起重機端梁生產車間制造執行系統分析與規劃

張培++祁麗霞

【摘 要】端梁是起重機裝備制造最重要的部件，屬于大批量定制產品，其生產制造計劃復雜，制造管理要求高。論文分析了端梁生產制造的特點，并結合端梁生產管理中的信息需求，對端梁生產制造執行系統進行了分析與規劃，為起重機裝備制造深化升級提供思路。

【Abstract】 End beam is the most important component of crane equipment manufacture， and belongs to the mass customization product. The manufacturing plan is complicated and the manufacturing management requirement is high. This paper analyzes the characteristics of end beam production， combined with the information demand in the production management of end beam， the design and implementation of the end beam manufacturing execution system are analyzed and planned， which provides the thinking for the further upgrading of crane equipment manufacturing

【關鍵詞】制造執行系統（MES）；端梁生產；車間調度；信息化

【Keywords】 manufacturing execution system （MES）； beam production； workshop scheduling ； informatization

【中圖分類號】TH2 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0040-03

1 引言

起重機端梁生產車間是典型的成批量的離散類制造車間。相對于面向庫存的大批量生產車間和多品種小批量生產，端梁成批生產車間的管理更為復雜，企業的生產組織在調度過程中更容易出現混亂的情況，生產過程比較難以掌握和調控，離散型產品的交貨期也更難以向客戶保證。

在制造信息行業，普及比較廣的是ERP系統，但是在實施ERP的企業中很多都沒有達到計劃的發展目標和得到預計的經濟效益。究其原因主要是由于沒有MES的支持，企業根據ERP系統制定了生產計劃，但是往往是和企業的實際生產情況及生產過程脫節的，因此造成ERP在執行過程中出現很多的紕漏，進而企業不能最終按照計劃進行生產制造。制造執行系統（MES）是介于企業計劃層和計劃執行層之間的控制層系統。MES和計劃層ERP以及操作執行層都有雙向的信息數據交互，通過數據的雙向交互將計劃層和執行層聯系起來[1]。相較于ERP系統，MES系統更強調對企業整個生產過程的優化管理和強調收集生產過程中產生的實時數據，并做出相應的分析和反饋調節措施。這樣，通過MES就可以對企業生產制造過程進行控制，使企業根據計劃進行生產，從而減少無效的生產活動，其次也可以根據實際的計劃執行情況來調整企業的生產目標，做到企業生產計劃的合理安排。

離散型生產車間是MES系統設計與應用的現場，本文分析了其中及端梁生產的特點，分析了其制造的關鍵點，初步規劃形成了起重機端梁生產車間的結構框架，以期為起重機裝備制造的提升提供思路。

2 起重機端梁生產的特點

端梁生產一般為定型產品，產品的結構和工藝有一定的相似度，生產中通常采用半模塊化的生產方式。半模塊化的生產方式使端梁成批生產的專業化程度和生產連續性都比較低，這也使端梁的生產不能完全采用加工流水線的方式組織制造。

端梁車間生產的特點：

①多品種，小批量生產。作為通用起重機械的一部分，端梁配套其他起零件，由于每種產品生產量不同，而且配套組裝成起重機根據客戶用途的不同有時會有很強的個性化要求。

②生產計劃復雜。端梁車間生產成品主要是以訂單為主進行安排生產計劃，但是組裝端梁的標準件則是按照保證安全庫存原則生產?？蛻粲唵蔚碾S機性和端梁標準零部件的計劃性生產增大了離散型生產車間調度的復雜性，往往會產生計劃上的矛盾沖突。

③質量要求高。通用起重機產品質量的好壞關系到客戶使用過程中的安全生產問題，涉及到使用者的生命財產安全。所以端梁生產過程中質量要求高，在生產過程中需要對產品的質檢信息做全面采集記錄，保證完整的端梁質量追溯鏈。

④不確定性大。起重機市場環境的快速變化及客戶需求條件具有不確定性。整體的起重機產品大多是由客戶定制的，由于產品訂貨規格、數量、最終交貨期的變化，容易出現緊急的生產任務，增加端梁車間計劃執行的困難度。

⑤端梁車間生產管理具有動態性。作為典型的離散型制造，端梁的生產過程不確定因素太多。例如，在端梁焊接過程中，由于工人的熟練程度不同，可能會造成生產進度計劃的不確定性。并且由于生產過程中需要控制變量因素（人機料法環）多，車間管理人員不能及時知道生產現場的第一手反饋信息，無法對端梁的生產進度狀況宏觀把握，因而不能隨機做出正確的調整措施。

3 端梁制造MES系統規劃的關鍵點分析

根據以上對端梁生產特點的分析，端梁制造MES系統在規劃時應重點考慮以下幾個方面：

①生產調度問題：車間的生產調度是車間計劃的執行過程，是對車間日常生產活動進行控制與調節。生產調度需要根據車間實際生產能力和現場狀態，接收車間生產計劃下達的任務信息，為計劃資源做優化調配，制定具體加工計劃；另外需要及時處理生產現場出現的異常情況，對生產作業重新安排調度。車間生產調度問題本質上是一個存在多目標和多優先級約束的優化決策問題。這里的目標包括：車間生產成本、產品交貨期滿意度、任務完工時間、機器設備總負荷、產品質量；多約束條件則主要指產品工藝路線約束、加工設備約束和訂單交貨期約束等[2]。車間作業調度是車間生產管理的核心和難點，也是整個企業管理最煩瑣和最困難的關鍵環節。MES系統為了實現數字化車間制造目標，就必須解決如何優化車間生產調度。endprint

②生產計劃問題：MES通過系統接口從ERP系統中導入主生產計劃并進行生產任務分解、車間零件級作業計劃的制定和下達、關鍵設備生產作業任務的調度、生產現場信息采集的采集—傳遞—反饋的閉環運行。

車間生產調度應與生產計劃控制相輔相成，即調度結果能準確符合車間的實際生產活動的需求，合理的動態車間生產調度可以做到“按訂單組織生產”并兼顧“按庫存組織生產”[3]。動態調度是指在不可知的動態時間出現的情況下，如果繼續執行原有的計劃調度方案，可能會出現不合理的結果或不可能正常執行調度時，系統根據最新的數據信息和重新調度指令進行新調度方案的生成操作。動態調整原調度方案時，要做到新的調度作業與原方案對接，保證實施生產計劃的高效性及系統對外界擾動反應的靈敏度，把對生產過程的影響降低到最低程度。對于車間在生產過程中經常出現的一些不可預見擾動，例如機器故障、緊急生產任務的插入，打亂了原先的作業計劃和調度安排，及時根據當前的狀態，對其資源進行實時動態調度，并重新對生產任務進行規劃與仿真。

③端梁產品質量管理問題：MES系統實現端梁生產過程質量數據實時采集，并在生產過程中實現質量信息反饋和質量問題處理，實現端梁質量信息的統計和分析的一體化運行。

4 端梁制造執行系統的規劃與框架

根據以上分析，構建端梁制造執行系統功能模型與框架如圖1所示。制造執行系統處于整個企業信息架構的中間層，所扮演的角色對企業資源計劃管理層是執行者，對車間生產控制系統是指揮者。在數據量上主要通過實時收集與控制端梁生產過程的物料、人員、設備和生產指令在內的所有車間資源來提高競爭力，關注端梁從生產計劃下達到成品產出的生產信息。

其基本思路是：制造執行系統（MES）從上層ERP系統接收端梁的生產計劃，將生產任務經過細化分解處理后，向下層生產控制系統發出生產任務指令；與此同時從下層生產控制系統接收生產現場的實時生產進度、物料、質量和設備信息等數據，對實時信息進行及時的整理分析，并向上層ERP系統反饋計劃任務的執行結果，實現車間生產計劃、物料、質量、工藝技術文件和制造資源的有效管理和制造過程的監控，從而提高生產制造過程的實時性、透明性和可控性。

由于制造執行系統是面向車間生產現場管理的信息系統，它的大多數操作都是以生產現場信息數據驅動的，這些信息中，絕大多數都必須具有時效性。因而，實時采集生產現場信息是MES整體運行的支撐和關鍵[4，5]。信息采集主要是收集表征每種生產要素過程信息的各種信息指標，通過查詢這些信息能夠了解整個的生產過程，甚至是還原再現整個生產過程。在本端梁生產系統中，MES系統實現生產車間信息的采集管理主要作用在兩個方面，一方面實現生產指令、技術文檔、派工作業等信息的實時下達，另一方面實現車間現場的生產進度、產品質量、生產物流等信息的實時采集和反饋，這些基本信息包括人員信息、設備及工裝信息、物料信息、過程信息，同時為了更好地描述整個車間的生產過程，還需要采集必要的輔助信息，包括車間各種計劃調度信息、制造信息、相關的工藝信息等。信息采集為生產現場監控提供實時信息，能夠讓管理者把握整個生產過程狀態；為現場生產調度提供實依據，及時發現生產異常并做出相應的調度決策；為產品物料追蹤和質量問題分析提供生產過程的歷史信息，能夠再現整個生產過程來支持質量事故時候追蹤和生產過程分析。

端梁生產車間信息實時采集在技術實現上會存在以下難點：設備的自動化水平差異大，不同設備信息采集方式不同造成采集效率低下，形成短板效應；端梁生產車間的不確定因素多，信息的采集干擾比較嚴重，影響信息采集的準確性和信息傳輸的穩定性；不同設備的傳輸的信息格式不同，在進行MES編程實現時，需要進行相應的設備標記和信息格式轉換才能供管理者使用。

5 結論

通過實施MES，可以將企業的生產系統連成一個整體，減少生產計劃和實際生產情況的偏差。通過對生產制造各方面的實施信息采集，形成一個跟蹤生產進度、庫存情況、工作進度和其他與車間生產相關活動的信息流，通過該信息流消除制造過程中的 “信息孤島”和 “自動化孤島”，實現企業制造信息的全集成，從而使制造管理更精益化。

隨著起重機市場競爭的發展，端梁生產上層計劃管理受市場影響越來越大，對時間的敏感性要求愈來愈高，企業生產計劃的制定更要依賴于市場和生產現場的作業執行狀態，而不能完全以物料和庫存來控制生產。制造執行系統解決了企業計劃層和控制層的信息斷層問題，滿足了真正意義上的車間自動化需求和車間保持對市場變化敏感度的需求，因此MES技術在端梁生產車間的推廣應用可有力促進裝備制造企業信息化的發展， 是裝備制造業值得研究的方向。

【參考文獻】

【1】莊懷天. 離散型制造執行系統關鍵技術研究與原型系統開發[D].合肥：合肥工業大學，2016.

【2】喻麗華，謝慶生，李少波，等. 多品種小批量復雜精密零件生產車間質量信息集成運行研究[J].現代制造工程，2013（04）：6-9+18.

【3】陶松橋.基于ERP與MES集成的制造業生產管理系統研究與開發[D].武漢：武漢理工大學，2005.

【4】周娟.沖壓車間制造執行系統的設計與研究[J]. 機械研究與應用，2015，28（02）：189-191.

【5】張建林，魏大濤.多品種小批量生產管理信息系統的需求分析[J].航天制造技術，2006（05）：32-35.endprint