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黑马 HIMA - 矿产行业的自动化

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    浅谈CIM技术在企业生产制造与生产管理中的优化(原创)

    孙严军 2010-04-29 13:12
                CIM是一种企业生产制造与生产管理进行优化的哲理。这种哲理首先是在1974年美国Joseph Harrington博士在其论文《Computer Integrated Manufacturing》中提出的。其基本观点是:这是针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理。其基本思想是:①制造企业中的各个部分(即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过程、质量控制、生产指挥到售后服务)是一个互相紧密相关的整体;②整个制造过程本质上可以抽象成一个数据的搜集、传递、加工和利用的过程,最终产品仅是数据的物化表现。前者体现了集成的思想,它将企业决策、经营管理、生产制造、销售及售后服务有机地结合在一起;后者就是信息制造观的思想。
        CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)直译为计算计综合自动化,是基于CIM哲理构成的新型生产实体, 是信息时代的一种新型生产制造模式。至今尚未有统一的定义,但对其基本看法是:CIMS是通过网络数据库支撑工具把计算机辅助设计、制造、管理等自动化孤岛有机地结合起来,清除其接口间障碍,解决市场上多变的自动化生产的问题。
        从上面表述可以看出CIM哲理的关键点是集成,CIMS的关键点也是集成。即通过计算机网络技术、数据库技术等软硬件技术,把企业生产过程中经营管理、生产制造、售后服务等环节联系在一起,构成了一个能适应市场需求变化和生产环境变化的大系统。 CIMS不仅仅把技术系统和经营生产系统集成在一起,而且把人(人的思想、理念及智能)也集成在一起,使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机联系,所以,CIMS是人、经营和技术三者集成的产物。
      
      2.1.2 CIMS体系结构
        CIMS体系结构是用来描述研究对象整个系统的各个部分和各个方面的相互关系和层次结构,从大系统理论角度研究,将整个研究对象分为几个子系统,各个子系统相对独立自治、分布存在、并发运行和驱动等。从功能层方面分析,CIMS可以由图1表示出其组成及分层情况。
        第一层 生产/制造系统:这一层面向生产过程,包括了柔性制造单元FMS、装配设备、工业机器人及其他生产制造自动化技术,这一层以物流为中心,完成生产、加工、装配、包装等任务。
    第二层 硬事务处理系统:这一层是生产/制造监控系统,通过计算机网络对第一层的设备进行综合控制与操作,实现对生产制造的监控。包含狭义的CAM、CAQ及CAT等。
        第三层 技术设计系统:这一层包含CAD(计算机辅助设计)、CAPP(计算机辅助工艺),为生产制造系统产生信息。CAD用于产品设计、开发,它提供的是如何做的信息,而CAPP是依据CAD提供的信息指导如何作。
        第四层 软事务处理系统:这一层主要通过计算机网络实时地处理各种软事务,譬如,财务、供销、售后服务等方面的管理,实现电子化记账。
        第五层 信息服务系统:以狭义的MIS为主,主要对前面各层的信息进行收集、存储、加工、传输、使用、查询,为各级管理者与下层提供数据。
        第六层 决策管理系统:这一层是企业经营管理规划的决策层,主要有MRP-II(制造资源计划) 、ERP(企业资源计划) 、决策支持系统DSS、专家系统ES、系统模拟系统等组成。他根据企业总体路线、企业内部条件、市场信息等因素,产生生产经营活动的计划与方案、各种资源的需求计划,包括人、物、资金的需求计划。
      
      2.1.3 CIMS的功能结构还可以用图2来理解
      (1) 规划系统是企业综合管理系统, 包括了体系结构中 第六层,也涉及到第四、第五层的内容。依靠现代企业经管理技术,对整个企业经营总体经营战略规划,制定一整套的企业产、销 、营的管理体系,做到物流、信息流和资金流和谐运作,使其成为一个无缝的过程。这一层依据的现代管理技术,主要有ERP 、MRPII来规划企业发展道路、制定战略战术。
      
     Ⅰ、ERP(Enterprise Resource Planning)即企业资源计划。它的基本思想是将制造业的制造流程看作是一个紧密连结的供应链,供应链中包括了供应商、制造工厂、分销网络和客户,ERP强调对完整供应链整体管理,是制造过程以更加有效的方式运行,使企业流程更加紧密地集成在一起。ERP是一种制造战略,是以生产计划为主线,以本企业利润为中心,将于本企业供、产、销活动有关的一切资源进行统筹安排的单一企业的管理模式,均为企业所运用。
      
        Ⅱ、MRPII(Manufacturing Resource Planning)是制造资源计划,是当今世界制造业普遍采用的,以企业整体与控制为主体的计算及辅助管理模式。MRPII的中心思想基于把制造业的物料流程看作一个“供给链”,即
      
      
    图3
    图3

        该链表示了采购、生产到销售是一条密切联系、相互影响和不可分割的链条结构,并从企业内部沿两个方向延展到企业外部。MRPII以产品结构为基础,生成物料清单,并同时间、规定的地点、按照规定的数量,得到真正需要的物件。从而实现按时交货,消除短缺,合理利用资源,减少库存,消除浪费,降低成本,达到提高企业竞争力的目的。
      
      Ⅲ、ERP和MRPII的比较
        从上面对ERP和MRPII概念的表述上可看出,二者都强调了一个供给链的问题,强调了生产制造和销售紧密连结,这是二者的基本思想。但具体来说,ERP和MRPII也存在差别,即ERP是一种基于“供需链”的管理思想,其核心是MRPⅡ,它在MRPⅡ的基础上扩展了管理范围,把客户需求和企业内部的制造活动、以及供应商的制造资源整合在一起,体现了完全按用户需求制造的思想。由于ERP实施的是以客户为中心的经营战略,故ERP的基本思想应该是将企业的业务流程看作是包括供应商、制造工厂、分销网络和客户等在内的紧密连接的供需链;将企业内部划分成几个相互协同作业的支持子系统,如财务、市场营销、生产制造、质量控制、服务维护、工程技术等,还包括对竞争对手的监视管理。ERP是一种面向企业供需链的管理思想,可对供需链上的所有环节有效地进行管理,从管理范围的深度上为企业提供了更丰富的功能和工具,可以实施全球范围内的多工厂、多地点的跨国经营运作。同时,在形式上,企业的目标是追求利润,而其内涵则是追求资源的合理高效利用。为此,在管理技术上,ERP在对整个供需链的管理过程中更加强调和加强了对资金流和信息流的控制,这就将对供需链的管理上升到对价值链的控制。其相应的组织结构应该是:
        同样,在管理应用的广度方面,ERP也超越了MRPⅡ的应用范围。ERP能很好地支持和管理混合制造环境,满足企业这种多角化经营的需求;其次,ERP已打破了MRPⅡ只局限在传制造业的格局,并把它的触角伸向各行各业,如金融业、高科技产业、通信业、零售业等,从而使ERP的应用范围大大扩展。
      
        因此,为了为企业提供更新更好的管理模式和管理工具,ERP还在不断地吸收先进的管理技术和IT技术,如人工智能、精良生产、并行工程、Internet/Intranet、数据仓库等等。其最大的成功就在于它很好地应用了C/S这种最新网络技术。
      
        (2)协调管理层是介于决策规划层和生产制造控制层(车间层),起到上传下达的作用。车间为制造业的物化中心,它不仅是制造计划的具体执行者,也是制造信息的反馈者,更是大量制造实施的集散地,因此车间层的资源管理、车间管理与控制系统的敏捷性在一定程度上决定着整个企业的敏捷性。为适应敏捷的制造环境,近十几年来逐步形成并发展了制造执行系统MES(Manufacturing Execution System)。
        MES是位于企业上层生产计划(MRPII/ERP)和底层工业控制之间,面向车间层的生产管理技术与实时信息系统,MES强调制造计划的执行,它在计划管理层和底层工业控制之间架起了一座桥梁,以达到整个系统的信息流畅。MES的任务是根据上级下达的生产计划,充分利用车间的各种生产资源、生产方法和丰富的实时现场信息,快速、低成本地制造出高质量的产品,其生产活动涉及到订单管理、设备管理、库存跟踪、物料流动、数据采集,以及维护管理、质量控制、性能分析及人力资源等。
        MES的实质是一个信息管理系统,它把上层的命令信息经过加工、处理后下放到基层执行系统,指导基层系统如何完成任务,同时把下层的信息反馈给决策层,是上级及时了解执行情况,对决策进行调整、进一步规划等。
      (3)生产过程控制系统是底层执行系统,又称为基层过程控制自动化(PCS),执行决策层的生产计划生产要求,在信息管理层的协调和指导下,按照具体控制要求和生产质量标准,最终生产出合格产品。在基层自动化系统中,常用到DCS(Distributed Control System) 、PLC、及现场总线技术(Field Bus)等先进自动化控制技术。
        DCS系统和PLC控制技术已得到了广泛应用,在自动化控制领域已相当熟悉,这里不再赘述。现场总线技术是近几年兴起的控制技术,目前还处在推广研发阶段,其应用范围还不广。但是可以肯定的说,现场总线技术会取代传统的自动控制技术,成为控制领域的主力。下面对其概念和特点作一介绍。
        Ⅰ、现场总线是指在生产现场的测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信、完成测量控制任务的系统,这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布控制系统,因而又被誉为自控领域的局域网。
        Ⅱ、现场总线的技术特点:现场控制设备具有通信功能,便于构成工厂底层控制网络;通信标准的公开、一致,使系统具备开放性,设备间具有互可操作性;功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性;控制功能下放到现场,使控制系统结构具备高度的分散性。
        Ⅲ、现场总线的优点:现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列,为其应用开拓了更为广阔的领域;一对双绞线上可挂接多个控制设备, 便于节省安装费用;节省维护开销;提高了系统的可靠性;为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。
        现场总线发展迅速,现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有40多种现场总线,如Interbus、Bitbus、Device Net、Modbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等,其中最具影响力的有5种,分别是FF、Profibus、HART、CAN和LonWorks。各种现场总线性能特点不同,其应用行业也不同。下面简要介绍一下这5种。
        FF(Foundation Fieldbus现场基金会总线)由美国仪器协会(ISA)1994推出,代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount,主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。FF的特色是其通讯协议在ISO的OSI物理层、数据链路层和应用层3层之上附加了用户层,通过对象字典OD(Object Dictionary)和设备描述语言DDL(Device Description Language)实现可互操作性。
        Profibus(Process Fieldbus)德国西门子公司1987年推出,主要应用于PLC。产品有三类:FMS用于主站之间的通讯;DP用于制造行业从站之间的通讯;PA用于过程行业从站之间的通讯。由于Profibus开发生产的现场总线产品开发时间早至 十年前,限于当时计算机网络水平,大多建立在IT网络标准基础上,随着应用领域不断扩大和用户要求越来越高,现场总线的 产品只能在原有IT协议框架上进行局部的修改和补充,以致在控制系统内增加了很多的转换单元(如各种耦合器),这为该产 品今后的进一步发展带来了一定的局限性。
      HART(Highway Addressable Remote Transducer可寻址远程传感器数据通路)美国Rosemount公司1989年推出,主要应 用于智能变送器。HART为一过渡性标准,它通过在4-20mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波(2200HZ表“0”,1200HZ表“1”)来传送数字信号,从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性,预计其生命周期为最近20年。
        CAN(Controller Area Network控制局域网络)德国Bosch 6公司1993年推出,应用于汽车监控、开关量控制、制造业 等。介质访问方式为非破坏性位仲裁方式,适用于实时性要求很高的小型网络,且开发工具廉价。CAN型总线产品有AB公司的DeviceNet、台湾研华的ADAM数据采集产品等。
        LonWorks(LON Local Operating System局部操作系统)美国Echelon公司1991年推出,主要应用于楼宇自动化、工业 自动化和电力行业等。LonTalk的全部7层协议,介质访问方式为P-P CSMA(预测P-坚持载波监听多路复用),采用网络逻辑地 址寻址方式,优先权机制保证了通讯的实时性,安全机制采用证实方式,因此能构建大型网络控制系统。
      
      2.2.1 CIMAS提出和背景
        通常把机械制造领域的计算机综合自动化叫做CIMS,对于流程工业领域的计算机综合自动化称为CIPS(Computer Integrated Process System),同样把应用在煤矿行业的计算机综合自动化叫做CIMAS。实际上,不论CIPS还是CIMAS,其基本哲理都是基于CIM,体系结构大致相似,尤其对综合信息管理级没有太大的区别,差异多在基层自动化技术应用方面,因为各行业的生产环境、产品性质、控制要求等因素的不同,具体自动化控制技术存在差异。实质上都是CIMS。
        CIMS是以机械制造业为先导产业发展起来,并显示出强大的生命力而受关注。很快,它的应用范围也从离散型生产为特征的机械制造业迅速扩展到起它的流程企业和二者兼具的混合型生产企业。
        我国在1986年制定了863/CIMS计划,并将其归为自动化技术领域。目前我国的CIMS研究与应用已步入世界先进水平,已有60多家骨干企业应用CIMS ,覆盖了机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、石油、化工、冶金、通信、水泥、兵器等行业。在煤炭行业也有应用的例子,如兖矿集团南屯煤矿洗煤厂,作为国家863/CIMS的示范工程于1996年立项,开创了国内外煤炭行业应用CIMS的历史。但在整个煤矿大系统内,应用CIMS的企业国内很少。现在我国陕西省神木县境内的大柳塔煤矿为首家实现了煤矿综合自动化,也只局限于控制和监控实现自动化,实现的是生产环节的集成。
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