智能制造概論-2 智能制造系統(tǒng)

2

智能制造系統(tǒng)2021-04-241主要內(nèi)容2021-04-2422021-04-243智能制造系統(tǒng)通過生命周期、系統(tǒng)層級和智能功能三個(gè)維度構(gòu)建完成。從系統(tǒng)的功能角度，智能制造系統(tǒng)可以看作若干復(fù)雜相關(guān)子系統(tǒng)的一個(gè)整體集成，包括產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、過程控制系統(tǒng)（PCS）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）及將各子系統(tǒng)無縫銜接起來的信息物理系統(tǒng)（CPS）等。2.1

智能制造系統(tǒng)架構(gòu)2021-04-2442021-04-2452.2

產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)2.2.1

PLM概述產(chǎn)品全生命周期管理(Product

Lifecycle

Management,PLM)系統(tǒng)是智能制造系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。它對產(chǎn)品從需求提出至被淘汰回收的整個(gè)過程進(jìn)行嚴(yán)格的流程控制管理，是對產(chǎn)品生命周期中全部組織、管理行為的綜合與優(yōu)化，包括產(chǎn)品需求分析、產(chǎn)品計(jì)劃、概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)字化仿真、工藝準(zhǔn)備、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)測試和質(zhì)量控制、銷售與分銷、使用與維修及報(bào)廢與回收等主要階段。2021-04-2462.2產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)PLM是一種先進(jìn)的企業(yè)信息化思想，是企業(yè)在激烈的市場競爭中降低成本、增加收入、加快產(chǎn)品上市的最有效的手段之一。PLM是當(dāng)代企業(yè)面向客戶和市場，快速重組產(chǎn)品每個(gè)生命周期中的組織結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)過程和資源配置，從而使企業(yè)實(shí)現(xiàn)整體利益最大化的先進(jìn)管理理念。PLM將先進(jìn)的管理理念和一流的信息技術(shù)有機(jī)地融入現(xiàn)代企業(yè)的工業(yè)和商業(yè)運(yùn)作中，從而使企業(yè)在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代能夠有效地調(diào)整經(jīng)營手段和管理方式，以發(fā)揮企業(yè)前所未有的競爭優(yōu)勢。PLM主要由三大類軟件系統(tǒng)組成：CAX軟件、cPDM軟件和相關(guān)的咨詢服務(wù)軟件系統(tǒng)。2.2

產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)2.2.2

PLM的發(fā)展歷程PLM作為一個(gè)概念，出現(xiàn)的歷史很悠久。但是，直到最近幾年，才開始彰顯它強(qiáng)大的生命力。PLM并非單純的企業(yè)單一功能應(yīng)用產(chǎn)品。PLM形成了涵蓋從規(guī)劃到具體的支持解決方案的流程體系。這一體系覆蓋整個(gè)企業(yè)部門及供應(yīng)鏈。2008年，Dassault公司率先提出了PLM2.0的概念，并給出了以社會社區(qū)方式來實(shí)現(xiàn)PLM的具體手段方法。PLM2.0是基于

Web2.0的PLM領(lǐng)域應(yīng)用軟件。PLM領(lǐng)域的著名公司有PTC、Dassault、SIEMENS

PLM、20A21-u04t-2o4

desk等。72021-04-2482.2

產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)2.2.3

PLM與PDM的區(qū)別PLM有效涵蓋了PDM的核心內(nèi)容,使得PDM成為了PLM的一個(gè)子集。但是,PLM還能夠完成對產(chǎn)品生命周期各層級供應(yīng)鏈信息的有效整合利用,從而更加高效。由于PLM與PDM的繼承關(guān)系，各大PLM廠商所推出的相關(guān)系列產(chǎn)品不會讓客戶感到面目一新，往往能從中發(fā)現(xiàn)PDM的影子。一些ERP廠商基于ERP系統(tǒng)的特點(diǎn)需求，提出了獨(dú)具特色的PLM解決方案，進(jìn)而在這一廣大市場中占據(jù)了一席之地。僅僅將PDM、CAD、數(shù)字化裝配與某個(gè)ERP、SCM系統(tǒng)連接起來，并以Web技術(shù)支持其流程運(yùn)作，是無法實(shí)現(xiàn)PLM系統(tǒng)功能的。2021-04-2492.2

產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)2.2.4

PLM的主要功用根據(jù)Aberdeen公司的預(yù)測，全球PLM市場的年增長率高達(dá)10.9%。在可以預(yù)期的將來，其市場需求量超過ERP系統(tǒng)是主流趨勢。此外，根據(jù)Aberdeen公司的分析報(bào)告，實(shí)施了PLM以后的企業(yè)，原材料成本可節(jié)省5%-10%,庫存流轉(zhuǎn)率可提高20%-40%，開發(fā)

成本可降低10%-20%，市場投放時(shí)間減少15%-50%，質(zhì)保費(fèi)用降低15%-20%，制造成本降低10%，生產(chǎn)率提高25%-60%。2021-04-24102.2

產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)2.2.5

PLM的建立方法1基于企業(yè)資源規(guī)劃PLM系統(tǒng)物料需求規(guī)劃與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（MRP

and

PDM）人力資源與項(xiàng)目管理(HR

and

project

management)采購與項(xiàng)目管理(purchasing

and

project

management)財(cái)務(wù)與項(xiàng)目管理(financials

and

program

management)生產(chǎn)管理與工程(production

management

andengineering)2021-04-24112.2

產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)2以供應(yīng)鏈管理為出發(fā)點(diǎn)組成PLM系統(tǒng)供應(yīng)鏈規(guī)劃與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(supply

chain

planning

andPDM)生產(chǎn)規(guī)劃與項(xiàng)目管理(production

planning

and

programmanagement)資源獲取與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(resource

acquisition

and

PDM)資源獲取與協(xié)同產(chǎn)品設(shè)計(jì)(resource

acquisition

andcollaborative

product

design)需求預(yù)測與產(chǎn)品組合管理（demand

forecasting

andportfolio

management）2021-04-24122.2

產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)3以客戶關(guān)系管理為出發(fā)點(diǎn)組成PLM系統(tǒng)市場分析與產(chǎn)品組合管理（marketing

analytics

andportfolio

management）客戶服務(wù)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（customer

service

and

PDM)銷售預(yù)測與項(xiàng)目管理(sales

forecasting

and

programmanagement)客戶關(guān)系管理與客戶需求管理(CRM

and

customer

demandmanagement)知識管理與產(chǎn)品組合管理(knowledge

management

andportfolio

management)2021-04-24132.2

產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)2.2.6

PLM的發(fā)展趨勢定制化的解決方案高效多層次協(xié)同應(yīng)用多周期產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理知識共享與應(yīng)用管理數(shù)字化仿真應(yīng)用普及2021-04-24142.3 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）ERP概述企業(yè)資源計(jì)劃（ERP，enterprise

resource

planning），通過科學(xué)、精準(zhǔn)及系統(tǒng)化的管理方法，為企業(yè)及員工制定科學(xué)有效的具體決策執(zhí)行方法。這其中，智能信息化技術(shù)是它的物質(zhì)基礎(chǔ)。ERP系統(tǒng)是現(xiàn)代所有企業(yè)采用的標(biāo)準(zhǔn)信息管理運(yùn)作模式。它可

以保證企業(yè)更加高效地根據(jù)市場配置資源，從而提高財(cái)富創(chuàng)造

的效率，進(jìn)而為企業(yè)在全面智能制造時(shí)代的深度發(fā)展奠定基礎(chǔ)?？梢詮墓芾硭枷搿④浖a(chǎn)品、管理系統(tǒng)三個(gè)層次定義ERP，不同層次側(cè)重不同。2021-04-24152.3 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）2.3.1

ERP概述1管理思想層次管理整個(gè)供應(yīng)鏈資源精準(zhǔn)服務(wù)精益生產(chǎn)、同步工程和敏捷制造保證事先計(jì)劃與事中控制形成精準(zhǔn)閉環(huán)反饋軟件產(chǎn)品層次管理系統(tǒng)層次2021-04-24162.3 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）2.3.2

ERP歷史發(fā)展1）20世紀(jì)60年代的MRP系統(tǒng)2）20世紀(jì)70年代的閉環(huán)MRP系統(tǒng)3）20世紀(jì)80年代的MRPII系統(tǒng)4）20世紀(jì)90年代的ERP系統(tǒng)軟件。（2）B/S架構(gòu)ERP系統(tǒng)B/S架構(gòu)即Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)。2021-04-24172.3 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）2.3.3

ERP系統(tǒng)分類1按功能分類通用型ERP系統(tǒng)專業(yè)ERP系統(tǒng)2按所采用的技術(shù)架構(gòu)分類（1）C/S架構(gòu)ERP系統(tǒng)C/S構(gòu)架即Client/Server(客戶/服務(wù)器)架構(gòu)。該架構(gòu)需要使用高性能計(jì)算機(jī)、工作站或小型機(jī)，客戶端需要安裝專用的客戶端軟件。（2）B/S架構(gòu)ERP系統(tǒng)B/S架構(gòu)即Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)。2021-04-24182.3 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）2.3.3

ERP系統(tǒng)分類1按功能分類通用型ERP系統(tǒng)專業(yè)ERP系統(tǒng)2按所采用的技術(shù)架構(gòu)分類（1）C/S架構(gòu)ERP系統(tǒng)C/S構(gòu)架即Client/Server(客戶/服務(wù)器)架構(gòu)。該架構(gòu)需要使用高性能計(jì)算機(jī)、工作站或小型機(jī)，客戶端需要安裝專用的客戶端2021-04-24192.3 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）2.3.4ERP企業(yè)應(yīng)用具體的問題如下:利益矛盾導(dǎo)致項(xiàng)目難以有效推進(jìn)；風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)意識不統(tǒng)一，往往難以做出符合市場需求的最優(yōu)的市場決策；企業(yè)需求的定義和描述往往受制于管理人員的思維定式和具體的企業(yè)條件，往往難以發(fā)現(xiàn)企業(yè)面臨的關(guān)鍵問題;管理者缺乏某些項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致ERP系統(tǒng)管理方法的分析建模不能反映項(xiàng)目的真實(shí)需求。為解決以上問題，需要專業(yè)的ERP咨詢公司來起到橋梁紐帶作用。2021-04-24202.3 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）2.3.5

ERP系統(tǒng)帶來的效益據(jù)美國生產(chǎn)與庫存控制學(xué)會(APICS)資料顯示，MRP

II

/ERP系統(tǒng)能產(chǎn)生以下經(jīng)濟(jì)效益：庫存減少30%-50%；延期交貨情況減少80%；采購提前期縮短50%；停工待料情況減少60%；制造成本降低12%；管理人員減少10%的同時(shí)生產(chǎn)能力提高10%-15%。2021-04-24212.3 企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）2.3.6

ERP平臺式軟件ERP平臺式軟件基于現(xiàn)有ERP開發(fā)平臺，通過調(diào)整平臺系統(tǒng)的具體參數(shù)設(shè)置，可以達(dá)到快速、精準(zhǔn)、高效地制定符合企業(yè)特色需求的ERP管理系統(tǒng)的目的。ERP平臺式軟件具有以下特點(diǎn)。功能搭建工作可快速完成全面和一體化的應(yīng)用開放式平臺協(xié)同商務(wù)靈活的調(diào)整機(jī)制管理軟件完全受企業(yè)掌控?zé)o須代碼開發(fā)2021-04-24222.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）MES的產(chǎn)生與定義美國先進(jìn)制造研究中心AMR將MES定義為:“MES是位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層過程控制系統(tǒng)之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)，它為生產(chǎn)操作人員和企業(yè)管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源(人，設(shè)備、物料、客戶需求等)的當(dāng)前狀態(tài)”。國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會MESA對MES也給出了較為詳細(xì)的定義：

MES能夠通過信息傳遞對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過

程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)生產(chǎn)車間發(fā)生實(shí)時(shí)事件時(shí)，MES能夠?qū)Υ?/p>

做出及時(shí)的反應(yīng)和報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和指導(dǎo)。通過對狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使MES減少企業(yè)內(nèi)部無附加值的活

動，有效指導(dǎo)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)運(yùn)作過程。2021-04-24232.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）2.4.1

MES的產(chǎn)生與定義從MES的定義可看出，MES具有如下三個(gè)顯著特征。優(yōu)化車間生產(chǎn)過程。MES是對整個(gè)生產(chǎn)車間制造過程的優(yōu)化，而不是單一地解決某個(gè)生產(chǎn)的瓶頸問題。收集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。MES必須提供實(shí)時(shí)收集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的功能，并做出相應(yīng)的分析和處理。MES是聯(lián)接企業(yè)計(jì)劃與車間控制層的橋梁。MES需要與企業(yè)計(jì)劃層和車間生產(chǎn)控制層進(jìn)行信息交互，通過連續(xù)的企業(yè)信息流實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息的集成。2.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）2.4.2

MES的角色作用傳統(tǒng)的企業(yè)信息管理是按照企業(yè)現(xiàn)有的物理層次進(jìn)行劃分和配置的，一般為五層模型結(jié)構(gòu)。MES概念出現(xiàn)后，MESA提出了一種扁平化的三層企業(yè)結(jié)構(gòu)模型。2021-04-24242021-04-24252.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）在上述三層企業(yè)模型中，計(jì)劃層是面向整個(gè)企業(yè)，以整個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)的資源優(yōu)化為目標(biāo)，負(fù)責(zé)企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃管理、財(cái)務(wù)管理和人力資源管理等任務(wù)?？刂茖邮侵杠囬g生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)，利用基礎(chǔ)自動化裝置與系統(tǒng)，如PLC、DCS或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行自動控制，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用先進(jìn)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制。而制造執(zhí)行層位于計(jì)劃層與控制層中間，在兩者之間架起了一座橋梁，填補(bǔ)了兩者之間的空隙。2.4制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）2021-04-24262021-04-24272.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）2.4.3

MES的功能模塊資源分配和狀態(tài)管理（Resource

Allocation

and

Status）工序詳細(xì)調(diào)度（Operations

Detail

Scheduling）生產(chǎn)單元分配（Dispatching

Production

Units）文檔控制（Document

Control）數(shù)據(jù)采集（Data

Collection/Acquisition）人力資源管理（Labor

Management）質(zhì)量管理（Quality

Management）過程管理（Process

Management）維護(hù)管理（Maintenance

Management）產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理（Product

Tracking

and

Genealog性能分析(Performance

Analysis)2021-04-24282.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）2.4.4

MES與其他信息系統(tǒng)的關(guān)系MES是面向車間范圍的信息管理系統(tǒng)，在其外部通常有企業(yè)資源計(jì)劃ERP、供應(yīng)鏈管理SCM、銷售和服務(wù)管理SSM、產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)P&PE、過程控制系統(tǒng)PCS等面向制造企業(yè)的幾個(gè)主流的信息系統(tǒng)。ERP——包括財(cái)務(wù)、訂單管理、生產(chǎn)和物料計(jì)劃管理以及其他管理功能。SCM——包括預(yù)測、配送和后勤、運(yùn)輸管理、電子商務(wù)和先進(jìn)計(jì)劃系統(tǒng)。SSM——包括銷售力自動化、產(chǎn)品配置、服務(wù)報(bào)價(jià)、產(chǎn)品召回等。P&PE——包括CAD/CAM、工藝建模、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM等。

PCS——包括DCS、PLC、DNC、SCADA等設(shè)備控制以及產(chǎn)品制造的過程控制。2021-04-24292.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）2.4.4

MES與其他信息系統(tǒng)的關(guān)系MES作為車間范圍的信息系統(tǒng)，是生產(chǎn)制造系統(tǒng)的核心，它與其他信息系統(tǒng)有著緊密的聯(lián)系，負(fù)有向其他信息系統(tǒng)提供有關(guān)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的職能。同時(shí)，MES也需要從其他子系統(tǒng)得到相關(guān)的數(shù)據(jù)。MES與其他信息系統(tǒng)也有交叉和重疊。2021-04-24302.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）2.4.5

ERP/MES/PCS的信息集成MES的主要功能是將企業(yè)信息管理系統(tǒng)（ERP）和底層的過程控制系統(tǒng)（PCS)）銜接起來，形成從數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備到企業(yè)上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)（ERP）的信息集成。在企業(yè)三層管理模式下，以ERP為企業(yè)上層的信息管理系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)有企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃、物流管理、財(cái)務(wù)管理以及人力資源管理等管理任務(wù)；車間底層的過程控制系統(tǒng)（PCS）擔(dān)負(fù)了生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)過程的控制；MES作為計(jì)劃管理層與生產(chǎn)控制層之間的橋梁，既承擔(dān)有分解細(xì)化管理層計(jì)劃任務(wù)，下傳生產(chǎn)控制指令，調(diào)度現(xiàn)場資源，又擔(dān)負(fù)有向計(jì)劃管理系統(tǒng)提供有關(guān)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的職能。2.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）2.4.5

ERP/MES/PCS的信息集成圖2-4

ERP/MES/PCS三者間信息流模型2021-04-24312021-04-24322.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）2.4.6

MES的發(fā)展趨勢1.MES朝著新一代MES的方向發(fā)展新一代MES具有開放式、客戶化、可配置、可伸縮等特性，支持網(wǎng)絡(luò)化功能。新型MES的集成范圍更為廣泛。新一代的MES應(yīng)具有更精確的過程狀態(tài)跟蹤和更完整的數(shù)據(jù)記錄功能，并具有多源信息的融合及復(fù)雜信息的處理與快速決策能力。新一代MES支持生產(chǎn)同步性和網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造。MES成為智能工廠的核心MES成為實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)2.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）生產(chǎn)制造、供應(yīng)鏈、工程技術(shù)生產(chǎn)是工廠所有活動的核心，MES是智能工廠三個(gè)維度的

交叉點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)圖2-5

MES是智能工廠的核心2021-04-24332.4 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）圖2-6精益生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)2021-04-24342.5 信息物理系統(tǒng)（CPS）信息物理系統(tǒng)（Cyber

Physical

System，CPS）是物聯(lián)網(wǎng)的升級和發(fā)展，CPS中所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算、通信模塊和人自身都是系統(tǒng)中的一分子。圖2-7信息物理系統(tǒng)平臺2021-04-24352.5 信息物理系統(tǒng)（CPS）CPS定義信息物理系統(tǒng)是將虛擬世界與物理資源緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)的產(chǎn)物。它強(qiáng)調(diào)物理世界與感知世界的交互，能自主感知物理世界狀態(tài)、自主連接信息與物