MES应用异同实施方案

1 过程工业和制造工业MES应用的相似与差异 今天高性能运营管理的理念必须能处理各种需求,能灵活应对多种挑战。这包括了快速变化的客户需求和采购市场。这些变化直接影响每天的

1 过程工业和制造工业MES应用的相似与差异
今天高性能运营管理的理念必须能处理各种需求,能灵活应对多种挑战。这包括了快速变化的客户需求和采购市场。这些变化直接影响每天的生产规划,以及相关的生产工单控制。在过程工业,启动和关闭过程,以及产品和负载变化比过去更加频繁。在制造工业,批量的收缩都伴随着产品更换的数量增加和产品变化的数量提高。面对过程工业和制造工业的挑战需要提高自身竞争力,这样才能在全球市场取得成功。
 
这两个工业的各自具体问题需要实施多种专业的解决方案。然而,除了基本的MES任务有内在的相同,还有许多结构的类比,所以能使用共同的解决方案。相互尊重和取长补短有助于方案实施,并有助于打破行业之间的障碍。尤其混合生产制造,会从这种做法中直接获益。下面将介绍两个行业直接可见的相似性和结构化类比。之后介绍特性的不同。
 

1.1 相似
过程工业和制造工业都有阻碍相邻业务流程协调的共同缺点。这限制了企业内的信息流动,从而限制运营管理的动态和高效。几乎所有行业都有共享相同信息的障碍:
• MES应用在工厂内不能充分联网,这导致了决策支持和运营控制数据的可用性不足;
• 信息更新不足;
• 由于不同的数据结构和信息细节,高层ERP系统与MES应用之间的组织方式不一致;
• 缺乏合适的工具来弥补这一信息沟壑,而市场为导向的制造业需要这种控制机制。
 
尽管在这两个行业的制造企业有不同的特性,但他们有一些共同的经济目标:
• 原材料和能源的有效利用;
• 最小化生产的中断;
• 提高工厂利用率;
• 管理多元化产品;
• 一致的高产品质量。
 
对于所有细分市场和行业,MES必须提供实时的垂直和水平集成,并与相邻系统保持同步。有了这些要求,对过程工业和制造工业用MES应用支持规划和监视,有效组织和执行生产订单非常重要。
 
在连续制造中,生产主要执行批处理或半批处理过程。过程工业中的批处理可等同于制造工业中的部件生产。工厂往往由连网的制造区组成,它们也可以彼此独立运行。这可对应于制造工业的独立生产区。这些生产区间的互动水平取决于所制造的产品。在各种情况下,各个区之间的产品流必须协调和同步。
 
具有集成批处理控制功能的过程控制系统使用所谓的主站与控制配方管理相应的制造过程。这些配方定义了原料转化为产品需要的生产规程和生产参数。此外,配方定义确保了生产过程在特定的公差范围内执行。

配方也可在控制系统(DCS)级上管理和执行。如果这种“智能”子系统集成到MES环境,执行的智能就从MES应用转移到设备控制级。这种分布式智能的优点是与MES应用有一定的独立性。一旦MES失效,与生产单元相关的生产可以继续。
 
制造工业也有相应的对等方式。在高度自动化的生产中,灵活的机器人控制组装生产线,不同的程序用于输送、装卸、组装或焊接过程,由机器人控制器使用面向产品的方式进行管理。在批处理过程中,文档通常仅包括特定的图表,在批处理生产期间生成。这些通常包括在批处理的报告中。把连续记录转换成与特定批次相关的时间离散表示,是过程工业对MES应用的要求。这个功能需要一个与DCS配方模块的接口,使批处理事件与对应的趋势数据建立相关性。
 
这种接口能够无缝地记录制造数据,以及有每个产品的批处理跟踪、系统干预,以及改变工作流、配方和批处理报告,以一种全面、可再生、防篡改的方式记录。在制药厂,这个功能是FDA法规21 CFR部分11中必须遵守的要求。此功能在食品和饮料行业的要求比较宽松。
 
过程工业中的产品生命周期管理(PLM)与制造工业是相同的。这些系统收集安全相关组件的数据,对它们的跟踪远远超出了实际生产,例如安全气囊、制动器和马达控制器。跨越生产边界的追踪,要求组件的最重要数据与唯一序列号,或者至少一个批号相关。在组装过程中,这个组件集成到较大的组件中,最后存在最终的产品中。该组件的数据包含在产品的记录中,生产指南和规定中必须给予考虑。无论是流程工业还是制造行业都面临工程和设计集成的持续挑战,两者之间包括了依靠“单点信息”原则的自动化水平。

 
1.2 差异
通常,两个行业的主要差别是制造业中产品多元化和产品的变化。
这导致对MES应用的特定要求,特别是对生产工单和部分工单的生产调度控制。在制造业中,中间产品和最终产品一般由大量的各个组件构成。此外,这个行业生产过程的特征是设备与小型缓冲存储的高度互连。因此,在制造业中的MES应用通常用于控制互连的生产步骤。这些制造行业特性要求有严格的供应链有效管理。对MES应用在数据更新、完整性、一致性、体积和处理速度上要高于过程工业。
 
制造工厂经常向不同厂商采购设备,因此通常要实施异构数据处理和MES解决方案。全面和集成的控制系统在制造工业比在过程工业更少见。通常,离散制造中共同的材料单和制造计划,不适合过程工业的描述和建模普遍工作的过程。
 
另一方面,过程工业中的MES应用必须能够收集来自连接系统的配方结构和参数,作为控制和记录生产工单的主数据和动态数据,并把他们存储在适当的数据库结构中。不像离散制造使用ERP系统,过程工业在MES或DCS配方模块中定义生产指令(即主配方)。在用于生产之前,主配方都经过严格的测试和验证规程。后者情况在制药、食品和饮料工业对保证产品安全是特别重要的。
 
在过程行业,各种测量数据需要连续地收集,并以曲线或趋势的形式归档。归档时间跨度一般以年来衡量。由于测量值和得到的曲线可以迅速改变,归档必须进行相应的设计。在这种环境下,由于性能有限,标准的SQL数据库通常不太合用。相反,可使用能支持处理大量快速变化测量值的专用数据库,并使用特殊算法进行压缩并减少收集数据。

 
2 实施MES项目的实用建议
本节给出一些提示和建议,这些内容在MES实施过程中已证明非常有用。它包含的建议和想法并不能取代既定软件项目的实施规程。制造执行系统基本上是IT工具,当能正确实施和引入时,有助于生产问题的有效和全面解决。像所有其他IT工具,MES工具“本身”不解决问题。相反,对问题和困难必须彻底分析,并根据实际需要解决,为了随后实施这个IT工具,在功能设计规范中要求记录结果。下面,提供了用于生产企业的样例目标,使这些目标的子集提供充足的理由引入MES。

 
2.1 目标样例
MES调整实施典型目标的选择概括如下,这些要求的相关变化非常依赖于工业。

(1)可用性/能力承诺
从库存水平,制造能力和原材料库存和交付的能力决定了短期交付的日期和数量。

(2)减少周期时间
使用可用信息和优化策略,以这样一种方式组织生产和解决中断:使订单接收和交付的时间最小化,这样资产回报(ROA)才能最大化。

(3)生产效率/生产成本节约
用无质量损失的减少资源(材料、原材料、能源和人员)降低生产成本。

(4)资产效率
从工厂利用最大化和工厂成本最小化提高资产回报(ROA)。这是通过装配和准备可用信息,在生产中使用优化策略和提高故障响应来完成。

(5)敏捷制造
为了利用现有设施最大化生产,制造工厂需要灵活和时间序列优化的运行。

(6)供应链优化
组织供应商原材料和组件的交付,使它们以最低的成本及时生产。

(7)质量和可追溯
为原材料、供应部件和产品的质量验证,为使用跟踪、确保遵守政府和其他法规,准备可用信息。

(8)操作员授权
决策制定的责任下放到生产级员工。这需要企业高层使用的决策支持信息也可用于生产人员。

(9)改进计划
生产调度的改进是所有企业永恒的目标。它需要不断反馈关于生产、资源利用和目前库存水平的信息。

(10)减少库存
库存最小化是提高竞争力的关键因素,需要在过程中调整物流、库存管理、生产以及减少生产时间。同时,必须优化材料供应,例如由供应商控制的库存水平管理,或者内部由使用需求优化库存,具有生产和成品存储能力的实时视图。
 

2.2 MES:互联网络项目
MES解决方案的特征在于公司内高度的网络互联,因此必须作为(复杂)系统考虑。这种项目的发起者通常为管理人员。他们必须赋予MES解决方案的规划者和实施者,行动跨部门,如果需要可涉及企业的任何区。企业所有受影响区必须配合支持MES的实施。如果可能,MES的引进应该是有限度的,即仅在企业内一个或少数区进行初步实施。之后再铺设到企业的其余区。
 
等待引进的全部完成具有延长部署的风险,因此,一旦实现一定范围的功能,就必须启动随后的步骤。MES支持运行的过程在不断变化,例如由于不断持续改进过程(CIP),因此,它的完成常常不能精确地确定。在这点上,投资回报(ROI)的早期增长会奖励企业向前推进。
 

2.3 MES的现状分析和需求定义
MES的引入与其它大型软件项目一样,遵循相同的规程,应用已建立的方法。然而,在实践中的标准方法包括:
• 当前状态和现有过程分析;
• 用户要求规范;
• 目标的定义;
• 需求建议书;
• 供应商选择;
• 功能规范;
• 实施。
 
对于中型企业,特别要有更加务实的管理。预算规划师通常具有整体的洞察力:项目是否按交钥匙方案实施,或使用市场上最佳的解决方案。后者的选择需要实施企业进行大量的技术和组织工作。
 
这也是一个改变旧习惯的机会,用往往代表标准或事实上标准的现代化眼光设计过程。与此同时,MES产品必须与现有IT和自动化环境相连接。安装的新产品需要与现有系统技术兼容,并使用开放式结构,以方便使用其他供应商的产品来扩展。
 
以下步骤显示了必须考虑的问题。
(1)描述、分析与记录相关的和当前的过程:
• 过程流:必须收集和描述现有业务过程的所有交互。必须包括特定业务过程的任何变化;
• 文档:各种文件(纸质版和电子版),如工作描述、部件清单、反馈表格等必须分配到每个业务过程。此外,必须记录采集的过程数据;
• 参与系统:对每个业务过程,必须指定与相关IT和自动化组件(PC、扫描仪、PLC、DCS、批控制系统、主站、ERP系统等)的交互;
• 基础设施:必须审查现有和所需的能源和通信基础设施(网络、终端、手持设备等);
 
(2)基于当前过程的描述和分析,以及技术和企业的约束定义目标过程:
• 标准化:目标过程的定义应包括可比过程的公司范围标准化或普遍接受标准的引进;
• 最佳实践:记录过程必须与已证明的方法进行对照检查,如果需要的话,与现有标准和已采用的方法进行比较;
• 自动化:用在线采集的数据和一致的、可靠的、可用的信息,优化目标过程;
 
(3)基于定义的目标过程,为请求建议创建评估矩阵。必须包括通用以及企业特定的标准。评估矩阵可包括以下内容:
• 要执行的功能列表;
• 集成平台(如OPC、XML、B2MML等标准);
• 软件平台(操作系统、数据库系统、开发环境等);
• 硬件概念(单个服务器、冷/热备、集群等);
• 翻转概念;
• 时间调度;
• 系统可用性;
• 服务和支持;
• MES产品路线图(更新和升级);
• 价格(硬件、软件、服务、维护等);
• 参考材料。
以上列出的内容和标准仅作为一般指南,对特定项目还要进行调整和扩展。
 


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