面向大规模定制的扩展制造执行系统及其关键技术研究

论文摘要

制造执行系统是位于上层计划管理与底层工业控制之间,面向车间制造过程管理与控制的信息系统。制造执行系统一经提出便得到了学术界和工业界的广泛关注,近年来国内外围绕制造执行系统所进行的研究和应用已取得不少成果,但是对面向大规模定制的制造执行系统所进行的研究还远远不够。论文在国家863项目资助下,结合企业的实际需求,对面向大规模定制的扩展制造执行系统及其关键技术进行了研究。环境的变化是永恒和不可预测的,制造系统生存发展的能力取决于其对环境变化的响应能力。随着产品品种日趋多样,制造过程日趋复杂,仅仅依靠车间自身制造资源完成生产任务变得越来越困难,将地域上分散的制造资源动态集成,构建跨地域的、资源分布的扩展车间,成为制造系统提高快速响应能力,赢得市场竞争的一条重要途径。论文分析了车间制造系统的发展变化,指出大规模定制环境下的车间是一种建立在广泛合作基础之上,具有灵活组织结构和快速响应能力的扩展车间,其生产活动已经延伸到跨度多个地点、多个合作伙伴的广阔制造空间,其生产管理与控制需要一种建立在制造技术、信息技术和现代管理技术有机结合基础之上的扩展制造执行系统来支撑。为此,依据扩展车间生产管理与控制的要求,遵循有关标准,提出了一种由功能层、工具层和信息交互层组成的扩展制造执行系统的框架结构。该框架下的扩展制造执行系统着眼于对广阔制造空间中的生产活动进行管理与控制,注重车间层面的生产协同和更大范围内资源的优化利用,重视与现场设备和人员的信息交互;其特点表现为纵向支持上层设计、管理等系统与车间底层生产设备和人员的集成运行,横向支持跨地域的协同制造。大规模定制环境下的扩展车间任务变化频繁,制造资源分散,产品种类多,生产批量小,难以有效制定作业计划。相似性是事物之间共性的一种表现形式,对于将个性化产品的定制生产问题转化或部分转化为批量生产问题具有重要意义,基于这一认识,论文提出了一种基于工艺过程相似性分组的扩展车间分级作业规划方法。该方法将扩展车间作业规划分为三个阶段,第一阶段对扩展车间进行逻辑制造单元重组,把作业任务归并为在资源使用方面具有相似性的作业任务组,从而将个性化产品的定制生产问题转化为逻辑制造单元内的批量生产问题;第二阶段对逻辑制造单元进行作业规划,实现逻辑制造单元内作业任务的优化排产;第三阶段对外协加工任务进行作业规划,实现外协加工任务在外部制造资源上的优化分配。论文对扩展车间分级作业规划每一阶段的问题进行了深入研究。针对扩展车间第一阶段逻辑制造单元重组问题,提出了一种基于资源约束的扩展车间逻辑制造单元重组方法,以实现资源与生产任务的合理匹配。针对扩展车间第二阶段逻辑制造单元作业规划问题,建立了以资源负荷均衡和任务完成时间最短为目标函数的扩展车间逻辑制造单元作业规划模型,以优化单元内的生产作业计划。针对扩展车间第三阶段外协加工作业规划问题,建立了以外协加工成本最小为目标函数的外协加工任务优化分配模型,以实现外协加工任务在外部制造资源上的优化分配。基于本论文研究内容所开发的扩展制造执行系统原型系统已经在重庆卡福汽车制动转向系统有限公司试点应用,取得了较好的应用效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 制造业的环境发生了根本性的变化
• 1.1.2 制造业生产方式的演变
• 1.2 国内外相关领域的发展及研究现状综述
• 1.2.1 大规模定制概述
• 1.2.2 制造执行系统国内外研究现状综述
• 1.3 论文研究的目的意义
• 1.4 课题来源
• 1.5 论文主要研究内容
• 2 面向大规模定制的扩展制造执行系统
• 2.1 大规模定制环境下的扩展车间
• 2.1.1 扩展车间的涵义及其特点
• 2.1.2 大规模定制环境下扩展车间资源组织模式
• 2.1.3 大规模定制环境下扩展车间分层递阶控制结构
• 2.2 面向大规模定制的扩展制造执行系统
• 2.2.1 车间制造系统生产管理活动及其信息流分析
• 2.2.2 制造执行系统的基本功能分析
• 2.2.3 面向大规模定制的扩展制造执行系统框架结构
• 2.2.4 面向快速响应的扩展车间现场信息交互
• 2.2.5 面向大规模定制的扩展制造执行系统关键技术
• 2.3 本章小结
• 3 基于工艺过程相似性分组的扩展车间分级作业规划方法
• 3.1 引言
• 3.2 基于工艺过程相似性分组的扩展车间分级作业规划方法
• 3.2.1 成组技术的基本原理及其应用
• 3.2.2 基于工艺过程相似性分组的扩展车间分级作业规划方法的基本思想
• 3.2.3 基于工艺过程相似性分组的扩展车间分级作业规划模型
• 3.2.4 基于工艺过程相似性分组的扩展车间分级作业规划流程
• 3.3 扩展车间逻辑制造单元重组
• 3.3.1 扩展车间逻辑制造单元重组问题描述
• 3.3.2 承担外协加工任务的外部制造资源的表示
• 3.3.3 工艺过程相似性因子的表示
• 3.3.4 任务相似性矩阵的分割
• 3.3.5 基于资源约束的逻辑制造单元重组方法
• 3.3.6 举例分析
• 3.4 扩展车间逻辑制造单元作业规划
• 3.4.1 扩展车间逻辑制造单元作业规划问题描述
• 3.4.2 扩展车间逻辑制造单元作业规划模型
• 3.4.3 模型求解算法设计
• 3.4.4 举例分析
• 3.5 外部制造资源选择与外协加工任务分配
• 3.5.1 外部制造资源评价与选择
• 3.5.2 外协加工任务优化分配
• 3.6 本章小结
• 4 原型系统开发及应用
• 4.1 引言
• 4.2 需求分析
• 4.3 扩展车间的组建
• 4.4 原型系统开发
• 4.4.1 系统功能模型
• 4.4.2 系统信息模型
• 4.4.3 扩展制造执行系统应用部署方案
• 4.5 原型系统介绍
• 4.6 应用效果
• 4.7 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录