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PLM與MES集成,路在何方? 發布時間:2022-03-12        瀏覽:
近來,PLM舉起了產品創新的大旗,強調了PLM與MES的集成,并將MES拉進到PLM疆界之內。而數字化制造在車間現場的落地,又使MES充當了產品數據從虛擬世界到現實世界的窗口的作用。MES與PLM的這些互動和發展,引起了航空工業企業的信息架構的變化。一種以PLM-MES為軸心的、新型的、適應數字制造環境的企業系統架構顯現和發展起來。

 

MES的概念和應用已經存在20年了,隨著制造技術的進步和制造環境的變化,MES無論在內涵上或形式上都在不斷的擴大和深化,在飛機制造中起著越來越重要的作用。

 

1

MES從單項應用發展為企業系統

 

1990年美國的AMR打造了術語——“制造執行系統MES(Manufacturing Execution System)“用來定義制造現場作業管理的信息系統。AMR將MES定義為:“位于上層計劃管理系統與底層工業控制之間的、面向車間層的管理信息系統”。MES為操作工人、管理人員提供計劃的執行、跟蹤以及所有資源(人、設備、物料、客戶需求等方面)的當前狀態的信息。隨后,國際制造執行系統協會(MESA I)和美國儀器和自動化協會ISA也都對MES做了類似的定義。這時大家關注MES,都是從企業接受客戶訂單開始,到產品交付的價值鏈的觀點,將“制造”作為價值鏈的一部分來定義制造現場的信息化需求的。這種MES的核心功能是現場級的生產管理和可視化,我們稱它是“生產MES”。

 

在這個時期,企業信息系統架構是以PDM(PLM)與ERP的集成為核心的。PLM貫穿了產品的創新與工程,ERP則是企業業務的執行和對產品制造的支持。MES只是包含在ERP中、作用在價值轉換過程中的一個環節。大的供應商Oracle和SAP當時都將MES納入了自己的集成企業系統套件的版圖。

 

 

生產MES經過多年的應用和實踐,將原來在ERP系統但和制造關聯緊密的部分集成起來,發展成為 “將產品制造價值流過程透明化,并在透明化的基礎上,建立起不僅是垂直的(填補了企業級管理到設備控制組件的間隙),而且是水平集成的(將制造資源如工具工裝、設備維護的管理,技術文檔、勞動工時以及質量和依從性的管理橫向的集中在一個平臺上) 、短周期控制的制造系統”。這時的MES實際上已經成為縱橫交錯的新型企業系統,

 

2

全局MES的概念和與PLM的集成

 

從工程的角度出發,制造又是產品生命周期的一個階段。使“制造”處在企業價值流和產品生命周期過程交叉的十字路口

盡管產品生命周期管理的概念來由已久,但長期以來PLM系統被封閉在工程領域,所關注的僅僅是設計和工藝信息的管理和傳遞。在產品生命周期管理系統中,存在著制造階段和維護支持階段的信息和作業管理的斷層。而最近幾年,產品生命周期管理的應用有所回歸。PLM需要用制造和維修過程中獲得的經驗、知識來支持產品的創新。制造過程所發生的故障、例外事件分析、處理的數據等信息向工程領域反饋,形成閉環產品生命周期過程。這種進步必然引發了PLM從MES中獲取信息要求的提升。按照工程即產品生命周期管理的要求,MES向工程方向擴大了功能,如:

 

●接收與產品訂單相符的設計和工藝的信息,傳遞給現場的技術人員、管理人員和作業工人和檢驗人員;

●記錄和采集制造過程的狀態信息和例外信息,記錄每個產品的構型、來源,作為法規依從性審計的依據;

●具有一定的作業指導書的編輯能力,以應對現場變更和例外時間的處理;

●形成可以確認單個產品符合設計和技術條件規定的文件或數據包,并和產品同時交付,作為維修使用階段的基線等。

 

盡管某些傳統的生產MES或多或少的涉及到上述的部分要求,新型的MES開始出現、它在保持生產管理基本功能的基礎上,增加了PLM需要的功能。新型的MES適應了產品生命周期和企業價值鏈兩個過程的能力,我們稱它們是“全局MES(Total MES)”。

 

全局MES的出現拉近了MES與PLM的關系,制造企業和各大PLM供應商開始重新定義PLM的疆界,PLM除包括產品和工藝設計之外,又將制造和維修環節一并劃入。MES則成為PLM新疆界中的一部分。MES和PLM的緊密集成,形成了產品生命周期的真正閉環。

 

引人注目的兩大商務動作認證了這種趨勢:2009年擁有MES系統和強大自動控制能力的西門子收購了擁有全線CAD/CAM/MPM/PLM產品的UGS。2010年,另一個數字制造和PLM解決方案供應商達索(DS) 合并了軍工生產的重要MES供應商 Intercim,意圖向高端制造企業提供一種深度集成的PLM-MES系統。

 

至此,PLM與MES的關系比ERP更為緊密,驅動了企業信息架構發生了重大的變化。MES作為新型的“作業執行”在企業系統中取代了ERP的位置。而ERP則以“業務執行”的角色對PLM和MES進行支持。

 

 

3

數字制造落地和數字化MES的進步

 

近幾年來,數字化制造Digitizing Manufacturing迅猛發展。目前航空制造產品生命周期前半程的產品和工藝設計以及仿真的數字化再造已接近成熟。不可避免,產品生命周期的下一個階段“制造”,正面臨著產品數字定義在車間現場“落地”的急迫任務。實現工廠的數字化制造將徹底改變制造現場的環境。

 

數字化工廠的初級階段,根據產品的三維數字模型來定義和通過仿真優化過的制造過程設計,向制造作業的操作者提供基于三維模型的數字化制造指令和作業指導信息;在制造作業中,操作者也用數字化的手段和裝置向上層業務過程(PLM和ERP)反饋數字化的作業狀態信息。數字化工廠成為一種全新的制造能力或制造模式。這其中最重大的進步是制造現場信息傳遞從2D到3D的改變。這讓MES又有了新的發展。其中主要的變化是:

 

●MES擔負了工程信息從虛擬世界到現實世界的轉換、現實世界的制造信息向虛擬世界回饋的窗口的作用(見圖5);

●現場所有信息采集和傳遞是無紙化的;

●MES與制造現場所有信息源和信息受體的完全集成。

 

于是出現了新的、適應數字化環境下的“數字化MES(Digitizing MES)“。它們在全局MES的基礎上,還需要解決例外信息的數字化傳遞、實體產品標識的無紙化問題、現場的例外工藝的編輯問題、質量和依從性信息采集的數字化手段等問題。

 

數字化MES作為生產現場集成的信息平臺,為數字化設施的集成和互聯提供基礎。分布在各個作業點上的微電腦、移動終端、RFID/條碼設備、軟件PLC、數字化測量設備和無線工業以太網都被集成的連接在MES系統中。數字化MES成為數字化工廠的脊柱。另一方面MES為進行工廠布置和流轉的模擬優化提供訂單、計劃、設備、控制、生產狀態的數字模型和數據。數字化MES又成為虛擬的數字工廠的基礎之一。

 

 

4

數字線和MBE及基于模型的MES

 

洛克希德•馬丁公司在F35制造中,成功的利用三維CAD數據直接輸給計算機數控(CNC)機床進行零件加工,或輸給復合材料編程系統(CPS)進行碳纖維布置的設計,最后成品都可以追溯到原始的計算機模型。從此,自設計開始到加工乃至最終裝配,形成了不間斷的數字化數據的鏈路。洛克希德•馬丁打造了術語“數字線(digital thread)”來描述這種新的非常簡捷的工作方式。數據線的概念被認為是當今航空和防務(A&D)制造的最重要的進步而得到迅速的推廣。

 

為了建立數字線,需要形成一種以3D模型定義為基礎,為整個企業所共享的、全面集成和協同制造的環境。在企業或供應鏈中,無論在何處的數據生產者和數據消費者,在制造過程的任何點上,都將連接到一個共同的數字的數據源上。數據標準將從設計階段開始,延伸到制造、繼而到最后裝配。美國軍方提出的JDMTP和NGMTI,分別將這種制造環境稱之為“基于模型的企業Model-based Enterprise,MBE”。MBE將于2016年階段完成,它的進展代表了數字化制造的未來。

 

NGMTI將基于模型的制造企業MBE描述為:應用建模和模擬(M&S)技術對產品設計、制造和支持等全部技術的、業務和戰略管理的過程進行徹底的改造,構建的無縫集成的制造企業。MBE中的模型指的是對產品設計和制造的數字化描述。產品的模型是可以用來進行制造、使用和支持的全部屬性的電子表達。一個有效的產品模型包括定義產品所必須的全部要素,并能夠提供產品的詳細信息。MBE保證產品從原理、設計、工藝到制造、到支持和報廢處理的全生命周期的開發過程更加快速、流暢和更經濟。

 

NGMTI給出了MBE簡潔而深刻的3板塊的企業架構:產品的實現和支持、資源管理和戰略管理,見圖6。MBE代表了未來一代的企業架構。它與傳統的企業架構的重要區別是基于模型、模擬和無縫集成。MBE的核心是“集成的產品實現Integrated product realization”。它超越了傳統的僅僅只有產品和工藝集成的生命周期管理,形成概念-工程-執行-支持一攬子集成的原則。MBE要求用新的軟件工具支持全數字化產品生命周期管理系統。因而,制造執行系統鮮明的成為產品實現和支持過程的一部分。數字線制造理念和MBE的建立,對包括3D CAD、MPM、PLM、ERP、SCM、MES等技術在制造生態系統中的位置產生重大的影響。

 

在MBE的系統結構中,制造執行將直接使用產品及過程模型來計劃,顯示和實施過程執行的作業、監視和控制。相關的過程的模型緊密的鏈接在一起,并與控制系統徹底的集成,成為一個統一的、自動適應需求或過程環境實時變化的互動過程。這將大大的增加整個作業的效率、快速響應、安全、效率和質量,同時降低的各種形式的浪費和低效率。它的重要進步是:

 

●由產品模型直接驅動制造——為制造控制系統提供由產品模型直接驅動制造計劃執行的能力。

●基于模型的智能過程控制——形成智能的、自適應的過程控制方式,能夠感應在制零件的材料及其幾何特征/物理/化學性能,動態適應過程的工藝參數變化,以確保生產連續進行。

●模型的在線驗證。提供從物理過程(通過傳感器、人機交互)向過程模型和性能指標進行反饋的方法, 如果與期望值不相符時,則發出的警報和干預的請求。

●消除獨立的質量認證過程(Zero Post-Process Certification)。建立可靠的、科學的質量認證模型,與具有在線信息采集的基于模型的控制系統向配合,消除將產品的合格認證作為一個獨立的工藝步驟的傳統做法。

●智能、自行配置的制造執行模型,結合產品模型和所有的應用程序、系統、設備和工藝指導書,形成一個需要完成的工作的完整的邏輯表達,能方便地滿足生產出合格產品的所有的要求,并具有監測執行、自動適應需求變化和應對例外事件的能力。

●柔性、可重構的制造設備模型??蓜摻焖倏芍亟M的生產線和資源流resource streams的技術和方法——能夠利用能力、需求和單元過程模型,迅速適應產品和工藝的要求的不斷變化。

 

在MBE中,制造執行將作為數字線(digital thread)的末梢直接完成加工和裝配的作業。我們將這個階段的MES稱為“基于模型的MES(Model-based MES)“。在中國,實現MBE和基于模型的MES不僅為建立各種與現實狀況相近的模型是一種挑戰,對中國航空工業來說,各種基礎數據的補課可能要求付出更艱苦的努力。

 

5

數字化制造環境下的企業信息構架的研究迫在眉睫

 

MES的發展和因MES引發的企業信息架構的變化給我們描繪出了以PLM—MES為軸心的新的企業架構的愿景。了解當前制造企業架構的發展趨向,給我們以嚴重的啟示:舊的信息架構和信息化規劃的方式已經不能適應數字化制造時代的要求了;也使我們察覺出我們企業差距之大。當前,幾乎所有的航空制造企業必須盡快的跳出部門的和傳統的觀念,以數字線的貫通為目標,及早構建以產品全生命周期(包括MES和MRO在內)為主線、資源管理為支持的新型企業架構。

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