面向MES 的離散制造業(yè)物流精益管理系統(tǒng)研究*

張彩芳，尹 超

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400037;2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 制造工程研究所，重慶 400030)

0 引言

制造業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在我國經(jīng)濟(jì)增長中占有主導(dǎo)作用。而制造業(yè)對經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)很大一部分來自于以離散制造業(yè)為代表的機(jī)械裝備制造、汽車零部件制造等［1］。因此，離散制造業(yè)的發(fā)展對我國經(jīng)濟(jì)增長具有舉足輕重的作用。

隨著市場競爭的加劇和日益?zhèn)€性化的市場需求，離散制造企業(yè)的生產(chǎn)過程管理變得復(fù)雜而多變，對生產(chǎn)的柔性要求越來越高。企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)物流管理作為企業(yè)生產(chǎn)過程的重要組成部分，也變得越來越重要。提高企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)物流管理水平的重要途徑之一就是信息化，目前對離散制造企業(yè)生產(chǎn)物流信息化的研究較多［2］。文獻(xiàn)［3］研究了條碼技術(shù)在生產(chǎn)物流終端信息收集方面的應(yīng)用。文獻(xiàn)［4］研究了一種電子標(biāo)簽自動(dòng)補(bǔ)貨系統(tǒng)，并提出了一種補(bǔ)貨模型。文獻(xiàn)［3-4］的研究比較偏重于終端信息收集技術(shù)在車間物流中的應(yīng)用，對離散制造企業(yè)的生產(chǎn)全過程物流信息化缺乏整體規(guī)劃。文獻(xiàn)［2］研究了適合離散制造企業(yè)生產(chǎn)物流管理信息系統(tǒng)的功能模型和數(shù)據(jù)模型及關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)［5］研究了適合汽車零部件制造企業(yè)精益生產(chǎn)的物料管理系統(tǒng)的功能組成和關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)［2，5］的研究沒有考慮離散制造企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)廣泛實(shí)施的信息化環(huán)境，以及生產(chǎn)物流管理信息系統(tǒng)與MES的信息集成等問題。文獻(xiàn)［6］研究了離散制造業(yè)車間在制品跟蹤管理流程和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，并建立了車間在制品跟蹤管理系統(tǒng)與MES 的規(guī)范化接口機(jī)制等。文獻(xiàn)［6］的研究側(cè)重對在制品的信息跟蹤，缺乏對生產(chǎn)物流配送的優(yōu)化。文獻(xiàn)［7］研究了一種面向MES 的機(jī)械產(chǎn)品裝配過程物料配送系統(tǒng)，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種面向MES 的物料配送報(bào)警系統(tǒng)，但是沒有對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行配送優(yōu)化研究。文獻(xiàn)［8］也研究了一種面向MES 的車間物流信息系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出具體的物流系統(tǒng)功能模塊，分析了其與MES 其他功能模塊的集成，但是對配送優(yōu)化問題和車間物流終端信息的實(shí)時(shí)采集方法沒有提到。

基于上述離散制造業(yè)生產(chǎn)過程物流管理系統(tǒng)的研究成果，本文的研究主要針對已經(jīng)實(shí)施MES 和將要實(shí)施MES 的離散制造企業(yè)，建立一種針對企業(yè)制造全過程的物流精益管理信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵流程，并提出一套系統(tǒng)功能模型，為離散制造企業(yè)在MES 信息化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)制造全過程物流精益化管理提供一種信息化途徑。

1 離散制造業(yè)生產(chǎn)物流特點(diǎn)分析

美國生產(chǎn)庫存控制協(xié)會(huì)(APICS)將制造業(yè)分為離散制造企業(yè)和流程制造企業(yè)，離散制造業(yè)的生產(chǎn)主要通過物理加工和組裝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)，如機(jī)械制造、儀器儀表、電子等［1］。

近年來，隨著顧客個(gè)性化需求的不斷增加，現(xiàn)代離散制造企業(yè)的生產(chǎn)類型逐漸由大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)為多品種小批量生產(chǎn)。因此，現(xiàn)代離散制造企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)可以歸納為品種多、批量小、周期短和需求變化快，這樣就造成現(xiàn)代離散制造企業(yè)生產(chǎn)全過程的物流特點(diǎn)為:復(fù)雜、多變、快捷。目前，離散制造業(yè)生產(chǎn)物流的特點(diǎn)總結(jié)如下:

(1)物流管理復(fù)雜:由于多品種小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)，造成離散制造企業(yè)的生產(chǎn)線比較多，配送物流比較復(fù)雜。

(2)物流任務(wù)多變:由于多品種小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)和市場需求的多變，離散制造企業(yè)各個(gè)生產(chǎn)車間任務(wù)調(diào)度靈活，經(jīng)常會(huì)有臨時(shí)加單和臨時(shí)取消訂單現(xiàn)象，因此車間物流經(jīng)常多變。

(3)物流準(zhǔn)時(shí)性需求高:隨著企業(yè)服務(wù)意識(shí)的提高和市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品生產(chǎn)周期越來越短，對交貨的準(zhǔn)時(shí)性要求越來越高，這就要求生產(chǎn)過程的物流配送必須準(zhǔn)時(shí)。

(4)物流成本要求更低:隨著市場競爭的激烈，企業(yè)不僅在產(chǎn)品質(zhì)量和創(chuàng)新等方面要有競爭優(yōu)勢，產(chǎn)品價(jià)格也很大程度上決定著企業(yè)的市場競爭力，因此，對控制生產(chǎn)物流成本的要求也越來越高。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

近年來，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)在我國離散制造企業(yè)逐漸得到了推廣和應(yīng)用。MES 是處于計(jì)劃層(ERP)和車間層操作控制系統(tǒng)(SFC)之間的執(zhí)行層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。離散制造企業(yè)可以通過MES 實(shí)現(xiàn)對制造全過程的可視化和數(shù)字化管理，為制造全過程的物流管理提供及時(shí)、全面的信息支撐［9-10］。

制造執(zhí)行系統(tǒng)可以為離散制造企業(yè)提供制造全過程的實(shí)時(shí)全面的物流動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息。但是大部分制造執(zhí)行系統(tǒng)本身往往對這些物流信息的優(yōu)化分析利用不夠充分，因此，本文構(gòu)建了一種面向MES 的物流精益管理信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為離散制造企業(yè)進(jìn)一步提高生產(chǎn)過程物流管理水平提供一種信息化途徑。

圖1 物流精益管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

(1)目標(biāo):面向MES 的物理精益管理系統(tǒng)的目標(biāo)就是:通過RFID 等終端信息采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)采集，保證物流與信息流的統(tǒng)一與并行，通過優(yōu)化配送模型，實(shí)現(xiàn)配送任務(wù)的優(yōu)化安排和配送路徑的優(yōu)化配置，最終實(shí)現(xiàn)降低配送成本和車間庫存成本的目標(biāo)。

(2)用戶:面向MES 的物流精益管理系統(tǒng)將企業(yè)生產(chǎn)過程的車間補(bǔ)貨和配送任務(wù)集中到企業(yè)的配送中心進(jìn)行，而不是傳統(tǒng)的由各個(gè)工位的工人進(jìn)行補(bǔ)貨申請。這樣可以使工人將全部精力投入安全生產(chǎn)中，同時(shí)配送中心統(tǒng)一補(bǔ)貨，還可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益，降低物流成本。

(3)實(shí)現(xiàn)形式:面向MES 的物流精益管理系統(tǒng)屬于MES 的一部分，是離散制造企業(yè)信息化環(huán)境下的一個(gè)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)還需要與MES 中的生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝優(yōu)化系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)柔性調(diào)度系統(tǒng)以及ERP、CRM 等系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成。

(4)支撐環(huán)境:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)施是物流精益管理系統(tǒng)與其他軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息和資源共享的基礎(chǔ)，

3 系統(tǒng)關(guān)鍵流程

3.1 信息采集流程

面向MES 的物流精益管理系統(tǒng)將車間物料分為原材料、半成品、成品和不合格品四類。對各個(gè)工位物料終端信息的實(shí)時(shí)采集可以采用三種方式:一種是可以采用低成本的電子按鈕計(jì)數(shù)器，缺點(diǎn)是每次都需要工人去點(diǎn)擊按鈕，會(huì)影響工人的加工時(shí)間和精力;第二種是可以采用條形碼技術(shù)，這種方式的優(yōu)勢仍然是成本低，但是最終的信息采集需要信息采集器如掃描儀實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取和錄入，需要工人進(jìn)行操作，操作的方便程度不高;第三種就是RFID 技術(shù)，一套完整的RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、閱讀器及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，成本高，但是具有十分顯著的優(yōu)點(diǎn):信息量大、讀取方便快捷、數(shù)據(jù)記憶容量大、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可以修改以及安全性好等。參考文獻(xiàn)［11］的研究成果，RFID 技術(shù)的應(yīng)用可以在生產(chǎn)環(huán)節(jié)、存儲(chǔ)環(huán)節(jié)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)以及配送環(huán)節(jié)減少企業(yè)人力和物力的投入，節(jié)約成本，增強(qiáng)物流過程中信息的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

基于上述分析，本文提出的面向MES 的物流精益管理系統(tǒng)采用RFID 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對車間物料信息的實(shí)時(shí)采集，貼有標(biāo)簽的物料只要在閱讀器磁場范圍內(nèi)，就可以自動(dòng)讀取，無須工人操作，既可以保證信息采集的及時(shí)準(zhǔn)確，也可以保證工人將全部時(shí)間和精力投入生產(chǎn)。

［12］的研究成果，將物流精益管理系統(tǒng)的車間物流終端信息采集流程設(shè)計(jì)為圖2 所示，在工位的待加工區(qū)和已加工區(qū)各安裝RFID 閱讀器，當(dāng)物料配送到待加工區(qū)，則RFID 閱讀器自動(dòng)識(shí)別為物料到位信息，等待加工;當(dāng)物料離開待加工區(qū)，也沒有進(jìn)去已加工區(qū)時(shí)，說明物料在加工中;當(dāng)物料進(jìn)入已加工區(qū)時(shí)，說明加工完畢。通過這種雙RFID 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對物料的全程監(jiān)控。RFID 閱讀器識(shí)別到的信息通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)物流和信息流的統(tǒng)一與并行。

圖2 車間物流終端信息采集流程

3.2 補(bǔ)貨流程

面向MES 的物流精益管理系統(tǒng)中，所有補(bǔ)貨流程都由企業(yè)配送中心工作人員負(fù)責(zé)。具體補(bǔ)貨流程如圖3 所示:車間各個(gè)工位的補(bǔ)貨申請不再由各個(gè)工位的工人操作，而是由配送中心人員通過物流精益管理系統(tǒng)對各個(gè)車間各個(gè)工位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析出各個(gè)工位達(dá)到補(bǔ)貨報(bào)警點(diǎn)時(shí)，相對應(yīng)的庫管員操作的電腦顯示器會(huì)彈出補(bǔ)貨報(bào)警信息，當(dāng)庫管員響應(yīng)補(bǔ)貨申請后，再由系統(tǒng)內(nèi)部的配送優(yōu)化模型自動(dòng)生成配送任務(wù)，并在對應(yīng)的配送員操作電腦顯示器彈出報(bào)警信息，配送員響應(yīng)后，即可打印系統(tǒng)優(yōu)化后的配送路徑。如果庫管員沒有響應(yīng)補(bǔ)貨報(bào)警，系統(tǒng)則會(huì)持續(xù)發(fā)出報(bào)警信息，直到響應(yīng)為止;如果配送員沒有響應(yīng)配送任務(wù)報(bào)警，系統(tǒng)同樣持續(xù)發(fā)出報(bào)警信息，直到響應(yīng)為止。配送人員將物料配送到工位的待加工區(qū)域后，RFID 閱讀器將到貨信息反饋回管理系統(tǒng)，補(bǔ)貨結(jié)束。

圖3 系統(tǒng)補(bǔ)貨流程

通過對傳統(tǒng)補(bǔ)貨申請流程的改造，可以使車間生產(chǎn)人員全身心投入安全生產(chǎn)，同時(shí)配送中心通過物流精益管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型統(tǒng)一安排配送任務(wù)，一方面可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益，降低配送成本，另一方面可以大大縮短各個(gè)車間的補(bǔ)貨周期，降低車間庫存成本。

4 系統(tǒng)功能模型

建立面向MES 的離散制造業(yè)物流精益管理系統(tǒng)功能模型如圖4 所示。

圖4 物流精益管理系統(tǒng)功能模型

4.1 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊的主要功能如下:

(1)用戶信息設(shè)置

主要設(shè)置系統(tǒng)的用戶等級、新增用戶和刪減用戶以及對用戶信息的更新維護(hù)。

(2)系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置

主要設(shè)置不同等級用戶的使用權(quán)限。

(3)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

主要設(shè)置各個(gè)工位原材料的補(bǔ)貨點(diǎn)、補(bǔ)貨預(yù)警點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貨量等參數(shù);設(shè)置生產(chǎn)線終點(diǎn)工位成品的最高庫存量等參數(shù);設(shè)置各配送設(shè)備的運(yùn)輸能力、以及配送設(shè)備空載率的計(jì)算參數(shù)等。

4.2 物流配送管理

物流配送管理模塊的主要功能如下:

(1)車間補(bǔ)貨報(bào)警查詢

配送中心庫管員可以查詢自己負(fù)責(zé)的各個(gè)工位的庫存明細(xì)，也可以查詢所有補(bǔ)貨報(bào)警的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，當(dāng)有補(bǔ)貨報(bào)警信息時(shí)，該功能模塊會(huì)在電腦桌面彈出一個(gè)報(bào)警信息提醒庫管員。如果庫管員響應(yīng)該報(bào)警信息，則該補(bǔ)貨信息自動(dòng)轉(zhuǎn)入配送優(yōu)化模塊，進(jìn)行配送任務(wù)的安排。

(2)成品入庫報(bào)警查詢

成品庫管員可以通過成品入庫報(bào)警查詢模塊，查詢各個(gè)車間產(chǎn)成品的車間庫存明細(xì)。當(dāng)成品需要入庫時(shí)，該功能模塊會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警信息在相關(guān)庫管員的操作窗口。如果庫管員響應(yīng)該報(bào)警信息，則該成品入庫信息自動(dòng)轉(zhuǎn)入配送優(yōu)化模塊，進(jìn)行配送任務(wù)的安排。

(3)配送任務(wù)查詢

該功能模塊會(huì)依據(jù)各個(gè)庫管員響應(yīng)的報(bào)警信息，通過優(yōu)化模塊，自動(dòng)生成某個(gè)運(yùn)輸設(shè)備的配送任務(wù)。并在配送員操作界面彈出提示信息。配送員對配送任務(wù)進(jìn)行確認(rèn)操作后，將自動(dòng)轉(zhuǎn)入配送路線查詢模塊。

(4)配送路線查詢

配送員通過該模塊查詢打印每次配送任務(wù)的路線表。

4.3 配送設(shè)備管理

配送設(shè)備管理模塊主要實(shí)現(xiàn)對配送設(shè)備基本信息維護(hù)以及相關(guān)的信息查詢。

(1)設(shè)備基本信息維護(hù)

主要維護(hù)配送設(shè)備的基本信息如:名稱、型號、運(yùn)載力、維護(hù)周期、維護(hù)記錄、駕駛員、購買時(shí)間、預(yù)計(jì)報(bào)廢時(shí)間等。

(2)設(shè)備運(yùn)載力查詢

可以按照運(yùn)載力、駕駛員等不同條件查詢可用運(yùn)輸車輛;可以查詢所有可用運(yùn)輸設(shè)備明細(xì)統(tǒng)計(jì)表，并可以選擇多種排列順序等。

(3)設(shè)備維護(hù)查詢

設(shè)備維護(hù)查詢模塊主要實(shí)現(xiàn)對需要進(jìn)行定期維護(hù)的配送設(shè)備進(jìn)行查詢，保證運(yùn)輸設(shè)備按時(shí)進(jìn)行檢查維護(hù)，避免事故的發(fā)生，并保證配送任務(wù)能按時(shí)完成。

4.4 車間物料管理

車間物料管理模塊的具體功能如下:

(1)原材料管理

各個(gè)工位待加工區(qū)域的原材料實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由RFID閱讀器自動(dòng)實(shí)時(shí)更新，通過原材料管理模塊實(shí)現(xiàn)對各個(gè)工位原材料數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢。

As the precision of the observable of Ndis considerably higher than that of Naobservation precision,can be replaced by.The new narrow-lane ambiguity equation is as follows:

(2)在制品管理

通過各個(gè)工位已加工區(qū)域的RFID 閱讀器自動(dòng)實(shí)時(shí)更新在制品數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行在制品信息統(tǒng)計(jì)和生成報(bào)表，同時(shí)為MES 系統(tǒng)中的生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)控子系統(tǒng)提供進(jìn)度數(shù)據(jù)。

(3)成品管理

通過最后一道工序的已加工區(qū)域RFID 閱讀器實(shí)時(shí)更新成品信息，通過本模塊，物流人員可以實(shí)時(shí)查詢車間成品庫存情況，并可以進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)，同時(shí)與MES 系統(tǒng)的生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)控子系統(tǒng)和ERP 中的銷售管理子系統(tǒng)進(jìn)行信息共享。

(4)不合格品管理

對于質(zhì)檢出現(xiàn)問題或損壞的零部件，則集中在車間的不合格品區(qū)域，并安裝專門的RFID 閱讀器，用戶可以通過本模塊實(shí)現(xiàn)對不合格品的查詢并進(jìn)行相關(guān)處理。

5 結(jié)論

本文基于已有的離散制造業(yè)生產(chǎn)過程物流管理系統(tǒng)的研究成果，針對已經(jīng)實(shí)施MES 和將要實(shí)施MES的離散制造企業(yè)，建立了一種面向MES 的離散制造業(yè)物流精益管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，目的是為了實(shí)現(xiàn)離散制造業(yè)生產(chǎn)過程中物流與信息流的統(tǒng)一與并行、配送任務(wù)的優(yōu)化和車間庫存成本的降低。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵流程:采用RFID 技術(shù)的終端信息采集流程和不需要車間工人參與的補(bǔ)貨流程，這兩個(gè)關(guān)鍵流程的應(yīng)用，可以保證車間物流終端信息采集的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，而且信息采集和補(bǔ)貨過程無需車間工人進(jìn)行操作，可以保證車間工人將全部精力投入安全生產(chǎn)。建立了一套物流精益管理系統(tǒng)的功能模型，描述了各個(gè)模塊的主要功能。面向MES 的物流精益管理系統(tǒng)是離散制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)物流精益化管理的一種有效信息化途徑，可以幫助離散制造企業(yè)降低物流成本，提高市場競爭力。

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