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          1. 柴油機企業MES具體設計方案

            在計劃層,ERP系統通過運算零件BOM、工藝路線等生成生產訂單,釋放并傳遞到PDM系統;結合PDM系統對零件和工作指導的信息管理,創建和生產訂單相關的生產指令(包含圖紙、文檔、圖片

            1.1柴油機企業制造數據總線
            1、MESERP/PDM系統的集成關系
            在計劃層,ERP系統通過運算零件BOM、工藝路線等生成生產訂單,釋放并傳遞到PDM系統;結合PDM系統對零件和工作指導的信息管理,創建和生產訂單相關的生產指令(包含圖紙、文檔、圖片、加工方案等信息)。生產指令下發到MES,在MES里可以進行直接瀏覽和現場執行,讓車間使用人員在工作過程中很直觀的了解生產任務和要求。在執行層,車間使用人員通過終端反饋指定工序完成確認及相關數據,工序完工確認信息反饋到ERP系統,以刷新生產訂單完成狀況。


            2、MES與底層控制系統的拓撲關系
            DNC系統通過網絡硬件將數控設備連接到企業以太網,搭建生產車間與公司的整體網絡環境。利用DNC系統軟件功能對數控設備NC程序及生產數據的集中管理,同時通過整個企業網絡環境,實現生產車間執行層與公司控制層的生產信息共享。


            DNC系統、MDC系統、VM系統采用C/S軟件物理架構。C/S架構分為軟件服務器端和客戶端,在生產車間數據服務器中安裝DNC、MDC系統軟件服務器,實現數據的集中管理,公司控制層安裝軟件客戶端,用來查詢瀏覽生產車間實時數據,了解生產車間實時生產狀態。MES采用B/S軟件物理架構,用戶通過Web網頁訪問方式,登錄MES界面,查詢瀏覽系統提供的相關信息。A柴油機企業制造數據總線如圖5.1所示。

            1.2柴油機企業MES框架
            柴油機企業MES擬采用開放式體系結構,以大型關系型數據庫技術為基礎,以工廠數據模型為核心,采用構件技術、面向對象技術、軟總線技術,建立以生產過程模型為驅動的信息集成平臺,建立開放的、柔性的、敏捷的MES,從而實現對生產信息的監測、控制以及對生產過程的優化管理。柴油機企業MES框架結構如圖1所示。
            制造數據總線 
            圖1 制造數據總線

            1、用戶訪問層:
            用戶訪問層主要負責與用戶的交互工作,是用戶與MES業務邏輯平臺交互的窗口。主要包括如下功能:

            (1)系統配置管理:主要包括組織結構、用戶管理、權限管理、流程配置以及其它系統配置功能;

            (2)報表開發管理:對個性化報表進行設計與開發;

            (3)用戶業務操作:對MES包括的各功能模塊進行系統維護,錄入所需的各種數據;

            (4)生產過程監控:對生產加工進度、設備狀態以及報警監控、質量狀態以及報警監控、物料狀態以及報警。


            2、業務邏輯層
            業務邏輯層是MES的核心,主要包括MES的管理模式與基礎平臺、MES的業務框架以及MES的系統集成模式等主要內容。

            (1)生產管理模式:圍繞面向業務的模型驅動(MDA),對MES涉及的關鍵業務模型進行歸納分析,形成集成化的MES業務架構體系;

            (2)業務基礎平臺:圍繞面向服務的架構體系(SOA),對系統涉及到的業務研發過程以及關鍵技術進行梳理,為系統開發提供一個業務研發平臺;

            (3)車間管理服務:圍繞車間有機生產要素人、機、料等的生產管理過程,把MES劃分為生產建模管理、計劃調度管理、車間作業管理、質量檢驗管理、設備維護管理、生產物流管理以及工裝工具管理等系統模塊;

            (4)系統集成服務:主要實現與生產計劃層系統PDM/CAPP/ERP以及生產控制層系統MDC/DNC等系統進行無縫集成。
            MES框架結構 
            圖2 MES框架結構

            3、數據采集層
            通過條碼槍、MDC邏輯采集儀以及工控機等多種采集手段對生產關鍵工位進行數據采集,可以采集如下幾類信息:

            (1)人:通過條碼掃描或系統登錄,可以采集操作人員、質量人員以及設備人員等信息;

            (2)機:與DNC/MDC進行系統集成,可以獲取相關的設備信息,包括設備狀態、運行參數以及設備報警信息等;

            (3)料:可以通過條碼掃描的方式獲取插件在制品的移動;
             

            1.3 數據采集方案設計
            柴油機企業數據采集方案有三種:

            (1)宏命令采集方案
            宏命令采集是自動采集方式的一種,通過在NC代碼中加入宏命令,采集設備的狀態信息(加工、調試等信息)。程序調用模式:將NC代碼從服務器復制到控制系統內存,控制系統從內存中讀取NC代碼進行零件加工。該方式應用于支持宏命令的數控系統,直接通過RS232端口讀出設備狀態信息進入Predator MDC系統,實現設備狀態信息的采集。該方式優點是能夠自動準確采集設備的加工用時,避免人為因素的干擾,缺點是實施對象需具備宏命令功能并且基于RS232協議讀出宏命令信息,對數控系統有要求,若NC代碼大于控制系統內存,無法將NC代碼存儲在控制系統中,宏命令無法被執行。

            (2)條碼槍反饋方案
            條碼槍采集是非自動采集方式的一種,利用條碼槍掃描代表設備狀態信息及生產任務信息的條形碼,實現生產數據的采集及加工程序的調用。其優點在于操作簡便,能夠采集設備狀態信息及生產任務信息,不受設備的功能限制,實施對象廣泛,缺點在于受人為因素的影響,采集的生產數據可能存在精確度偏低。

            (3)MDC邏輯采集儀方案
            MDC邏輯采集屬于自動采集方式,通過在設備中安裝MDC邏輯采集儀,讀取設備輸出的相關電信號(設備循環啟動/結束、主軸轉動/停止、冷卻液開啟/停止等),轉換為Predator MDC系統可識別的命令,實現設備狀態信息的跟蹤記錄。其優點在于精確采集設備的加工用時及其他設備狀態信息,缺點在于設備需具備相應電信號可外接的輸出點接線柱,對于集成電路板將無法進行硬件安裝,且實施周期長,價格高。


            1.4 NC管理流程及數據反饋流程的設計
            1、NC程序管理流程設計圖
            第一步,機床操作人員編輯NC代碼,然后將NC代碼上傳到DNC服務器,備份并讓班組長初步審查,班組長審查通過后,將NC代碼分發到制定文件夾,機床操作人員用控制器系統遠程調用NC代碼,DNC服務器根據調用指令發送NC代碼到控制器存儲,然后操作人員根據接收到的NC代碼進行加工。該階段流程圖如圖3所示。

            第二步,消除現場操作人員編輯NC代碼及上傳的步驟,工藝人員編輯NC代碼并經過NC代碼審批流程,將NC代碼分發到DNC服務器,現場操作人員根據工序要求,調用所需的NC代碼,DNC服務器接受調用指令,將NC代碼發送到控制器存儲,操作人員加工。
             
            圖3 NC程序管理流程

            2、生產班組長獲得工票信息反饋
            生產調度班組長根據排定的生產日計劃,將工票分發給相關機床操作人員,工票完成,操作人員將工票返還,班組長對工票進行統計。生產班組長業務流程如圖4所示。
            生產班組長業務流程 
            圖4 生產班組長業務流程

            3、現場操作人員及質檢人員信息反饋
            操作人員上班時,用機床旁的條碼槍掃描自己的工卡號,系統記錄登錄時間,操作人員從班組長拿到工票,用機床旁的條碼槍掃描工票編號條形碼,根據工序要求,遠程調用NC代碼,直至NC代碼下載到控制器存儲結束,并根據零件加工需要,對于需要調試的零件,掃描“設備調試”條形碼,無需調試的零件,直接加工NC程序。零件加工結束,掃描“拆卸”條形碼,將零件卸載,繼續加工下一個零件。如果該工票所有零件都已經加工完成,掃描“工票結束”條形碼,到班組長辦公室返還完成工票并領取下一個工票,下班時,掃描“人員退出”條形碼。零件加工結束,操作人員將零件放置在零件待檢區域,巡檢人員進行檢查,并將檢驗結果,通過現場放置的MES專用條碼槍和電腦進行結果反饋?,F場人員及質檢人員信息反饋流程如圖5所示。
            信息反饋流程 
            圖5 信息反饋流程


            1.5 MES各功能模塊設計
            現場執行系統MES用來控制和協調計劃訂單在車間現場的執行過程。MES既適合拉式生產的看板管理,也適合用于推式計劃的訂單執行管理。MES可以根據企業對產品的復雜程度以及計劃控制粒度,靈活設置現場生產管理的層次和可控制點數,具有對制造單元或設備的任務排序和負荷調整能力。

            MES與基于條碼技術的數據采集過程、質量檢查過程、故障處理過程和質量跟蹤過程實現無縫集成。整個MES由車間作業管理、計劃調度管理、車間資源管理、質量檢驗管理、查詢統計分析、系統設置六大部分組成,整個模塊運作是利用各數據接口從上層ERP/PDM等系統集成導入產品基礎數據及生產計劃,再結合下層MDC反饋的正在執行的作業任務分析得出現場作業計劃,然后利用MDC將作業計劃執行情況反饋到車間作業管理進行記錄分析,具體各模塊功能設計如下:
             

            1、車間作業管理模塊
            車間作業管理主要是根據生產計劃、工藝線路,在充分考慮車間資源能力約束的基礎上,進行車間作業計劃編制,下達生產工票,并據此生成車間作業計劃、機臺(班組)計劃;在產品加工完成并經檢驗合格后,辦理車間轉交或半成品入庫手續。根據對加工工票、完工入庫單等信息進行統計匯總,及時反饋生產進度狀況。車間作業管理流程如圖6所示。
            生產作業管理流程 
            圖6 生產作業管理流程
             
            (1)作業計劃管理
            車間作業計劃是根據生產組織部門下達的生產計劃,結合車間的情況,安排本車間各班組、工作中心、操作人員的作業任務,同時可以查看相關任務的執行情況。

            (2)車間調度臺賬
            車間調度員根據車間計劃員編制的車間作業計劃開具工票、零部件轉交單以及半成品申請入庫單,同時提供按照工序、班組、操作人員等不同的查看調度臺帳的方式。

            (3)隨件派工卡管理
            建立隨件派工卡臺賬,明確每批零件需要加工的過程和實際完成的情況,便于跟蹤進度和質量信息,每道工序加工完成后,必須形成完成數量、時間和檢驗信息。

            (4)車間工票下達
            依據零件加工的工藝信息,車間調度下達工票,明確零件加工的工序、步驟、操作班組、操作員、完成時間、準備工時、加工工時等信息。

            (5)車間檢驗臺帳
            車間檢驗員對生產工票進行反饋,在工票上填寫相關的加工進度以及完工信息,最終反映到隨件派工卡進行完整體現。

            (6)車間統計分析
            零部件加工完畢后,車間統計員以完工工票、轉交單、入庫單等為依據按照“工號”、“工作中心”等不同的字段統計一段時間內的實動工時、定額工時、產值、工資等內容,作為車間內部管理以及上報的依據。


            2、計劃調度管理
            該模塊接收上層ERP的車間生產任務,對其進行精細化分解,指定車間級詳細的短期生產計劃,然后由調度員將詳細作業計劃分派給相應的生產單元以便迅速組織生產。車間計劃調度管理流程如圖7所示。
            計劃調度管理流程 
            圖7 計劃調度管理流程

            (1)生產建模
            生產建模是以產品為對象,對產品制造的加工過程通過生產模型進行過程模擬,構建一個數字化的生產模型,該生產模型為計劃排產、生產派工以及質量檢驗等提供一個參照模型。

            1)基礎數據
            執行制造系統是集成企業各種資源,貫穿生產制造全過程的計算機管理系統?;A數據根據在制造執行系統所起的作用可以細分為管理類與資源類等不同的類別。為統一企業的數據源頭,基礎數據可以在本系統維護也可以從其它系統直接提取。管理類包括工程代碼、物資代碼、產品代碼、車間班組、班組人員、工廠日歷、班次設置等;資源類主要包括生產所屬各種資源的信息,如設備臺帳、工裝臺帳、刀具臺帳以及量具臺帳等生產資源,上述各類資源可以分散到各子系統進行維護。

            2)生產資源
            工作中心是一個基本生產單元,是一些生產資源的組合,主要用來完成特定的作業。工作中心以設備為主要資源,是生產管理過程中最小的生產制造單位,包括生產任務派工、生產進度跟蹤以及車間成本核算等。

            3)產品模型
            產品模型主要從產品加工的角度出發,把產品加工所需的各種技術資料進行定義,主要包括產品BOM、加工路線、工藝規程、定額工時、材料定額等信息。

            4)零部件主工藝路線維護
            按照企業裝機所需要的零件,定義每個零件所需經過的制造單元,以及零件制造周期,為后面自動形成外購、鑄造、機加、熱處理、部裝件計劃提出數據依據。

            (2)作業計劃分解
            接收來自上層ERP系統的生產任務和零星的加工任務,根據生產模型和資源約束狀況,利用ASP自動模擬排產,得到精確的可執行的車間作業計劃,具體到工作中心和班組,形成工作日歷。同時對工藝流程進行動態管理,包括物料約束,考慮BOM的工序用量及物料的可用量;優先級約束,考慮任務約束和資源約束。

            (3)排產結果交互
            支持手工調整,維護MES優化后的任務列表,包括修改數量和工作中心,調整優先級別,控制任務狀態。

            (4)作業調度
            該功能涉及到的工序任務信息是由上層車間主計劃分解下達而來,因此需要事先維護好車間計劃工作臺。任務派工過程中用到的工作中心、班組信息及資源設備也需要事先在工程數據中進行維護。調度員接收到未派工的工序任務,選擇調度策略,設置好調度參數,對其進行任務分派,可以派到該工序對應的一個或多個工作中心。派工時可以對某道工序任務進行分批多次派工,防止任務呆滯。系統可以通過與VM及其他系統的接口建立虛擬數字化車間,通過模擬現場,從而進行現場視覺管理,以便監控派工的執行狀況。


            3、車間資源管理
            該模塊包括對設備和刀具的管理與維護。

            (1)設備管理
            設備管理包括設備臺賬管理、設備變動管理、設備保養管理、設備維修管理等。其中,設備臺賬管理主要負責基礎數據的維護,如添加新設備的基礎數據、修改和刪除已有設備的基礎數據等;設備變動管理記錄設備的轉入/出、封存/啟封、報廢、評估等操作,設備管理人員將設備的變動信息記錄到數據庫中,并且能夠實現設備變動信息的查詢;設備保養管理主要對設備進行周期性保養維護,包括保養計劃維護、計劃審核、保養結果錄入等;設備維修管理是將設備維修情況進行入庫管理,記錄并審核維修數據。

            (2)刀具管理
            刀具管理包括刀具編碼維護、刀具檔案管理、刀具出/入庫管理、刀具維修、刀具報廢、統計分析等。

            4、質量檢驗管理
            該模塊主要對柴油機關鍵件的工序進行檢驗管理,質量管理在數字化加工車間項目中處于非常重要的地位,幫助管理產生的各種質量問題、分析故障原因、及時反饋質量問題,并采用必要的手段處理質量問題,從而有效的監控物料的質量,實現對檢驗全過程的跟蹤與追溯,提高質量管理水平。工序過程檢驗主要通過在線檢測與手工兩種方式對計數型與計量型質量數據進行采集,檢驗手段以手工檢測為主,存在少量的自動檢測與判斷。工序過程檢驗管理流程如圖8 所示。
            工序過程檢驗流程 
            圖8 工序過程檢驗流程

            質量統計分析系統能夠通過質量數據的自動實時采集,以分析任務的形式檢索檢驗數據并生成相關控制圖。系統提供對收集的歷史數據進行統計分析,可以從大量、隨機產生的檢驗過程數據中挖掘出有用的信息和知識,并且通過對關鍵工序的監控,實時地監督和分析工序加工的狀況,將事后檢驗變為事前預防控制。質量統計分析數據邏輯接口如圖9所示。
            質量統計分析數據接口 
            圖9 質量統計分析數據接口

            5、查詢統計分析
            (1)計劃臺帳查詢
            可以實時查看月度生產計劃、周生產計劃、日作業計劃等各種計劃的反饋信息,用以跟蹤生產進度,合理安排后期生產計劃、控制交貨期。

            (2)生產進度跟蹤查詢
            通過MES與DNC系統的數據接口,動態提取在制品各生產狀態信息??刹榭瓷a任務信息:工單號、零件號、工序號、用戶號、零件合格數、零件報廢數、質檢原因、設備停機原因;設備狀態信息:加工時間、調試時間、拆卸時間、停機時間、空閑時間等。

            (3)質量統計
            系統可以進行質檢工序定義及零件完成時的合格零件、報廢零件統計反饋,以此可以對每個零件、每道工序進行質量監控,實現質量的全程監控。
             
            6、系統設置
            該模塊提供系統各類參數的維護及授權設置。




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