包装印刷行业制造执行系统的设计研究

　　摘 要

　　自 1970 年开始,制造执行系统(MES)已经经过了几十年系统化地研究和应用. 近年来,国外学者还将多代理技术、组件技术、工作流技术等前沿技术应用于 MES 系统,进一步推动了 MES 的相关研究.国内 MES 的研究和应用也在多个领域取得 了突破,但总体而言,国外 MES 的研究和应用在一定程度上领先于国内.

　　具体到国内包装印刷行业 MES 研究,国内许多学者对包装印刷行业的 MES 的 整体或关键功能进行了设计,由于包装印刷行业生产的特殊性,虽有大量的相关研 究,但是印刷行业 MES 的应用其深度和实用性远远落后于 MES 的研究.因此,本 文旨在综合国内包装印刷行业的实际需求,建立适合我国包装印刷行业现状的 MES 系统.

　　本文首先梳理了我国包装印刷行业的现状及不足,以此分析得出包装印刷行业 MES 的需求;其次,针对包装印刷行业的现状提出对应的 MES 设计方案,完成对包 装印刷行业车间 MES 构架搭建、体系结构和功能模块设计;再次,将 MES 方案进 行细化,完成 MES 技术上的实现;最后对 MES 系统进行详细设计,通过搭建 XG 印刷车间的 MES 平台原型系统实现该 MES 方案.

　　本文的主要研究成果为根据印刷行业的现状及业务流程设计了能应用于包装印 刷行业的 MES 系统;同时提出了一种适用于评价包装印刷车间人员绩效的模型,为 包装印刷绩效评价提供依据.在 MES 的关键技术和实际应用方面,本研究仍有改进 和提升的空间.

　　关键词:制造执行系统,包装印刷,绩效评价

　　Abstract

　　Since 1970, Manufacturing Execution Systems (MES) have been systematically researched and applied for decades. In recent years, foreign scholars have applied cutting-edge technologies such as multi-agent technology, component technology, and workflow technology to MES systems, further promoting related research on MES. The research and application of domestic MES has also made breakthroughs in many fields, but in general, the research and application of foreign MES is ahead of the domestic to a certain extent.

　　Specific to the MES research in the domestic packaging and printing industry, many domestic scholars have designed the overall or key functions of the MES in the packaging and printing industry. Due to the particularity of the production in the packaging and printing industry, although there is a large amount of relevant research, the application of the MES in the printing industry depth and practicality lag far behind MES research. Therefore, this thesis aims to integrate the actual needs of the domestic packaging and printing industry and establish an MES system suitable for the status quo of China's packaging and printing industry.

　　This thesis firstly sorts out the current situation and shortcomings of China's packaging and printing industry, and analyzes the demand for MES in the packaging and printing industry. Secondly, proposes the corresponding MES design plan for the status quo of the packaging and printing industry, and completes the construction of the MES framework for the packaging and printing industry. Architecture and functional module design; again, the MES solution is refined to complete the implementation of MES technology; finally, the MES system is designed in detail, and the MES solution is realized by building the MES platform prototype system of the XG printing workshop.

　　The main research results of this thesis are designed according to the status quo and business process of the printing industry. The MES system can be applied to the packaging and printing industry. At the same time, a model suitable for evaluating the performance of packaging and printing workshop personnel is proposed to provide a basis for packaging printing performance evaluation. In the key technology and practical application of MES, this research still has room for improvement and improvement.

　　KEYWORD: Manufacturing execution system Packaging and printing Performance evaluation

　　目 录

　　摘 要.................................................................................................................I

　　Abstract............................................................................................................ II

　　1 绪论..............................................................................................................1

　　1.1 选题背景.....................................................................................................1

　　1.2 研究现状.....................................................................................................2

　　1.3 研究结构及安排.........................................................................................8

　　2 包装印刷车间 MES 平台需求分析与方案设计.......................................11

　　2.1 包装印刷车间管理现状.......................................................................... 11

　　2.2 包装印刷车间 MES 实施需求分析........................................................12

　　2.3 包装印刷车间 MES 平台方案设计........................................................14

　　2.4 本章小结...................................................................................................19

　　3 包装印刷车间 MES 关键技术研究........................................................... 20

　　3.1 包装印刷车间 MES 关键技术概述........................................................20

　　3.2 包装印刷车间半成品追踪...................................................................... 21

　　3.3 包装印刷车间数据采集和处理.............................................................. 27

　　3.4 印刷车间绩效评价模型设计.................................................................. 36

　　3.5 本章小结...................................................................................................49

　　4 包装印刷车间 MES 平台系统的设计与实现...........................................50

　　4.1 MES 平台设计.......................................................................................... 50

　　4.2 MES 平台实现及效果展示...................................................................... 55

　　4.3 本章小结...................................................................................................68

　　5 总结与展望................................................................................................69

　　致 谢..............................................................................................................71

　　参考文献..........................................................................................................72

　　1绪论

　　1.1选题背景

　　1.1.1研究背景

　　近年来,随着全球经济一体化的趋势不断加快,工业化和信息化的深度融合,全球制造产业正在经历深刻的变革.制造企业已经认识到必须将传统的制造业与现代的智能化技术相结合,以先进的智能制造技术推动传统制造企业的转型和发展,全方位提升自身的制造水平并不断降低自身的生产成本才是制造企业的唯一出路.

　　包装印刷行业属于典型的离散生产行业,根据数据统计[1],2017年全球包装印刷行业的市场总规模到达了8150亿美元.全球包装印刷行业正处于稳定发展的成熟期,印刷行业的增长速度与世界经济平均增长速度基本一致.我国的包装印刷行业也在稳定发展,据统计,2017年全国具规模的印刷公司约6000家左右,占国内企业总数的6%,总营业收入高达8090亿元,利润总额558.7亿元.但是在这些数字之下,中国印刷行业也面临着巨大的问题与挑战,由于网络电子信息的发展,印刷市场正在逐渐萎缩;纸张的价格变化导致印刷行业价格波动频繁;同时由于印刷厂主要依赖手工包装,技术含量不高,印刷行业内部竞争激烈.在内忧外患的行业发展情况之下,印刷厂也需要从内部进行转型,不断减少生产中的成本投入才能继续生存发展壮大.

　　MES系统是制造业生产与管理沟通的桥梁,MES系统能实现生产过程的精细、弹性化管理并能快速响应生产制造中的异常,是解决企业生产问题包括提高产品质量、减少库存、节约企业资源和人力成本的有效管理方案.因此在初具规模的包装印刷厂建立MES系统对企业的发展有十分重要的战略意义.

　　1.1.2研究意义

　　离散型制造企业工序复杂,包装印刷行业更是如此,除了机印部分,手工包装部分不仅效率低下而且生产过程不透明,难以追踪生产过程而且质量良莠不齐.

　　MES系统可以在生产管理平台上集成包括生产排期、质量管理、产品管理、可视化管理、报表管理等功能模块帮助管理者管控整个生产的过程保证生产的质量;传统的印刷行业通过手工统计、手工派发派工单和流转单等,在生产追踪时往往无法做到精准无失误,MES系统采用条码枪、RFID等方式收集数据,然后通过后台自动处理的方式可以消除人工统计出现的数据不精确等问题;同时MES能与ERP、人员管理等系统实现信息的交互,为企业搭建一个信息的共享交流平台,实现企业各个部门之间信息的互连互通,使各个部门高效的协同进行生产的管理.

　　MES系统的建立能从根源上解决包装印刷的一系列包括效率低下、难以管控等问题,实现企业信息化和透明化生产.但是目前我国包装印刷行业MES系统实施难度大,成本高,周期长因此全国包装印刷行业应用MES系统的企业寥寥无几,因无可以成功借鉴的印刷车间MES系统造成了我国包装印刷行业制造执行系统的恶性循环,因此,研究包装印刷车间的MES系统对整个印刷行业的发展有很大的现实意义.

　　1.2研究现状

　　1.2.1MES概述

　　1992年,美国先进制造研究机构AMR研究企业内部生产的关系之后,提出了企业集成的三层模型[2],如图1-1,三层模型分别为企业级的计划层,车间级的执行层以及过程级的控制层.

　　AMR对MES的定义为"计划管理系统与工业控制之间的面向车间的管理信息系统".MES作为企业计划层与车间操作控制层的执行者,弥补了计划与底层控制之间信息流通的不足.

　　致力于宣传MES的思想和产品的MESA为企业间的MES系统进行了如下定义:MES系统是产品从工单发出到该产品成品入库的生产制造过程中的所有信息的传递者;MES系统能凭借正确的生产信息、正确的生产执行规范、原始的工作情况和生产资料以及生产中的反馈快速响应生产中的异常减少不必要的生产活动从而提高工厂的生产效率;MES能改善生产条件、保证准时出货、保证库存周转、增加生产毛利以及提交现金流效益,MES为企业和供应链之间提供了一个双线的生产信息流[3].

　　MESA同时提出了ERP、MES和控制系统间的作业互动和信息流模式,如图1-2所示,在这个模式图中,ERP将客户的订单情况、物料需求和产品的库存量、人员信息传送至MES系统,ERP在此就是充当MES的计划层;中间部分是MES系统的工作,负责保存产品生产的所有制造信息然后将这些信息提供给控制系统的操作人员和设备;控制系统在接收到经 MES 系统处理的信息后便调动生产中需要的所有相 关资源(软、硬件和人员等)来完成生产制造过程.

　　可知MES在生产制造过程中处于承上启下的地位,是掌控企业生产过程的核心.车间生产过程控制对于企业战略发展具有重要的战略意义,但是在制造信息化的进程中,很多企业由于观念、企业规模、技术实现的问题只将信息化重点应用于计划层次中,车间信息流通往往成为企业最薄弱环节.随着现代的生产管理的理论体系逐渐暴露出来的不足,越来越多的企业关注到车间信息化的建设和投入之中.

　　1.2.2MES发展历程及研究现状

　　自1970年开始,全世界已经对MES经过了几十年的系统化的研究和应用,MES经历了单一功能MES(PointMES)[4]、集成MES(IntegratedMES)、可集成MES(IntegratableMES)和智能化MES四代发展历程.

　　单一功能MES发展于1970年代,它主要用于解决特定领域的特定问题,如解决企业合格率问题、库存管理问题、设备运行状况问题等.其优点是能为一特定的生产环境提供精准良好的服务同时资金投入少、实施周期短但是由此它的集成性和通用性便很差.

　　集成MES发展于1980年代,是对单一功能MES功能缺陷的改进.它的特点是将上层事务处理和下层实时控制进行系统集成.集成MES功能丰富,它具有统一的逻辑数据库、统一的数据模型,但是由于系统依赖企业特定的生产环境,缺乏通用性、系统柔性差等问题还是未能解决.

　　可集成MES始于20世纪90年代中期.它将单一功能MES和集成MES进行了融合,采用了可重用、可重构组件和模块化技术来开发具有柔性和适应性的MES系统[5].可集成MES每一个功能都是一个完整的专用解决方案起到专用MES的作用,同时也能实现上下两层之间的集成,起到集成MES的作用.

　　智能MES是指利用人工智能和分布式人工智能构造具有协调性、分布式和自治性的智能的MES系统.智能MES是将各种软硬件进行更加有效的融合,是MES系统未来的发展方向.

　　国外发达国家对MES的研究起步比国内早,同时国外例如德国、日本、美国等发达国家对MES的推广非常重视,因此国外MES系统的研究有很大突破,具体的成果如下:

　　Gilman、Parnuak、Shen[6-8]等最早提出将多代理技术应用到MES之中,即将制造资源的功能实体映射为Agent,具体的映射方法为功能分解法和物理分解法.功能分解法主要是将系统的逻辑模块封装在Agent中,Agent与物理实体无对应关系.物理分解法是用Agent表示物理实体,Agent与物理实体有清晰的对应关系.在多代理技术的基础上,Holon技术也得到了的发展,VanBrussel[9]提出了基于Holon的制造系统参考模型PROSA;Brennan[10]使用Holon技术重构了实时分布式控制系统.

　　在MES系统的研究应用中,组件技术是另一种和MES完美契合的技术,目前世界上的主流组件技术模型有三种:Microsoft的COM/DCOM,OMG组织的CORBA以及SUN公司的EnterpiseJavaBeans[11].主要应用方式是基于MES的业务组件库的体系结构,创建集成、通用和可配置的组件开发平台,为MES提供一个柔性共享和可扩展的应用环境.

　　在解决生产过程的工作流建模和生产调度策略方面,工作流技术是一项应用十分广泛的技术.该技术能实现人与应用软件的交互,主要用于控制和协调复杂活动.工作流技术将MES的业务逻辑从具体的业务中进行分离,建立业务流程模型并以此来驱动原子级的企业活动,最终实现企业业务和软件的集成.A.Gunasekaran和B.Kobu[12]等在车间管理系统中引入工作流模型,并通过有向图的方式设计了该模型的执行算法和状态转换关系.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　5总结与展望

　　MES系统作为企业车间制造体系的核心一环能改善企业生产计划的制定和调整,能加快企业生产计划的执行与反馈速度,改善企业车间的管理环境,消除企业各个系统之间的信息孤岛,实现不同信息系统之间的互联互通,实现企业车间管理的信息化和透明化.因此对MES系统的研究对企业的发展具有举足轻重的意义.

　　在中国,包装印刷产业产值逐年增加,但整体利润率却逐年下滑,同时整体增速趋缓.行业欣欣向荣的背后依然存在诸多问题.因此对包装印刷车间进行MES系统的研究能极大的改善包装印刷车间的生产状况同时能为整个包装印刷行业提供理论与实际研究依据,所以本文以包装印刷行业为背景,对包装印刷车间的MES系统设计进行了研究,并结合XG印刷公司贺卡车间进行了MES系统的实现,具体的研究成果如下:

　　(1)在对MES的研究现状的了解基础上,具体分析印刷车间的管理现状,总结出包装印刷车间管理现状的不足,并根据现有的不足之处提出MES系统实施的整体需求.根据需求分析方案,对MES平台从体系架构、业务流程和功能架构三个方面对系统进行初步的设计.

　　(2)对MES关键技术进行研究与实现.对MES所需要的关键技术进行概述,对半成品追踪、车间可视化、绩效评价三个方面进行理论研究和设计.在研究中,解决了半成品追踪流程,设计了系统的数据采集方式,并确定了系统设备、制造信息和异常信息等数据的处理方式,最后利用ANP和模糊综合评价法设计了人员绩效的评价模型.

　　(3)根据平台的设计方案和关键技术等理论的研究,对MES平台进行详细的设计.主要完成的内容是MES系统的体系架构,对系统数据库的设计,并设计了MES平台搭建所使用的前后端和联网部署技术.

　　(4)在MES平台详细设计的基础上,针对XG印刷公司贺卡车间进行MES平台的应用实施.在对贺卡车间的管理现状和MES实施条件进行分析后,对MES系统的开发环境、功能模块、数据库进行了设计与实现,最终展示了MES平台的半成品追踪、车间可视化和人员绩效评估等功能.

　　本文针对包装印刷业MES系统进行了研究与设计和具体车间的应用实现,但是由于包装印刷行业的复杂性和本人的水平限制,文章中还存在许许多多的问题和可改进之处,具体的不足之处和改进之处如下:

　　(1)关键功能方面

　　只对生产车间的半成品流程进行了设计,并未详细的考虑所有生产相关的模型的设计;车间生产信息的处理采用固定的处理方式,当处理方式进行调整时,整个业务流程会有较大变动,所以如果有更好的动态的处理模型,能更好的适应未来企业业务的变动,而不需要大范围调整数据的处理方法;与此同时,人员的绩效评价虽然参照了车间的生产数据信息,但是仍然是一个将定性转为定量化的处理方式,仍然具有一定的主观性,因此绩效评价模型如果能引入神经网络或者深度学习等算法能极大程度的消除主观评价的不确定性,提高绩效评价的准确性.

　　(2)实际应用方面

　　半成品追踪主要是以单据和半成品的角度进行追踪设计,生产中的其他模型例如人员角度、物料角度的追踪等系统未设计实现;车间可视化在车间展示层次主要是对信息的展示但是信息的交互,即可视化看板查询指定内容还未设计,在未来这一功能可视化看板需要应用实现;信息绩效评价分数应该动态的反馈给MES系统和计划制定人员调整车间的生产计划,但是在实际应用方面只是用于人员的绩效考核,所以未来绩效动态反馈调整生产派工是需要进一步研究.
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