汽车零部件制造过程优化运行模式及支持系统研究

汽车零部件制造过程优化运行模式及支持系统研究为了实现汽车零部件制造过程无纸化、实时化和集成化等优化运行的目标，提出了一种基于MES的车间制造过程优化运行模式，在此基础上，又提出了支持该运行模式的制造执行系统体系结构和系统部署方案。最后，基于上述的研究成果，在重庆市某汽车零部件制造企业的数控车间进行了应用试点，取得了较好的应用效果车间是制造企业物流、信息流及资金流的汇聚点，是产品制造的场所。随着市场竞争的加剧以及客户多样化的需求，客观上要求制造企业在制造过程中能够低成本、高质量生产出客户需要的产品，并能够敏捷地对外界的需求快速地作出响应。通过实施信息化战略来提升制造企业管理水平已经被汽车零部件制造企业认同和采用。目前汽车零部件制造企业的信息化应用主要集中在CAD／CAM／CAPP／PDM、ERP、OA等方面，车间制造过程的信息化涉及较少，制造过程和设备层的信息化还存在很大的盲区，车间制造过程中的实时信息不能及时地向上层的ERP反馈，严重影响了制造管理的效率和企业制造执行的能力。针对汽车零部件制造过程精益化、敏捷化、可视化等实际需求，如何有效提高车间的制造执行能力已经成为现代汽车零部件制造企业所面临的一项重大课题，围绕着车间制造执行能力和管理，学术界和企业界进行了大量的研究和应用实践，制造执行系统(ManufacturingExeeutionSystein，MES)的研究及相关的应用实践就是其中典型的代表。目前的研究大部分还侧重与制造执行系统体系结构、系统构建、系统集成及应用实践相关的研究。但是，如何应用MES及其相关哲理，有效集成车间中的相关信息系统及生产装备，建立一种适合于汽车零部件制造企业车间制造运作管理的数字化优化运行模式，目前还较少涉及，相关的研究成果也不多。1汽车零部件制造过程优化运行需求分析企业资源计划(ERP)系统、产品数据管理(PDM)系统等制造信息化系统为现代汽车零部件制造企业提供了一个从产品设计、工艺规划、企业经营管理的数字化制造环境。极大地提高了制造车间的制造管理水平和信息共享程度，但是由于汽车零部件制造过程的复杂性，如工艺流程复杂、工程变更频繁、现场数据量大以及制造过程可视化和透明化程度低，相关车间信息化系统的潜力还有待挖掘，这就要求有效整合车间的制造流程和相关信息化系统，建立一种数字化制造环境下的制造优化运行模式，以实现车间信息化系统与生产装备的有效集成，实现制造过程的无纸化生产和制造过程的实时化和集成化，优化汽车零部件制造系统的运行，具体过程如下：1)实现生产过程的精益化。由于汽车零部件制造企业主要为汽车制造厂商配套，汽车制造企业的JIT生产和供货模式要求其配套商也采用JIT的供货模式；同时为了降低生产成本和管理效率，在经营管理、生产制造等领域，实施精益生产已经成为汽车零部件制造企业获得竞争优势的重要手段。2)实现制造过程的无纸化生产。车间的工作任务单、二维三维图、加工工艺单、变更信息等均用电子文档的形式下达到生产装备和工人，同时采用电子化的方式从生产装备和车间中采集到的相关实时信息进行上报，以提高信息传递的效率和减少纸张浪费。3)实现制造过程的实时化。通过车间的信息化系统以及与装备的集成，能够实时地把上层的计划和相关制造资料传递给操作者和车间管理人员，同时为操作者提供实时的与装备集成的信息交互平台，进行制造过程的实时信息采集，并反馈给车间管理层和上层的信息系统，以敏捷地实现对制造企业内外部变化的快速响应。4)实现制造过程的集成化。在制造过程中实现与车间中的人、技术及加工装备的集成化运行，通过与ERP系统、SFC系统(车间控制系统)以及生产装备的垂直集成，实现制造企业内部双向的信息集成和过程集成，通过实时的信息集成实现信息共享和快速传递，从而提高制造效率和效益。2基于制造执行系统的汽车零部件制造过程优化运行模式针对汽车零部件制造过程精益化、无纸化、实时化及集成化等优化运行需求，本文提出了一种基于制造执行系统的汽车零部件制造过程优化运行模式，如图1所示。图1基于制造执行系统的汽车零部件制造过程优化运行模式基于制造执行系统的汽车零部件制造过程优化运行模式的基本思路，以制造过程精益化、无纸化、实时化和集成化为目标，在制造执行系统的支持下实现车间制造执行过程的优化运行。该模式由目标层、制造执行系统(包括制造执行链层、MES功能服务层及基于装备集成的实时数据与信息交互层)、生产设备层和资源层构成。其中，目标层对数字化制造环境下汽车零部件制造过程优化目标进行描述，包括车间制造过程的精益化、无纸化、实时化和集成等目标。制造执行系统是实现制造过程优化运行模式的核心，它在传统的制造执行系统的基础上进行了扩展，由基于装备集成的实时数据采集与信息交互层、MES功能服务层和制造执行链层构成。通过汽车零部件制造企业的系统集成框架，接受来自ERP的生产计划、PDM的产品数据等信息，经过调度安排后下达到生产装备层，同时实时采集生产过程及生产装备的相关信息，进行分析处理后通过集成框架传递到其它信息系统，实现实时的信息双向集成和共享。同时，通过基于装备集成的实时数据采集与信息交互层，实现了与各类车间生产装备的直接双向数据交互，并为车间操作者提供了人机交互的数据输入和信息交互的平台，从而支持车间制造过程的无纸化生产。生产装备层包括车间的各类设备，如数控机床、加工中心和普通机床等，它接受扩展MES的加工任务和加工程序，并实时地把相关的状态信息通过集成框架传递到扩展MES。制造资源层包括MES数据库、NC程序库以及刀具信息库等车间制造所需要的相关资源和数据信息。3支持汽车零部件制造过程优化运行的制造执行系统3.1制造执行系统的体系结构从上面的研究可以看出。支持汽车零部件制造过程优化运行模式的运行过程离不开信息技术和信息化系统的支撑。制造执行系统作为车间制造系统运作的信息化管理平台，承担着支持车间制造系统优化运行的职责，但是传统的制造执行系统面对敏捷化的制造业务、集成化的制造过程等因素显得有些力不从心。因此，为了更好地支持汽车零部件制造过程的优化运行。有必要结合车间的实际需求对传统的制造执行系统功能进行必要的扩展，在支持车间制造过程业务管理功能的基础上，能够通过汽车零部件制造企业服务总线，无缝地与ERP、PDM、SFC等企业其它信息系统的集成，支持车间的制造过程运行管理和多目标的优化运行。支持汽车零部件制造过程优化运行的制造执行系统如图2所示。图2支持汽车零部件制造过程优化运行的制造执行系统体系结构支持车间优化运行的制造执行系统，由车间资源层、支撑工具层、MES功能服务层、服务集成层、制造执行链层及应用界面层构成。其中，车间资源层是MES运行相关的基础资源，包括MES数据库、制造过程相关的制造文档、制造知识库以及车间的设备资源等。支撑工具层是MES业务功能实现的支撑环境，其中包括流程引擎、业务规则引擎、服务组合引擎等制造执行链构建工具，也包括事务管理、系统安全管理等基础性服务和T具。MES功能服务层除了包含标准MES所包括的制造业务管理功能外，还包含支持与设备集成的集成服务以及支持制造过程优化运行的制造过程管理服务。服务集成层则通过车间服务总线实现MES与设备、ERP、PDM等企业其它信息系统基于服务的无缝集成。制造执行链层根据制造车间的业务流程通过服务的编排与合成构建制造执行链，进行车间制造业务的运行和管理，它包括制造执行链建模、制造执行链执行、制造执行链监控以及制造执行链重构等功能，同时，能够把成功执行的制造执行链作为流程案例存入流程案例库，以供以后调用和参考。MES应用界面层则是MES系统提供的人机交互界面，用户可以通过GUI、Web浏览以及无线接人等方式进行系统的访问和使用。3.2系统部署方案系统部署是制造执行系统MES实施和运行的基础，也是实现汽车零部件制造企业车间制造过程优化运行的重要保证。结合某汽车零部件制造企业的实际车间环境，MES系统的部署如图3所示。图3MES系统部署方案1)车间局域网。车间局域网采用有线以太网，通过车间交换机与企业的核心交换机相连，车间的基于多功能信息终端的数据采集与信息交互平台通过管理端计算机直接与车间局域网相连接，MES数据库服务器和应用服务器可与主交换机或者车间交换机相连。2)车间数据采集点及采集方式的设置。在每条产品装配线及钎焊线设置2台基于多功能信息终端的数据采集与信息交互平台。其中，人口的信息终端用于生产任务的确认、生产任务调整、生产线故障信息采集、作业指导书查询、加工示教等功能；生产线出口处的终端用于生产进度信息的采集，可按下线一台或满一个货架进行进度信息的输入。另外，每条机加工线配备一台多功能信息终端，用于生产任务确认、完工汇报、在制品搬运确认等功能。3)车间需配置少量的PC机，用于生产任务的调度、车间LED显示屏幕的控制等。4)MES系统需至少配备2台服务器，分别用于数据库服务器和Web及终端应用服务器，另外，需要配备相应的数据备份设备。5)系统提供异地用户及客户通过互联网在权限许可的情况下对相关信息的查询和访问。4应用案例基于上述的研究成果，在重庆市某汽车零部件制造企业的数控加工车间，对车间制造管理精益化、无纸化、实时化和集成化的需求，基于J2EE开发架构和WebServices技术，开发了支持汽车零部件制造过程优化运行的制造执行系统，并进行了应用试点，该制造执行系统由基于高端嵌入式系统的实时数据采集和信息交互平台、制造业务管理系统和车间系统集成框架构成，通过系统的应用，有效地实现了车间制造信息的快速集成和交互，并实现了生产过程的精益化、无纸化、实时化和集成化，其运作过程如图4所示。图4某制造企业基于MES的汽车零部件制造过程运行案例目前，在MES的支持下，该模式在车间数据设备的生产运行过程中取得了良好的应用效果。工人可以通过生产设备的信息终端，直接查看加工任务的设计图纸和工艺信息，结合生产设备的加工能力，与技术部门进行直接的信息交流，初步实现了无纸化生产；在生产管理效率方面，生产部门通过平台实时了解加工任务的生产状况及设备运行状况，合理制定生产计划安排生产，并可根据快急件的插入灵活地调整生产；在设备的运行效率方面，数控程序的集中管理、网络化传输及仿真，提高了数控设备利用率及运行效率。5结束语本文针对汽车零部件制造企业对车间制造过程无纸化、实时化和集成化等优化运行的需求，提出了一种基于MES的车间制造过程优化运行模式，研究了该运行模式的基本构成，在此基础上，提出了支持该运行模式的制造执行系统体系结构，并对系统的部署方案进行了研究，最后，基于上述的研究成果，在重庆市某汽车零部件制造企业的数控车间进行了应用试点，取得了较好的应用效果。