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基于MES的S公司生产流程优化.pdf

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product essential routing analyzes to optimize the process for linking product BOMRoutinginto MES.Finally,through the MES function modules optimized interface and theimprovement oforder cycle time and production lead time,it show the optimization ofproduction process for S Company.Key WordsMESManufacturing cution System;Production Scheduling;BOMBill ofMaterial;Routing111华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名 钐辱父 日期砂g铜2月1日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许学位论文被查阅除在保密期内的保密论文外;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于口保密,在年解密后适用本授权书。口不保密。学位论文全文电子版提交后口同意在校园网上发布,供校内师生和与学校有共享协议的单位浏JJ大’觅o请在以上相应方框内打“√’’作者签名 多景良指黝师签钐么矛-/弦4 7 V v‘,、矗 fn,日期沙g./立,力z日期第一章绪论第一章 绪 论1.1研究背景与意义随着全球经济一体化步伐的加快,世界范围内的市场竞争R趋激烈。面对市场环境的瞬息万变,企业要想在国内外的市场竞争中立于不败之地,就必须以客户需求为生产管理的中心,以最快的速度响应客户需求变化,才能在市场竞争中取胜。为此,许多企业引入了先进的生产组织方法,通过实施企业资源计划Enterprise Resource Planning,ERP和制造资源计划Manufacturing Resource Planning,MRP II来加强管理,使企业生产能够更加科学地反映市场需求。由于上层生产计划受市场影响越来越大,而ERP/MRP II软件的主要作用是针对资源计划,对于生产现场的管理无法直接进行控制,使得上层计划和底层控制之间出现脱节现象,因此企业通过制造执行系统Manufacturingcution System,MES,其定义为“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信息系统”,来连接企业上层计划管理与底层工业现场控制,对车间层的生产信息进行管理与控制,为企业各功能部门操作人员和管理人员提供计划的执行、跟踪及所有资源人、设备、物料、客户需求等的原有状态【2】【31。对于订单批量定制类型的制造型企业而言,作业计划的制订和生产调度控制是一项十分复杂和困难的课题。因此,目前许多制造型企业,特别是按订单定制类型的小批量生产的中小型制造企业由于其企业本身信息技术资源的限制,在应用MES连接ERP、MRPII的系统过程中如SAP,Oracle等系统存在MES与ERP、MRPII系统集成度不足,MES与ERP、MRPII系统中数据不一致的现象, 特别是面对越来越多的小批量特制品的生产,MES在生产计划过程中显得对生产管理系统底层的产品信息数据分析及处理的不足如特制品没有纳入到生产管理系统中,仍以特殊形式在MES系统外执行,因此难以实施生产过程控制和数据信息统计,此外,由于产品信息及数据不足从而造成生产计划过程中,各生产工序之间缺乏衔接,缺乏对生产进度的精确把握。因此结合原有ERP、MRPII系统,提高MES对其生产管理系统各层的各功能模块数据的集成度,优化特制产品信息数据分析及处理功能,改善各生产工序间的衔接使得系统运行更为高效、使用更为简单、信息交换更为方便,对于促进车间生产管理的发展和企业生产资源的合理配置、提高企业在市场中的竞争力具有重要的意义。另一方面,伴随着信息技术的广泛使用,企业积累了大量的生产数据,并且在生产过程中不断地产华南理一I大学硕士学位论文生实时数据,这些数据中蕴涵了大量的信息。如果能够对这些数据背后隐藏着的重要信息进行更高层次的分析,从中得到有价值的规则和知识,就可以结合实际的生产状况和生产数据来指导作业调度,进行科学有效的决策。1.2 MES研究现状与发展趋势在发展MES技术之前,传统的生产管理系统中,作业计划、工序调度、操作管理、库存控制等车间管理控制工作一般由独立软件完成,早期的一些MRP/MRP II/ERP软件试图将其作业计划与工序调度功能向车间现场操作管理及库存控制等方向扩展如美国EMS公司的MRP II软件TCM,或者试图将两者进行集成如PPC--Production PlanningContr01,但由于企业计划层与现场控制层是独立分开的,在调度过程中缺乏必要的现场信息,计划结果很难符合实际生产活动,生产情况发生变化时不能实时进行重新调度。企业计划层与现场控制层分开,现场控制层没能及时将生产过程中可能发生或已经发生的脱离计划的偏差信息反映给企业计划层,生产计划系统不能做到实时修正,从而不能实现动念实时调度的目的。鉴于MES的重要性,70年代以来美、日、欧等工业发达国家非常重视对MES技术的研究与系统开发,并形成了MES软件产业如美国的Consilium及加拿大的Promise【41,通常他们都是源自工厂的内部需求,针对特定的生产类型,或特定的功能需求而开发出较为标准化的MES,称之为传统MESTraditional MES,T-MES。总的来说TOMES可大致分为两大类专用的MESPoint MES和集成的MESIntegrated MES。专用的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而开发的单独应用系统。集成的MES则是针对特定行业如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业而设计,具有一定的通用性,并且逐步加强了与上层事务处理和底层实时控制系统的集成能力‘5】【6】。虽然专用的MES能够为某一特定环境提供最好的性能却常常难以与其它应用集成,集成的MES比专用的MES迈进了一大步,具有一些优点,如单一的逻辑数据库,系统内部具有良好的集成性,统一的数据模型等等。但其整个系统重构性弱,很难随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。为了解决T-MES的不足,可集成MESIntegrated MES,I-MES逐渐成为人们研究的热点如美国AMR将模块化和组件技术应用到MES的系统开发。I-MES将两类传统MES的结合,使其既具有可重用组件的功能可单独应用,又可实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性,能方便的实现不同厂商设计的功能模块可系统化的集成使用,并对原有系统起保护的作用,兼备即插即2第一章绪论用等功能[71。MES在国外发达国家的发展及应用,给订单生产型制造企业带来了巨大的经济效益。近年来,国内各高等院校、科研院所都加大了对MES的研究与应用开发工作。在理论研究方面,除了加入了并行制造、敏捷制造、工作流、生产网络化等一些先进思想外,还加大了对功能可重构模块化,数据发掘及应用方面的研究2000年,于海斌,朱云龙等人对可集成的制造执行系统研究;2004年,饶运清,陈文伟,黄金才,赵新昱等人对实时信息系统的研究。2004年,陈字,廖永斌,段鑫等人对MES其结构及代理的研究在系统设计方面,则采用面向对象、构件、代理等技术,取得了不少有益的成果‘引。但是,系统应用方面,软件的商品化、成果的推广应用方面还存在很大的差距。目前,国内还没有自主开发的很成熟且得到广泛应用的可集成化MES软件。随着信息化应用水平的不断提高,企业逐渐认识到实现企业计划层与现场控制层的双向信息流交互,通过连续信息流来实现企业信息全集成,是提高企业敏捷性的一个重要因素。因此,通过对专用的MES的可集成度优化,来实现企业信息的全集成,形成实时的ERP和MES系统是提高企业整体管理水平的关键,这对企业制造业整体水平的提升具有重要意义。参照上文AMR三层企业功能模块化的集成模型,可以建立订单批量定制生产企业信息化功能的三层结构模型91。基于MES的生产管理系统的体系结构如图1.1所示,MES为虚线框所表示的部分,它针对订单批量定制生产企业的特点,明确了MES技术在信息化体系中的位置,并突出了生产计划和调度体系的作用。模型中各个层次的特点如下【10】1.计划层如MRP II系统,强调计划的执行。主要处理销售订单管理、库存控制、应收账、应付账管理、采购管理等事务。由它产生主生产计戈lJMaster Production Schedule,MPS、物料需求计JaJMRP以及许多其它的文档,包括车间生产所需的加工单等。主生产计划决定在什么时间生产什么产品以及生产多少。物料需求计划决定在什么时间需要什么样的零部件和原料以及需要数量,并形成采购计划和生产计划。根据生产计划,初步确定车间作业计划,确定在什么时间,使用何种设备和资源,加工完成什么零部件及加工批量等。2.MES层MES层也就是生产流程中的制造执行系统,包括生产作业计划、生产调度、设备管理、质量管理、物料跟踪、工艺管理、数据管理、数据分析等功能模块。管理的重点是3华南理‘T大学硕十学位论文产品生产的执行过程,对产品的制造过程进行跟踪,平衡整体的生产能力并且在计划层和控制层之间进行双向传递信息。MES层的计划系统基于工厂内的详细状况,对产品交货期、生产工艺限制、生产顺序优化等进行综合考虑,制定生产作业计划,进行动态生产调度。L划L型L丑日困圈IVIES;■]厂]l教擀分析l器三三≥|教粼绪瑾|l 瓷滋降 }k~- l/图1-1基于MES技术的管理系统体系结构】3.控制层强调设备的控制,主要包括处理来自执行层的信息根据车间现有状态及来自执行层的信息,实施控制生产过程;实施监控车间状念,并将生产过程中的动态数据和状态信息实时反馈给执行层。MES与上下层的信息交互MES向上层计划管理系统提交生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品的存放位置与状态、实际定单执行等涉及生产运行的数据;向底层生产控制系统发行生产指令控制及有关生产线运行4第一章绪论需要的各种参数等。同时分别按受上层的中长期计划和底层的数据采集设备的实际运行状态等。图1.1反映了计划层/MES/控制层三者之间的信息流动。从图1.1AMR模型中可看出,在MES内部各子系统的应用中,每个子系统都使用自身具有的功能和逻辑方法来处理和交换数据,分别完成生产系统的各种功能。由于制造型企业都可能会从不同的生产系统软件供应商购买替其开发的MES的模块或子系统,或将各自现有的各模块子系统集成为其MES功能的一部分,又或其本身具有其构建各专用的产品或生产信息数据库,其结果导致许多制造型企业的MES实际上是一个拥有多个各自独立不尽兼容子系统专用功能模块的组合。每个子系统都有各自的数据处理模块、数据运行逻辑、数据库、数据模型和数据交换接口。如采购计划,库存计划,生产调度等都从功能逻辑中独立出来的专用MES模块。如何构建一个可集成化的MES将各功能模块联系起来,让各种数据和功能逻辑在使用时变得更加紧密,而且,通过使用小巧简练的功能模块,可使系统模型在不破坏相互关系的情况下方便地进行客户化定义。使企业各层的信息和数据的处理及交换的及时性能够很好的满足生产运行变化迅速的这一要求,从MES职能出发,它可以提高企业生产调度的科学性和车间运作信息化水平,同时能够快速及时的反映市场和加工过程的变化,并及时做出相应的调整,从而大大提高系统运作的效率。特别是订单批量定制造型企业,由于受其本身生产订单难以预测的影响,在生产原料及工艺流程多变的情况下,各类多变的产品信息给生产管理系统的生产计划实施造成了严重影响。又由于MES应用常常是要满足企业关键任务的系统,应用及优化MES使其可集成化,便可以有效解决企业原有生产管理系统因技术更新而难以进行系统内各功能模块升级的问题。本课题结合订单批量制造型企业单件小批的生产特点,在原有专用类型的MES基础上,通过无缝集成产品物料信息数据分析及处理的功能和分析产品工艺路线的生产调度功能,优化计划、控制与调度等子系统,集成在现有的生产条件下,有效地实现分布式MES各功能模块的协同工作,平均生产能力与负荷,降低生产周期,减少在制品,从而实现敏捷制造模式对信息系统的要求,即实现系统的可重构,可重用和可扩展特性优化特制产品信息数据分析及处理功能,从而最终达到提高经济效益的目的。1.3订单批量定制生产型企业的生产方式随着世界经济的高速发展和人们生活水平的提高,市场结构发生了巨大变化。一方面,交通和通讯技术的发展以及各国对贸易限制的减少使得生产竞争全球化;另一方面,5华南理l人学硕十学位论文消费者的需求日趋个性化和多样化,市场结构己由过去的“推“型市场转变为“牵拉’’型市场。在此情况下,制造业面临着一个由消费者占主导地位、变化迅速且无法预测的市场。传统的大批大量生产模式对此难以适应,于是产品多品种、订单批量定制生产逐渐成为当今大多数企业的主要生产模式。订单批量定制生产类型是在规定的时间内,制造种类繁多的产品,其产量可能是一件或批量很少,并且绝大部分是按订单进行生产的。概括起来,订单批量定制生产有如下特点【12 J1.订单的随机性对于此类生产企业,计划期内可以接到多少订单,客户提出哪些订单是事先无法确定的。所以,企业只能按照随机到达的订单逐项进行生产安排。2.品种多样化和专用性品种多而复杂是单件小批生产的一个主要特征。而且产品的性能要求和结构特点是由用户根据他们的要求提出的。3.生产过程的多样性以及技术准备工作量大由于品种杂而多变,产品的生产过程和工艺路线就相差很大,而且生产过程不稳定因素多,使得生产前的准备工作,即设计、工艺准备的工作量大。4.能力负荷的不平衡性由于单件小批生产品种多而多变,工艺路线各不相同,完工以及交货期参差不齐,使得设备的负荷很不均衡。5.作业计划以及调度排产的复杂性订单批量定制生产的产品品种规格多样不一,而且生产过程又各不相同,使得工艺路线也各不相同。因此要对各生产零件进行合理的优化调度难度很大。这个特点也是订单批量定制生产效率的瓶颈所在。车间是制造企业的中心,在执行生产计划和反馈生产信息的过程中,会产生大量的生产实时信息,其调度与控制系统的敏捷性在一定程度上决定着整个企业生产的敏捷性。我国制造企业的管理模式相对落后,尤其是以订单批量定制为主要生产模式下的企业,车间的组织与控制方式对其生产调度有着更高的要求。因此需要一个先进实用的调度系统,通过计算机进行准确的数据处理,对下达的生产任务进行一定程度上的智能优化调度,最大程度地减少生产过程中的准备时间,实现加工生产的高效率、高柔性和高可靠性【131【14】【I 51。6第一章绪论1.4论文主要研究内容与结构安排笔者所供职于的S公司是一家以按订单批量定制产品的制造型企业,由于其产品生产以客户定制的需求为导向,因此在s公司发展过程中,S公司将面对产品种类及数量越来越多、特制产品也越来越多的问题。为此S公司过去一直用于生产流程控制的MES系统在处理特制产品订单的时候,就越渐不能对特制产品的订单进行有效的管理,对特制产品的物料清单Bill Of Material,BOM及工艺路线Routing也不能进行有效计算,难于在生产过程中对各类产品配置各类合适的生产资源,从而导致产品生产在MES的系统下不能准确迅速的制定生产计划、车间现场排产及生产调度等任务。结合订单批量定制生产型企业的生产特点,在S公司原有专用类型的MES基础上,通过无缝集成产品信息数据分析及处理的过程,实现计划、排产、控制与调度等模块端口及其功能。通过有效的实现MES各功能模块的协同工作,平均生产能力与负荷,降低生产周期,减少在制品,从而实现订单批量定制生产型企业对信息系统的要求,即实现系统的可重构,可重用和可扩展特性,优化特制产品信息数据分析及处理功能,从而最终达到提高经济效益的目的。本课题“基于MES的S公司生产流程优化”是基于在原有的MES上,对以订单批量定制为生产方式的S公司,运用流程图对产品在生产流程中进行流程优化,通过Auto.CAD软件二次开发、产品工艺路线模板及产品关键工艺路线识别等技术,采用数学归纳法及使用运筹学中计划网络图的偏序法对MES中功能性较强的产品BOM与Routing模块进行优化,从而达到对S公司整个生产流程中的订单管理,生产计划及排产,车间现场调度及管理的流程进行优化。根据这些研究内容,本课题的各章节的内容安排如下第一章首先阐述了MES的现状与发展趋势,然后介绍了论文研究的目的与意义,最后给出了论文的内容与结构。第二章基于MES对S公司的生产流程的现状进行了阐述,分别通过介绍S公司原有的产品结构、组织结构以及MES中标准产品及非标产品的排产流程,运用了鱼骨图对原有MES在生产流程中产生的问题进行了详细的分析。第三章详细论述了基于MES的S公司生产流程优化思路,针对S公司原有的MES模块结构及功能,通过标准产品及非标产品排产流程、详细计划及生产调度流程的需求分析,指出BOM及Routing是MES中核心问题及优化重点。7华南理T大学硕士学位论文第四章详细论述了基于MES的S公司生产流程的优化方法,针对S公司MES结构及功能模块的需求,分别通过Auto.CAD软件二次开发技术、数学归纳法及使用运筹学中计划网络图的偏序法等方法对MES中的BOM及Routing模块进行了优化。第五章详细阐述了优化后的S公司生产流程中的MES主要模块的端口与功能的实现,以及通过对S公司在MES优化前和优化后的订单交付期与产品生产周期的数据分析,对优化后的MES进行了效果检验。最后,对研究工作进行总结,提出不足之处,并探讨进一步的研究方向。8
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