离散制造企业PLM/ERP/MES全生命周期管控平台构建与应用
2023-03-01 来源：新工业网
导语：在信息技术与制造业深度融合以及工业互联网快速发展的背景下 如何利用大数据 云制造等新型技术进行信 息化转型是高端制造业实现产能突破和提质增效的关键
液压缸是各类重型机械、大型产线的核心动力装备之一，被广泛应用于工程机械、船舶、冶金、水泥、化工等制造领域的生产线或成套装备中。虽然我国液压件行业发展迅速，但是大多数液压件生产企业规模小、自主创新能力不足，大部分液压产品处于价值链中低端。且由于技术、工艺、设备及管理等多方面的限制，高端液压件产品研发生产水平不足，无法形成有效的供给，导致高端产品大量依赖进口。大部分市场份额被一些跨国巨头如德国博士力士乐、韩国东洋机电、小松液压等企业占据。
国产高端液压件的发展仍然处于相对滞后的阶段，它已经成为制约我国装备制造业发展的主要瓶颈，整个行业有着较大的提升空间。因此，提升我国高端液压制造企业的综合竞争力具有十分重要的意义。近年来，继云制造、智能制造、网络协同制造之后，工业互联网如火如荼。作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，工业互联网是制造业的数字化、网络化、智能化转型升级的基础设施，是我国液压缸制造系统走向柔性、产品质量走向高端的必然选择。并且在当前制造业转型升级、高质量发展的背景下，高端液压缸制造系统提质增效和智能化总体需求更加强烈。
高端液压缸制造是典型的多品种、小批量或单件离散制造模式，它呈现多品种、变批量、个性化定制特点，其车间生产设备密集且离散、生产设备及其信息多型异构。专门针对液压缸制造而定制的管理系统及信息化平台并不多，并且由于车间的设备虚实信息描述不一致、数据交互融合困难，导致制造系统全过程重构与优化难，流畅性、稳定性差，造成实际使用效果很不理想。针对高端液压缸制造系统提质以及实现制造全生命周期管控的需求，本文作者整合了ＰＬＭ、ＥＲＰ、ＭＥＳ、ＳＣＡＤＡ四种信息化技术各自优点，构建了高端液压缸离散制造的全流程信息化管控平台，阐述了产品设计图纸库、生产工艺库、产品全生命周期管理、车间现场数据采集管控和柔性质检等平台核心模块功能及应用案例。
１应用背景
１.１高端液压缸生产流程分析
图１所示为某高端液压缸企业设计制造的业务流程，该流程将企业运营划分为销售订单、研发设计、工艺ＢＯＭ以及生产过程和发货５个阶段。整个流程以产品报价为起点，通过合同的签订及排产将技术信息进行传递后实施测绘、绘图等设计工作。完成图纸ＢＯＭ信息的收集，完成工艺的规划和编制，最后在生产过程中穿插质检作业，完成工序级别的管控。通过全面采集关键过程记录，以推动市场、技术、生产、质量、采购等多部门业务高效协同。
分析该流程可以总结出液压缸制造全流程管控的几个特点：
（１）各部门间的工作协同一致，信息均为多向传递，需要极高的反应处理速度，管理难度和柔性都较大。如合同签订后，销售部门先整理客户需求和技术协议信息作为信息的输入点，技术部门根据技术协议进行设计方案的评审和计划，进行设计、研发、测绘、绘图，最终产出设计图纸；工艺部进行工艺的编制，采购部门根据工艺ＢＯＭ补充物料；生产部根据合同制定生产计划，并向各车间下发生产任务；各车间按照生产计划到仓库领料并组织生产，按计划完成并流转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，仓库接收发货通知单进行发货。
图１高端液压缸设计生产业务流程
（２）高端液压缸定制化程度高，产品图纸种类繁杂且图纸数量多。液压缸的设计绘图任务量大，但是由于部分产品的结构相似性高，重复性设计工作占了很大一部分。
（３）生产工序和零件工艺种类庞杂，纸质工艺过程卡的流转困难且文档查找困难。工艺流程主要由机加工工序构成：割、车、铣、钻、镗、热处理等共十几道工序。而且产品结构和制作工艺通常在收到客户订单后才能被确定，这种方式对生产的柔性要求大大增加。
（４）高端液压缸多应用于大型机械和冶金行业，对产品的应用环境和性能要求苛刻。其定制化程度高，设计和出货周期长，加工精度和质量要求严格。质检和生产各步骤呈现高耦合的关系，如零件生产各工序质检、装配总成检验以及整缸性能试验等。
（５）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。高端液压缸的研发制造作为高端机械装备和制造业升级的重要基础，在当今智能制造和工业互联网快速发展的大背景下，也亟需提升产业的数字化、智能化，来解决这些管理难点。
１.２系统平台技术和模块架构
图 ２ 平台架构层次关系
如图２所示，该平台由典型的Ｃ／Ｓ三层架构演化而来，并以服务中心层、业务组件层、应用流程层和展示层构成。服务中心层主要由用户中心、数据中心、看板中心、报表中心等组成，为后续应用层提供基础服务和接口；业务组件层将销售、技术、生产、采购、仓库、质量等业务功能打散为相对独立的组件供应用流程层使用；应用流程层使用服务中心层的建模中心，将业务组件层中各类微服务组件进行组合和编排，生成相互关联且有约束关系的业务功能模块，包括ＭＥＳ中的计划、调度、加工执行等；展示层通过计算机、移动终端、工控机、车间显示大屏等方式，生成交互窗口，对数据进行操作以及将功能结果进行展示。
２平台构建和应用
２.１平台构建核心技术
产品生命周期管理（ＰＬＭ）是一种应用于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信息的创建、管理、分发和应用的一系列应用解决方案，它能够管理所有与产品相关的信息（如零部件信息、配置信息、图文文件信息、结构信息、权限信息等）和所有与产品相关流程的技术。
企业资源计划（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（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，有效指导工厂的生产运作过程。
数据采集与监视控制系统（ＳＣＡＤＡ），是一套面向车间进行加工设备数据采集和生产自动化监控的系统，可以有效完成生产状况的监督，加快问题反馈的速率。
平台融合了ＰＬＭ、ＥＲＰ、ＭＥＳ、ＳＣＡＤＡ等多个系统的优点，通过ＥＲＰ保证订单、客户、财务等模块的信息流、资金流的统一管理，打通各个部门间的信息壁垒，解决了内部信息不畅通的问题，为企业员工和决策层提供了决策手段；借鉴了ＰＬＭ集中存储管理产品设计、工艺及资源信息的方式，设计了工艺库和图纸库，挖掘了历史数据的使用价值，避免信息重复输入，提高了设计工作的效率；通过设备的集成，利用ＳＣＡＤＡ进行设备数据的采集和生产过程的监控，为ＭＥＳ对车间层和现场的实时管理控制采集底层数据并分析。该平台为生产、质检、工艺、物流等部门提供全面一体化的车间生产执行信息服务，实现了管理下车间，避免了管理信息“断层”。该平台以高端液压缸的订单工艺生产质量的全生命周期管控为核心，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。
图 ３ 全生命周期管控过程
如图３所示，它集多种管理系统于一体，在为业务员提供便捷数据查询处理的同时，协助各部门负责人实时处理报表，为进行管理决策提供必要信息和方案。并且通过整合企业的各种数据，包括生产订单数据、产品设计数据、物料ＢＯＭ数据和生产加工数据，将设计制造流程与数据联系起来，提供一套通用的全业务流程的视图模块。因此该平台的构建为高端液压缸生产企业提供一个可靠、完整、可追溯、可共享的产品信息源以及一个全生命周期管控方案。
２.２核心模块的应用
以某液压件厂为例，在其液压缸的设计制造全流程中产生了海量的信息数据，包括订单信息、客户资料、设计数据、ＣＡＤ图纸、工艺信息和生产数据等，但是往往这些数据储存混乱，管理困难。为了解决这些问题，针对其以研发为核心、出货周期长、非标定制化程度高以及离散制造的特点，结合产品信息整合的需求，作者开发了由图库、工艺库、生产状态跟踪、现场管控和柔性质检等核心模块组成的Ｃ／Ｓ系统，将ＰＬＭ与ＥＲＰ、ＭＥＳ以及ＳＣＡＤＡ系统集成实现对数据的综合管理，在产品的设计生产全生命周期内自动集成查询、追溯产品流程作业过程的区块化管理。
２.２.１图库和工艺库
（１）图库在液压缸设计生产过程中产生的各类数据中，图纸文档最为关键。ＢＯＭ信息与工艺流程都来源于此，它是指导液压缸制造的核心文件。虽然企业在多年的生产经营过程中积累了大量的历史图纸，然而管理效率低，导致了数据冗余。在设计过程中，相似结构的液压缸图纸查询困难，无法有效挖掘数据的价值，导致设计人员做了大量重复的设计工作，极大延缓设计出图的速度，导致绘图这个中间核心环节效率低下，影响整个生产流程。且纸质图纸查找缓慢，无法有效地协作共享，不利于保存，在传递时难以追踪，回收困难，同时为文档的安全保密工作造成了麻烦。为了更加高效地管理图纸，该系统集成了ＰＬＭ收集储存产品全生命周期信息的特点，开发了图库管理系统。
图 ４ ＢＯＭ 信息的提取
如图４所示，通过对ＣＡＤ和ＳｏｉｌｄＷｏｒｋｓ的二次开发，将图纸中的标题栏和明细两块区域进行特征识别和数据提取，将数据转化为二维表，存入数据库，生成ＢＯＭ信息表，供系统读取和使用。并且在整套图纸内对每张图纸循环地提取信息生成产品－组件－零件的ＢＯＭ结构树，配合图库的使用。
图 ５ ＣＡＤ 图库
图 ６ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 图库
如图５和图６所示，将技术中心的历史图纸整理分类导入由三部分构成的图库管理系统：研发图库收集存储研发图纸，标准图库存储已经标准化的系列产品图纸，默认图库存储一般非标产品的历史图纸。通过图库对图纸进行数据化、精确化的定量定性管理，实现图纸快速查询对比，方便设计人员进行图纸引用和改进，同时配合系统在生产的各个环节使用电子图纸加快图纸传递效率，提高保密性。
（２）工艺库在使用图库对图纸进行管理的同时，建立工艺库，对图纸中提取的ＢＯＭ表进行零件层的工艺管理。如图７所示将历史工艺进行收集整理，通过将建立的工艺编号作为标识，与零件型号进行深度绑定，将工艺编制过程变得可记录、可重复、可追溯、可优化，实现了快速响应生产需求进行工艺规划，根据零件的具体型号在工艺库中检索并导出对应的工艺过程卡，配合图库的使用推动了企业内外部产品数据的集成、共享。
图７工艺库导出工艺过程卡
２.２.２订单状态跟踪和生产现场管控
（１）订单状态跟踪
图 ８ 订单状态跟踪
如图８所示，平台集成ＥＲＰ对订单数据的记录和流程管控的特点，通过抓取系统中关键业务阶段的各个时间节点来划分状态，包括订单处理状态、技术绘图状态、生产计划状态、工艺编制状态以及加工状态和入库状态。通过查询各阶段的订单实时流转情况和数据统计来实现订单的精细化管理以及产品的全生命周期的跟踪管控。拒绝将问题淹没在庞大的数据海中，实时且清晰明了地将瓶颈阶段和积压严重的业务块暴露出来，助力管理者进行针对性的及时调整和战略管控。
（2）生产现场管控
图 ９ 设备数据采集和监控
车间的生产难以直接反馈到管理层，零件加工出现问题时难以追溯到上游过程，因此如图９所示通过ＳＣＡＤＡ系统和对设备的集成，进行现场加工数据的采集和加工执行的监控。并通过ＭＥＳ进行车间现场的维护，结合企业对车间生产信息可视化管控的需求，系统生成零件的单件标识号，采用车间现场的工序报工等方式，进行工序级别的管理。如图１０所示，通过将单件标识号、产品图号以及工艺编号的绑定，向加工人员展示其所需的产品和零件图纸以及工艺信息。加工人员通过此模块快速完成向上层的任务反馈和异常状况，并且及时地向下层的质量管理部门传递检验需求，极大地提升了信息的传递速度。
图 １０ 现场加工执行
加工人员在现场进行系统与设备的联动操作，所有的数据更新都会影响上一层管理信息的变化，并且通过平台展现出来，实现了生产情况真实的实时反馈以及对其进行现场管控。
图 １１ 生产调度监控
图 １２ 工序计划汇总
如图１１和图１２所示，管理人员可以对每一个零件的生产进行调度监控和跟踪所有加工工序状态的变化。不论零件处在哪一个工序环节，都可以从系统直接看到其调度和加工状态，当出现质量问题或者其他异常状况时，也能及时查看报警信息。通过这一追溯过程，企业可以很大程度改善由于单件多而导致的管控混乱的局面。
３.２.３柔性质检
由于在高端液压缸的生产过程中，加工精度要求极其严格，并且质检作业的执行步骤和标准会根据产品定制的具体需求展现出随机性的变化，其展现出的巨大柔性使整个过程变得难以高效管控。然而质检作为生产流程中的核心步骤，它的反应处理速度极大地影响着生产的稳定性。因此为该平台开发了移动端在线质检模块，如图１３所示，通过加工人员在加工执行模块的实时报检，质检员接收到报检信息后，可以快速下到车间使用移动端设备进行在线质检。此模块展示当前工序质检要求的工艺信息、设计数据和图纸，质检员通过快速比对及时上传质检信息和处理质量异常状况。这打破了报检到检验这个过程中所存在的地点、时间和设备的限制，实现了质检作业的柔性处理，加速了物料在加工过程中的运转速度，实现零件质量过程跟踪可追溯，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。
３结语
构建一种面向高端液压缸设计制造的全生命周期管控平台，它充分考虑了每个业务流程的特点，在平台的开发中融合管理思维，对核心流程和瓶颈模块着重进行重构设计；将ＰＬＭ、ＥＲＰ、ＭＥＳ和ＳＣＡＤＡ等多个子系统集成为一个整体，对全流程数据进行收集处理；融合了销售订单等多个模块资金流、物流、信息流的统一管理，图纸工艺等数据的集中存储，以及车间层生产现场的制造流程数字化管理和柔性质量监控等。实际企业应用案例证明：该平台能够很好地集成整合各部门的应用需求，挖掘历史数据的价值，为新的业务带来增速增值；加快业务流转的同时，减少了人力物料的浪费，实现了管理水平、生产效率和产品质量的提升，为高端液压缸制造企业的智能制造转型和融入大行业工业互联网提供了参考。
原文刊载于《机床与液压》2023年1月 作者：唐红涛 张伟 张雁翔
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