單永飛，樊樹(shù)海，潘 群，董蘭娟

(南京工業(yè)大學(xué) 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(shù)海，潘 群，董蘭娟

(南京工業(yè)大學(xué) 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(lái)發(fā)展趨勢(shì)。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(lái)改善當(dāng)前傳統(tǒng)鑄造企業(yè)的生產(chǎn)模式僵化問(wèn)題。重點(diǎn)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(jìn)行大規(guī)模定制生產(chǎn)的研究，最后利用MINITAB軟件對(duì)某汽車鑄件生產(chǎn)進(jìn)行仿真，以證實(shí)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(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)鑄造企業(yè)的生產(chǎn)方式已無(wú)法滿足未來(lái)市場(chǎng)的需求，迫切需要一種新的生產(chǎn)方式來(lái)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(shí)大規(guī)模定制生產(chǎn)必須要一個(gè)強(qiáng)有力的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)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(duì)定制產(chǎn)品或服務(wù)進(jìn)行個(gè)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(shì)，在不犧牲企業(yè)的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)[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(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫(kù)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(gòu)管理、成本管理、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過(guò)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(gè)扎實(shí)、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺(tái)。

而目前國(guó)內(nèi)MES系統(tǒng)尚處于發(fā)展初期，制造業(yè)對(duì)MES的需求不斷增長(zhǎng)，同時(shí)暴露出的問(wèn)題也日益增多，比如在應(yīng)用和方法上存在缺陷和不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多相關(guān)的研究，例如MES系統(tǒng)的融合、MES標(biāo)準(zhǔn)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(duì)某一個(gè)行業(yè)做過(guò)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(biāo)準(zhǔn)化和手段運(yùn)用信息化技術(shù)，進(jìn)行戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的統(tǒng)一，同時(shí)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(jì)劃、調(diào)度和監(jiān)控措施，協(xié)調(diào)企業(yè)不同部門(mén)，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的共享，快速反應(yīng)，及時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)企業(yè)集約化的生產(chǎn)，降低成本，提高效率，推動(dòng)了管理的升級(jí)，提高鑄造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，改善傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的生產(chǎn)模式僵化問(wèn)題，并實(shí)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(shù)主要起到一個(gè)表現(xiàn)產(chǎn)品的外在形式，而B(niǎo)OM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(gè)產(chǎn)品在生產(chǎn)或裝配時(shí)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(gè)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(shí)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(yùn)行的根本，如果沒(méi)有BOM的話，就無(wú)法開(kāi)設(shè)相關(guān)工單，其系統(tǒng)層面涉及到的流程也無(wú)法順利開(kāi)展，因?yàn)樯a(chǎn)流程的根本就是物料，因?yàn)槲锪闲畔⒉蝗臀锪喜蛔愣际菚?huì)影響相應(yīng)工作進(jìn)行的。MES與BOM系統(tǒng)整合才是傳統(tǒng)鑄造企業(yè)真正實(shí)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(xì)的得出：傳統(tǒng)鑄造企業(yè)中，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制(MC)有其市場(chǎng)需求的推動(dòng)，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(gè)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(zhǔn)，單個(gè)成品鑄件結(jié)構(gòu)信息表有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)。其中有兩個(gè)非常重要的信息，即“父項(xiàng)和從屬子項(xiàng)”，并且系統(tǒng)每一層都是給出從屬子項(xiàng)的數(shù)量，同時(shí)，一個(gè)關(guān)系中的某個(gè)從屬子項(xiàng)也可以在其他關(guān)系中充當(dāng)“父項(xiàng)”，從而形成等級(jí)隸屬關(guān)系項(xiàng)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(chǔ)于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)中，由系統(tǒng)外層的控制端對(duì)數(shù)據(jù)所得結(jié)果進(jìn)行反饋活動(dòng)。

2.2 反饋機(jī)制擴(kuò)展分析

此多層BOM框架下可對(duì)產(chǎn)品鑄件包括制芯、澆注、機(jī)加工等每個(gè)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(xì)記錄。但是此框架只能從成品庫(kù)存中的成品數(shù)量下記錄其已用物料清單，無(wú)法跟蹤已浪費(fèi)的或者報(bào)廢的物料，更無(wú)法及時(shí)給出反饋，以跟蹤每個(gè)產(chǎn)品的每一個(gè)部件的物流情況[6]。

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

(1)此BOM系統(tǒng)需設(shè)立接口到整體數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǎng)自動(dòng)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?cái)?shù)據(jù)的及時(shí)反饋和異常處理(質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)有專門(mén)的質(zhì)檢流程)。

(4)現(xiàn)場(chǎng)控制總臺(tái)和車間現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)而調(diào)整整個(gè)生產(chǎn)流程的進(jìn)程，以數(shù)據(jù)集成分析和數(shù)據(jù)集成分解等實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)，即以不犧牲自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)的前提下，以數(shù)據(jù)支撐進(jìn)行個(gè)性化定制。

2.3 MES支撐下的大規(guī)模定制開(kāi)發(fā)

傳統(tǒng)鑄造企業(yè)多以砂制芯為模，進(jìn)而進(jìn)行液態(tài)金屬澆注實(shí)現(xiàn)，分為重力式澆注和低壓式澆注，在此過(guò)程中都需要砂包的固定性，因而在定制過(guò)程中是很難實(shí)現(xiàn)的，延遲策略在此是不易實(shí)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(shuō)明的詳細(xì)內(nèi)容)。

在模塊化前提下設(shè)計(jì)相關(guān)執(zhí)行流程圖用以對(duì)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)動(dòng)作，對(duì)定制生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤，用以降低相應(yīng)成本、庫(kù)存、浪費(fèi)等。

模塊化生產(chǎn)即將成品鑄件分成若干個(gè)模塊，每個(gè)模塊即單獨(dú)定制化生產(chǎn)，因?yàn)椴煌漠a(chǎn)品之間，有的模塊是相似的，即可進(jìn)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(shí)現(xiàn)了個(gè)性化定制生產(chǎn)。在客戶定單分離點(diǎn)(CODP)以前，是為最后裝配計(jì)劃(FAS)做相關(guān)物料的前期準(zhǔn)備，因此是根據(jù)計(jì)劃 BOM中虛擬件下所屬各種可選物料的百分比構(gòu)成進(jìn)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(gè)性化定制模塊標(biāo)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(duì)是否可定制區(qū)域，具體在哪一個(gè)工段做出詳細(xì)說(shuō)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(jī)加工段刀具切割系統(tǒng)更換，都可實(shí)現(xiàn)某一層度上的定制話生產(chǎn)。

BOM框架給出了每個(gè)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，上層是什么物件，用了多少物料。庫(kù)存系統(tǒng)給出了鑄件或者砂包存放量，存放時(shí)間，庫(kù)存系統(tǒng)乃是MES系統(tǒng)中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立，又相互反饋的系統(tǒng)。進(jìn)而有外層的控制層發(fā)出相關(guān)指令，控制基層動(dòng)作，以便實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和個(gè)性化生產(chǎn)相融合，企業(yè)各個(gè)層面向融合，達(dá)到最精益化生產(chǎn)，如圖4所示。

圖4 整個(gè)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(kù)中系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別可定制化區(qū)并按客戶要求進(jìn)行大規(guī)模定制化生產(chǎn)，更好的緩和了公司各個(gè)層面在大規(guī)模定制生產(chǎn)過(guò)程中信息溝通的困難和重復(fù)問(wèn)題，以建議統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)并系統(tǒng)數(shù)據(jù)反饋為導(dǎo)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(shí)現(xiàn)的。

3 MES系統(tǒng)在BOM框架下以Minitab進(jìn)行仿真[7]

設(shè)定在一個(gè)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(duì)其進(jìn)行仿真，如圖5、圖6所示，我們對(duì)車體的顏色定制進(jìn)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(jìn)行快速換模定制，實(shí)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(shí)際生產(chǎn)的隨機(jī)數(shù)據(jù)(近似于正態(tài)分布)。

汽車外殼在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可通過(guò)接口自動(dòng)采集到的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行替換仿真。

首先在Flexsim[8]中為車體顏色比標(biāo)碼添加標(biāo)簽，如：

Addlabel(obj object, str labelname)

為車體添加標(biāo)簽

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

設(shè)置顏色標(biāo)簽代碼

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

設(shè)置標(biāo)簽序列號(hào)

圖5 MC仿真總體運(yùn)行圖

圖6 MC仿真局部運(yùn)行圖

通過(guò)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程還，由數(shù)據(jù)庫(kù)給出的數(shù)據(jù)將不僅僅局限于特定模塊定制，每個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)的不同組合可能得出另外一個(gè)不同的結(jié)果，或者更好的結(jié)果[9]。

圖中的點(diǎn)均在上下控制限內(nèi)，表明過(guò)程受控。若該圖形中存在控制限以外的點(diǎn)，說(shuō)明過(guò)程失控，應(yīng)對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行分析以發(fā)現(xiàn)原因并進(jìn)行改進(jìn)。在數(shù)據(jù)不斷積累的過(guò)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(shí)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(yǔ)

本文的研究結(jié)果表明：對(duì)于傳統(tǒng)鑄造企業(yè)來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)是可行的，同時(shí)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(bǔ)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(dāng)今市場(chǎng)。

隨著數(shù)據(jù)不斷積累的過(guò)程中，還在更新著模塊族，擴(kuò)充著未來(lái)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(wèn)題的關(guān)鍵便是持續(xù)不斷的改進(jìn)，在特定行業(yè)的框架下分析所需模塊，進(jìn)行模擬仿真，方能實(shí)現(xiàn)未來(lái)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(guó)家自然科學(xué)基金(71671089,71171110)

單永飛(1990—)，男，江蘇淮安人，南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化工程，(E-mail)891841827@qq.com；通訊作者：樊樹(shù)海(1975—)，男，南京人，南京工業(yè)大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)楣I(yè)工程與管理，(E-mail)fanshuhai@tsinghua.org.cn。

TH165+.4；TG659

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