智能铸造的PLM/ERP/MES信息化集成方案

介绍了智能铸造信息化的应用背景。阐述了如何构建面向智能铸造的信息化集成平台,该平台包含三个关键信息化技术:(1)产品全生命周期管理(PLM);(2)企业资源的计划管理(

随着互联网、双创、大数据和智能制造等概念的不断普及,传统铸造业的经营管理模式面临着极大的挑战,新世纪的铸造技术正朝着更轻、更薄、更精、更强、更韧及质量高、成本低、流程短的方向发展,以数字化为基础的智能铸造已成为铸造学科前沿研究热点,以“铸造业数字化智能化”为核心的产业变革已初现端倪。
 
产品生命周期管理(Product Lifecycle Management,简称PLM)是一种应用在单一地点的企业内部、且分散在多个地点的企业内部,以及在产品研发领域具有协作关系的企业之间的,支持产品全生命周期的信息的创建、管理、分发和应用的一系列应用解决方案,能够管理所有与产品相关信息(如零部件信息、配置信息、图文文件信息、结构信息及权限信息等)和所有与产品相关流程的技术。
 
企业资源计划(Enterprise Resource Planning,简称ERP)是一种主要面向制造行业进行物质资源、资金资源和信息资源集成一体化管理的企业信息管理系统,目的是为了提高企业内部和制造有关的所有资源和过程的计划和控制能力。制造企业生产过程执行管理系统(Manufacturing Execution System,简称MES)是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统,能够在工厂发生实时事件时及时做出反应,有效地指导工厂的生产运作过程。
 
PLM、ERP和MES三者都是企业信息化管理软件之一,有各自替代不了的作用,PLM提供了产品创建和工程数据管理的上游平台,ERP将核心业务数据在战略和运营层面衔接,MES指导大规模生产控制活动背后的车间性能和运营管理。但是,国内很多制造企业在搭建信息化平台时缺乏系统性的规划和决策,导致搭建的平台系统之间信息不流通,不能够共享,又有一些内容重复,造成实际使用效果不理想。
 
针对智能铸造信息化需求,本文整合了PLM、ERP和MES三种信息化技术各自优点,构建了智能铸造信息化集成平台,阐述了铸造工艺数据库、基础数据管理、产品全生命周期管理(PLM)、成本核算管理、高级计划排产管理(APS)和车间现场看板管理等平台核心模块功能及应用案例。
 

1 智能铸造信息化应用背景
1.1 铸造流程分析

某铸造企业的砂铸/精铸/消失模等铸造业务流程图如图1所示,该流程将企业运营划分为市场订单、生产前准备、铸造生产及发货到账四个阶段。整个流程以市场销售订单为源头,对铸造过程进行批次、工序级别的精细化管控,并全面采集关键过程记录,以推动市场、技术、生产、质量和采购等多部门业务高效协同,体现了企业精益生产、敏捷制造的思想。
砂铸/精铸/消失模等铸造业务流程图 
图1 砂铸/精铸/消失模等铸造业务流程图
 
分析该流程图可以总结出铸造全流程管控的几个特点:
(1)多个部门协同一致。订单到达后,先由经营部门对订单进行评审并与用户签订合同与技术协议,技术部门根据技术协议设计铸件工艺,采购部门根据工艺BOM补充物料,生产管理部门根据合同制定生产计划,并给各车间下发生产任务。各个车间按照生产计划到仓储部门领料,组织生产需要的各种零部件,按计划完成并交到下一道工序的车间,直至成品按时完成。质检部门检验合格后入库、准备发货,最后财务部门完成对接。
 
(2)生产工序繁多复杂,纸质流程卡的流转困难。铸造工艺流程包括三部分:铸型准备;铸造金属的熔化与浇注;铸件处理和检验。铸造工艺流程有十几道工序。
 
(3)铸件工艺种类庞杂,纸质文档查找困难。铸件的产品结构和制作工艺通常在收到客户订单后才能被确定,这种方式对铸造生产的柔性要求大大增加。
 
(4)生产过程的排产变得越来越困难。随着生产批量的减少,品种的增多,产品结构必须随着客户的需求随时进行调整,导致生产上所需的原材料不能准时按量供应,生产计划的安排越来越困难,生产的波动较大。在智能制造大背景下,全球新技术革命和产业变革正在给制造业带来巨大冲击,铸造行业作为机械制造工业的重要基础,也要提升产业的数字化、智能化,解决这些管理盲点,目前已有部分企业提出构建智能铸造数字化信息化系统架构。
 

1.2 信息化集成平台架构分析
智能铸造信息化平台架构如图2所示,该平台是以铸造企业的工艺生产质量管控为核心,以实现流程化、可追溯、现场化和体系化管理为目标,链接现场设备与控制系统、车间层、决策层与企业数据中心。集多种管理系统于一体,协助各部门负责人实时处理业务报表与进行智能决策。该平台融合PLM、ERP、SCM、CRM、APS、MES、OA-HR、WMS、SAP、U9和K3等多个系统的优点。
 
整合企业的各种数据,包括物料BOM数据和生产订单数据等,将制造流程与数据联系起来,提供一种通用的业务视图。除此以外,该平台还具备的特点:
(1)吸收了PLM的集中存储管理产品设计、工艺和资源信息,避免信息重复输入的优点;
(2)通过ERP保证了订单、销售、库存、财务各模块的资金流、物流和信息流的统一管理,解决了内部信息不畅通和管理困难等弊端,为企业员工和决策层提供了决策手段;
(3)支持对车间层和现场的实时管理控制,通过设备的集成为MES采集底层数据并集成分析,建立为生产、质检、工艺和物流等部门提供全面实时一体化的车间生产执行信息服务,避免了车间管理信息“断层”等。因此,这个信息化集成平台的构建将为铸造企业提供一个可靠的、可共享的、新的、准确的和完整的产品信息源。
 

2 面向智能铸造的信息化集成平台的构建与应用
芸峰铸造信息化集成平台是针对铸造行业精心研发的一套智能铸造的数字化信息化系统解决方案,具有铸造专业性、系统性和可扩展性等特点,全面兼容砂铸/精铸/消失模/压铸/机加工/锻造等多种生产方式,以铸造工艺生产质量管控为核心,实现流程化、可追溯、现场化和体系化管理。
 
该平台包含经营管理、工艺设计管理、生产管理、APS智能排产、质量管理、采购库存、人事财务、成本绩效、车间现场管控、看板管理、设备管家、设备数据采集、能源与环境监测、大数据分析和管理驾驶舱等。该平台可以与铸造CAE、铸造CAD等其他软件无缝集成,与企业财务、OA和人事等系统对接,与铸造生产、检测和辅助等设备互联互通,推动铸造企业的转型升级,提升铸造企业的管理水平和市场竞争力。
 
2.1 铸造PLM核心模块
铸造生产过程中大量文档(如铸件的零件信息、配置、文档、CAD文件、生产制造数据、结构和权限信息等)存储较混乱,文档安全缺乏保障。纸质文档较难管理,查找缓慢,无法有效的协作共享,效率较低。铸件种类繁多,每个铸件的工艺资料和生产数据繁杂,给产品构型、项目管理和文档管理等问题给企业管理带来了难度。
 
铸造PLM以研究和拓展铸造企业产品全生命周期信息的一系列过程为目标,结合对产品信息整合的需求,研发了产品全生命周期信息存取查询的C/S系统,将PLM与ERP、MES系统集成实现了对数据、设计的综合管理,产品生命周期内自动集成查询、追溯和产品流程作业过程的区块化管理。铸造PLM集中存储铸造企业的产品工艺知识库,以云端共享文件夹的形式统一管理各种文件,不仅产品数据可以在云端上传下载,公司管理层也能通过有效的数据及时对项目进行判断,产品生命周期变得可记录、可重复和可优化,推动企业内外部产品数据的集成、共享。
 

2.2 铸造ERP核心模块
研究和拓展铸造企业ERP系统的成本报价业务处理方式,结合铸造企业对成本管控和决策支持的需求,以成本报价和管理驾驶舱模块为例,研究并研发成本报价追溯的C/S系统。以成本报价为例进行说明,成本报价即获得产品所付出的价值,包括BOM、合金材料、人工成本和能耗等。系统结合铸件的材质、工艺重量和订单吨价等工艺成本情况,将订单的成本归类显示,自动核算每种产品的价格,辅助生成订单报价表,企业的生产成本明细、订单盈亏情况可以直观体现在系统中,提高财务人员的工作效率。
 
铸造ERP系统还为决策层提供了数据支持,企业各部门的重要指标数据可以图形化显示在系统中,企业的运营情况一目了然。除此之外,针对不同企业的需求,业务报表形式多种多样,可进行包含甘特图、柱状图和雷达图等给决策层全方位的数据分析与指导,为企业打造出铸造智能工厂与数字化车间。
 

2.3 铸造MES核心模块
研究和拓展铸造企业MES系统的车间现场监控与维护,结合铸造企业对车间生产信息可视化管控的需求,借助于各类数字化显示和信息处理硬件终端,铸造MES研究并研发生产可视化报表的C/S系统,并应用于杭州某铸造企业,实现车间现场生产与工艺数据的条码化、数字化和可视化。以高级智能排产、生产与质量过程追溯、设备数据采集与监视和扫码报工四个典型实例予以说明。
 

2.3.1 高级智能排产
对于目标复杂、数据庞大和难以直接计划排产的任务,部分高级智能排产系统(Advanced Planning and Scheduling,简称APS)采用了各种元启发式算法进行近似求解,通过算法的不断迭代来得到相对较优解。铸造APS系统以优化交货期为主要目标,在智能运算中考虑了三种主要约束(工序先后约束、设备人员约束和时间约束),通过获取每个铸件的作业路线得到相应的加工工序,结合铸造各工序的特点和资源约束进行时间的计划。生产排产甘特图如图5所示,该图以甘特图的形式表现排产后的时间规划,左边的树形导航为各个排产好的订单细则,点击即可查看各道工序的加工时间。
 
为方便系统用户查看各订单的工序完工情况,系统还单独开发了任务看板模块,该模块通过采集各工位的报工信息,结合订单的原始数据,统计每道工序的完工度,并可查看到相应订单的基本信息,系统任务看板界面如图6所示。
 
同时,为使车间信息同步,系统还为企业生产车间或公共区域设立了车间生产管理看板,车间生产管理看板界面如图7所示。该界面显示生产各个环节的统计数据,包括生产发料、生产进度、生产质量和销售发货等业务。显示重要客户产品的总体状态,包括交期、剩余天数、订货数和交货数等。显示各订单生产进度,末批所处工序,实现制造过程的全程优化和协调。
 

2.3.2 生产与质量过程追溯
铸造生产具有多单件多种类的特点,这一特点决定了铸造生产过程的复杂性与生产管控的困难程度。传统铸造企业没有采用数字化的管控平台,车间的生产难以直接反馈到管理层,铸件出现问题时难以追溯到上游过程。铸造MES系统通过产生铸件单件标识号,采用车间现场的工序报工等方式,不论铸件处在哪一个工序环节,都可以从系统直接看到铸件的状态,当铸件出现质量问题或者其他异常状况时,也能及时查看到报警信息。
 
生产过程追溯卡片如图8所示,卡片顶部可以看到每一个铸件的订单信息,点开细项后便可查看到铸件当时的生产状况,包括正常与否和每一道工序的完成时间等。通过这一追溯过程,铸造企业可以很大程度上改善由于单件多而导致的管控混乱的局面。
 
为便于铸造生产过程中的质量检测管控到单件,并追溯到具体质量项目的检查时间和合格情况等信息,实现铸件单件质量过程跟踪可追溯。铸造MES还通过跟踪批次/单件产品具体质量检测过程各个环节,实现了铸件质量过程可追溯,质量过程原始记录实时可查,产品合格证也能一键打印,简化了质保书办理流程,最终及时发给客户,质量过程追溯卡片。
 

2.3.3 设备数据采集与监控
铸造企业的车间设备种类多,老设备多,数据获取难度大。铸件产品的种类多,数据采集量大。生产现场标准化程度低,数据关联性高。铸造MES研发手机设备运行管家,实现设备数据的实时采集与监控,例如光谱数据直接读取,热处理时刻温度实时记载等。该模块全面支持Profibus、Modbus和PLC等上百种技术协议,检测设备数据直读,提高工作效率,避免人为出错。手机设备管家界面如图10所示。
 

2.3.4 扫码报工
报工是铸件生产过程中常用的一种验收模式,从铸件的计划生产开始,车间会打印一张相应的纸质流程卡,系统也会产生同样的报工界面。当铸件的某一道工序完成时,需要在系统中输入工序的完成时间、验收状况和负责的班组人员,同时在纸质流程卡上填写完相应信息后,通过系统层面的校验便可进入下一道工序的报工界面,流程卡则会随着铸件在车间的各个工位进行流转。
 
由于铸造车间与生产、质量等部门信息不能实时共享,纸质流程卡的保存及信息提取存储比较困难。铸造MES在实现报工的基础流程上增加扫码的功能,每一张流程卡上都会有对应的条形码,可以直接对条码进行扫码,系统会自动载入当前铸件的加工信息,包括相应的工序、班组。为了方便报工,扫码之后系统会将验收时间自动赋为当前时间点。
 
铸造流程卡如图11所示,通过扫码报工的方式,使得车间复杂的验收作业更加便捷。综上所述,该集成平台非常注重制造流程的数字化管理以及质量监控,即在铸造过程中一旦出现问题,可以根据系统各个生产流程中收集到的数据对问题进行分析,找到故障发生的根本原因,并及时找到解决问题的办法,提高产品的合格率。在新产品的研发设计阶段,设计师可以根据系统在智能制造过程中搜集到的数据进行产品的创新设计,即所谓的“用数字生成数字”,并准确预测未来客户的需求,加快产品维修和保养的速度,提高产品质量和生产效率,减少产品和原材料的浪费。
 
3 结语
(1)智能铸造的信息化集成平台通过云端共享、数字化硬件显示与处理终端等关联方式,将PLM、ERP和MES等多个企业管理子系统集成为一个整体,融合工艺数据等技术数据的集中存储,订单销售库存财务等多个模块资金流、物流、信息流的统一管理,车间层与现场实时的制造流程数字化管理和质量监控等。
 
(2)实际企业应用案例证明,该平台能够很好地集成整合企业内部的各应用系统,实现企业内外部信息共享,提升铸造企业的运作效率,从而为铸造企业的信息化管理提供参考。
 

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