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支持网络化制造的车间MES与CAPP集成研究 |
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作者：张凌云 黄刚 左革成 饶运清 |
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计算机网络技术的迅速发展为现代制造企业内部及跨地域、跨行业实现信息实时传递与共享提供了条件。制造业面临的是全球性竞争，制造已不再是传统意义上制造，而是一个以Internet技术为基础，跨国界的、全球性的大制造概念，即我们所称的网络化制造（Network-based Manufacturing）。网络制造是制造业利用网络技术开展的产品设计、制造、销售、采购、管理等一系列活动之总称，是企业为应付知识经济和全球化的挑战实施的以快速响应市场需求和提高企业竞争力为主要目标的一种先进制造模式。
中国的制造业企业，特别是对中小型企业来说，一方面，要增强自身的竞争力，抢得市场先机，就必须加强企业内部网络信息化、企业之间网络联盟的建设；另一方面，车间传统的计划手段和作业模式以及落后的设备状况又是企业的发展障碍，严重困扰企业决策层。如何在网络化制造环境下，充分利用现有车间制造资源，实现车间管理的重新规划和集成，是促进企业信息化、提高企业生产力的关键之一。本文据此探讨了基于网络环境下制造执行系统（MES）和计算机工艺辅助设计（CAPP）的新特点和它们之间的集成。
1 网络化制造环境下车间层CAPP的特点
计算机辅助工艺规划（computer aided process planning，CAPP）是连接产品设计与制造的桥梁，对产品质量、成本以及对市场的响应能力有着极为重要的影响。网络化以及车间层的执行状况已成为CAPP在网络化制造中成功应用的关键。
网络化制造（network-based manufacturing，NM）对CAPP提出了新的要求，在网络化制造模式下，势必会有更多的企业系统的组合，功能的融合，CAPP除了完成工艺过程设计、输出工艺规程外，更需要与其他企业功能系统进行集成。在网络化制造模式下的工艺设计与传统制造模式下工艺设计的不同主要表现如下：
（1）制造资源的广泛性。网络制造环境下的工艺规划所利用的制造资源是动态企业联盟、“ 虚拟车间”资源，不局限于本企业的制造资源。
（2）工艺设计活动链的集成协同性。分工协作、共担风险与利益的联盟化运作模式是普遍采用的方式，在这种方式下，工艺设计任务将以伙伴企业的核心优势而分解，在各企业多项任务并行协同地完成，并在各企业内部以产品为主线，形成信息系统的集成。
（3）工艺信息的分布异构性。由于工艺设计活动分工协同完成，伙伴企业在地域上是分散于各地的，这就造成工艺信息的分布性。不同企业有各自的工艺习惯，有不同的工艺操作规范，CAPP的环境依赖性造成工艺信息的异构性。
2 支持网络化制造的MES现状
2.1 传统MES的弊端
传统的MES（Traditional MES，T-MES）是指在早期发展起来的信息系统，是一种专用的MES系统（Point MES）。这类系统自成一体，只解决某个特定的领域问题，如车间维护、生产监控、有限能力调度等，在功能上它没有实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成，也没有实现MES系统与工程设计系统之间的集成。具体表现如下：
（1）通用性差。均是针对特定行业的特定问题开发的。
（2）可集成性弱。某些具有集成功能的MES，虽能实现与上层事务处理和下层控制系统的集成，但也仅仅局限于某个特定的领域、系统或功能。
（3）敏捷性差。敏捷性是所有先进制造模式的核心。由于系统结构本身和采用的开发技术，一个微小的过程改变，系统就会无所适从，甚至不能正常运转。
（4）在网络化制造环境下，系统柔性差。不能处理企业动态联盟中突发的急件加工要求。
2.2 背景车间生产状况
某车辆厂属于中小型制造企业，是典型的单件小批量的生产加工企业，该厂生产的产品没有重复性，基本都是单件，产品种类繁多，除生产计划类的产品外，还负责修理其他车间的模具和夹具、辅具的维修，而且因为用户需要，所以临时来的加工件也较多。
该厂机加工车间采用人工调度方法：前一道工序完成之后，经检验员检验合格交到调度室，再由转序员根据调度员的安排转给下一道工序进行加工。调度员在安排生产时看哪台机器有空闲就安排给哪台机器。加工的先后顺序是按照完工日期安排，完工日期早的先加工。车间不清楚车间的加工能力，任务到达以后，很多时候都是放置车间，经常发生到了完工期车间还没有开始加工的情况。工人任务分配不合理，有人忙有人闲，经常发生下一次安排任务时，有的工人在任务已经很满的情况下，又有新的任务安排，而有的工人一直没有任务到达，造成负荷不均，能力不平衡，极大地影响了车间任务按时完成。
本文研究在产品工艺过程与制造数据的连续性和完整性基础上的MES与CAPP集成。MES的本质是面向制造过程的车间生产管理与控制，它首先强调面向车间生产，将生产过程及其相关的人、物料、设备和在制品信息全面集成，并对它们实现有效管理、跟踪和控制；其次它通过对计划执行、物料流、设备与装置监控、质量流和工艺系统进行跟踪和集成，来实现企业信息的集成。
3 网络化制造下车间层MES和CAPP集成必要性和可行性
过去CAPP与MES是相互独立完成的。车间生产时经常发现工艺计划和车间作业存在冲突，使得这些工艺不得不进行修改，从而造成了制造信息链和制造过程的中断。其最根本的原因就是缺少CAPP与MES之间信息与功能的集成，具体体现在：
（1）传统CAPP系统的工作模式是静态的。工艺决策是在假定车间资源是已知的情况下做出的，一般会选择最佳加工设备，而不会考虑生产调度的内容及车间实际状态。而MES生产计划只关心生产进度和资源分配，而不会考虑工艺过程和工序细节，使得工艺准备与真正的工艺实施脱节。
（2）传统车间作业计划产生于工艺设计之后，不可避免会受到工艺方案的约束，工艺方案的合理性直接影响车间计划的可行性。即使在工艺设计时考虑了车间的情况，但是车间生产状态的变化也会影响工艺计划与车间作业计划的可行性。
（3）MES和CAPP在传统生产模式下拥有各自的运行平台（包括数据库、操作系统等），而在网络化制造环境下，以产品为驱动，各种生产资源之间需要共享和互操作。工艺设计数据和生产制造数据完全共享，才能满足敏捷生产的需要，见图1。
图1 支持网络化制造的企业应用系统层次结构模型
应用系统模型可以分为3层：网络服务平台、企业应用层和车间执行层。在网络化制造环境下，区域网络服务平台在生成产品任务后，根据联盟中各企业的优势进行分配，将具体任务下达到企业应用层；企业接到分配的任务后，依据自身资源进行生产作业计划、工序安排；最后，生产指令下达到车间。在整个过程中，信息的交互依赖于网络化制造模式的开展，任务的高效执行则依赖于各信息系统的相互集成。
CAPP与MES在功能上是密切相关的。如果在工艺设计时能考虑到零件的交货期及车间的实际加工状态，实时合理地选择加工方法和资源，对提高MES计划的柔性有重大意义。在MES计划过程中，根据工艺的难易程度、是否易出现废品等因素进行综合分析同样是很重要的。由此可知，CAPP工艺设计与MES的集成是必要的。工艺设计按照零件的工艺特征选择合理的车间资源，生产调度指定零件某工序加工时所用的车间资源，并满足零件的投放及产生时间要求，二者有共同的目标。MES数据与CAPP数据可在基于零件生产上进行共享，从工艺设计与生产规划在功能上的相互联系可知，CAPP与MES的集成是可行的。
4 车间层MES和CAPP的集成模式
CAPP过程可以分为以下3个层次：
（1）工艺分析层。根据零部件的设计信息和车间管理系统的资源信息完成零件的技术分析和工艺分析。
（2）工艺决策层。根据分析层提供的多种备选工艺方案和车间调度系统给出的资源可用信息综合选择可用的工艺方案。
（3）工艺详细设计层。接收到工艺决策层的工艺方案后，进行详细工艺设计，最后把附有工艺路线及详细资源和技术信息的完整工艺计划下发到车间指导作业。
这3个层次按照不同的时间顺序工作，构成动态工艺决策的递阶结构。
MES生产计划调度过程从结构和功能上也可分为3个层次：
（1）资源及任务分析层。按照需要完成的加工任务，制订初步生产计划并给出可用的资源信息表。
（2）决策匹配层。按可用的资源和工艺约束，把具体资源分派给某一零件的指定工序。
（3）调度与控制层。对每个零件的开工和完工时间做出详细作业计划，以保证零件的交货期。
由以上分析可知，工艺计划与生产计划调度之间有着大量的信息传递和相互联系。因此基于两者的工作内容、决策顺序以及相关的时间关系，可以得到工艺规划与车间生产计划调度的并行工作模式，使得两部分在实际生产过程并行工作。例如，当接到生产任务时，一方面进行生产任务和车间生产能力的分析，另一方面要进行工艺分析，形成可行的工艺方案。
两部分的决策层均与资源有关，工艺规划是按照工艺计划要求选择可行的加工方法和生产资源，计划调度是把可用的资源分配给指定的零件工序，并行工作在此找到交叉点，而这个交点正是系统的集成点。同样，在网络化制造环境下，不同地域的车间可以组成“虚拟车间”在网上进行信息交互。MES计划调度与CAPP并行工作模式如图2。
图2 MES计划调度与CAPP并行工作模式
资源的选择与匹配是系统集成的关键阶段。CAPP系统按照工艺要求选择车间可行的加工方法和制造资源，MES则试图把可用的资源分配给指定的零件工序。一个零件的加工通常有多种工艺方案，各工艺方案的经济性及所有资源的可用性都不相同。在规划过程中，应该综合考虑工艺方案的经济性与实时合理地分配资源，降低作业成本、提高车间调度柔性、实现CAPP与MES并行集成的思想，为下游的生产计划调度提供可行的工艺方案。同时，根据资源分配结果及详细工艺设计所提供的工艺参数，安排具体的作业计划，据此组织生产，并进行动态模拟以确定其可行性。系统最后将产生具体的工艺计划和详细的生产调度指令，一并下放到车间，共同指导车间生产。
本文所述研究方法，采用并行分布式集成的思想，有利分散生产任务，减小规划和控制的规模，降低以往由于集中式集成所带来的问题求解的复杂性，而且允许不同时间范围的规划与控制决策在不同功能层次上做出，因此能更好地实现CAPP与MES的分布式集成。集成结构模型如图3。
图3 基于Web的车间层MES和CAPP数据集成框架
5 车间层MES和CAPP数据集成
5.1 基于Web的车间层MES和CAPP数据集成框架
在网络化制造模式下，Web技术和数据库技术的应用越来越广，所发挥的作用也越来越重要，有必要应用Web技术和数据库技术进行B/S模式的MES/CAPP 的松耦合集成开发。基于Web的MES和CAPP集成体系框架如图3所示。
本框架采用了客户端、中间层和服务器模式，属3层体系结构。
（1）客户端浏览器层。通过网页中的交互组件实现与用户的交互。
（2）应用程序服务器层。应用程序服务器层包括Web服务器和应用程序两部分。其中Web服务器用于处理客户端浏览器层发出的HTTP请求并解释应用程序返回的处理结果。应用程序由许多以分布式对象方式封装的独立功能模块组成。网络化CAPP系统主要包括工艺流程及项目管理、协同工艺设计平台、工艺资源管理等模块，实现CAPP的任务分配与过程定义、工艺设计流程管理、人员权限管理、用户行为协调、系统管理、系统状态维护、资源检索、资源共享等功能。网络化MES系统实现对底层车间的设备管理、人员管理、工序管理、生产作业计划管理等。
（3）数据库服务器层。CAPP数据库服务器层主要包括工艺资源库、工艺数据库、工作流管理数据库、用户和权限管理库等数据库及数据库管理系统。为平衡负载，CAPP数据库和MES数据库在数据存储方式上可采用分布式数据库存储，以提高系统运行效率。
5.2 支持网络化制造的MES和CAPP集成数据库初步设计
在网络化制造环境下，应用相关的Web技术可以对MES和CAPP系统进行资源集成，但是这种集成主要是通过应用程序处理后经Intranet/Internet传输信息给用户查阅，属于松耦合集成形式。企业MES和CAPP系统的实施是建立在各自独立数据库基础上的，一般性集成对生产计划和工艺设计的开展并不能真正起到作用。本文所述的二者集成，在MES生产计划和CAPP工艺设计的数据库设计上做到统一，这是对资源管理非常有益的。本文提出了集成数据库设计的部分模型，如图4。
图4 车间层MES和CAPP部分集成数据表E-R图
我们采用实体-联系（E-R）方法进行数据库的概念模型设计。经过对车间数据的分析，可以得出实体及其关系，以及每个实体的属性。各实体通过可扩展标示语言XML进行定义及动态生成，在客户端获取并给予解释，实现不同软件提供商、不同平台之间无缝衔接。归纳起来主要有以下一些实体：
（1）零件信息。任何一个零件都可以用相应的零件号、零件名称、特征信息、所用材料、毛坯类型等信息来描述。而一个零件又由一系列相互关联的特征（如外圆，平面，螺纹等）组成，每一个特征和一组加工方法相对应，从而完整地描述了零件的设计信息。
（2）工艺信息。按照车间资源的种类和能力，对每个零件可以形成多个工艺方案，而真正使用的是一个确定的工艺规程。工艺规程由工序组成。
（3）生产任务。生产任务由要加工的若干不同种类的零件组成，而这些表示任务的零件可用零件标识号、生产数量、开工日期、完工日期、优先级等表示。根据生产任务要求，结合每道工序所选择的设备等资源，参考车间的资源状态以及生产任务的完成情况，就可形成合理的进度表，也就是调度结果。
（4）状态信息。状态信息可分为3个方面：第一是生产准备完成情况，如毛坯原材料预计到达时间等；第二是车间资源的状态信息，如车床正在加工、等待、故障等；第三为生产完成情况信息，如工序状态，质量信息等。这些信息是对生产车间的动态描述，随生产的进行而不断变化。要达到真正的集成，动态信息的准确性是至关重要的，在数据库设计时应充分考虑。
6 结束语
在网络化制造环境下，对车间MES和CAPP在资源集成和生产计划上的集成研究对于提高我国中小制造企业底层制造过程的效率、提升企业核心竞争力以及更好适应网络化制造的发展有着积极的意义和实用价值。本文对于支持网络化制造的MES和CAPP的研究也为下一步的企业实施打下了基础。(end)
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(12/16/2008) |
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