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要想實現“智能制造”,總共分幾步?

2016-07-25 14:28 機器人圈 韓權喜

摘要:生產現場集中控制管理系統SFC(Shop Floor Control)、制造執行系統MES(Manufacturing Execution System)和制造資源計劃管理系統ERP(Enterprise Resource Planning),分別處于工廠生產底層(控制層)、制造過程(執行層)和制造資源(計劃層)。

生產現場集中控制管理系統SFC(Shop Floor Control)、制造執行系統MES(Manufacturing Execution System)和制造資源計劃管理系統ERP(Enterprise Resource Planning),分別處于工廠生產底層(控制層)、制造過程(執行層)和制造資源(計劃層)。通過采用這三套系統,企業能夠充分利用信息技術、物聯網技術和設備監控技術,加強生產信息管理和服務,清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上人工的干預,同時還能即時正確地采集生產線數據,合理編排生產計劃與生產進度,打造“三維”智能工廠。

“三維”智能工廠是集綠色、智能等新興技術于一體,構建一個高效節能、綠色環保、環境舒適的生產制造管理控制系統,其核心是將生產系統及過程用網絡化分布式生產設施來實現。同時,企業管理包括生產物流管理、人機互動管理,以及信息技術在產品生產過程中的應用,形成新產品研發生產制造管理一體化。

三維智能工廠的“觸角”—SFC

生產底層(控制層)是工業互聯網的感知層,是三維智能工廠的“觸角”。在生產過程中,所有制造企業都需要在一個整合的IT系統,或者從多個IT系統中,合并包含電子數據表的管理業務流程信息。在這些系統當中,許多典型的領域需要被特別予以關注,如設備、工具、質量、工藝、人員等。

在許多制造企業中,生產現場只具備很有限的IT系統,并且這些系統通常以機械控制與自動化為導向,或者根本就沒有IT系統,從而必須配備額外的管理人員,花費額外的時間,為了不必要的溝通、聯絡、接洽、電話咨詢,產生了很多文件,耽誤了時間,增加了額外的成本。

在較早進行智能工廠建設的制造企業中,計劃層(ERP)、執行層(MES)的管理和生產底層(SFC)之間出現了信息斷層,因此產生低效率與附加成本,從而降低整個企業的信息化效益。

以蓋勒普SFC系統為例,其涵蓋了整個生產底層(控制層)的完整規劃,是實現三維智能工廠的基石。它既包括機器、設備組、生產線等各類生產所需的智能終端信息采集技術,也包括射頻識別(RFID)標簽、傳感器、攝像頭、二維條碼、遙測遙感等感知終端信息采集技術,編織了生產底層(控制層)的網絡化平臺,將生產信息集中管理、實時共享,整體跟蹤和管理生產人員所關心的主要生產過程,實時采集生產底層各種加工數據,并加以統計和分析。SFC系統使運行生產底層(控制層)的工作變得更加簡單、有效和有力,重新定義了整個生產車間的自動化過程。

根據“三維”智能工廠的總體規劃,生產底層(控制層)SFC通過可配置、模塊化的工業互聯網技術,結合先進的數字化數據錄入/讀出技術,搭建智能工廠車間協同制造平臺,使各生產單元數據在系統內實現無縫連接、快速調用。生產現場通過設備和工位、人員統一聯網管理,在每個生產工序環節進行智能化數據采集和反饋,并實時統計和分析,超過25000多種可自定義的圖報表在各個生產工段、部門進行實時展示。同時,企業領導者可結合大數據分析結果,進行實時決策,以降低制造過程成本,提高產品質量和生產效率。各類生產信息通過“無紙化”方式傳遞到工位、設備,以及生產中央控制室,為智能化排產提供數據支持。通過可視化電子看板和三維模擬實時展現生產現場,所有數據和信息均可動態地傳輸到各廠區的各生產數據終端。

基于“三維”智能工廠生產底層的SFC系統,不僅能夠實現物理上的信息傳遞,而且還能實現包括信息安全、數據協議、業務協議等內容的網絡體系。利用這樣的網絡體系組建車間、工廠互聯網,可實現數據的采集、傳遞、存儲、分析、應用,以及設備級的連通,如M2M(Machine to Machine)的交互、遠程操控等。企業可構建生產過程各個環節的標準化機制,確定哪些信息可被用來交換,哪些屬于標準構件,哪些機器適用等。SFC將先進的信息模式、生產模式形成標準,從而促進企業技術創新和模式創新。此外,系統還利用物聯網技術、設備監控技術加強信息管理,提升產品及零部件生產效率,同時它還能夠利用互聯網幫助企業進行遠程定制。

目前,生產現場集中控制管理系統SFC已經在主導我國C919、ARJ21飛機研制工作的中國商用飛機有限責任公司、中航工業西安飛機工業(集團)有限責任公司,以及西安航空動力控制科技有限公司、沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司、三一重工集團有限公司、上海電氣集團股份有限公司、中船重工集團公司等各行業知名大型制造企業中得到廣泛的實施應用。

三維智能工廠的“神經”—MES

對于制造型企業而言,制造過程(執行層)MES扮演的是“從訂單出發到產品完成過程中,將產品及生產現場的實時信息完整無誤地反映給管理者,以促使企業將生產活動最佳化”的角色。也就是說,MES完成制造計劃的執行,它在制造資源(計劃層)ERP和生產底層(控制層)SFC之間架起了一座橋梁,能精確調度、發送、跟蹤、監控車間的生產信息和過程,且同時能測量和報告其實時性能,它是實現車間生產數字化、智能化的基本技術手段。

制造企業生產過程(執行層)在缺乏MES系統的協助下,不僅所有生產活動,如流程控制、派工管理、材料管理、設備操作等,都必須以人工進行作業,有關現場的數據采集,也只能靠員工手動進行整理、匯總,最快也得第二天才能出數據,最慢三四天也不足為奇。因此,生產現場數據滯后,造成管理者無法實時掌握車間現場的實際生產情況。即便當天發現生產異常,也無法及時糾正,對企業造成極大的損害。通過MES系統進行實時采集生產現場數據,管理者可快速了解上下游車間生產產品的種類、進度、數量與缺料等情況,實時進行相關產品的生產管控與調整,以增進整體生產線的作業效率,避免待料、重工等問題發生,縮短產品制造周期、減少在制品、縮短前置時間,大幅提高產品質量,降低生產成本。

制造過程(執行層)MES系統通過計算機控制所有的生產活動,可以簡化以往的人工操作流程并避免生產錯誤情況的發生。舉例來說,由于產品制程與所需條件、工藝、工裝工具等均已事先規劃在系統之中,一旦作業人員操作的現場狀況與預先規劃不一致,MES系統便會立刻提出警告,甚至終止作業進行。除此之外,通過數據自動采集與存儲,如果發現產品質量不合標準,系統也會立即提出警示,通知現場人員處理。

在工業4.0時代,云計算、移動終端和大數據等新技術不斷融合到工業自動化領域當中,制造業正從信息化邁向智能化。而智能化務必需要運用MES把碎片化、零散化的數據進行整合分析,通過數據互聯互通,打通企業產品設計、客戶管理、供應鏈管理、效率管理系統,實現生產底層(控制層)、制造過程(執行層)、制造資源(計劃層)的整體優化,最終使制造業企業資產使用效率更高、產品生產成本更低、市場風險可控,提高企業整體競爭能力。

三維智能工廠的“大腦”—ERP

“互聯網+制造”的浪潮席卷全球,移動、社交、云、物聯網、納米技術、3D打印等先進技術的整合,使制造業成為所有行業中發展最成熟的行業之一。為了更好地適應這種變化,制造企業正把目光轉向新一代的ERP。研究報告表明,ERP對80%的公司都起著至關重要的作用——ERP提高了企業的工作效率,并幫助企業處理更為復雜的情況,同時還能協助管理者做出更好的決策。

制造資源(計劃層)ERP系統整合企業流程,強調整個物流、資金流、信息流貫穿整個流程始末,環環相扣。注重部門與部門之間的銜接,員工充分知道本職崗位在企業整個流程中的重要作用,以及不規范操作所帶來的后果。

ERP通過鏈接價值鏈縱向、橫向、端到端的所有信息,實時監控、遠程控制、數據分析及預測,拉近消費者與企業的距離,協助企業在互聯網產業環境下快速建立大規模個性化、定制化的智能制造模式。

在“三維”智能工廠框架中,ERP系統居于計劃層,也就是“領導層”,還能夠體現企業事前計劃、事中控制的思想,并可以將設計、制造、銷售、運輸通過智能化集成來并行地進行各種相關的生產作業,為企業提供了對產品質量、客戶滿意等關鍵問題的實時分析能力。同時,ERP系統可以將企業生產過程中涉及到的各種內外部資源、有形無形資源進行很好的整合,如技術研發資源與生產流程的整合、外部協作企業/機構、供應商、客戶、渠道資源與企業本身生產資源的整合等,通過資源整合,實現協同制造,提高企業生產效率,提高生產柔性,不斷強化企業的核心競爭力。

“三維”智能工廠通過生產底層(控制層)SFC、制造過程(執行層)MES、制造資源(計劃層)ERP等軟件系統的支撐,促使制造企業從最開始的追求低成本、高質量、高效率,升級到互聯網時代要求的高速度,再到探索創新商業模式。在這個階段,工業軟件的應用成為核心,協助企業實現縱向、橫向的全面整合,形成從研發到銷售再到售后服務的完整價值鏈閉環。

(ERP銷售人員工作流程圖)

實踐出真知

國內某制造型企業,擁有先進的數字化精密機械制造、特種工藝、計量檢測能力和信息化管理手段。該企業先后為多個型號的航空發動機研制生產了近200種、數十萬套燃油附件。隨著中國兩化融合的快速推進,企業想要通過管理信息化與設備自動化的深度融合,利用各種傳感器、智能控制系統、工業機器人、自動化生產線,構建設計制造一體化、管理智能化、數據信息化、控制自動化的智能工廠體系。

三維智能工廠,始于生產底層。該企業生產控制層SFC項目在于搭建一個設備層(數控機床)的車間級分布式控制網絡,并實時采集機床數據和其他生產類數據,實現數控程序及相關聯的生產要素(零件圖紙、加工工藝、刀夾量具列表等)的有效管理,同時實現機床狀態等的可視化展示,為接下來MES、ERP平臺的有效搭建奠定下良好的基礎,因此需先行實施。

通過蓋勒普生產底層(控制層)SFC項目的實施,該企業完成了以下目標:

第一,建立覆蓋加工車間的分布式控制網絡,實現數控(NC)程序的有效調用、穩定有效傳輸和在線加工,實現刀補參數文件從對刀儀到機床端的有效傳輸。

第二,實現對數控機床的實時數據和其他生產類數據的有效采集,并將采集的數據以報表或統計圖表的形式供決策者參考分析。同時,采集的數據對之后MES平臺的生產調度和管理起到有效地指導作用。

第三,實現對NC程序的統一流程管理,并且在系統內實現NC程序與其關聯生產要素文件統一管理。

第四,在實現機床數據采集的基礎上,對車間機床進行三維建模,通過現場的展示大屏幕、數控設備旁的觸摸屏,以及相關管理人員的PC終端對設備狀態、設備開機率、零件完工率等進行有效展示。

底層SFC項目的建設,是推行智能制造技術的基礎,為企業推行“三維”智能工廠建設起到了舉足輕重的作用。

在制造過程(執行層)MES項目的建設過程中,企業借鑒SFC項目的成功經驗,繼續選擇與蓋勒普深入合作,達到以下效果:

第一,通過條碼技術跟蹤訂單從物料投產到成品入庫的整個生產流程,實時采集生產過程中發生的所有事件,讓整個工廠車間完全透明化。

第二,實現與生產設備、檢驗設備等通信的集成;控制指令隨任務工作流,自動下達到相應硬件設備,降低操作設備人員的出錯率。

第三,產品追溯環節讓產品的整個加工和發貨過程變得清晰可控,能夠在第一時間發現產品質量問題的原因并制定針對措施,降低質量成本。

第四,保證生產過程中數據記錄的準確性、有效性、安全性,以及操作者記錄的簡便性,提高作業操作效率,減少人為操作失誤。

第五,實時記錄并監控各工序加工任務完成情況,人員工作、勞動生產率情況,設備利用情況,輔助企業設備、人員績效管理。

第六,實現將工藝數據與設計文件,通過集成產品數據管理(PDM)系統、CAD、CAM軟件等接口,完成系統間的無縫集成和共享。

MES上線以后,生產底層(控制層)SFC與制造資源(計劃層)ERP之間完美銜接,使企業真正“實時反應”起來。 MES、SFC為企業“三維”智能工廠的整體布局打下了良好基礎。接下來,該企業將智能工廠的范圍縱向擴展到制造資源(計劃層)ERP,選擇了國際知名品牌的ERP系統。

歷時一年,ERP系統成功上線。由于前期準確的數據支撐和規范的管理,ERP系統的上線產生了很好的效益:

第一,庫存下降了30%~50%,庫存周轉率提高40%。

第二,延期交貨率減少46%,企業的準時交貨率平均提高38%,誤期率平均降低35%。

第三,采購提前期縮短了55%。

第四,停工待料率減少了45%。

第五,制造成本降低了12%。

第六,第一年整體生產效益提升了25%。

此外,ERP系統對該企業所擁有的人、財、物、信息、時間和空間等綜合資源進行綜合平衡和優化管理,協調各管理部門圍繞市場導向開展業務活動,進一步增強了核心競爭力。

責任編輯:韓權喜

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