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板式定制家具企业制造执行系统的构建与应用

林业工程学报2019-02-08 09:53:16



人们的生活水平越来越高,生活质量也越来越好,大家对生活品质的追求也不再仅仅局限于往昔的传统理念。就家居方面而言,大家已经不再仅仅满足于传统家居,潮流的趋势开始转向定制以及智能家居这一块。


 80,90后将成为消费的主力军,更加追求个性化。对于他们来说,家居不仅是一种实用品,更代表了一种生活的态度。


Q
怎样让我的家与众不同?
A

您可选择定制家具,既可以合理利用家中的各种空间,又能和整个家居环境相匹配,更重要的是,这展示了屋主的一个生活态度。

01
板式家具


定制家具中规模最大的品类为板式定制家具,占据了定制家具市场45%的份额,其市场竞争更加激烈,客户需求快速响应、产品质量要求高、交货周期短等,最终转变为企业信息化水平的竞争。


板式定制家具企业实施信息化改造,以企业资源计划(enterprise resourceplanning,ERP)为首的资源计划管理系统,广泛应用于板式定制家具企业,实现了销售、设计、拆单、财务、人力资源等业务的信息化管理。数字控制(numLerical control,NC)、计算机数字控制机床(computer numerical conrtol,CNC) 和可编程逻辑控制器(programmable logic controller ,PLC)等先进的过程控制系统(process control system,PCS) 在板式定制家具企业成功运用,基本实现数字化。


仍存在一些不足与问题


但制造执行领域存在严重不足,即ERP无法触及底层PCS,而底层PCS也无法向ERP反馈,导致生产数据在两者间传递中断,进而带来了生产不透明、质量难控制、订单无法跟踪、突发状况无法及时调度等问题。


为解决这个问题,美国先进制造研究机构(advanced manufacturing research,AMR)提出了制造执行系统(manufacturing execution system,MES)的概念,把企业级的计划系统与工厂底层的控制系统之间的各种工厂管理系统的集合称为MES。MES解决了企业资源计划和底层生产控制之间的信息断层。


南京林业大学韩静,吴智慧等通过对板式定制家具企业生产流程的分析,以及与其他行业MES的比较,得出了板式定制家具企业MES系统特性,建立了板式定制家具企业MES功能模块,同时从系统层次以及硬件架构方面对MES系统的功能实现进行了详细介绍。


1 板式定制家具企业的生产现状

1.1 板式定制家具企业存在的生产问题板式定制家具产品种类繁多、订单批量极小、产线多而复杂,典型生产流程如图1所示,前端以ERP为核心,完成销售、设计、拆单、采购等业务,基本已经实现信息化管理,而后端生产领域仍处于人工管理阶段。板式定制家具企业目前存在以下生产问题:1)订单排产难度大。个性化、多样化订单数量大,导致计划排产难度较大,易出现漏单和重单问题。2)重要生产信息传递方式落后。生产计划、生产数据、生产任务通过纸质文件传递到车间,效率低下,易遗漏、混淆,人工跟进出错率高,进而导致加工错误率高。3)生产计划与调度不足。生产计划细化程度不够,生产车间无明确生产指令,出现突发状况,如紧急插单、补单,生产计划无法及时调整。4)生产状态反馈性较差。现场生产状况无法向ERP反馈,计划人员无法得知生产现场状况,导致产能过剩或不足,同时生产计划、生产任务、订单进度等信息无法准确跟踪。这些问题存在的根本在于板式定制家具企业生产执行层的缺乏,运用MES系统对车间生产执行进行控制,对板式定制家具企业提高生产效率具有重要作用。

1.2 板式定制家具企业MES系统特性分析

MES系统在其他制造行业运用已经较为成熟,如汽车制造行业、钢铁行业、石油行业等,但在板式定制家具行业尚处起步阶段。通过对板式定制家具企业生产问题的分析,可以看出板式定制家具企业的经营模式和生产模式与其他行业相比具有较大差异,导致其他行业成熟的MES系统在板式定制家具行业得不到很好的运用。板式定制家具企业MES系统的独特性如下:1)产品与部件差异化。板式定制家具面向终端消费者,强调满足用户的个性化与多样化需求,导致产品和部件多种类、少批量,进而给MES系统带来了新的挑战。其他行业MES多是解决批量或一定批量模式下的生产执行问题,以批量产品为生产单元制定生产计划以及生产进度的跟踪和反馈。而板式定制家具企业MES则直接面向部件,将众多不同部件分派到合适的加工产线和设备上加工,同时需要采集与跟踪每个部件的生产状态,汇总成产品以及订单的生产进度,呈现出更多的复杂性。2)生产驱动数字化。板式定制家具企业的关键工序均由数控设备加工,需要数字化的加工程序进行驱动,如何将众多不同的生产数据准确无误地传递到指定设备,成为板式定制家具企业MES需要解决的关键问题。与其他行业MES相比,其数字化驱动更加明显。3)生产信息集成化。板式定制家具企业生产信息逐渐呈现集成化特征,分为纵向信息集成与横向信息集成,将前端设计信息、加工制造信息及生产状态信息之间进行纵向集成,同时将生产计划信息、生产采集信息以及物料状态信息进行横向集成。与其他行业MES相比,其信息集成化要求程度更高。板式定制家具企业MES系统的独特性,决定了在其他行业成熟的MES系统不能在该行业直接运用,需要重新构建以满足板式定制家具企业生产需要。


2 板式定制家具企业MES系统功能

板式定制家具企业个性化定制、多品种小批量的生产模式,决定了板式定制家具企业MES系统的行业特性。结合对现存生产问题的分析,可以将板式定制家具企业MES系统分为基础数据管理、生产数据采集、生产计划管理、物料管理、生产过程管理等模块,如图2所示。

2.1 基础数据管理模块

板式定制家具企业生产复杂、工序多、原辅材料多以及多产线混合生产,基础数据有效管理是有序生产的重要保证。根据板式定制家具企业生产运营特征,基础数据管理模块主要分为5个子模块:人员数据管理、产品数据管理、物料数据管理、设备数据管理以及系统数据管理。

2.2 生产数据采集模块

MES从生产车间采集生产数据,经过加工和处理,形成人员状态数据、物料数据、设备状态数据、成品数据和订单进度数据等,构成MES系统的数据采集平台,如图3所示。

板式定制家具企业数据采集方式分为3种:基于人机界面(human machine interface,HMI)的手工录入方式, 基于条形码技术的手持终端(personal digital assistant,PDA)、条码枪的手工辅助采集方式,以及基于感应式条码技术、射频识别技术(radio frequency identication,RFID)与用于过程控制的对象连接与嵌入技术(object linking and embedding for process control,OPC)的自动采集方式。目前使用PDA与条码枪扫描条形码或二维码成为板式定制家具企业的主流采集方式,感应式条码、RFID芯片以及OPC技术也在逐渐得到运用。

2.3 生产计划管理模块

生产计划管理模块分为3个子模块:生产计划制定、生产计划排产、生产计划调度。生产计划制定子模块综合考虑订单属性、车间在制品、车间产能、人员产能等各种因素,计算订单的投产日期,做到产能均衡,较为充分发挥生产要素的生产能力。生产计划排产子模块将生产订单拆解为生产任务、作业计划和操作指令,下达到车间特定人员特定设备,指导车间有序高效生产。当遇到紧急插单、加工延迟、机器停工等不确定因素时,生产计划调度子模块综合分析车间总体生产现状和设备产能负荷,对生产计划进行重新调度,保证生产的稳定性和持续性。

2.4  物料管理模块

板式定制家具生产物料种类多、领料退料频繁、线边物料堆积多以及余料剩余多,需要MES进行有序管理,因而物料管理模块分为生产领料、生产退料、线边物料管理、余料管理。

2.5 生产过程管理模块

生产过程管理功能是板式定制家具企业MES系统的核心功能,实现生产跟踪、产品质量管理、设备状态管理以及生产统计分析等功能。MES生产跟踪子模块解决了多订单、多零部件混合生产难以跟踪的问题,通过生产数据的采集,完成零部件的报完工。MES产品质量管理子模块通过对生产过程中质量问题的反馈和追溯,保证板式定制家具零部件质量。MES系统采集设备状态数据,通过对状态数据的计算和分析,事先发现设备异常,及时采取措施解决。生产统计分析子模块聚焦于生产数据的处理和分析,通过纵向时间和横向时间的比较,发掘生产潜力和问题,帮助管理层决策分析,逐步提高生产效率。


3 板式定制家具企业MES 系统实现

3.1 板式定制家具企业MES系统结构

3.1.1 ERP/MES/PCS 33层结构

基于AMR提出的MES 3层集成模型结构,结合板式定制家具企业现状,提出了板式定制家具企业MES系统结构,如图4所示。

位于上层的计划层(ERP)面向整个企业,以研发设计、产品销售、原材料采购、财务管理、人力资源管理为核心,以月、周为单位,负责处理订单管理、交期制定、成本控制、成品发货等。位于中间的执行层(MES)面向整个生产过程,以基础数据管理、数据采集、物料管理、生产计划管理和生产过程管理为核心,重点关注车间生产资源的有效配置与平衡,以日、时为单位,完成批次、任务单、订单、零部件的生产执行与跟踪。底部的控制层(PCS)则面向生产设备控制领域,以分、秒为单位指挥调配设备进行零部件特定工序的精准加工。在3层集成结构中,MES起到了在计划层和控制层之间相互传递信息的作用,很好解决了板式定制家具企业计划层与控制层之间的信息断层问题,使经营管理层也能把握生产现场,做出更加科学合理的决策。

3.1.2  ERP/MES/PCS间的信息传递

MES从ERP获取订单信息、设计图纸、工艺文件、物料清单(bill of material,BOM)、仓储信息、人员信息等,计算处理成批次单、任务单、作业计划、工作指令、控制参数、人员分配计划、包件仓位等信息,并传递到生产现场,从而实现订单有效排产、人员统一调度、仓位自动计算等功能。同时,MES从生产现场采集数据,将订单进度、任务进度、作业进度、零部件进度以及人员绩效、出入库数据反馈给ERP,供管理层分析和决策,指导生产计划调度、绩效统计和精准采购等。

3.2 板式定制家具企业MES系统功能层次模型

根据板式定制家具企业MES系统功能以及信息传递特征,建立MES系统功能层次模型,将MES系统功能分为数据采集层、基础数据层、数据访问层、业务功能层和表示层5个层次(图5)1)数据采集层。数据采集层位于系统底层,负责从生产现场采集生产数据,是MES 的数据源头和功能基础。借助于条形码技术、二维码技术、RFID以及OPC技术,将部件加工状况、物料使用状况、设备运行情况、订单进度等数据及时传递到数据库,进行存储,为生产决策人员提供数据源。2)基础数据层。基础数据层负责数据库管理,包括MES系统数据库结构和基础数据库的定义。车间生产数据包括两种基本类型:带定时限制的数据(实时数据)和不带定时限制的数据。实时数据是指生产中产生的数据,在一定时间内有效,稍后被其他数据覆盖,随外部环境变化,通常用实时数据库存储。不带定时限制的数据是指MES系统配置数据、生产历史数据、还有一些其他数据,存储于关系数据库。实时数据经过系统的加工和处理,也可转变为历史数据,存储到关系数据库中。3)数据访问层。数据访问层为业务层和基础数据层之间传输数据提供数据访问接口。数据访问层收到业务层请求命令,根据命令要求从数据库调取需求数据。如业务层产品质量模块需要产品质量数据,数据访问层根据要求从关系数据库调取产品质量数据,传输给业务层;而生产跟踪模块需要某板件的生产状态数据,数据访问层根据要求从实时数据库调取某板件当前生产状态数据。

4)业务功能层。业务功能层是MES系统的核心层,解决用户具体的功能需求。MES系统在板式定制家具企业的运用,其主体业务功能分为基础数据管理、生产计划管理、生产过程管理和物料管理等,以此实现产品质量控制、生产跟踪、设备管理、统计与分析等功能。5)表示层。表示层位于MES层次模型顶端,面向系统的终端用户,是MES系统的用户接口,主要负责将业务功能和生产数据以人机交互的形式展现给用户。MES系统数据输出有ERP、打印机、电子看板、浏览器等方式。ERP从MES系统获取生产实绩数据,如订单进度、实绩物料消耗、人员工时等信息。在板式定制家具生产中,随时需要打印标签,开料调取零件标签信息,包装打印包装清单,入库打印入库清单。开料、封边、打孔、分拣、试装、包装的实时任务完成情况通过电子看板实时反映,向车间工人展示。此外,系统的主要功能采用B/S(browser/server,浏览器/服务器) 的方式,远程用户通过浏览器发送请求,WEB服务器(网站服务器)响应,从MES系统调取数据,传输到浏览器,以此实现访问MES系统和完成相应业务功能的需要。

3.3 板式定制家具企业MES硬件架构

根据板式定制家具企业的生产流程和系统结构,考虑了各个工序节点与MES系统数据交换的硬件方式,设计了板式定制家具企业MES系统的硬件架构(图6)。车间内所有的硬件设备通过车间总线进行连接,远程用户通过互联网浏览数据,PDA通过无线网络上传和调取数据,同时为条码枪和打印机提供了客户端计算机。开料、封边、打孔工序配置OPC服务器,用于从设备采集数据,同时OPC服务器充当了条码枪和打印机的上位机,进行封边、打孔状态跟踪及板件标签打印;分拣使用PDA,通过无线网络与MES服务器连接,完成订单齐套检验;包装工序安装有客户端,通过条码枪扫描板件条码,生成包装清单,打印机输出打印;仓储应用客户端和条码枪,向系统输入订单入库数据,输出入库清单并打印。在车间各工序配置电子看板,通过总线与MES服务器连接,实时展现任务和订单完成情况,实现透明化管理。本地用户通过客户端/服务器模式查看MES系统数据,远程用户通过浏览器/服务器模式完成相应的业务操作。


结 论

笔者通过对板式定制家具企业生产问题和板式定制家具企业MES特性的分析,提出了板式定制家具企业MES系统的功能模块,并从功能层次、软件结构以及硬件架构方面论述了板式定制家具企业如何实现MES系统。通过MES对生产数据的实时反馈,实现了对车间的透明化管理,填补了板式定制家具企业管理层与车间层之间的空白,帮助企业管理层把控生产现场,做出更加科学合理的决策。MES系统在板式定制家具企业运用日渐成熟完善,将极大提高板式定制家具企业的生产效率与核心竞争力。



该文发表于《林业工程学报》2018年第6期。

引文格式:

韩静,吴智慧.板式定制家具企业制造执行系统的构建与应用[J].林业工程学报,2018,3(6):149-155.
HAN J,WU Z H.Construction and application of manufacturing execution system for panel customized furniture enterprises[J].Journal of Forestry Engineering,2018,3(6):149-155.



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