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PLM与MES集成,路在何方?


PLM 与 MES 集成,路在何方?

近来,PLM 举起了产品创新的大旗,强调了 PLM 与 MES 的集成,并将 MES 拉进到 PLM 疆界之内。而数字化制造在车间现场的落地,又使 MES 充当了产品数据从虚拟世界到现实 世界的窗口的作用。 MES 与 PLM 的这些互动和发展, 引起了航空工业企业的信息架构的变 化。一种以 PLM-MES 为轴心的、新型的、适应数字制造环境的企业系统架构显现和发展 起来。

MES 的概念和应用已经存在 20 年了,随着制造技术的进步和制造环境的变化,MES 无论 在内涵上或形式上都在不断的扩大和深化,在飞机制造中起着越来越重要的作用。

1MES 从单项应用发展为企业系统
1990 年美国的 AMR 打造了术语——“制造执行系统 MES(Manufacturing Execution System)“用来定义制造现场作业管理的信息系统。AMR 将 MES 定义为:“位于上层计划 管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”。MES 为操作工人、管理人 员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等方面)的当前状态的信 息。随后,国际制造执行系统协会(MESA I)和美国仪器和自动化协会 ISA 也都对 MES 做了 类似的定义。这时大家关注 MES,都是从企业接受客户订单开始,到产品交付的价值链的 观点,将“制造”作为价值链的一部分来定义制造现场的信息化需求的。这种 MES 的核心功 能是现场级的生产管理和可视化,我们称它是“生产 MES”。

在这个时期,企业信息系统架构是以 PDM(PLM)与 ERP 的集成为核心的。PLM 贯穿了产 品的创新与工程,ERP 则是企业业务的执行和对产品制造的支持。MES 只是包含在 ERP 中、作用在价值转换过程中的一个环节。大的供应商 Oracle 和 SAP 当时都将 MES 纳入了 自己的集成企业系统套件的版图。

生产 MES 经过多年的应用和实践, 将原来在 ERP 系统但和制造关联紧密的部分集成起来, 发展成为 “将产品制造价值流过程透明化,并在透明化的基础上,建立起不仅是垂直的(填 补了企业级管理到设备控制组件的间隙),而且是水平集成的(将制造资源如工具工装、设 备维护的管理,技术文档、劳动工时以及质量和依从性的管理横向的集中在一个平台上)、 短周期控制的制造系统”。这时的 MES 实际上已经成为纵横交错的新型企业系统,

2 全局 MES 的概念和与 PLM 的集成

从工程的角度出发,制造又是产品生命周期的一个阶段。使“制造”处在企业价值流和产品 生命周期过程交叉的十字路口 尽管产品生命周期管理的概念来由已久,但长期以来 PLM 系统被封闭在工程领域,所关注 的仅仅是设计和工艺信息的管理和传递。 在产品生命周期管理系统中, 存在着制造阶段和维 护支持阶段的信息和作业管理的断层。而最近几年,产品生命周期管理的应用有所回归。 PLM 需要用制造和维修过程中获得的经验、知识来支持产品的创新。制造过程所发生的故 障、例外事件分析、处理的数据等信息向工程领域反馈,形成闭环产品生命周期过程。这种 进步必然引发了 PLM 从 MES 中获取信息要求的提升。按照工程即产品生命周期管理的要 求,MES 向工程方向扩大了功能,如:

●接收与产品订单相符的设计和工艺的信息,传递给现场的技术人员、管理人员和作业工人 和检验人员; ●记录和采集制造过程的状态信息和例外信息,记录每个产品的构型、来源,作为法规依从 性审计的依据; ●具有一定的作业指导书的编辑能力,以应对现场变更和例外时间的处理; ●形成可以确认单个产品符合设计和技术条件规定的文件或数据包,并和产品同时交付,作 为维修使用阶段的基线等。

尽管某些传统的生产 MES 或多或少的涉及到上述的部分要求,新型的 MES 开始出现、它 在保持生产管理基本功能的基础上,增加了 PLM 需要的功能。新型的 MES 适应了产品生 命周期和企业价值链两个过程的能力,我们称它们是“全局 MES(Total MES)”。

全局 MES 的出现拉近了 MES 与 PLM 的关系,制造企业和各大 PLM 供应商开始重新定义 PLM 的疆界,PLM 除包括产品和工艺设计之外,又将制造和维修环节一并划入。MES 则 成为 PLM 新疆界中的一部分。 MES 和 PLM 的紧密集成, 形成了产品生命周期的真正闭环。

引人注目的两大商务动作认证了这种趋势:2009 年拥有 MES 系统和强大自动控制能力的 西门子收购了拥有全线 CAD/CAM/MPM/PLM 产品的 UGS。2010 年,另一个数字制造和 PLM 解决方案供应商达索(DS) 合并了军工生产的重要 MES 供应商 Intercim, 意图向高端 制造企业提供一种深度集成的 PLM-MES 系统。

至此, PLM 与 MES 的关系比 ERP 更为紧密, 驱动了企业信息架构发生了重大的变化。 MES 作为新型的“作业执行”在企业系统中取代了 ERP 的位置。而 ERP 则以“业务执行”的角 色对 PLM 和 MES 进行支持。

3 数字制造落地和数字化 MES 的进步
近几年来,数字化制造 Digitizing Manufacturing 迅猛发展。目前航空制造产品生命周期 前半程的产品和工艺设计以及仿真的数字化再造已接近成熟。 不可避免, 产品生命周期的下 一个阶段“制造”,正面临着产品数字定义在车间现场“落地”的急迫任务。实现工厂的数字化 制造将彻底改变制造现场的环境。

数字化工厂的初级阶段, 根据产品的三维数字模型来定义和通过仿真优化过的制造过程设计, 向制造作业的操作者提供基于三维模型的数字化制造指令和作业指导信息;在制造作业中, 操作者也用数字化的手段和装置向上层业务过程(PLM 和 ERP)反馈数字化的作业状态信息。 数字化工厂成为一种全新的制造能力或制造模式。 这其中最重大的进步是制造现场信息传递 从 2D 到 3D 的改变。这让 MES 又有了新的发展。其中主要的变化是:

●MES 担负了工程信息从虚拟世界到现实世界的转换、 现实世界的制造信息向虚拟世界回馈 的窗口的作用(见图 5); ●现场所有信息采集和传递是无纸化的; ●MES 与制造现场所有信息源和信息受体的完全集成。

于是出现了新的、适应数字化环境下的“数字化 MES(Digitizing MES)“。它们在全局 MES 的基础上,还需要解决例外信息的数字化传递、实体产品标识的无纸化问题、现场的例外工 艺的编辑问题、质量和依从性信息采集的数字化手段等问题。

数字化 MES 作为生产现场集成的信息平台,为数字化设施的集成和互联提供基础。分布在 各个作业点上的微电脑、移动终端、RFID/条码设备、软件 PLC、数字化测量设备和无线工 业以太网都被集成的连接在 MES 系统中。数字化 MES 成为数字化工厂的脊柱。另一方面 MES 为进行工厂布置和流转的模拟优化提供订单、计划、设备、控制、生产状态的数字模 型和数据。数字化 MES 又成为虚拟的数字工厂的基础之一。

4 数字线和 MBE 及基于模型的 MES
洛克希德?马丁公司在 F35 制造中,成功的利用三维 CAD 数据直接输给计算机数控(CNC) 机床进行零件加工,或输给复合材料编程系统(CPS)进行碳纤维布置的设计, 最后成品都可以 追溯到原始的计算机模型。从此,自设计开始到加工乃至最终装配,形成了不间断的数字化 数据的链路。洛克希德?马丁打造了术语“数字线(digital thread)”来描述这种新的非常简捷 的工作方式。数据线的概念被认为是当今航空和防务(A&D)制造的最重要的进步而得到迅速 的推广。

为了建立数字线,需要形成一种以 3D 模型定义为基础,为整个企业所共享的、全面集成和 协同制造的环境。在企业或供应链中,无论在何处的数据生产者和数据消费者,在制造过程 的任何点上,都将连接到一个共同的数字的数据源上。数据标准将从设计阶段开始,延伸到 制造、 继而到最后装配。 美国军方提出的 JDMTP 和 NGMTI, 分别将这种制造环境称之为“基 于模型的企业 Model-based Enterprise,MBE”。MBE 将于 2016 年阶段完成,它的进展代 表了数字化制造的未来。

NGMTI 将基于模型的制造企业 MBE 描述为:应用建模和模拟(M&S)技术对产品设计、制 造和支持等全部技术的、业务和战略管理的过程进行彻底的改造,构建的无缝集成的制造 企业。MBE 中的模型指的是对产品设计和制造的数字化描述。产品的模型是可以用来进行 制造、 使用和支持的全部属性的电子表达。 一个有效的产品模型包括定义产品所必须的全部 要素,并能够提供产品的详细信息。MBE 保证产品从原理、设计、工艺到制造、到支持和 报废处理的全生命周期的开发过程更加快速、流畅和更经济。

NGMTI 给出了 MBE 简洁而深刻的 3 板块的企业架构:产品的实现和支持、资源管理和战 略管理,见图 6。MBE 代表了未来一代的企业架构。它与传统的企业架构的重要区别是基 于模型、 模拟和无缝集成。 MBE 的核心是“集成的产品实现 Integrated product realization”。 它超越了传统的仅仅只有产品和工艺集成的生命周期管理, 形成概念-工程-执行-支持一揽子 集成的原则。MBE 要求用新的软件工具支持全数字化产品生命周期管理系统。因而,制造 执行系统鲜明的成为产品实现和支持过程的一部分。数字线制造理念和 MBE 的建立,对包 括 3D CAD、MPM、PLM、ERP、SCM、MES 等技术在制造生态系统中的位置产生重大的 影响。

在 MBE 的系统结构中,制造执行将直接使用产品及过程模型来计划,显示和实施过程执行 的作业、监视和控制。相关的过程的模型紧密的链接在一起,并与控制系统彻底的集成,成 为一个统一的、 自动适应需求或过程环境实时变化的互动过程。 这将大大的增加整个作业的 效率、快速响应、安全、效率和质量,同时降低的各种形式的浪费和低效率。它的重要进步 是:

●由产品模型直接驱动制造——为制造控制系统提供由产品模型直接驱动制造计划执行的 能力。 ●基于模型的智能过程控制——形成智能的、自适应的过程控制方式,能够感应在制零件的 材料及其几何特征/物理/化学性能,动态适应过程的工艺参数变化,以确保生产连续进行。 ●模型的在线验证。提供从物理过程(通过传感器、人机交互)向过程模型和性能指标进行反 馈的方法, 如果与期望值不相符时,则发出的警报和干预的请求。 ●消除独立的质量认证过程(Zero Post-Process Certification)。建立可靠的、科学的质量 认证模型, 与具有在线信息采集的基于模型的控制系统向配合, 消除将产品的合格认证作为 一个独立的工艺步骤的传统做法。 ●智能、自行配置的制造执行模型,结合产品模型和所有的应用程序、系统、设备和工艺指 导书,形成一个需要完成的工作的完整的逻辑表达,能方便地满足生产出合格产品的所有的 要求,并具有监测执行、自动适应需求变化和应对例外事件的能力。 ●柔性、可重构的制造设备模型。可创建快速可重组的生产线和资源流 resource streams 的 技术和方法——能够利用能力、需求和单元过程模型,迅速适应产品和工艺的要求的不断变 化。

在 MBE 中,制造执行将作为数字线(digital thread)的末梢直接完成加工和装配的作业。 我们将这个阶段的 MES 称为“基于模型的 MES (Model-based MES) “。 在中国, 实现 MBE 和基于模型的 MES 不仅为建立各种与现实状况相近的模型是一种挑战,对中国航空工业来 说,各种基础数据的补课可能要求付出更艰苦的努力。

5 数字化制造环境下的企业信息构架的研究迫在眉睫
MES 的发展和因 MES 引发的企业信息架构的变化给我们描绘出了以 PLM—MES 为轴心的 新的企业架构的愿景。了解当前制造企业架构的发展趋向,给我们以严重的启示:旧的信息 架构和信息化规划的方式已经不能适应数字化制造时代的要求了;也使我们察觉出我们企 业差距之大。当前,几乎所有的航空制造企业必须尽快的跳出部门的和传统的观念,以数字 线的贯通为目标,及早构建以产品全生命周期(包括 MES 和 MRO 在内)为主线、资源管 理为支持的新型企业架构。


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