基于MES的车间生产能力平衡问题的研究

基于MES的车间生产能力平衡问题的研究

针对车间生产能力分配不均衡的问题，分析了基于制造执行系统MES的车间任务分配与控制结构，根据不同工作中心的生产能力建立生产能力矩阵，同时根据制造件能力需求统计建立制造能力需求矩阵，基于此建立了车问生产能力需求计划与实际生产能力平衡分析模型，建立计算生产能力偏差率的数学模型，用模型分析生产能力需求和实际生产能力的协调性，分析了离散制造车间生产能力分配中的不确定性因素，最后给出了模型在车间计划生成管理与能力平衡管理中的应用实例。

1 引言

本文所提到的制造执行系统(MES)的开发应用是针对某电机制造企业风电车间装配和下料车间的生产。它主要包括以下业务：物料库房管理、生产计划管理、工具库房的管理、质量控制、基础数据管理、外协管理、资料管理、现场信息采集、生产能力平衡管理、人事工资管理等。实际生产中，不同的人员和设备都有着不同的生产能力，不同的产品有着不同的生产能力需求，其物料需求结构也有较大差异，所以若采用同一种生产任务分配模式，容易造成车间生产能力与生产计划完成所需的能力不协调，直接导致车间生产现场混乱，且难以合理调整各工作中心的生产分配量。据了解，目前现场信息反馈往往比较滞后，管理人员对在制品加工进度无法及时跟踪，有时导致加工中心在制品积压，各生产单元不协调。为了解决上述问题，保障车间层及时可靠的生产能力均衡分配和调整，建立切实可行的生产能力协调性分析模型是MES系统开发与实施过程中的一个重要环节。目前，国内外针对车间生产调度问题的研究已经很多，从最初的整数规划、仿真到现今的神经网络、遗传算法等。但总体看来，很多算法都为建立数学模型而做了很多简化工作。本文基于MES的车间生产能力平衡问题的研究是针对离散制造车间能力协调问题展开的，分析了基于制造执行系统MES的车间任务分配与控制结构，通过对加工中心(或生产单元)的生产能

力分析，同时对制造件制造工序任务的能力需求进行分析，从而在生产能力与能力需求匹配协调的基础上进行任务分配，并建立提取能力协调性分析因子的数学模型。

2 基于MES的车间任务分配与控制结构

制造车间能力分配问题围绕车间生产加工过程中如何配置资源而实现车间生产调度优化而展开。制造车间调度问题受到多因素的制约，且大部分制约因素都具有一定的不确定性，导致制造车间的能力分配复杂、困难。为解决多因素制约问题和约束因素的不确定性问题，对制造车间调度所需的数据需实时采集，并对数据采集过程进行控制，尽可能地排除干扰信息，确保数据采集的实时性和准确性。MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。MES同时还能通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。车间任务分配与控制结构如图1所示。

图1 车间任务分配与控制结构

3 制造能力分析矩阵

机械制造车间一般可划分为若干个工作中心（或加工单元），工作中心可以加工或装配特定类型的零部件，如冲压工作中心、轴承加工工作中心、冷焊类加工工作中心、主轴加工工作中心等。针对每个具体的工件，可“选择合适的工作中心进行加工。有时可能不需要用到相应工件中心的所有设备。而是用到其中的一部分设备。对于某些特殊工件，有时选择某一单独的工作中心无法完成全部加工工序，其中的部分工序需要用到其它工作中心的设备。车间生产能力测试为车间生产任务分配和精确调度提供数据，包括车间制造设备可提供的服务能力和制造件能力需求信息。首先对制造设备服务能力进行统计，代表设备或生产单元能提供完成制造工序任务的制造能力，用矩阵Q(S，C)表示：

另外，我们对制造件能力需求进行统计，代表完成制造件制造工序任务的能力需求，统计出完成每道工序的最佳设备选择用矩阵P(S，C)表示：

4 车间生产能力平衡分析模型

为使企业计划得判县体的执行，需要根据制造车间特点制定相应车间的生产计划。车间生产计划针对生产岗位、各道工艺加工中心的生产能力及加工特点安排生产量和生产路线。它针对的是产品制造的细节以及一些具体的加工设备人力资源和其他生产资源的调度问题。为研究加工车同生产能力平衡性问题，我们将车间各工序加工总任务用向量Q表示，各加工单元生产任务

图2 车间生产计划调整与生产计划完成情况查询

5 制造车间能力分配中的不确定因素分析

(1)制造单元本身就是不确定因素源：包含各种热力学、静力学、动力学、传递系数等的不确定性。

(2)外部环境的不确定性：宏观环境因素如技术、文化等，微观环境因素如顾客、销售部门、供应都门等。

(3)制造过程中产生的不确定因素：这类不确定因素主要包括制造过程中车削速度、铣削速度、进给速度、压力、温度等的变化，以及设备故障诊断与处理能力都有其不确定性如某些工序加工过程中，各工序加工中心的生产能力、故障排除能力、对物流的处理时间、在制造件的库存及货位处理等。这些不确定性很大程度影响制造车间现场调度的效率。

(4)其它不确定性因素：比如监控系统的不稳定性、仪表的失效、操作人员的失误等也为车间组织生产造成很大的干扰。

6 应用实例

图3 车间周计划生成管理与能力平衡管理

7 结语

制造企业信息化实施可分为：过程控制系统(PCS)、制造执行系统(MES)及上层企业资源计划系统(ERP)三个层次。制造企业通过实施MES，可以实现车间生产能力均衡分配、生产计划调度、生产任务查询、生产过程监控、现场数据采集、质量控制与检测、物料跟踪、原料消耗控制、车间考核与管理生产统计分析、人力资源和设备管理等功能，彻底帮助企业改善生产现场管理的暗箱操作。本文分析了基于MES协调的车间任务分配与控制结

构，通过对生产单元生产能力和能力需求分析，建立生产能力需求汁划与实际产出间的偏差用于函数，根据生产能力偏差率的值调整凋度计划，以达到到生产能力需求计划实际生产能力相协调。需指出的是对调度计划的调整要结合历史数据和现场状况，本文为调整生产能力分配计划提供了理论支持。