信息化制造系统的效能与设计实施途径

1.导言 1.1ERP实施遇到的问题 ◆ 数据链的断层 在整个企业流程里，制造过程只是其中众多的环节之一，但它是形成企业核心竞争力的最有力的武器。其他所有的决定企业能否成功竞争的优势，如价格、质量、产品上市时间、可靠性、产品革新、产品和服务的柔性、现场服务等等，这些优势能达到什么程度，主要取决于企业的制造系统的设计、控制以及管理实施。 在企业管理流程中，信息越精确，越能及时得到，在企业核心领域里的实用性越强，企业的决策者九月能够利用这些信息并辅之以商业模型来做出重大的决策，这就是MRPⅡ（物料资源规划）概念形成的由来，该概念后来演变成了ERP（企业资源规划）。在九十年代，全球有数十亿美元投入了ERP系统的实施，大家期望从ERP系统的实施中能够“抱个大金娃娃”，使企业的竞争优势可以大大增强。 但不幸的是即使是一个非常优秀的ERP的模型，如果在实施时不能和制造系统的操作以及企业的实时双向信息流完美的集成起来的话，该系统也是不可能持续的起到作用的[Harrold，2001]。在企业中，几乎所有的在线和实时信息都是从过程控制系统或叫工业自动化系统中来的；信息很难甚至不可能从上到下或从下到上进行传输或流动。在这种情况下，企业自然不能从ERP中得到他们在项目实施之前所期望的效果；ERP与其说是一种成功有效的商业工具，不如说是一种摆设[O’Leary，2000]。 ◆ 无缝集成的机会：开放式平台系统 ERP面临的窘境不代表它的概念不好，只不过是企业现存的技术还不足以支持这个优秀的概念。 在上个世纪九十年代，随着计算机、通讯、软件和微电子技术的发展，一些过程控制系统的专家提出了基于因特网的“开放式控制”的概念[Gerold，1996]，紧接着，一些被称为开放式平台的新型控制系统被推出[Mintchell，2001]。这些新系统可以通过Internet或Intranet网与外界系统如MIS、ERP等系统进行通讯，使得企业内的制造系统和商务系统之间的信息的实施、无缝的双向流动成为可能。 继热变全球的“电子商务”之后，一个新的名词——信息化制造（E-Manufacturing）诞生了，另外，还有C制造（协作化制造）以及MES（制造执行系统）等新名词，都代表了类似的意义。从中文读音上口的角度考虑，我们选用E-MANUFACTURING（中文为“信息化制造系统”）来统称这一类的系统。其实，自从网络泡沫破裂后，单词前面是否加一个字母“E”或“C”并不那么重要，重要的是这些系统如何能够帮助企业得到独特的竞争优势。 1.2问题 针对ERP系统实施的前车之鉴，关于信息化制造系统，重要的是要找到把一个普通的制造系统转化为信息化的制造系统的实施途径及其障碍。相应的对信息化制造系统的功能、好处和评估方法也将在下文中进行讨论。 1.3研究目标 关于信息化制造系统的具体的物理模型（如硬件结构和软件组态）不是本文所研究的范畴，本文将主要从商务和系统的角度，在讨论信息化制造系统的特征的同时来探讨信息化制造系统的设计途径和方法，对于如何评估是否应该投资和实施信息化制造系统的判据将予以讨论。 2.有关研究回顾 从九十年代后期开始，许多专家开始从事信息化制造系统的研究，2000年后，随着电子商务的发展，研究的力度逐渐加大。以下介绍一些关于MES、C-制造、E-制造的方面的有代表性的研究结果。 Mr.Swanton[Swanton，200]建议从供应链、实时响应需求、产能精密调节等过程变量进行研究。他指出，信息化制造系统应该包括如下这些方面：技术规格的严格一致，废品废料的减少，优化调度，均匀平稳的产品流量，和最佳的产品切换和导入时间。Dave Harrold在2001年发表的数篇文章中首次提出了E-制造的名词，并讨论了一些基本的研究主题。他重点就IT和ERP的结合如何能够为企业带来效益的研究方向进行了详细探讨。Mike Morel（惠普公司的工业市场经理）进一步指出，在信息化制造的过程中，企业可以分三个步骤来进行，这样可以把实施信息化制造系统所带来的波动减到最小。不论在哪个阶段，详细具体的信息都必须可以由企业内部各方得到，但又必须对用户保密，对于有共同利益的合作伙伴（如供货商、外协加工商、合作研究单位等），要进行部分数据可选择的共享。Laura Zurawski和Mark T.Hoske,他们给出了在企业中实施信息化制造系统的优点，并给出了几个应用的实例。 配方管理式信息化制造系统所涉及的一个重要组成部分，Dennis Brandl，对通用制造过程中的配方管理进行了详细探讨。Gary A.Mintchell，在研究开放是控制系统的同时，也讨论了其在协同制造过程中的角色和应用，他在文中把开放式控制系统作为协同制造的“伙伴”。 3.制造系统，ERP和开放式控制系统 3.1制造系统的定义 在引入信息化制造系统的概念之前，先介绍一下制造系统的定义并对制造系统的本质进行一个简要的分析。 制造系统由一系列的设备等元素组合而成，目的是把原材料转化为成品。这些物件包括机器、工具、物料处理设备和人员。除了原材料之外，制造系统还需要信息（顾客定单、系统现行的状况等）、资本（资金，设备和固定资产）和能源（劳动力、电力和辅助能源等）作为系统的输入。系统的输出包括成品、信息、废品和利润。 制造系统包括对系统进行支持、操作和控制的所有的功能，维护、工程、人力资源、财务、销售和市场营销也是制造系统资源的一部分。基于成本控制机制的制造系统与基于运行状况的控制机制的制造系统有很大的区别，尤其是在产品成本、质量和产出时间等参数上的要求等方面。图1示出了一个制造系统的构成框图，请注意系统中的物流和信息流。 3.2ERP：信息流动的重要性 ERP是一个试图把企业内所有的部门和功能都集中到一套计算机系统内并满足所有系统的特殊需要的一个高端解决方案。如果产品和生产的有关信息可以及时被收集、存储和保护起来的话，制造过程的偏差会很快得以纠正，从而保证只有安全、可靠的产品才能被发布和销售。不论企业是生产电脑芯片、石油、日用品、饮料还是处方药品，这个需求都是相同的。 所有现场的数据都由控制系统来采集，但在传统的专用控制系统中，ERP系统无法得到有关制造过程的实时信息，这一点严重的阻碍了ERP系统的长处和优势的发挥。用传统的自动化控制系统无法在企业内部实现实施的信息流动，这是在企业中ERP实施的主要困难。 3.3测量和控制产品的进展 3.3.1三代控制系统 第一代控制系统诞生于70年前，是以机械原理为主进行控制的一些仪表。目前，占主导地位的控制系统是诞生于1970年左右的第三代控制系统。控制系统采用基于电脑原理的测量控制和信息技术，通过对制造过程的监视、参数（温度、压力、流量等）的控制，是制造过程达到最优化，以提高企业的生产率和效率。 控制系统的主要制造商几乎都是世界著名的跨国公司，如GE，Siemens，Honeywell，ABB，Rockwell，等等。由于产品技术都是由他们各自独立开发的，几乎所有的系统都是专用的，这意味着一个制造商的产品无法或很难与另一个制造商的产品进行通讯，同样也很难与第三方的产品和系统，如MIS、ERP等系统进行通讯。这种状况一直持续到临近21世纪，系统之间的互连和企业内的集成成为普遍的需求，而系统的不能兼容已经成为一种极大的障碍时，专用系统的弊端才引起人们的广泛重视。 3.3.2对开放系统的呼唤：第四代控制系统 开放式控制系统，也被称为第四代控制系统，是在一个基于IT技术的平台上对制造过程进行控制和监测的自动化控制系统[史珺，2001]。开放式系统的应用使得在企业内的任何一点——从工厂的底层到最高的管理——得到的过程信息，而且，在该平台上，不同系统之间可以进行互连和集成，它们之间的信息也可以共享。在开放式控制系统中，过程优化和局部过程控制得以实现，从而使用户在大大降低成本的基础上提高效率，改进质量和安全性。第四代控制系统产生的动因基于如下几个方面的需要：不同系统的互连，对数据库访问的简易性和成本的降低。通过开放式控制系统，ERP系统可以得到一切所需的制造过程状况得实时信息，从而真正发挥巨大作用。 3.3.3控制系统与IT系统的相似性 当制造工程师与IT工程师沟通时，发现很难有共同语言，而且相互都缺乏自信。产生这种现象的部分原因是由于各自的术语不同，但主要是由于双方对构成企业的框架结构的理解差异造成的。例如，设备在大多数情形下是根据资产类型划分的，而信息是按功能科目划分的结构型，而人力资源是根据工作性质区分的组织型。根据工作性质，企业的部门通常被划分为财务、研发、采购、生产等部门，而设备（资产）则包括大楼、车辆、储罐和机器等。 但出乎大多数人意料的是，控制系统的组态是基于科目划分的，比如在控制系统组态时常常遇到的控制回路、泵、电机、连锁顺序控制等，很少有用户或操作员意识到他们在和不同的资产或不同的部门的设备打交道，在操作站的控制画面中，所有的基于科目的部件都体现在一个基于操作功能的结构体系中。根据科目划分的结构同样也存在于IT系统中，自动化控制的图形模拟显示出控制回路和容器上的泵或其他机械。类似的，数据信息和数据中心将数据仓库中的信息模拟显示出特别的顾客、产品和定单状况，表现方式同样是通过图表、图形和报表，显示格式可以由各个特别的用户群来定义。 这些类似性使控制工程师很容易了解电子商务的设计和实施，它是E化制造或信息化制造系统的基础和核心，它们使信息化制造有存在的意义，得以可行并具有实用价值。 4.信息化制造系统（信息化制造）：结构、功能和效益