面向并行工程的制造执行系统的研究与开发

引 言

    随着国家制造业信息化工程的推进，并行工程正被越来越多的企业所应用。并行工程强调设计过程中的信息集成、计算机辅助功能的集成，以及在多学科小组的支持卜实现并行作业与协同工作，最终缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量。但现在无论是通用理论还是现有的CAD/CAPP/CAE一体化并未面向并行机理，面向制造的设计DFM方法并不完全符合本企业的制造环境，存在着设计信息向制造信息转换但制造过程信息没有反馈到设计过程中去的问题，从而使并行工程难以实现。因此，需要将并行工程的理念从设计领域延伸到制造领域，将企业的经营管理决策层、中间的生产执行层和下面的工艺过程及设各自动化控制层集成起来，以产生最大的效益。然而，目前国内尚未发展起完各的制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)技术，面向并行工程的制造执行系统的研究对推进我国的制造业信息化工程的进展将具有重大的意义。本文以某企业的制造执行系统的应用实施为例，研究面向并行工程的制造执行系统及其关键技术。

1 制造执行系统

    1.1 制造执行系统的地位和作用

    制造执行系统的概念最旱形成于20世纪80年代末，20世纪90年代后逐步成形并获得迅速发展。美国先进制造研究机构(Advanced Manufacturing Research，AMR)将MES定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的ICI向车间层的管理信息系统”，它为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪，以及所有资源(人、设备、物料和客户需求等)的当前状态。图1是美国先进制造研究机构AMR于20世纪90年代提出的企业集成模型，可以看出，MES在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙；而控制层的数据采集为上层提供了一些必须的基础数据。

图1 AMR的三层企业集成模型

    1.2 MES的功能模型

    MES作为面向制造的系统必然要与企业其他生产管理系统发生密切关系，MES在其中起到了信息集线器(information hub)的作用，它相当于一个通讯工具为其他应用系统提供生产现场的实时数据。

    MES本身也是各种生产管理的功能软件集合，它通过其各成员的实践归纳了十一个主要的MES功能模块，包括工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析以及数据采集等。MES的功能模型如图2所示。从图2中可看出，MES与其他分系统之间有功能重叠的关系。如MES、CRM和ERP中都有人力资源管理，MES和SCM两者都具有文档控制功能，MES和SCM中也同样有调度管理等等。各系统重叠范围的大小与工厂的实际执行情况有关，但每个系统的价值又是唯一的

图2 MES功能模型

2 面向并行工程的制造执行系统

    2.1 并行工程对车间的需求

    并行工程（Concurrent Engineering，CE）是以CIMS信息集成技术为基础发展而来的，主要是针对产品开发领域而提出的解决方案。CE是集成地、并行地设计产品及其相关过程的系统化方法，在设计过程中考虑产品的可制造性、可装配性、可测试性，以减少设计过程中不必要的返工，力争产品设计开发一次成功。它站在产品设计、制造全过程的高度，扫破传统的组织结构带来的部门分割封闭的观念，在产品开发的早期就考虑产品生命周期中相关环节的影响，将串行设计中的大循环转化为若干个局部的小循环，力争设计一次完成，并且将产品开发过程的其他阶段尽量提前。并行工程在原有信息集成基础上，更强调功能和过程上的集成，并在优化和重组产品开发过程的同时，不仅要实现多学科领域专家群体协同工作，而且要求把产品信息和开发过程有机地集成起来，做到把正确的信息在正确的时间、以正确的方式传递给正确的人。CE通过组成多学科小组(team work)，实现设计过程的集成，将串行的过程并行起来，并由CAxDFx技术支持并行工程的实施。

    在实施并行工程的企业中，车间作为产品并行开发中的制造环节，起着非常重要的“承上启下”作用，它需要能够主动接收来自计划部门、设计部门的信息，同时迅速反馈生产现场的信息，使设计部门能及时得到生产现场的反馈，加快产品设计与制造之间以及车间内部的信息流动和反馈，使产品并行开发过程得以循环进行下去，缩短产品设计制造周期。

    为了支持并行工程，车间必须满足以下几点要求：

    （1）建立网络支撑平台
    协同工作是并行工程的首要问题，车间要支持并行工程就必须首先建立网络支撑平台，只有这样，才可能做到车间内外信息共享、工作协同。支持并行工程的MES所需的网络，除了一般的局域网外，还涉及车间现场数据采集与控制网络。车间现场网络可采用多种形式，如工业以太网、现场总线、RS-485网络或RS-232网络等。具体的网络形式，应根据数据采集系统的要求来确定。

    （2）并行化的车间的工作流程
    在车间传统的串行工作流程中#经常出现生产不能平稳进行、对一些意外的故障不能作出快速有效反应，造成车间生产长时间中断的现象，极大地影响了生产进度，使得产品开发过程中设计部门不能及时得到生产现场的信息，造成产品开发周期变长，企业经济效益下降。要保持车间的均衡生产，就需要用并行工程的理念将车间的工作流程细化重组，做到工艺准备与设计并行，资源准备与设计并行，现场制造与资源准备并行等，并且能够根据需要重新定义工作流程。

    （3）实时准确的信息共享
    车间要能够支持并行工程，实现产品的快速开发，就需要对生产信息进行细化，提高信息的共享程度，使得在产品的并行开发中，车间能够接收来自设计、计划部门的预发布信息，快速地进行生产准备，使得产品的并行开发过程得以进行下去。

    （4）适应并行环境的功能
    并行环境下的制造执行系统具有传统的生产管理所具有的一切功能，同时为了支持并行工程，也拥有传统的生产管理所不具备或者不需要的新的功能。例如系统与上层的计划设计部门关系紧密，能主动接收反馈生产现场信息等。

    （5）系统硬软件的可配置可重构
    在传统的车间里，各个单元一旦确定下来之后就很少改动，也无法改动。随着产品品种的增多，市场多变，产品并行开发中对车间生产的柔性、敏捷性的要求越来越高，这就要求在支持并行工程的车间里能够根据环境的变化对软件硬件进行重新组合。生产管理软件系统要能够根据实际情况的变化对工作流程进行重定义，对软件的功能进行增减，对生产单元进行动态配置，以适应多变的生产实际，提高车间的资源利用率，加快生产信息的反馈，使设计部门及时得到现场信息。

2.2 面向并行工程的MES系统设计

    2.2.1 面向并行工程的MES总体框架

    传统的MES（Traditional MES，T-MES）可大致分为两大类：专用的（point MES）和集成的MES系统%（integrated MES）。专用的MES能够为某一特定环境提供最好的性能，却常常难以与其他应用集成；集成的MES比专用的MES迈进了一大步，其系统内部具有良好的集成性、统一的数据模型等。

    总的说来，T-MES开发成本高、效率低、系统稳定性差，具体表现在以下几个方面：

    （1）敏捷性差
    敏捷性是所有先进制造模式的核心，在生产中表现为对实际生产环境的应变能力。对于T-MES由于系统结构本身和采用的开发技术的原因，一个微小的过程改变就会导致系统无所适从，甚至不能正常运转，这对实施并行工程的企业来说是个致命弱点。

    （2）可集成性弱
    软件与其他应用系统集成，可提高企业信息的共享程度，这对需要信息快速反馈的并行工程而言非常重要。目前，某些具有集成功能的MES，仅局限于某个特定的系统或功能，结果造成整个企业的信息共享程度不高。

    （3）缺乏可重构性
    企业中的生产实际情况是多变的，需要根据实际情况从MES系统中裁剪不同的功能进行重新组织，以满足某个特定任务的需要。目前T-MES基本上没有此类功能。

    T-MES的弱点使其不能支持并行工程。为了支持并行工程，在T-MES的基础上，提出了面向并行工程的制造执行系统的总体框架（如图3）。

图3 面向并行工程的制造执行系统总体框架

    在该框架中，通过应用面向对象技术、消息机制和组件技术，充分结合T-MES的优点；通过采用高效的基础框架，增强系统的集成性和适应性。从框架中可看出，每个对象都使用自身具有的功能和方法来操作数据，分别完成系统的各种功能；通过对象请求代理（ORB）（如CORBA，COM/DCOM）可使不同软件商的系统相互交换信息和进行互操作；采用分布式对象框架可以让各种数据和功能逻辑在使用时变得更加紧密；通过使用小巧简练的对象，可使系统模型在不破坏相互关系的情况下方便地进行客户化定义。这些特征使实施的MES费用较低，同时又具有良好的适应性和柔性。随着计算机技术的发展，越来越多的MES、ERP、控制系统、产品数据管理、供应链管理和客户关系管理都是以对象的方式来编写代码的，只要遵守统一的ORB，不管它们由哪个开发商提供，都可以进行无缝集成。现有的应用系统只要按正确的方法进行封装也同样能实现系统的即插即用。通过引入智能代理（Agent）可以有效地实现分布式MES的协同工作。该框架可以满足并行工程对MES应用的要求，实现车间对并行工程的支持。

    2.2.2 功能结构

    面向并行工程的制造执行系统的总体框架在逻辑上分为车间层、单元层与设备层。单元层与车间层在逻辑上分成两部分，但在物理上单元控制器既可与车间控制器合并，也可以分开，特别是当车间内DNC系统或单元比较少时，车间控制器与单元控制器可合并到一台计算机上，满足并行环境下对MES系统可配置可重构的要求。其中，车间控制器中主要有车间层的计划/订单管理、完工管理、物料管理、工具管理、设备管理、质量控制、数据采集、NC程序管理及生产统计等模块；单元控制器主要分为单元层的计划与派工、完工管理、工况管理、质量控制、物料管理、工具管理等模块；DNC接口主要有数据通讯控制、任务接收与查看、DNC程序仿真，NC程序双向传输、机床状态信息采集及例外信息实时反馈等模块。

    在功能结构上，此系统具有以下一些特点：

    （1）系统可重构
    在软件上，系统可以进行工作流程的重新定义，通过采用组件技术，可以实现软件系统的即插即用，可以根据实际需要裁减所需的功能，这是T-MES系统所不能实现的；在硬件上，单元控制器可以根据实际需要进行动态配置与重构，如添加或减少设备。由此可满足实际生产中机构调整、业务流程重组以及实际生产中可能面临的一些特殊需要等，满足企业多品种产品并行开发中对车间的实时多变的要求。

    （2）系统可扩展
    在通信网络允许的范围内，系统可由任意多个车间组成，每个车间可有任意多个单元，每个单元可包括多台与多种数控/非数控设备，甚至整个单元都可由非数控设备组成，这大大地提高了系统的灵活性、可扩展性和应用范围。

    （3）系统的集成性
    通过开发DNC接口，将不同类型的数控设备加以集成，可方便地实现NC程序的上载与下载。系统可依据不同类型的零件及加工程序、生产计划及操作人员水平，提出合理的生产调度计划供车间生产管理人员进行决策，实现不同数控设备的统一调度与集成，快速地进行生产准备，保证产品并行开发的顺利进行。

    （4）系统的实时性
    由于采用自动化数据采集技术，使状态数据可实时采集，系统反馈的数据不仅包括每台设备、每个工序和每个操作人员的数据，还包括加工过程中的状态数据，使得上层的设计部门可以实时得到生产现场数据，更好地进行新品开发，满足了并行工程中对下游信息的快速反馈，设计中尽量避免大的设计循环的要求。

2.2.3 实现MES的关键技术

    2.2.3.1 运行状态实时采集技术

    并行工程中产品的设计希望能够及时得到生产现场的有关信息，以便修正设计。运行状态实时采集技术就是采集机床的开/停、加工运行状态的信息，为产品设计、计划控制和动态调度提供及时、准确的信息支持，使车间管理与控制真正做到实时。对机床的开/停、加工运行状态进行实时采集的技术方案，将根据机床设备的具体情况确定。对于可以直接上网、支持OPC（用于过程控制的OLE）的机床，采用基于OPC的状态信息采集方案，通过标准的OPC接口和必要的软件配置，直接读取机床的各种状态信息即可。对于不支持OPC的数控设备开/关机与运行状态的信息采集，要通过测量数控设备中的控制面板，以及机床电气控制电路中有关点的模拟信号及其变化，进行适当的转换，再利用DNC接口上的I/O接口来实现。

    2.2.3.2 程序传输技术

    根据不同的数控机床进行OPC程序的双向传输，对MES支持并行工程具有十分重要的意义。通过建立NC程序库及相应的管理系统，实现对全车间或全厂NC程序的集中管理，记录NC程序更改的历史信息，并可根据车间/单元生产作业计划分配NC程序，使设计部门可以与生产现场进行快速联系，加快产品开发进程。在系统中，NC程序的双向传输主要解决具有不同传输协议的数控系统NC程序的传输问题。

    通常，NC程序的双向传输采用基于RS-232C的点对点通信连接，这种连接方式结构简单、传输可靠，在拓扑上为星形结构，通信协议简单，通信速率一般在110～9600 bit/s之间，技术上比较成熟，系统组成也相对简单，易于实现，是一种应用较多而又经济可靠的一种方案。当DNC接口与数控设备间的传输距离较大时（50 m以上），在DNC接口和设备端增加一对RS-232C/RS-422转换器来扩展传输距离，实现串口设备服务器或智能多串口卡与NC设备中RS-232C等接口的连接。

    不同的数控系统与PC计算机的握手信号是不同的，通常有硬件握手和软件握手两种形式，如FANUC数控系统通常采用软件握手，Siemens的数控系统采用硬件握手，硬件握手信号有DTR，DSR，DTS和CTS。数控系统通信协议一般有XON/XOFF协议和自动重复请求的ARQ协议两大类。对不同的握手信号与通信协议，需要采用同的通信控制方式。

    利用所开发的DNC接口控制软件，可以根据NC程序的分配结果，把NC程序库中的有关NC程序下载到单元控制器和相应的数控机床上，也可在DNC接口（单元控制器）上远程调用NC程序库中的NC程序。根据需要，还可把数控机床上修改过的NC程序上载到单元控制器或NC程序库中，这样可以大大缩短从设计到制造的准备时间。

    2.2.3.3 不同数控系统的集成

    不同数控系统的集成是通过DNC接口来实现的。DNC接口利用数控设备的RS-232C接口，实现数控程序的双向传输，通过数控设备中PLC与伺服控制器来采集设备的启动、运行、停止状态信息。系统可依据不同类型的零件及加工程序、生产计划及操作人员水平，提出合理的生产调度计划供车间生产管理人员进行决策，实现不同数控设备的统一调度与集成#提高数控设备的利用率。

    2.2.3.4 车间工作流程重组

    为了提高车间的敏捷性#保持车间的均衡生产，需要通过并行工程的理念重组车间的工作流程，图4为重组前后的车间工作流程。并行化的车间生产，实际是通过进一步的子任务划分和估算以及信息预发布的方法，小串行、大并行地进行产品设计、工艺、物料、工具和量具等资源的生产准备和生产。为使计划的安排更合理，资源配置更有效，充分发挥车间并行化工作流程的作用，信息预发布系统必不可少。车间生产一般以订单驱动，车间接到订单后，进行产品设计、工艺准备的同时，可以从以下几方面考虑物料、工具等资源准备的并行化：①订单或车间生产计划向库存预发布；②工艺向库存预发布；③怎么库存的预发布，与总厂之间，可实现原料需求信息的预发布。在软件上，通过开发工作流程管理工具，可以实现工作流程的自定义，满足实际生产需要。

图4 重组前后的车间工作流程

    2.2.3.5 系统的可重构技术

    系统从总体框架上就已经考虑了系统的可配置、可重构。采用车间、单元和DNC接口3层构架形式，从硬件上保证系统可以根据实际情况的变化自由地增加或减少单元控制器的数目，可以根据实际情况决定DNC接口的数目及每个DNC控制器连接的数控机床的数目，这就从总体框架上保证了该系统可以根据实际情况的需要而变化；通过所开发的工作流程管理工具可以实现业务流程的自定义；通过组件技术，使得所开发的控制软件的各个模块之间能够实现即插即用。以上措施保证了系统可以根据实际情况进行重构和配置，可以更好地满足并行工程对车间生产的各种需求。

3 应用实例

    在上述面向并行工程的制造执行系统框架的基础上，设计开发了江西省重大科技攻关项目——江铃齿轮股份有限公司（简称江齿公司）“通讯网络及管理系统（简称JC-DNC系统%）”。JC-DNC系统采用Client/Server模式，数据库采用SQL编程语言开发。

    江齿公司是典型的多品种、批量生产企业。1999年由国家正式立项组织实施863/JC-CIMS应用示范工程，实施了CAPP及CAD/CAPP的初步集成。JC-DNC系统实施前，江齿公司原先的生产存在着生产控制指令传递迟缓、数据的一致性差、生产跟踪困难、人为因素多、设备利用率不高以及设备负荷不均衡等问题，使并行工程难以顺利实施。

    通过面向并行工程的MES系统的建立，实现了支持并行工程的制造自动化分系统；JD-DNC系统完全达到了预期的目标。对江齿车间原有的工作流程进行了重构，实现了车间生产管理的计算机化、网络化，达到了刀具、工装和量检具等资源信息实时共享的目的，实现了车间从投料到产出对物流的规范化管理，掌握截止到上一班所完成的零件在制品在各工序/工位上的分布情况与状态；实现了数控机床连网，对机床的开/停、工作状态进行监控并统计，实现了NC程序的集中管理与双向传输；实现了CAD/CAPP/CAM，MIS和CAQ与车间生产管理的集成，实现了并行环境下产品的快速开发，显著提高了工厂的生产能力，加速了工艺准备，缩短了设计周期，提高了产品的制造质量，大幅度提高了技术水平、生产效率和制造能力，使企业的生产成本降低了8%～10%取得了显著经济效益。

4 结束语

    本文针对并行工程实施中的难点，对车间生产中如何支持并行工程进行了深入地研究，提出了适合我国国情的支持企业并行工程实施的制造执行系统框架，并应用于实际生产。JD-DNC系统已于2002年8月通过验收，系统实施以来受到各方面的好评。面向并行工程的制造执行系统解决了企业信息化过程中长期困扰企业的难题，适合我国国情，具有良好的应用前景，为我国的制造业信息化工程作出了应有的贡献。

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