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思普软件 - 23年专注PLM系统

PLM系统如何与MES系统进行集成?

近来,PLM举起了产品创新的大旗,强调了PLM与MES的集成,并将MES拉进到PLM疆界之内。而数字化制造在车间现场的落地,又使MES充当了产品数据虚拟世界到现实世界的窗口的作用。MES与PLM的这些互动和发展,引起了工业企业的信息架构的变化。一种以PLM-MES为轴心的、新型的、适应数字制造环境的企业系统架构显现和发展起来。

MES的概念和应用已经存在20年了,随着制造技术的进步和制造环境的变化,MES无论在内涵上或形式上都在不断的扩大和深化,在制造中起着越来越重要的作用。

1. MES从单项应用发展为企业系统

1990年美国的AMR打造了术语——“制造执行系统MES(Manufacturing Execution System)”用来定义制造现场作业管理的信息系统。在这个时期,企业信息系统架构是以PDM(PLM)与ERP的集成为核心的。PLM贯穿了产品的创新与工程,ERP则是企业业务的执行和对产品制造的支持。MES只是包含在ERP中、作用在价值转换过程中的一个环节(见图1)。大的供应商当时都将MES纳入了自己的集成企业系统套件的版图。

PLM与MES集成?PLM其实就应该包含MES


图1 以PLM与ERP集成为核心的企业架构

生产MES经过多年的应用和实践,将原来在ERP系统但和制造关联紧密的部分集成起来,发展成为 “将产品制造价值流过程透明化,并在透明化的基础上,建立起不仅是垂直的(填补了企业级管理到设备控制组件的间隙),而且是水平集成的(将制造资源如工具工装、设备维护的管理,技术文档、劳动工时以及质量和依从性的管理横向的集中在一个平台上) 、短周期控制的制造系统”。这时的MES实际上已经成为纵横交错的新型企业系统,见图2。

PLM与MES集成?PLM其实就应该包含MES


图2 MES成为以制造为核心的新的企业系统

2. 全局MES的概念和与PLM的集成

从工程的角度出发,制造又是产品生命周期的一个阶段。使“制造”处在企业价值流和产品生命周期过程交叉的十字路口。

尽管产品生命周期管理的概念来由已久,但长期以来PLM系统被封闭在工程领域,所关注的仅仅是设计和工艺信息的管理和传递。在产品生命周期管理系统中,存在着制造阶段和维护支持阶段的信息和作业管理的断层。

而最近几年,产品生命周期管理的应用有所回归。PLM需要用制造和维修过程中获得的经验、知识来支持产品的创新。制造过程所发生的故障、例外事件分析、处理的数据等信息向工程领域反馈,形成闭环产品生命周期过程。这种进步必然引发了PLM从MES中获取信息要求的提升。按照工程即产品生命周期管理的要求,MES向工程方向扩大了功能,如:

● 接收与产品订单相符的设计和工艺的信息,传递给现场的技术人员、管理人员和作业工人和检验人员;

● 记录和采集制造过程的状态信息和例外信息,记录每个产品的构型、来源,作为法规依从性审计的依据;

● 具有一定的作业指导书的编辑能力,以应对现场变更和例外时间的处理;

● 形成可以确认单个产品符合设计和技术条件规定的文件或数据包,并和产品同时交付,作为维修使用阶段的基线等。

尽管某些传统的生产MES或多或少的涉及到上述的部分要求,新型的MES开始出现、它在保持生产管理基本功能的基础上,增加了PLM需要的功能。新型的MES适应了产品生命周期企业价值链两个过程的能力,我们称它们是“全局MES(Total MES)”

全局MES的出现拉近了MES与PLM的关系,制造企业和各大PLM供应商开始重新定义PLM的疆界,PLM除包括产品和工艺设计之外,又将制造和维修环节一并划入。MES则成为PLM新疆界中的一部分。MES和PLM的紧密集成,形成了产品生命周期的真正闭环。

至此,PLM与MES的关系比ERP更为紧密,驱动了企业信息架构发生了重大的变化。MES作为新型的“作业执行”在企业系统中取代了ERP的位置。而ERP则以“业务执行”的角色对PLM和MES进行支持。这时制造企业的信息化架构的如图4所示。

PLM与MES集成?PLM其实就应该包含MES


图4 在企业架构中MES取代了ERP的位置

3. 数字制造落地和数字化MES的进步

近几年来,数字化制造Digitizing Manufacturing迅猛发展。不可避免,产品生命周期的下一个阶段“制造”,正面临着产品数字定义在车间现场“落地”的急迫任务。实现工厂的数字化制造将彻底改变制造现场的环境。

数字化工厂的初级阶段,根据产品的三维数字模型来定义和通过仿真优化过的制造过程设计,向制造作业的操作者提供基于三维模型的数字化制造指令和作业指导信息;在制造作业中,操作者也用数字化的手段和装置向上层业务过程(PLM和ERP)反馈数字化的作业状态信息。数字化工厂成为一种全新的制造能力或制造模式。这其中最重大的进步是制造现场信息传递从2D到3D的改变。这让MES又有了新的发展。其中主要的变化是:

● MES担负了工程信息从虚拟世界到现实世界的转换、现实世界的制造信息向虚拟世界回馈的窗口的作用(见图5);

● 现场所有信息采集和传递是无纸化的;

● MES与制造现场所有信息源和信息受体的完全集成。

于是出现了新的、适应数字化环境下的“数字化MES(Digitizing MES)“。它们在全局MES的基础上,还需要解决例外信息的数字化传递实体产品标识的无纸化问题、现场的例外工艺的编辑问题、质量和依从性信息采集的数字化手段等问题。

数字化MES作为生产现场集成的信息平台,为数字化设施的集成和互联提供基础。分布在各个作业点上的微电脑、移动终端、RFID/条码设备、软件PLC、数字化测量设备和无线工业以太网都被集成的连接在MES系统中。数字化MES成为数字化工厂的脊柱。另一方面MES为进行工厂布置和流转的模拟优化提供订单、计划、设备、控制、生产状态的数字模型和数据。数字化MES又成为虚拟的数字工厂的基础之一。

PLM与MES集成?PLM其实就应该包含MES


图5 数字化MES成为虚拟世界与现实世界3D信息交互的窗口

4. 数字线和MBE及基于模型的MES

洛克希德•马丁公司在F35制造中,成功的利用三维CAD数据直接输给计算机数控(CNC)机床进行零件加工,或输给复合材料编程系统(CPS)进行碳纤维布置的设计,最后成品都可以追溯到原始的计算机模型。从此,自设计开始到加工乃至最终装配,形成了不间断的数字化数据的链路。洛克希德•马丁打造了术语“数字线(digital thread)”来描述这种新的非常简捷的工作方式。数据线的概念被认为是重要的进步而得到迅速的推广。

基于模型的制造企业MBE被描述为:应用建模和模拟(M&S)技术对产品设计、制造和支持等全部技术的、业务和战略管理的过程进行彻底的改造,构建的无缝集成的制造企业。MBE中的模型指的是对产品设计和制造的数字化描述。产品的模型是可以用来进行制造、使用和支持的全部属性的电子表达。MBE简洁而深刻的3板块的企业架构:产品的实现和支持、资源管理和战略管理,见图6。

一个有效的产品模型包括定义产品所必须的全部要素,并能够提供产品的详细信息。MBE保证产品从原理、设计、工艺到制造、到支持和报废处理的全生命周期的开发过程更加快速、流畅和更经济。

PLM与MES集成?PLM其实就应该包含MES


图6 MBE形成了新的企业系统构架

在MBE中,制造执行将作为数字线(digital thread)的末梢直接完成加工和装配的作业。我们将这个阶段的MES称为“基于模型的MES(Model-based MES)”。在中国,实现MBE和基于模型的MES不仅为建立各种与现实状况相近的模型是一种挑战,各种基础数据的补课可能要求付出更艰苦的努力。

5. 数字化制造环境下的企业信息构架的研究迫在眉睫

MES的发展和因MES引发的企业信息架构的变化给我们描绘出了PLM—MES为轴心的新的企业架构的愿景。了解当前制造企业架构的发展趋向,给我们以重要的的启示:旧的信息架构和信息化规划的方式已经不能适应数字化制造时代的要求了;也使我们察觉出我们企业差距之大。当前,几乎所有的制造企业必须尽快的跳出部门的和传统的观念,以数字线的贯通为目标,及早构建以产品全生命周期(包括MES和MRO在内)为主线、资源管理为支持的新型企业架构。


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