离散制造车间系统分析与模型构建 - 文章

离散制造车间系统分析与模型构建

作者：李春磊王晶陈泽

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20世纪90年代初期，美国先进制造研究机构(Advanced Manufacturing Research，AMR)首次提出制造执行系统(Manufacturing Execute System，MES)概念时，将其定义为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间、面向车间层的管理信息系统”。从本质上来看，车间是应用的对象，MES则是软件产品或信息系统的概念。

MES的提出是为了解决车间信息集成方面的问题，是一种具体的软件实现方式，组成它的功能模块应该在车间管理与信息集成的范围内，所以对车间本身的研究，可以促进MES的研究和应用。本文从系统的角度分析离散制造车间的全貌，以利于MES在其中的应用研究。

1 离散制造车间系统的概念

系统是由相互作用和相互依赖的若干部分组成、具有特定功能的有机整体。系统的结构模型、功能模型、过程模型和环境模型可以分别回答系统“是什么”、“能做什么”、“怎么做”，以及“外部条件如何”的问题。

离散制造车间从狭义上来讲，是一个包含人员、物料、设备以及相应的硬件、软件支撑等生产要素的物理空间；从广义上来讲，是一个由工作人员利用现有的生产资料，将企业的生产计划付诸实施，将原材料转变为产品的生产系统。结合系统的概念，本文给出离散制造车间系统的定义：以完成规定的生产计划为目标，由人员、设备、物料以及相应的硬件、软件支撑组成的具有离散加工装配特点的有机整体。下面将从环境、结构、功能和过程4个方面对离散制造车间系统进行分析。

2 离散制造车间系统的环境模型

系统时刻处于环境中，研究系统的环境对于认识和改造系统至关重要。离散制造车间系统的外部环境可以分为：市场环境、人事环境、技术环境和财务环境，其模型如图1所示。

1) 市场环境。市场环境对于离散制造车间系统的重要性不言而喻，宏观经济的好坏，客户的需求变化，竞争对手的强弱，供应环节的牢固度，都可以直接或者间接地影响离散制造车间的效益甚至生存。

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图1 离散制造车间系统的外部环境模型

2) 人事环境。生产离不开人，人员素质的高低、企业内人员组织的是否合适、规章制度设置的是否合理，以及企业文化所追求的愿景，在某种程度上决定了产品的质量、生产的效率和效益。

3) 技术环境。随着客户对产品的要求越来越多样化，促使企业对制造工艺的要求越来越高，对产品质量的要求越来越严格，因此，离散制造车间系统需要良好的外部技术环境作支撑。

4) 财务环境。资金是企业的血液，财务是对企业资金的规范化管理。良好的财务状况是企业可持续发展的前提，间接地推动离散制造车间朝着有利于提高企业资金利用率的方向发展，如要求离散制造车间具有良好的计划执行能力、较低的废品率和优秀的物流管理能力等。

3 离散制造车间系统的结构模型

结构模型反映系统中要素之间的联系方式、组织秩序以及时空表现形式，是系统的一种内在规定。离散制造车间系统的要素众多，目前尚没有很好的方法将这些要素按照统一的方式进行整合管理，本文将把众多要素分为设备子系统、物料子系统和人员子系统3个部分来加以研究。

3.1 设备子系统

离散制造车间系统要完成一个个制造任务，维持正常的运行，需要由生产设备来完成整个转化过程，图2所示为离散型生产车间设备层次模型。

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工作单元是一些可以完成相似生产要求的设备的集合。工作中心是由一个或者多个工作单元组成，可以完成一定数量产品的加工。存储单元是存储、搬运设备的集合，多个存储单元构成车间的存储区，负责完成车间内的物料、在制品的存储管理和搬运等工作。从最小的生产设备、存储设备到工作中心、存储区再到车间，在各个层次上不仅是设备数量的改变，也是各自角色、所具能力的变化。

3.2 物料子系统

离散制造车间系统中的物料子系统可以用物料清单(Bill of Material,BOM)来加以阐述。BOM作为企业的重要生产资料，用来描述产品或配件的结构，其中包括所有半成品、原材料的清单以及制造一个成品所需物料的数量。BOM表反映了一个产品所有零／部件的构成层次关系和数量关系，是定义产品结构的技术文件，也是车间进行生产调度、物料管理和原材料采购的依据。

3.3 人员子系统

离散制造车间系统的核心是人，人员的素质水平、组织结构将直接影响生产的效率。组织混乱、职责不明、责任意识淡薄和技能水平不达标，将会直接导致生产的混乱无序、产品质量下降和成本上升，从而影响车间的整体效益。目前有关组织结构的研究与实践有了很大地发展，但绝大多数离散制造车间的人员组织形式还相对简单，可以按职位划分为：车间主任、班组长和普通员工，呈金字塔形。

4 离散制造车间系统的功能模型

功能模型是从系统要素间的功能逻辑角度对系统进行考察，描述了系统各个内部功能模块之间的联系，从而为识别系统、掌握系统和利用系统打下基础。

本文结合ISA-95.01标准(企业．控制系统集成标准)中的制造运营管理功能参考模型，构建了离散制造车间系统的功能模型，如图3所示。图3中的功能模块包括：生产调度、生产控制、订单处理、产品库存控制、产品核算、质量保证、维护管理、物料控制、研究开发和销售。虚线代表离散制造车间系统的功能范围。处于虚线上的功能模块，表示其有可能落在车间层，也有可能落在更高的层面，取决于企业的组织策略。订单处理、产品库存控制、产品核算、物料控制、研究开发和销售对于离散制造车间是外部功能模块，起到提供生产信息的作用。主要功能模块所完成的任务如下。

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图3 离散制造车间系统的功能模型

1) 生产调度功能。其通过实际的生产调度表、生产能力信息以及企业生产计划，给出调度信息，通常包括调度表的确认、最终产品包装调度表的确定和可销售产品的确定。

2) 生产控制。生产控制中的主要功能可以分为：支持工程、运作控制和运作计划3个子功能。支持工程主要包括：提出维修要求、协调维护、工程设计功能、跟踪设备和工艺性能，提供对操作人员的技术支持和跟踪技术进展；运作控制主要包括：按调度表和技术规范生产产品，报告生产过程以及资源信息，监视设备运行，确定维护要求，准备设备维护，完成生产和控制设备的诊断和自检查，平衡和优化区域内的生产；运作计划功能主要包括：对照原材料可用性、人员和设备可用性检查调度表，确定产能现状的百分值，制定基于调度表的短期生产计划，考虑到设备停机的情况，及时修改短期生产计划。

3) 质量保证。其主要完成的任务包括：设定物料质量标准；按照技术、市场和客户等方面的要求，发布标准；收集和维护物料的质量数据；保证产品发货前的质量；对偏离正常产品技术规范的产成品进行放弃确认。

4) 维护管理。其主要完成突发和定期的设备维护任务，并为支持工程提供设备性能和可靠性报告。

5 离散制造车间系统的过程模型

系统就其本质来说，是“过程的集合体”，过程实质上是一系列的活动和活动方法，通常包括一定数量的步骤和操作，展现了系统的动态特征。生产过程是离散制造车间系统中的核心过程，因为物料只有通过它才能变为产品，增加价值，从而使企业盈利。本文关于离散制造车间生产过程定义如下：为了完成某一车间的生产任务，在相应资源的支持下而采取的一系列互相衔接的业务活动。影响离散制造车间生产过程的因素众多，但可以概括地表示为：人员、设备、物料、方法和环境，如图4所示。

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图4 影响离散制造车间生产过程的因素

1)人员因素。人员是生产过程的主体，人员的素质水平，会影响到过程中的各个环节，从生产调度、生产效率到产品的质量等。

2)设备因素。设备因素从其自动化水平、工艺水准、可靠性、可维修性和安全性等方面影响生产效率、质量水平和过程的能力水平。

3)物料因素。物料在生产过程中供应是否流畅，会直接影响生产的成本、企业的效益。

4)方法因素。离散制造车间的工艺复杂，生产过程的有序进行需要有良好的生产调度、生产方案以及详细的生产工艺信息指导。

5)环境因素。过程环境是生产过程的保障，生产过程各个环节需要良好地协调，人员需要良好地组织，技术需要满足工艺的要求，如此才能产生良好的效益。结合以上分析，将上文中环境模型、结构模型和功能模型综合后，映射到现实的离散制造车间中，设计出离散制造车间生产过程模型，如图5所示。图5中虚线表示离散制造车间的范围，其中维护部门和质量部门的设置会因各个企业内部的组织要求不同而有区别，所以既可以把它设置为车间的一个部门，也可以不属于车间而设置成独立的部门。

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图5 离散制造车间生产过程模型

整个离散制造车间的生产过程也是信息流和物流在各部门间流动的过程。从信息流角度来看：(1)调度部门接收到来自生产计划部门的生产订单，随后按照原材料库房的库存信息、车间的生产能力信息制作成作业计划，随同工艺信息交给生产控制部门；(2)生产控制部门根据各个工作中心的实际情况，制成更详细的调度计划，并完成本次生产的物料需求、设备的维护计划表和质检计划表，分别下发给原材料库房、维护部门和质量部门；(3)工作中心收到调度计划表和生产工艺信息后，开始给每个工作单元安排作业，操作员工接收到作业指令和物料开始生产产品；(4)生产过程中，维护部门和质量部门根据计划和操作人员提出的突发维护、质检要求，对过程中的设备进行维修，对在制品、制成品进行检验；(5)制成品经过检验后由工作中心向成品库房提出入库申请；(6)在执行生产的同时，各个工作中心实时地收集生产数据(手工的单据、格式化数据)，汇总成制造过程状态数据提交给生产控制部门，生产控制部门根据这些过程数据完成生产绩效的考察；(7)维护部门和质量部门还需定期提供维护报告和质量报告。

从物料角度来看：(1)原材料库房根据需求计划，将原材料送到工作中心，随后工作中心根据详细调度计划表和实际的工作能力将原材料分发给各个工作单元；(2)各个工作单元根据计划，控制和管理生产过程中的半制品、制成品；(3)产品完成生产过程后经检验，由工作中心交入成品库房。

6 结语

由于离散制造车间系统的复杂性，只从一个视角不足以了解它的全貌，因此本文从结构、功能、环境和过程4个方面，全面地剖析了离散制造车间系统，从而明确了离散制造车间系统的管理需求。通过全文的分析，归纳出应用于离散制造车间的MES可包含调度管理、人员管理、生产控制、在制品管理、质量管理、设备管理、数据收集与整理和绩效评价8个功能，能够辅助车间人员完成从订单下达到产品成形的整个生产过程的管理工作，能够帮助减少车间内部没有附加值的活动，改善车间物料的流畅性。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/19/2011)


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