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1、华中科技大学 硕士学位论文 装配型MES及其生产调度研究 姓名：张晓燕 申请学位级别：硕士 专业：工业工程 指导教师：饶运清 20070529 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 制造执行系统(MES)是制造车间生产管理信息化的重要技术手段，通过 MES 可以 实现对车间生产过程的可视化、实时化与精细化管理，从而显著提高车间的制造效 率、改善产品质量。本文以某军工企业导弹装配车间为应用背景，进行了导弹装配 MES 系统的需求分析与总体方案设计，并研究了装配型 MES 中的生产调度技术。主 要研究内容如下： 首先，本文在对
2、背景企业进行大量调研的基础上，结合 MES 理论，详细分析了装 配型生产车间对 MES 系统的需求，主要包括装配生产中的作业调度、实时数据采集、 物料跟踪、质量控制、工具管理、设备监控等。 其次，结合企业现有的信息化建设现状，进行了装配型 MES 系统的总体方案设 计，提出了装配型企业的 MES 解决方案，包括系统体系架构构建、开发工具选择、数 据库设计及系统集成方案等。 再次，针对现有装配作业计划排序方法的不足，应用最优生产技术和约束理论 （OPT/TOC） ，提出了一种基于瓶颈分解的启发式调度算法，可用于装配型 MES 中的 实时动态调度问题，并通过实例验证了算法的有效性。 最后，对本文研
3、究进行了总结，指出了军工行业装配型 MES 及其动态调度技术进 一步的研究方向。 关键词关键词：制造执行系统（MES） 装配车间 生产调度 瓶颈 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Manufacturing Execution System (MES) is an important means for enterprise to implement production management informationization. By implementing MES, enterprises can re
4、markably improve the production efficiency and quality as a result of achieving real- time tracking and visual management in manufacturing process. Due to the importance of MES in the production management, the MES for missile assembly manufactory and its production scheduling on the background of a
5、 military enterprise is studied in the thesis, focusing on system demand analysis, system integrated design, and real-time scheduling algorithm in MES. The main research contents are as follows: Firstly, the system demand of MES for missile assembly manufactory is analyzed in detail based on the the
6、ory of MES and a great deal of investigation and study of the military enterprise. The MES functional requirements of the assembly factory include: production scheduling, real time data acquisition, material tracking, quality control, tool management, equipment monitoring, and so on. Secondly, with
7、the existing enterprise informationization, the MES solution for military assembly manufactory is proposed, and the system design technology which involved system architecture construction, development tools selection, database design and system integration technology are introduced. Thirdly, consid
8、ering the insufficiency of current shop-floor scheduling, a heuristic algorithm based on bottleneck decomposition is proposed in order to solve the problem of real-time and dynamic scheduling in MES. Besides, an example is given to validate the effectiveness of the algorithm. Finally, the conclusion
9、s are drawn and the further research directions of MES and dynamic scheduling algorithm are pointed out. Keywords: MES; Assembly shop; Production Scheduling; Bottleneck 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识
10、到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技
11、大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题研究目的、背景和意义课题研究目的、背景和意义 21 世纪的制造企业面临着日益激烈的国际竞争，许多企业通过实施 MRP/ERP 来加强管理。然而上层生产计划管理受市场影响越来越大，明显感到计划跟不上变 化。因为如果上层计划层不能及时获得车间现场的制造信息，其制定出的生产计划往 往误差较大，车间难以严格执行。而底层的控制层由于没有实时动态信息的指导，其 生产效率则会受到制约。而作为关系国家、民族安危的军工制造企业，由于其产品的 特殊性，对于准确性、及时反馈性的要求比普通制造企业更高。 虽然军工行业是最早应用信息技术的行业之一，经过多年
12、的发展，信息化基础设 施建设已经具有相当的规模，信息化工程应用水平也处在国内各行业的前列：CAD 技 术在绝大部分军品设计上已普遍采用；PDM 和 CAPP 技术应用在企业逐步开展。但是 军工行业的生产管理模式及相关信息化建设仍有待进一步的改进：目前，军工企业的 管理层了解车间生产情况的途径主要是由厂内下一级通过定期向上一级汇报和各级别 之间电话查询的方式了解产品的生产状况，这种模式带来的弊端就是不能实时、准 确、直观地汇报军工企业的运作情况。 由此可见，在企业的计划层与底层车间控制层出现了一道鸿沟，车间生产中遇到 问题不能及时解决，所以必须要有一种全新的交互模式来取代传统模式。因此如何有 效
13、地解决两者之间的矛盾，填补这道鸿沟，提高计划的实时性和灵活性，增强生产计 划管理的响应能力，同时改善资源的运行效率，已成为一个重要的研究课题。 制造执行系统（Manufacturing Execution System, MES）的出现正好填补了二者之 间的鸿沟，它是连接上层计划层与底层控制层的纽带，可以有效地实现生产计划层与 车间底层控制信息的充分交互。因此，在企业中实行 MES 系统，车间各种信息及时传 递和充分共享的基础上，车间的生产计划、调度才具有更高的合理性，车间生产过程 才能得到严格的控制。 基于以上原因，项目组进行了“JN-MES1.0”项目的研究这是一个面向军工装 配企业的 M
14、ES 系统开发应用项目。在此系统平台上，上级可以随时访问车间信息，对 所关注的信息进行实时的监控、跟踪、查询。这种模式的优点是改变了传统的管理模 式，使分厂的管理人员能够随时对车间的生产进度、加工情况、原材料来源等信息进 行准确、直观的监控。因而，节约了时间，提高了效率，更有利于及时准确地发现问 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 题，解决问题。 课题的背景企业某军工企业，是中国兵器集团公司所属的大型骨干企业，承 担国家军品的研发任务，产品机构复杂、质量要求高，其生产类型为面向订单的离散 型单件小批装配生产，具有一定典型性。此外，由
15、于军工企业的保密性，目前可查询 到的军工企业 MES 系统的成功应用案例并不多见。因此，本课题研究对探索适合中国 国情的装配型企业 MES 的发展之路具有现实意义。 1.2 制造执行系统（制造执行系统（MES）的国内外研究综述）的国内外研究综述 1.2.1 制造执行系统（制造执行系统（MES）的定义与内涵）的定义与内涵 制造执行系统（Manufacturing Execution System, MES）是美国先进制造研究机构 （Advanced Manufacturing Research, AMR）在上世纪 90 年代提出来的概念，目的是为 了加强制造计划的执行能力i,ii,iii。MES
16、 是位于企业应用软件的计划层和控制层之间的 执行层，通过把 ERP 计划和车间作业现场设备控制连接起来，以解决上层生产计划管 理与底层生产过程脱节的矛盾。MES 集成了车间中生产调度、工艺管理、质量管理、 设备维护、过程控制等相互独立的系统，使这些系统之间的数据实现完全共享，完全 解决了信息孤岛状态下的数据重叠和数据矛盾的问题。同时，MES 系统可以收集生产 过程中大量的实时数据，对实时事件实现及时处理的同时，还与计划层和生产控制层 保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令iv。从而提 高企业信息流的连续性和实时性，达到提高企业敏捷性的目的，也为企业实现敏捷制 造打下坚实的基础。 目前对于 MES 尚无统一的定义，MES 国际联合会（Manufacturing Execution System Association, MESA）认为i， “MES 能通过信息的传递，对从订单下达开始到产 品完成的整个产品生产过程进行优化的管理，对工厂发生的实时事件及时做出相应的 反应和报告，并用当
