本章从产品制造状态的概念及车间制造状态管理的理论基础出发，建立符合一般车间制造过程的管理模型，并提出以 PLM 作为管理平台解决船舶管件加工过程中状态数据的管理和集成。

 

2.1 制造过程及产品状态

制造过程的全面管理应该包括：制造过程的设计 ( 包括提出制造过程预期的目标以及为实现这些目标所安排的计划和措施 ) 、过程监控 ( 确保制造过程不偏离预期目标 ) 、过程的变更等诸多方面。

 

2.1.1 制造过程的概念

(1) 过程是一组将输入转化成输出的相互关联或相互作用的活动，如图 2.1 所示。

由定义可见，过程有三个要素：输入、输出和活动；利用资源是任何过程必不可少的活动；所有的工作，包括产品实现及其管理，都是通过过程来完成的。

 

(2) 过程控制

过程控制，是指为了达到过程目标 ( 包括质量、效率和进度的要求 ) 所采取的作业技术和活动。控制的目的在于减少波动，保证过程的稳定性和一致性。当过程的状态有偏离控制目标的趋势时，就采取应对措施，使其恢复稳定状态。这是保证过程产品质量的重要环节之一。

 

(3) 过程分析

过程分析即制造过程的数据分析，是指根据监测和测量数据对过程进行评价，定量确定过程绩效。过程分析的基础是制造数据，包括工艺数据、设计数据、制造数据和产品状态数据等等，它同时也是识别过程进行制造变更的重要依据。

 

2.1.2 产品制造状态

处于制造过程中的产品一般称为在制品。在制品的定义是：原料或零件已被处理成半成品，但尚未成为成品，尚未完成入库手续。制造加工过程中，在制品一般可以划分为如下几个状态：代加工状态、加工状态、完工状态、合格品状态、废品状态、返工状态等。

 

其中，待加工状态、加工状态、完工状态等表示在制品的库存状态。原材料一旦从物料库中发出，物料就从原材料变更为在制品。

 

同时，在制品的库存状态自动更新为最初的待加工状态；如果车间制造人员开始进行工艺加工，则通过后台操作，将在制品的实时状态进行更新，即成为加工状态；如果工人加工完某批在制品的最后一道工序时，即所有工序都已加工完毕后，则在制品库存完工状态为完工状态。产品制造状态流程图如图 2.2 所示：

2.2 制造状态管理

产品制造状态的管理是我国制造管理技术研究中相对薄弱的环节，如何将基于数据的管理科学和产品制造技术有机地融合在一起，是探索先进制造模式的一个重要课题。

 

现代化制造已经不再是单纯的产品生产过程，而是一个包括制造、加工、工艺管理、信息管理在内的综合管理过程。

 

而制造管理既包含传统的管理方法，如加工工艺管理、装配信息管理等，也涉及大量新型管理技术，如 产品全生命周期管理 (PLM) 、企业资源计划 (ERP) 、制造执行系统 (MES) 等。

 

2.2.1 制造状态管理的概念

对于制造状态管理，目前没有确切的定义。作者认为制造状态管理是一种对车间产品制造状态的监控、跟踪与数据管理的过程，是技术人员根据生产计划和实际生产活动指导生产进程的活动。

 

一般认为，制造状态管理包括对产品制造过程中所处状态的监测与控制、制造工艺的数据采集与管理等功能。另外，工艺信息是在制品状态信息的基础和重要组成部分，因此，工艺管理是产品状态管理的基础和前提。

 

工艺管理主要是指对加工车间的生产工艺，特别是工艺信息的管理，包括各种加工流程的优化、调度及对工艺文档、工艺信息的管理等功能。车间是制造企业的关键生产单位。

 

因此，车间的制造状态管理是企业高效生产和实现制造业信息化建设的重要环节。产品最终通过车间制造出来，车间的管理能力最终将决定企业的实际生产能力以及产品质量。

 

2.2.2 制造状态管理的对象

车间制造状态管理是制造业信息化的一种手段，与其他信息化解决方案一样，它所面对的管理对象，归根结底是产品的制造信息。

 

2.2.3 制造状态管理相关技术

产品的制造状态管理可以跟踪生产线上产品在车间移动的情形，掌握生产的效率，并对异常情况作处理。同时，对状态的管理可以反应现场情况，确保生产线的正常运作。

 

产品状态管理流程主要有：

(1) 产品管理从工单开始，依据 ERP 所建议的生产计划制成计划工单；

(2) 到了规定的时刻，管理人员视情况将生产命令发放到生产线；

(3) 生产线作业人员依据工单向仓库领取物料投入生产；

(4) 生产程序有生产路径单来决定，在工作站与各生产线中移动；

(5) 最后完成整个加工工序，得到成品，完工入库。现代化车间制造管理中，实现制造状态管理的主要技术有：

 

(1) 制造资源计划 MRP Ⅱ MRP Ⅱ具有以下特点： MRP Ⅱ系统是一个计划主导型系统，能够实现集中的数据管理，可以保证数据的准确性和完整性；易于实现大批量生产。

 

产品集中的数据库包括产品、工艺、库存等信息，实现符合均衡，及时反馈。使得现场调度工作高度统一，降低复杂程度。

 

(2) 企业资源计划 ERP 企业资源计划 ERP 是制造管理的计划层，主要职能是进行管理决策与生产计划。 ERP 技术作为一个较为成熟和稳定的解决方案，可直接用于计划层的信息管理。

 

随着网络的发展， ERP 已经可以实现计划层内部信息传输及计划层与执行层之间的信息交互，同时 ERP 可以通过与 Internet 连接建立电子商务平台。

 

(3) 制造执行系统 MES 制造执行系统 MES(manufacturing execution system) 是处于计划层与制造车间之间的执行层，主要负责生产管理和调度执行。 MES 能通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理。

 

同时，它可以通过对制造过程及产品状态的监控和动态调度，根据 ERP 下达的生产计划，利用车间的各种生产资源、生产方法和实时现场信息，快速、低成本地制造出高质量产品。 MES 与 ERP 、过程监控系统集成方式如图 2.3 所示。

以上主要研究了信息化建设中常用的对于车间制造过程管理及产品状态管理的解决方案，虽然 ERP 、 MES 等解决方案已经得到广泛应用并取得了一些成效，但是这些技术在管理车间信息、制造过程乃至产品全生命周期中还存在以下不足：

 

(1) 较少关注工艺信息的管理。工艺是连接设计与制造的桥梁，工艺信息也是制造信息的基础。

 

现代企业的制造过程将物料资源和设备等作为研究重点，往往忽略了作为产品设计信息一部分的工艺信息，使得设计与制造出现一定的脱节。

 

(2) 集成度不高，缺乏统一管理。一个企业，往往同时使用 ERP 、 MEP 或者 MES 来实现对过程的管理，但是它们之间经常不能进行很好的集成，或者只是简单的提供接口进行部分数据的共享，数据管理成为车间制造管理的一大瓶颈。这样带来的后果往往是不同部门间的工作独立，形成信息孤岛，并造成大量的信息资源浪费。

 

(3) 缺少对产品制造状态的管理。虽然在 MES 和 ERP 中也具有相应的过程管理或者过程监控功能模块，但是这些模块更多地是一种静态的制造数据的反映，没有实现信息的动态链接。而制造过程永远是一个动态的、变化的流程，特别是产品的状态信息。

 

因此对于状态信息的管理和监控是制造过程管理中不可忽视的一项内容。由于管理手段的缺乏，生产管理人员不能及时掌握在制品在加工过程中的状态情况，例如在制品如何分布、如何移动等信息。

 

一般的工艺是在不考虑车间动态信息的情况下生成的，没有考虑到制造信息的变更、材料短缺、设备故障或其他任务占用等原因，即计划信息与实际信息往往不能很好的匹配。

 

这样的工艺管理我们称之为静态的和刚性的。这种没有可选性的工艺必然受到许多限制，缺乏柔性，有时不符合生产实际，也不能按照车间的实际情况，实时地调整工艺路线。

 

2.3 基于 PLM 的制造状态监控管理

通过分析制造过程和产品状态的概念、车间生产管理的需求及工艺信息管理在实际应用中的问题，可以看出，面向产品全生命周期的制造状态管理的解决方案，可以将工艺管理从静态的操作转向动态的监控，明确工艺信息与设计、制造信息之间的关系，使企业在制造过程中提高效率。

 

根据以上提出的问题，本文提出：基于 PLM 的制造状态管理的方法。实施这个概念必须包含两个层次的功能需求，即实现动态管理的制造状态监控和实现基于 PLM 的加工工艺信息管理。基于以上理论，制造状态管理可以概括为： M={T ， S} 。

 

其中

S ： Status Management ，制造状态管理；

T ： Technics Management ，工艺信息管理；

M ： Monitoring Management ，状态监控管理。

 

2.3.1 管子制造状态监控管理

过程状态的不确定性会影响产品质量甚至使其超出允许的范围，从而造成次品废品。因此，通过各种监控活动应及时掌握过程及其特性变化的信息，并对其进行分析，与策划预期的要求相比较，预测其发展趋势。若出现不良状况，应予纠正，将过程的不确定性控制在允许的范围内。

 

状态监控的方法有许多表现形式，例如监视、测量、控制等。监控的对象一般可以分为状态信息 S(i) ，状态参数 S(p) 以及状态图形显示 S(g) ，根据状态监控对象合成原理，可以得到状态基于这三个变量的函数： S= Φ (S(i) ， S(p) ， S(g))(2-4)

 

本文将根据状态监控对象的特点，设计出符合制造过程管理的监控方法：

(1) 制造状态对象监控——可视化管件

将管件作为可视化对象，是一种定性的状态监控，也是最直观最有效的方式之一。传统的对象化监视可以通过摄像或电视画面，但是这种方式成本高，利用率低，不利于推广。

 

这里将介绍一种基于轻量化浏览的图形显示技术，将数据化的制造零件模型转为三维模型显示。这种监控方式的好处是：一、直观、便捷，接口集成方便；二、免去许多不需要的数据，避免的数据冗余。

 

在这种方式下车间工人只需关注零件的主要制造参数，而涉及零部件细节的设计信息，例如圆角、坡口等不影响制造过程的设计信息则可以省略。

 

但是，这种基于对象显示的方式只能一种定性的监控方式，便于操作人员的使用，但不能实现精确监控。对于车间精益生产的要求，还需要引入定量监控。

 

(2) 制造状态数据监控

当过程状态可用参数表达 ( 如管件弯管过程是各弯曲点参数的函数，包括弯曲半径、弯曲角度等 ) 时，可以采用管理过程参数及其变化规律的方法，来保证过程输出的符合性。工艺能否正确实施，取决于过程参数的控制。

 

正确地选择监测的对象十分重要，被监控的参数应是对产品质量有决定性影响的关键参数。制造过程监控的对象应是最能反映过程特性的参数，如弯管加工中管件弯曲点的 X 、 Y 、 Z 三个方向的坐标值。加工过程的动态性要求监控也是个动态的过程。

 

同时，监控必须受到某些标准的制约，否则即使能够跟踪生产信息，生产人员也不能进行及时地纠正。

 

因此，本文将计划信息和实时信息引入监控过程。计划信息作为实时生产信息的标准，制约监控的变更。整个状态监控功能如图 2.4 所示：

制造状态监控管理流程如图 2.5 所示：车间工艺人员可以通过零件的编号查询到管子零件的基本属性，同时根据此编号根据管子零件的加工状态，即改管子处于哪个加工过程中。

 

通过跟踪加工过程，相关人员能够通过工艺信息管理获取相应的工艺信息，包括工序和工步属性、设备状态信息、版本信息等。

 

对于在加工过程中产生的变更，工艺人员可以通过零件编号反馈到 PLM 平台中。此外，对于工艺人员在跟踪管件状态的同时，可以通过权限的设置修改工艺信息，进行加工工艺的管理。

2.3.2 管加车间工艺信息管理

工艺信息，特别是工艺过程信息是在制品状态的信息基础，因此实现制造工艺信息是实现过程监控的技术基础，也是制造过程管理中必不可少的环节。

 

上文中已经分析，过程监控本质上是对动态数据的监控，包括可视化浏览，也是基于制造数据的三维映射。

 

制造数据的混乱将直接导致过程监控的差错。例如，实际计划调度数据产生变更而未及时反映到制造数据中，致使实际工艺路线的变化没有及时更上，动态数据不能正确的反映出来，这样就使过程监控失去了意义。

 

《机械制造工艺基本术语》中定义：工艺管理是“科学地计划、组织和控制各项工艺工作的全过程”。工艺管理概括起来就是对工艺工作中的各种信息和过程进行管理。

 

根据工艺对象不同，工艺管理也可以分为以下四种形式：工艺过程信息、工艺知识信息、零件工艺信息和工艺规划信息。本文将工艺管理四个层次划分形式描述为：

TM={P ， K(p ， d)D ， L}(2-5)

TM ： Technics Management ， 工艺管理 ；

P ： Process Management ，工艺过程管理；

K ： Knowledge Management ，工艺知识管理，

p ：工艺参数， d ：工艺数据；

D ： Design Management ，工艺设计管理；

L ： Layout Management ，工艺规划管理。

 

其中后两种信息主要来自 CAPP 工艺规划系统，不是本文的重点研究对象，这里不详细叙述。过程信息和知识信息是制造过程的基本组成要素，知识信息是反映工艺基本属性和工序工步的数据集合，而过程信息则是加工过程的实时信息的集合。

 

在制造过程中，信息系统存在数量众多的修改和变更等步骤，是否较好地对这些过程进行有效控制是反映工艺管理水平的重要标准。

 

以 PLM 为平台对各种工艺信息进行集中管理，可以保证其完整性、正确性和唯一性，能很好地控制不同阶段和版本。

 

2.3.3 制造状态管理模型及数据集成方法

制造状态管理功能一般可以通过开发专用管理模块 ( 如独立的工艺信息系统 ) 或直接利用 PLM 的管理功能实现。

 

由于工艺管理系统设计的工作量比较繁重，目前也没有形成比较成熟的工艺管理系统模型，各种实现了的系统参差不齐。因此，本系统主要通过以下形式实现产品状态数据和工艺数据的管理：

 

(1) 工艺管理嵌入 PLM 系统。工艺管理作为一个较为独立的模块 ( 相对于产品结构管理、配置管理、文档管理而言 ) 进行开发，包括工艺过程管理和工序管理。其中工序管理也包含了对于加工设备、原材料以及车间人员的管理和调度。

 

通过与 PLM 实现统一接口来实现协同工艺设计。相对于重新开发一个工艺管理系统，这样的设计使得系统工作量大大减少，也避免了数据间传递的误差以及信息交互带来的冗余。

 

(2) 集成 CAPP 系统和 MES 制造执行系统。从 CAPP 中获取工艺设计信息，包括工艺设计数据、工艺规划数据、生产计划数据，并将这些数据通过集成接口传入 PLM 系统数据库。

 

工艺规划的设计以及工艺卡的设计由 CAPP 系统执行， PLM 系统则对工艺信息进行统一管理。这里的工艺信息统称为计划信息，因为没有实施到具体的制造中。

 

系统将这些制造计划数据通过 MES 与 PLM 的接口传入车间制造数据库。车间在实际制造过程中，利用各种调度算法，将计划数据转化为实际执行数据，并反馈给 PLM 系统进行管理。

 

同时， CAPP 系统的工艺设计也受到 PLM 系统“上游”零件设计信息的约束。如图 2.6 ， PLM 系统数据库与 CAPP 、 MES 系统之间数据传递。

2.4 本章小结

本章主要通过对制造过程和在制品状态等基本概念阐述，引入对车间制造状态管理的研究，建立了符合制造业的通用性车间制造过程模型并介绍了实现车间管理的相关技术。

 

在理论研究及对制造状态管理发展问题的总结的基础上，作者提出基于 PLM 的车间制造状态管理的概念。通过 PLM 作为技术平台支持，以工艺信息的管理和制造状态的监控管理为解决方案实现车间生产的管理。