面向大規(guī)模定制BOM框架下的MES系統(tǒng)研究*

單永飛，樊樹海，潘 群，董蘭娟

(南京工業(yè)大學 工業(yè)工程系，南京 210009)

面向大規(guī)模定制BOM框架下的MES系統(tǒng)研究*

單永飛，樊樹海，潘 群，董蘭娟

(南京工業(yè)大學 工業(yè)工程系，南京 210009)

大規(guī)模定制(MC)生產(chǎn)方式是鑄造行業(yè)未來發(fā)展趨勢。文章以此為背景，研究將大規(guī)模定制與BOM框架下MES系統(tǒng)相結(jié)合，來改善當前傳統(tǒng)鑄造企業(yè)的生產(chǎn)模式僵化問題。重點分析了BOM框架下傳統(tǒng)鑄造企業(yè)生產(chǎn)模式的SWOT，并研究了大規(guī)模定制下BOM的框架結(jié)構(gòu)，并在此框架下，結(jié)合MES系統(tǒng)，進行大規(guī)模定制生產(chǎn)的研究，最后利用MINITAB軟件對某汽車鑄件生產(chǎn)進行仿真，以證實傳統(tǒng)鑄造企業(yè)大規(guī)模定制生產(chǎn)方式的可行性。

大規(guī)模定制；BOM系統(tǒng)；MES系統(tǒng)；融合

0 引言

隨著信息時代的發(fā)展，傳統(tǒng)鑄造企業(yè)的生產(chǎn)方式已無法滿足未來市場的需求，迫切需要一種新的生產(chǎn)方式來替代，這種生產(chǎn)方式需要定制生產(chǎn)模式和批量化生產(chǎn)模式完美結(jié)合，這就是大規(guī)模定制生產(chǎn)方式[1]，同時大規(guī)模定制生產(chǎn)必須要一個強有力的生產(chǎn)系統(tǒng)進行支撐，而MES系統(tǒng)則成為最優(yōu)選擇。

大規(guī)模定制(Mass Customization，MC)是指對定制產(chǎn)品或服務(wù)進行個別的大批量生產(chǎn)，它結(jié)合了批量和定制兩種生產(chǎn)模式的優(yōu)勢，在不犧牲企業(yè)的經(jīng)濟效益前提下去了解和滿足用戶的需求，具有低成本，優(yōu)質(zhì)量和快速響應(yīng)的特點[2]。

MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))[3]是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心/設(shè)備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。

而目前國內(nèi)MES系統(tǒng)尚處于發(fā)展初期，制造業(yè)對MES的需求不斷增長，同時暴露出的問題也日益增多，比如在應(yīng)用和方法上存在缺陷和不足，國內(nèi)外學者做了很多相關(guān)的研究，例如MES系統(tǒng)的融合、MES標準化處理方法研究以及MES系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的集成研究等，但都并未針對某一個行業(yè)做過特定的研究。

本文即以大規(guī)模定制的生產(chǎn)策略，結(jié)合MES系統(tǒng)的標準化和手段運用信息化技術(shù)，進行戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的統(tǒng)一，同時利用大規(guī)模定制的相似性，重要性、全局性等原理，以及模塊化、延遲等技術(shù)和定制的方法， BOM框架研究，結(jié)合MES系統(tǒng)的計劃、調(diào)度和監(jiān)控措施，協(xié)調(diào)企業(yè)不同部門，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的共享，快速反應(yīng)，及時反饋，實現(xiàn)企業(yè)集約化的生產(chǎn)，降低成本，提高效率，推動了管理的升級，提高鑄造企業(yè)的核心競爭力，改善傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的生產(chǎn)模式僵化問題，并實現(xiàn)鑄造企業(yè)的大規(guī)模定制生產(chǎn)。

1 BOM框架下傳統(tǒng)鑄造企業(yè)生產(chǎn)模式的SWOT分析

首先在BOM系統(tǒng)框架下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹主要起到一個表現(xiàn)產(chǎn)品的外在形式，而BOM物料清單則是表現(xiàn)產(chǎn)品的內(nèi)在形式。BOM框架包含了一個產(chǎn)品在生產(chǎn)或裝配時所需的各種組件、零件及原材料的清單，不僅可以清晰反映一個產(chǎn)品的物料清單構(gòu)成目錄。文章指出了這些目錄結(jié)構(gòu)的實際關(guān)系中，從原材料、零件、部件、零件到最終產(chǎn)品，各層次間的隸屬關(guān)系[4]。

而且BOM系統(tǒng)是MES系統(tǒng)運行的根本，如果沒有BOM的話，就無法開設(shè)相關(guān)工單，其系統(tǒng)層面涉及到的流程也無法順利開展，因為生產(chǎn)流程的根本就是物料，因為物料信息不全和物料不足都是會影響相應(yīng)工作進行的。MES與BOM系統(tǒng)整合才是傳統(tǒng)鑄造企業(yè)真正實現(xiàn)精益生產(chǎn)的根本。

表1為在此框架下生產(chǎn)模式的SWOT分析，可非常詳細的得出：傳統(tǒng)鑄造企業(yè)中，實現(xiàn)大規(guī)模定制(MC)有其市場需求的推動，更有其自身信息系統(tǒng)兼容的需要。

表1 大規(guī)模生產(chǎn)與個性化生產(chǎn)SWOT分析表

2 大規(guī)模定制下BOM框架概述

2.1 884產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)圖

以鑄件成品向下分解(單件)，左側(cè)為物料投入單，右側(cè)為物料產(chǎn)出單。此處鑄件代碼以884為準，單個成品鑄件結(jié)構(gòu)信息表有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲。其中有兩個非常重要的信息，即“父項和從屬子項”，并且系統(tǒng)每一層都是給出從屬子項的數(shù)量，同時，一個關(guān)系中的某個從屬子項也可以在其他關(guān)系中充當“父項”，從而形成等級隸屬關(guān)系項目。

圖1給出了884鑄件的BOM結(jié)構(gòu)圖[5]。

圖1 884產(chǎn)品的BOM結(jié)構(gòu)圖

從上向下遞歸式采集數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)存儲于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中，由系統(tǒng)外層的控制端對數(shù)據(jù)所得結(jié)果進行反饋活動。

2.2 反饋機制擴展分析

此多層BOM框架下可對產(chǎn)品鑄件包括制芯、澆注、機加工等每個工段的物料需求，輔助材料用量，廢料所得，可二次利用材料等作出詳細記錄。但是此框架只能從成品庫存中的成品數(shù)量下記錄其已用物料清單，無法跟蹤已浪費的或者報廢的物料，更無法及時給出反饋，以跟蹤每個產(chǎn)品的每一個部件的物流情況[6]。

以MES系統(tǒng)輔以執(zhí)行，可補其不足，此處有幾個幾個必須條件：

(1)此BOM系統(tǒng)需設(shè)立接口到整體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，并且接口道MES系統(tǒng)中，即必要的接口端。

(2)MES系統(tǒng)為核心層端，下層接口SFC系統(tǒng)(現(xiàn)場自動化系統(tǒng))，上接口到資源管理系統(tǒng)(ERP)。

(3)以MES系統(tǒng)控制大規(guī)模定制中的定制層，即注重數(shù)據(jù)的及時反饋和異常處理(質(zhì)量技術(shù)檢驗有專門的質(zhì)檢流程)。

(4)現(xiàn)場控制總臺和車間現(xiàn)場配以電子看板等信息反饋端。

MES系統(tǒng)所處的層如圖2所示。

圖2 MES系統(tǒng)所處的層

控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理為主，進而調(diào)整整個生產(chǎn)流程的進程，以數(shù)據(jù)集成分析和數(shù)據(jù)集成分解等實現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)，即以不犧牲自動化大規(guī)模生產(chǎn)的前提下，以數(shù)據(jù)支撐進行個性化定制。

2.3 MES支撐下的大規(guī)模定制開發(fā)

傳統(tǒng)鑄造企業(yè)多以砂制芯為模，進而進行液態(tài)金屬澆注實現(xiàn)，分為重力式澆注和低壓式澆注，在此過程中都需要砂包的固定性，因而在定制過程中是很難實現(xiàn)的，延遲策略在此是不易實現(xiàn)的，而模塊化則剛好可以在此框架下利用。

這一層在BOM結(jié)構(gòu)中可由相關(guān)數(shù)據(jù)給出(包括備注等用以說明的詳細內(nèi)容)。

在模塊化前提下設(shè)計相關(guān)執(zhí)行流程圖用以對數(shù)據(jù)做出相應(yīng)動作，對定制生產(chǎn)進行數(shù)據(jù)跟蹤，用以降低相應(yīng)成本、庫存、浪費等。

模塊化生產(chǎn)即將成品鑄件分成若干個模塊，每個模塊即單獨定制化生產(chǎn)，因為不同的產(chǎn)品之間，有的模塊是相似的，即可進行大規(guī)模生產(chǎn)。圖3為定制模塊分解示意圖。

既滿足了大規(guī)模生產(chǎn)，又實現(xiàn)了個性化定制生產(chǎn)。在客戶定單分離點(CODP)以前，是為最后裝配計劃(FAS)做相關(guān)物料的前期準備，因此是根據(jù)計劃 BOM中虛擬件下所屬各種可選物料的百分比構(gòu)成進行 MPS處理。

圖3 定制模塊分解

以此BOM為框架，MES系統(tǒng)分模塊采集數(shù)據(jù)，并將個性化定制模塊標碼，如表2處理方式。

表2 表示定制生產(chǎn)圖

MES系統(tǒng)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，對是否可定制區(qū)域，具體在哪一個工段做出詳細說明。

MES將相關(guān)指令分配給SFC層面，具體在制芯層模具部分更換或者機加工段刀具切割系統(tǒng)更換，都可實現(xiàn)某一層度上的定制話生產(chǎn)。

BOM框架給出了每個結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，上層是什么物件，用了多少物料。庫存系統(tǒng)給出了鑄件或者砂包存放量，存放時間，庫存系統(tǒng)乃是MES系統(tǒng)中一個相對獨立，又相互反饋的系統(tǒng)。進而有外層的控制層發(fā)出相關(guān)指令，控制基層動作，以便實現(xiàn)大規(guī)模和個性化生產(chǎn)相融合，企業(yè)各個層面向融合，達到最精益化生產(chǎn)，如圖4所示。

圖4 整個公司層面圍繞BOM框架下的MES系統(tǒng)圖

以MES為核心，以BOM為框架可以在數(shù)據(jù)庫中系統(tǒng)自動識別可定制化區(qū)并按客戶要求進行大規(guī)模定制化生產(chǎn)，更好的緩和了公司各個層面在大規(guī)模定制生產(chǎn)過程中信息溝通的困難和重復問題，以建議統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫并系統(tǒng)數(shù)據(jù)反饋為導向，大規(guī)模定制生產(chǎn)在傳統(tǒng)鑄造企業(yè)是可以很好實現(xiàn)的。

3 MES系統(tǒng)在BOM框架下以Minitab進行仿真[7]

設(shè)定在一個以大規(guī)模定制為目的的汽車外殼鑄造工廠生產(chǎn)流水線，并對其進行仿真，如圖5、圖6所示，我們對車體的顏色定制進行模擬。假設(shè)車體顏色需求定制不連續(xù)生產(chǎn)，根據(jù)BOM框架下的MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析可得，顏色噴漆模塊可進行快速換模定制，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和定制生產(chǎn)。由仿真系統(tǒng)產(chǎn)生模擬實際生產(chǎn)的隨機數(shù)據(jù)(近似于正態(tài)分布)。

汽車外殼在實際生產(chǎn)時，可通過接口自動采集到的真實數(shù)據(jù)進行替換仿真。

首先在Flexsim[8]中為車體顏色比標碼添加標簽，如：

Addlabel(obj object, str labelname)

為車體添加標簽

Setlabelstr(obj object, str/num label, str value)

設(shè)置顏色標簽代碼

Setlabelnum(obj object, str/num label, num value)

設(shè)置標簽序列號

圖5 MC仿真總體運行圖

圖6 MC仿真局部運行圖

通過上述軟件仿真，可知在BOM框架下大規(guī)模定制較為順利，而在實際生產(chǎn)過程還，由數(shù)據(jù)庫給出的數(shù)據(jù)將不僅僅局限于特定模塊定制，每個獨立數(shù)據(jù)的不同組合可能得出另外一個不同的結(jié)果，或者更好的結(jié)果[9]。

圖中的點均在上下控制限內(nèi)，表明過程受控。若該圖形中存在控制限以外的點，說明過程失控，應(yīng)對異常點進行分析以發(fā)現(xiàn)原因并進行改進。在數(shù)據(jù)不斷積累的過程中[10-11]，MES也在不斷的提出新的模塊選擇以便更快更好的實現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)。車體顏色的Xbar-R控制圖如圖7所示。

圖7 車體顏色的Xbar-R控制圖

4 結(jié)束語

本文的研究結(jié)果表明：對于傳統(tǒng)鑄造企業(yè)來說，利用BOM框架下的MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分解，可以從不同方面，不同模塊實現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)是可行的，同時也是大規(guī)模定制與MES系統(tǒng)相結(jié)合在鑄造行業(yè)的集成應(yīng)用，補充了傳統(tǒng)MES應(yīng)用方法，使得鑄造企業(yè)能夠更快更好的適應(yīng)當今市場。

隨著數(shù)據(jù)不斷積累的過程中，還在更新著模塊族，擴充著未來可操作的空間，比如結(jié)合其他行業(yè)的應(yīng)用探索，以及其他系統(tǒng)的集成研究。研究這類問題的關(guān)鍵便是持續(xù)不斷的改進，在特定行業(yè)的框架下分析所需模塊，進行模擬仿真，方能實現(xiàn)未來各行各業(yè)的精益化生產(chǎn)。

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(編輯 李秀敏)

Research on the MES System under the Framework of BOM Oriented to Mass Customization

SHAN Yong-fei, FAN Shu-hai,PAN Qun, DONG Lan-juan

(Department of Industrial Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)

Mass customization (MC) production is casting industry development trend in the future. This paper is based on this background, the research will be combined with BOM within the framework of MES system of mass customization, to improve the rigidity of the traditional foundry enterprises production mode. Analyses the SWOT of BOM within the framework of the traditional mode of foundry enterprises production , and frame structure of the BOM under mass customization have been researched, and in this framework, combining with the MES system, conducts research in mass customization production, finally using MINITAB software simulation of automobile castings producing, to confirm the traditional foundry enterprises, the feasibility of mass customization production mode.

mass customization; BOM system; MES system; fusion

1001-2265(2016)12-0144-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.039

2016-02-17；

2016-03-15

國家自然科學基金(71671089,71171110)

單永飛(1990—)，男，江蘇淮安人，南京工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為標準化工程，(E-mail)891841827@qq.com；通訊作者：樊樹海(1975—)，男，南京人，南京工業(yè)大學教授，博士，研究方向為工業(yè)工程與管理，(E-mail)fanshuhai@tsinghua.org.cn。

TH165+.4；TG659

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