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智能制造背景下MES发展新重点
2019-05-06 10:59:39 点击率:158 来源:

 


智能制造背景下
MES发展新重点

北京理工大学 机械与车辆学院 数字化制造研究所 王爱民

 

0 引言

       智能制造作为中国制造业转型升级的重要战略抓手,已经得到了从国家到地方的全方面支持,整个制造业的产业生态正在发生急剧变化,这是一个良好的发展契机。但智能制造作为一个笼统的概念,如何落地并紧密结合制造业需求,推动制造业高质量发展,其技术内涵和发展认识也是处于持续变化之中。

       核心工业软件是智能制造发展的重点,也是数字经济乃至智能经济的重要支撑手段。尤其是MESManufacturing Execution System,制造执行系统)是直接对接数字化、自动化、网络化生产的生产管控系统,在整个智能制造核心工业软件体系中占据有重要的地位和作用。随着我国智能制造的持续发展,尤其是工业界对MES自发提出了一些新发展要求,因此有必要进行分析和从中凝练MES发展的新重点。

       本文将主要从两个方面展开论述:一是智能制造内涵的再思考,分析和总结推动MES发展的智能制造背景需求;二是MES发展新重点,重点分析和总结智能制造背景下MES发展的新趋势。

1. 智能制造内涵的再思考

       《制造强国战略研究:智能制造专题卷》给出的智能制造概念定义是:制造技术与数字化技术、智能技术及新一代信息技术的融合,是面向产品全生命周期的具有信息感知、优化决策、执行控制功能的制造系统,旨在高效、优质、柔性、清洁、安全、敏捷的制造产品[1]。智能制造包括以下几个方面:制造装备的智能化、设计过程的智能化、加工工艺的优化、管理的信息化、服务的敏捷化/远程化。

       目前制造业界实际操作中,对智能的制造的切实认识是:在制造过程中能进行智能活动,诸如分析、推理、判断、构思和决策等,通过人与智能机器的合作,去扩大、延伸和部分取代技术专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

1.1 智能制造新特点判读

智能制造在制造业实际发展的内涵,已经在制造业中得到了深入的体现,并呈现出了一些鲜明的特点,主要体现为如下四个方面:

       1)订单碎片化:订单作为制造运行的输入,呈现出面向大规模个性化定制的特点,比如作为智能制造示范的红领,通过采集每个客户身上18个部位22个数据,根据这些数据顾客就可以形成他独有的订单,这样的设计7天就可以交付,成本只比批量生产高10%,通过这样的个性化定制,从而获得了销售收入和利润的极大增长[2]。这个案例就是典型的类似批量为1”的订单碎片化的极端案例。

       2)资控泛在化:随着物联网和工业互联网技术的深入发展,以及CPSCyber Physical System,赛博物理系统)认知和实践的逐渐深入,制造生产中的各种要素资源的离散化、控制化也越发得以实现,从而为制造资源的优化配置和智能管控提供了更广泛的发展空间。

       3)管理自动化:自动化的概念在已经装置和生产单元/产线得到了广泛哦关注和发展。智能制造在订单碎片化和资控泛在化的演变下,对智能制造管控软件的需求提出了快速响应传递和调整的需求。在这个方面,可以借鉴自动化的思路,实现软件系统自动的规范化内容传递、规范化业务链条运转,是的业务的执行不再受制于信息传递流程及交互的制约。管理自动化是否到位是目前管理性工业软件实施困难甚至失败的重要原因。

       4)决策智能化:随着人工智能、大数据和先进工艺技术的发展,制造生产中出现了自适应加工、机器视觉等广泛而深入的探索与应用,推动了业务决策向智能化演变。而这种业务决策过程分为两种形式:一是自动的推理分析;二是人机物有机融合下的推理分析。

1.2 人在决策回路理念分析

       智能制造所强调的智能,在目前阶段更多的还是要依靠人来体现智能,所以在决策回路中如何更好实现人与机器和系统的融合就是当前发展发展的重点和值得探讨的问题。这方面与德国工业4.0所强调的以人为中心的智能制造理念也是相符的[3]。德国工业4.0宣传资料中的一个图片深刻阐述了这个内涵,如图1所示。作者认为这张图宣传的核心理念是:技术是多种多样的,但是为中间的人来服务的,如果过分的纠结外圈的各种技术,在理解上就存在偏差了,因为不同的业务场景需求有不同的技术追求,不同的企业是不一样的。

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1 德国工业4.0以人为中心的智能制造理念图

人机物一体化融合是追求的目标,但在实现过程中却不是一蹴而就的事情,必须逐步进行。人机物融合的内涵和路线很多,而这些分阶段展开的路线对于企业的信息化、数字化或者智能制造的规划,起到了过程引领的作用,也就是如何分步规划和实施。主要体现为两个步骤:

1)基于管理自动化的数字化业务回路基础:人机物融合的基础是业务流程链条和信息的规划运行。包括制造生产的要素定义、环节操作、过程衔接的数字化,并且通过连续、规范、无中断的集成在一起,其本质是实现流程信息的集成,可称之为管理自动化。数字化业务回路建设主要体现在两个方面:一是流程链条、流程网络、正常过程、异常过程的业务流程的规范化;二是通过规范内容、规范格式、规范操作实现业务执行的规范化。

2)基于业务链条分解的智能决策提升:人机物融合环境下的智能决策的核心是人机物融合环境的形成,涉及到两个方面:一是精益的信息流转:涉及到正确的信息输入与输出、正确的环节、正确的操作与分析等,是的决策时所需获得的信息能够顺畅无歧义的得到;二是人机物一体化决策融合:可以通过对业务环节细分,寻求智能化提升点并进行发力。

1.3 智能制造新特征解析

       通过上述的分析,结合目前制造业关于智能制造的需求和实践,本文提出智能制造三个方面的新特征,并给以必要的解析分析。

       1)人机共同构成决策主体:智能制造中人与“机器”共同构成决策主体,在信息物理系统中实施交互,信息量和种类以及交流的方法更加丰富,从而使人、机器的交互与融合达到前所未有的深度。此处所指的机器不仅仅是物理上的设备、机器人等硬件装置,也包括智能制造工业软件系统等。在这种状态下,机器人不再被固定在安全工作地点而是与人一起协同工作,机器能够顺畅的捕捉人的意图并实现协同运行,将是未来一段时间智能制造的典型特征。

       2)信息空间与物理系统高度融合:智能制造具有生产过程中制造信息感知、获取、分析等能力,对于物理系统中的各个实体,信息空间中均对应存在一个与其融合的模型。信息空间与物理系统之间的深度交融可实现制造系统的自组织、自重构及资源的最优配置与利用,从而使自动化的程度与规模大幅提升。目前所开展的工业物联网、工业互联网均是对此特征的有力支持。

       3)系统工程属性强烈而鲜明:智能制造具有强烈而鲜明的系统工程属性,自组织、自循环的各技术环节与单元按照功能需求组成不同规模、不同层级的系统,系统内所有因素均是互相关联的。这种系统工程特点主要体现在智能管控方面,包括优化配置、自适应、自组织等特点。在这个方面的判断,与德国工业4.0的内涵是相一致的。图2是德国工业4.0的典型资料图片,其所表达的含义是生产线中所有的硬件单元都有对应的软件形式的服务,比如传感器服务、控制服务、通讯服务、校验服务、信息服务等,整个CPS网络系统就是一个服务连接网络,具有“服务联网”的概念,这些服务有层次并且能够动态组合配置。所谓的智能管控,体现为硬件资源的离散化,通过服务化封装,实现业务资源链条的重构与控制,并可以进一步的支持“软件定义制造”理念的落地。

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2 德国工业4.0基于“服务联网”智能管控理念示意图

2. MES发展新重点

       MES是智能制造核心工业软件。在智能制造背景下,MES的发展呈现出了一些特点,目前正在从传统的单纯制造执行过程管理向制造指挥管控的方向发展。

       本文从MES的多维度内涵分析为基础,提出智能制造背景下MES发展新趋势,并进而给出MES必须与工艺的融合以强调决策的判断。

2.1 MES多维业务融合新判断

MES的运行必然涉及到信息流、实物流和控制流的协调。虽然就格式或形式来说,控制流也是以信息的形式展示的,但为了区别其不同的内涵,所以进行单列。MES当中信息流、实物流和控制流都不是孤立的,是需要融合的,共同构成了MES有序、协调运行局面,进而从技术层面支撑业务层面的融合。

    MES当中的信息流其实与MES运行的两条主线有关:一是订单角度,包括订单创建、工艺技术准备(工艺规程、工艺文件等)、生产技术准备(人机料法环等)、下发控制、排产调度、派工生产、执行监控、完工入库等,表达的是订单的整体执行状态;二是流程角度,即按照订单工艺流程进行开展,主要是工序级别的完整执行数据包的管理,包括进度上的开工完工、工时的统计与分配、自检互检专检及其检验记录信息、工艺指导文件的现场展示等,有的企业称之为智能工位的概念。通过这两条主线,基本就实现了对MES订单-工艺-工序等相关执行信息的全面管理,偏重于质量的称之为质量数据包,其实是具有完整内容的制造数据包,质量信息只是其中的一部分而已[4]

    MES当中的实物流其实与MES运行的两个闭环有关:一是订单生产准备与实物库存的关联协同闭环,即在生产技术准备中定义了所需的人机料法环,在相应的实物库存或管理模块应该实现对应的分配准备,相当于是按需准备的闭环控制;二是从实物库存到现场的闭环监控,也就是说从库存出来后到了现场,也应进行一下确认。通过这两个闭环控制,可以实现有效的实物状态闭环控制,避免因工人盲目领料和库存模糊发料导致的每个工人都有自己的小型刀具库现象。

    MES当中的控制流其实与MES软硬一体化发展有关:传统的MES是靠人来托底的,比如人来反馈执行状态信息、录入质检信息等,手工的味道比较浓。但随着物联网、CPS等技术的发展,与硬件直接连接和通信获取状态信息并反馈指令就具有了基础。本文所说的控制流主要是与硬件打交道有关的信息。

MES当中的信息流、实物流和控制流不是孤立存在的,而是彼此融合的。本文结合融合的需求和融合的纽进行梳理。

(1)信息流与实物流的融合

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