)監(jiān)控和指導(dǎo)保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備臺(tái)賬管理、設(shè)備維修管理和備品備件管理等。
g．人力資源管理。通過記錄員工在生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)來評(píng)估工人的工作能力和核算勞動(dòng)工時(shí)等，為員工激勵(lì)和培訓(xùn)提供依據(jù)。
h．產(chǎn)品跟蹤。通過監(jiān)視工件在任意時(shí)刻的位置和狀態(tài)來獲取每一個(gè)產(chǎn)品的歷史記錄，該記錄向用戶提供產(chǎn)品組及每個(gè)最終產(chǎn)品使用情況的可追溯性。
i．執(zhí)行分析。該功能通過對(duì)過去記錄和預(yù)想結(jié)果的比較，提供以分為單位報(bào)告實(shí)際的作業(yè)運(yùn)行結(jié)果。執(zhí)行分析結(jié)果包含資源可用性、資源活用生產(chǎn)單元的周期、日程遵守及標(biāo)準(zhǔn)遵守的測試值，可以為管理者提供決策支持。
4 基于SOA的離散制造業(yè)MES架構(gòu)
制造執(zhí)行系統(tǒng)在離散制造業(yè)的整個(gè)信息集成系統(tǒng)中起承上啟下的作用。它的各個(gè)功能子系統(tǒng)既是獨(dú)立的，又是相互協(xié)同的。同時(shí)，它與其他系統(tǒng)的集成更依賴于企業(yè)信息化的整體架構(gòu)。因此，離散制造業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)必須是一種模塊化的，能表現(xiàn)分布特性、開放性以及能夠與其他信息系統(tǒng)完美連接的集成框架。
SOA是一種建立、維護(hù)、管理IT系統(tǒng)和業(yè)務(wù)流程的方法。IBM對(duì)SOA做出了如下定義：它是一個(gè)組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元(服務(wù))通過服務(wù)之間定義良好的接口和協(xié)議聯(lián)系起來。接口采用完全中立的方式來定義，獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)具體服務(wù)的硬件、操作系統(tǒng)和編程語言。在SOA架構(gòu)下，以服務(wù)形式出現(xiàn)的業(yè)務(wù)邏輯可以被共享、重用和配置，這樣不同的信息系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部的應(yīng)用集成就變得輕而易舉。因此，采用基于SOA的系統(tǒng)模式有利于面向精益生產(chǎn)和敏捷制造的離散制造業(yè)MES集成框架的實(shí)現(xiàn)。
筆者參考相關(guān)文獻(xiàn)，提出一種基于SOA的離散制造業(yè)MES架構(gòu)。其中，企業(yè)服務(wù)總線(ESB)是企業(yè)服務(wù)運(yùn)行的基礎(chǔ)平臺(tái)，負(fù)責(zé)對(duì)分散在整個(gè)企業(yè)以及企業(yè)外延的服務(wù)進(jìn)行中央配置、部署和管理，為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的服務(wù)調(diào)用接口。而服務(wù)質(zhì)量控制、安全管理與監(jiān)控則是通過特定工具、響應(yīng)機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)來監(jiān)視各層的運(yùn)行，提供日志服務(wù)和身份驗(yàn)證功能，保證服務(wù)的健壯性，確保服務(wù)質(zhì)量。如圖1所示，整個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)從下向上依次分為5層。
圖1 基于SOA的離散制造業(yè)MES架構(gòu)
a．?dāng)?shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，通過接口機(jī)采集來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，而非采集數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。它與ERP的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過開放接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了與ERP的無縫連接。
b．組件層。組件層主要包括許多Agent組件。每個(gè)Agent組件都是一個(gè)基本功能實(shí)體，可以實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)原子服務(wù)Agent組件之間可以通過通訊進(jìn)行協(xié)商來實(shí)現(xiàn)服務(wù)層的某項(xiàng)服務(wù)。
c．服務(wù)層。服務(wù)層承上啟下，向下連接具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)，向上連接業(yè)務(wù)流程。該層以Web服務(wù)平臺(tái)為基礎(chǔ)設(shè)施，包含封裝的各種Web服務(wù)(如工藝管理服務(wù)、質(zhì)量管理服務(wù)和人力管理服務(wù)等)以及OWL-S/UDDI服務(wù)信息中心。它運(yùn)用web Services將下層的Agent組件包裝成服務(wù)，并通過消息與業(yè)務(wù)層進(jìn)行通信。
d．業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，選擇合適的服務(wù)，利用工作流技術(shù)，組合形成業(yè)務(wù)服務(wù)流，直接支持企業(yè)業(yè)務(wù)過程的執(zhí)行。本層包含BPM的管理工具、生產(chǎn)管理流程知識(shí)庫和BPEL引擎。根據(jù)表示層傳遞的消息，從生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)流程本體庫中查詢并調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程模型，通過BPEL引擎的執(zhí)行為服務(wù)層提供服務(wù)發(fā)現(xiàn)與組合的依據(jù)。
e．表示層。這一層是系統(tǒng)訪問的入口，針對(duì)不同的用戶提供不同的操作界面。UI是客戶端的用戶界面，負(fù)責(zé)從用戶方接收命令、請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，傳遞給業(yè)務(wù)層處理，然后將結(jié)果呈現(xiàn)出來。UI控制邏輯負(fù)責(zé)處理UI和業(yè)務(wù)層之間的數(shù)據(jù)交互以及UI之間狀態(tài)流程的控制，同時(shí)提供簡單的數(shù)據(jù)驗(yàn)證和格式化等功能。
5 應(yīng)用分析
CG公司是一家工程機(jī)械制造企業(yè)，本文將以CG公司為例介紹基于SOA的離散制造業(yè)MES在離散制造企業(yè)的運(yùn)用。
a．CG企業(yè)的信息化需求。
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，CG企業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，為了提高企業(yè)自身的競爭力，CG企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)層決定進(jìn)行企業(yè)信息化建設(shè)。企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用了ERP和FCS，但效果不佳，未能達(dá)到企業(yè)信息化的目標(biāo)。為了進(jìn)一步提高企業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)制造管理水平，實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，企業(yè)決定使用MES。希望通過MES的使用實(shí)現(xiàn)資源的合理調(diào)度、生產(chǎn)車間的實(shí)時(shí)控制以及整個(gè)生產(chǎn)過程的有用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等。
b．MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。
MES作為制造業(yè)信息化建設(shè)的重要組成部分，除了能夠滿足公司業(yè)務(wù)需求之外，還必須具有很高的安全性和穩(wěn)定性，綜合各方面需求以及企業(yè)自身的實(shí)力，CG企業(yè)選擇了C/S(客戶機(jī)朋艮務(wù)器)模式�？蛻舳酥饕糜诨A(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入、更新和刪除等，通過調(diào)用應(yīng)用服務(wù)器端的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)等處理。應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行接口定義、通過方法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的商業(yè)規(guī)則及功能，供客戶端調(diào)用。當(dāng)要求進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)整時(shí)，只需更新應(yīng)用服務(wù)器端，這樣就避免了逐個(gè)對(duì)客戶端進(jìn)行更新，也便于集中對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行處理。
c．MES應(yīng)用效果。
目前，CG公司的MES在企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)環(huán)境下已成功投入運(yùn)行�？傮w來說，MES的主要功能基本滿足了企業(yè)對(duì)車間生產(chǎn)管理的要求。基于SAO的模式使得MES可以很好地完成其與ERP和FCS的集成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)的傳輸。Agent組件的運(yùn)用使得MES更加智能，對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理更加有效，對(duì)實(shí)時(shí)事件的反應(yīng)和處理更加迅速。業(yè)務(wù)流程管理模塊的使用使得MES的操作流程與車間的業(yè)務(wù)管理流程相匹配，很大程度上提高了整個(gè)車間乃至企業(yè)的生產(chǎn)管理效率。
6 結(jié)束語
面對(duì)激烈的市場競爭，越來越多的企業(yè)認(rèn)識(shí)到敏捷制造和精益生產(chǎn)的重要性。MES作為連接ERP和FCS的橋梁，能夠提高企業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)制造管理水平和過程管控能力，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的敏捷制造和精益生產(chǎn)。本文闡述了MES的基本功能，構(gòu)建了基于SOA的MES架構(gòu)并給出了實(shí)例分析，對(duì)其他離散型制造企業(yè)開發(fā)MES具有重要的參考價(jià)值。離散制造企業(yè)在開發(fā)MES時(shí)可以根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況增減相應(yīng)的功能，并選用合適的編程語言進(jìn)行MES的開發(fā)。
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本文標(biāo)題：面向AM和LP的離散制造業(yè)MES研究
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