MES环境下制造企业设备全生命周期管理系统的研究

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导读

文章重点介绍了全生命周期的思想、管理模式及系统总体功能，同时介绍了开发系统的重要手段。企业实践表明，该系统可减少企业资金浪费，提高生产效率，使企业设备更趋于规范化。

文：李照兰张永亮仲梁维

作为MES中重要部分的设备管理，直接影响到企业的运营状况。但是目前我国在机械行业的设备管理中存在一定的缺陷，如设备管理方法不规范、缺乏理论指导，以及设备定位不准确等问题。目前设备综合管理只是一种思想，全生命周期管理也只是停留在认识阶段，没有用系统工程的思想对设备管理进行整体规划，从而影响企业的市场竞争力及生产效率。因此需对MES环境下的制造企业中全生命周期的设备管理系统进行研究，以达到对设备管理花费少、效率高的最佳效果。

1 MES环境下设备全生命周期管理概述

1.1 制造执行系统中的设备管理系统

设备是制造执行系统中的重要资源，尤其是设备作为生产工具，直接影响着企业的生产效率及经济效益。在企业日常生产过程中，MES是企业的执行层，企业的生产任务必须由设备来完成。设备作为制造执行系统的重要组成部分，与企业的生产计划及经营紧密相关，并将企业的计划层与控制层连接起来。

MES与设备管理系统的关系如图1所示。

图1 制造执行系统与设备管理系统的关系

1.2 设备全生命周期管理思想

产品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)是生产企业对产品从研发、设计、生产、使用直至淘汰的整个生命过程进行的一体化管理。

PLM是企业增加收入、协调运营、降低生产成本、帮助企业打开市场、减少重复劳动和优化客服的一种重要手段。产品全生命周期管理可以覆盖到产品的设计、制造、生产、使用及报废的各个环节，同时该管理方式也同样适合制造企业设备的管理。因此，本文将其理念延伸并应用到设备全生命周期管理中。

传统的设备管理起点是从产品全生命周期管理终点开始的，即从制造加工设备的厂方将设备卖给用户企业开始管理的；而本文所述系统的设备管理的起点是从购买设备的厂方提交采购申请时开始，即设备全生命周期管理的起点是在产品全生命周期管理还未结束时就已经开始了，管理终点是设备报废。

该设备管理系统是对一台设备从计划采购申请到设备报废整个生命过程的管理，其架构如图2所示，总体可分为设备前期管理及设备后期管理，系统中以设备为核心，对设备进行整个生命运行过程的管理，并对整个过程数据进行统计生成报表，用于分析存储。

图2 设备全生命周期管理架构

1.2.1 设备全生命周期的前期管理

从设备开始规划到交付是设备全生命周期的前期阶段。此阶段对设备的可靠性及维修性有决定性作用，并且在设备前期管理中的投资费用极高，直接影响设备的可利用率及生产成本。

设备前期管理主要包括设备的计划与投资预算、设备的选型与购置决策、设备的安装和调试以及设备初期使用管理。

1.2.2 设备全生命周期的后期管理

设备后期管理主要包括设备的台帐、维修、保养和设备报废的管理，即设备台帐管理、设备维修管理、设备调拨管理、设备报废管理及设备配件管理等。

2 MES环境下设备全生命周期管理系统总体设计

2.1 系统体系结构设计

信息系统管理(MIS)平台的发展历程主要包括以下几个阶段：主终端结构、文件/服务器结构(F/S)、客户机/服务器结构(C/S)，以及Web浏览器/服务器结构(B/S)。由于前两种存在很大的缺陷，已经基本被现在的信息管理系统所淘汰，客户机/服务器(C/S)和浏览器/服务器(B/S)分别是目前信息系统管理常用的两种平台模式驯。

近年来，随着Internet技术的逐步发展，B/S模式逐渐为人们所熟知，B/S模式其实是对传统两层C/S模式改进与创新的新型网络结构模式，其实质还是三层体系结构的C/S模式。在B/S模式体系结构中，用户界面完全通过浏览器实现，在前端实现的是一部分事务逻辑，而主要的事务逻辑是在服务器端来实现。最后形成的三层体系结构为：客户层(实现用户界面、提供信息浏览)、Web中间层(实现客户的全部业务逻辑)，以及数据服务层(实现数据定义、存储、备份和检索等功能)。

经以上分析并结合实际情况，考虑到本系统有着用户数量大、设备位置不集中、客户端配置不统一的特点，C/S结构不适合本系统，尤其是软件的维护、保养、升级以及客户端配置方面，使用C/S结构会产生很多麻烦；而B/S结构更加适合本系统。设备全生命周期管理系统体系结构图如图3所示。

图3 设备全生命周期管理系统体系结构图

2.2 系统功能设计

设备全生命周期管理系统主要包括设备采购管理、设备台帐管理、设备运行管理，以及设备库存管理等功能，其中设备运行管理包括设备维护、保养、调拨及状态改变四个模块，在此期间各个环节紧密相连进行设备全面综合管理，为各个管理部门提供准确的设备使用情况依据，从而方便企业对设备做统筹管理，为企业设备的资产值估算提供可靠依据，提高了企业的设备集成化、信息化水平。设备全生命周期管理系统功能模型如图4所示。

图4 设备全生命周期管理系统功能模型

1)设备采购管理：主要分为提交设备采购申请、采购、交货、调试和入库等流程，实现了对设备的前期管理，对整个采购过程有明确记录信息，为设备资产统计提供了方便。

具体流程是：提出设备采购申请，若审批通过则根据供应商信息及设备信息由专人进行采购；当设备交货调试完成后，应对设备进行入库登记，在完成设备采购的同时对整个过程有具体的记录信息，为以后的设备采购及管理提供必要的依据。

2)设备台帐管理：所谓设备台帐管理即是对在用设备的一些重要属性的管理，为企业设备折旧等提供一定依据；同时对设备整个生命周期特性进行跟踪、查看及查询，实现对在用设备的具体状况进行动态了解。

3)设备运行管理：该模块记录了设备的维修、保养、调拨和状态改变(报废、出租和停用)等信息，对设备运行状态信息进行汇总，同时根据设备统计报表对设备的生命周期做出判断，定时设定维护及保养计划以提高设备的使用年限。同时，根据设备的具体运行状况、故障记录、先前故障登记，以及重要监测点的检查数据等信息，并结合实际生产经验，实现设备维护、保养计划的自动生成，并规范设备维护、保养预警提示信息及故障处理措施；设备调拨主要用于设备具体位置及使用情况的管理，以保证对设备的管理准确无误，同时对设备每次位置及部门的调动做到动态跟踪；设备状态改变主要是根据现有设备使用情况及采购情况决定设备是否报废，同时记录设备报废及状态改变的原因，便于以后对设备的信息进行管理及固定资产估算，提高企业设备的利用率。

4)设备库存管理：主要用于设备及配件库存的出库、入库信息的记录，合理调节设备库存与设备运行状态的动态平衡，在保证生产效率的前提下尽量减少设备的库存，以提高生产效率。

3 系统开发的关键技术

3.1 设备编码规则

正确的设备分类编码是实现设备统一管理的重要手段，设备编码要遵循可拓性、稳定性、可操作性，以及唯一性等原则。目前的设备编码种类很多，该设备管理系统在依据实际情况的基础上采用数据库通用的混合编码形式，具体为：单元码-类别码-组别码-主参数码-序列号码，各码间用连字符隔开。单元码是指设备所在的具体位置，用小写汉语拼音字头表示，长度一般为4个字母，例如设备在“加工车间”则用“jgcj”表示；类别码主要是指设备、量具、配件、模具等，用小写汉语拼音字头表示，长度一般为2～4个字母，本文中是对“设备”的编码，所以类别码为“sb”；组别码是指设备的种类，长度小于5个字母，用设备种类的小写拼音字头表示；主参数码表示设备最主要的加工参数，一般用字母加数字表示。设备分类组别码如表1所示。

表1 设备分类组别码

根据本系统中的企业车间设备采购、维护、保养及库存等情况，结合上述编码原则，具体的设备编码如图5所示。

图5 设备编码

3.2 基于工作流的动态维修任务管理

工作流技术是对企业中具有结构化程序的领域进行管理的技术，其实质是调查业务流程，发现其中的瓶颈，对其进行改进、优化，从而提高企业信息化、集成化水平。一个工作流中包含有一组活动、活动的关系，以及每个活动的内容描述，如执行者，以及过程的启动、终止条件等。

工作流管理技术是指通过计算机代替企业落后的书面记录形式，将各个业务流程通过电子信息管理的方式建立起模型，将有关的信息如零/部件信息、维护信息等传递到相应的用户对象手中。同样接受者也是通过工作流管理技术接收各种信息，如果其中某个步骤完成，工作流会根据有关模型继续传递给下一个用户。在此过程中，工作流系统与执行者共同监控工作流的运行状况，并交互进行，保证将数据准确地传递给相应的对象。

设备维修过程主要包括设备维护、保养、维修计划和保养计划等工作。传统的维护方式都是依据设备维护人员的主观经验，有极大的人为因素，任务的执行一般是以管理阶层的命令方式为主，费事、费力，使维护工作失误、遗漏很多。该系统在研究传统模式的前提下，将设备维护内容进行了动态管理，依据工作流技术提出了设备动态管理模式，具体工作原理如图6所示。

图6 设备动态管理模式的工作原理

维护任务管理模块主要是查看系统中的设备故障、保养等任务，选取其中的任务派发给相应的维护人员，并动态查看任务的完成状态。

维护任务执行模块主要是获取需要维护的任务信息，同时核对维护资源及维护方案是否有相同的维护案例存在，若有，按此案例实现维护；若没有，设置新的维护方案实现维护，同时动态跟踪维护任务的进展情况，并通过维护任务表单将任务的完成信息传递给任务管理模块。

3.3 库存控制策略

配件作为设备维修的基础，具有类型多、无规律性、数量大和占用资金大等特点，实现对设备配件的动态管理可以提高设备的利用率及产品的生产效率。当低于预设库存时启动配件预警提示，提交采购申请，由采购部门发出采购订单，循环进行，实现周期性动态管理。配件库存采购预警模型如图7所示。

图7 配件库存采购预警模型

根据实际情况，在该设备管理系统中采用了设定最高库存量及最低库存量的上、下限库存动态控制的方法。根据MRPⅡ原理，将当前的实际库存量与预设的配件预订货量即库存最低点相比较，具体配件动态分析图如图8所示。

图8 配件动态分析图

由于实际生产过程中影响库存的因素很多，但本文只考虑主导因素生产负荷，定义其影响因子为σ，该影响因子可由生产车间的具体情况分时段设定。图8中曲线C表示的是配件库存量随时间的变化曲线，设定图8中标准库存量为K标，K标因受各种因素影响所以其值随时间有微小变化，根据经验得出需要订货时的库存量即订货点库存量为KD。在t0、t1时的标准库存量分别为K标0、K标1；在t0时刻前的某一时刻，设图8中第二条虚线与曲线C的交点为订货点库存量KD0，此时由于进行订货申请等工作，各项工作完成时为t0时刻，所以实际配件库存量为KA0；由于配件库存是动态变化的，根据采购周期得出，在t1时刻前的某一时刻的订货点库存量为KD1，此时因为进行订货申请等工作，各项工作完成时为t1时刻，故此时的实际配件库存量为KA1；依次类推完成周期性采购。

假设在t1时进行采购，具体配件采购预警数学模型为：在t1时的实际配件库存量为KA1，若KA1

由此得出了配件的合理库存量，这样可以动态管理库存，定时进行采购，节约了企业流动资金，提高了企业生产效率。

4 系统的实现及应用实例

根据本文前边介绍的相关技术及总体功能模型，在客户端采用JSP语言进行用户界面开发，利用Java Bean技术进行逻辑处理，后台采用功能强大易于维护的Microsoft SQL Server数据库，选用TomCat平台作为服务器。系统中的数据交互实现采用微软的ADO数据访问技术，实现了设备全生命周期管理系统的设计。

目前该系统已在某机械加工企业得到应用，满足了企业设备管理信息化的要求，提高了企业牛产效率。设备全生命周期管理系统的主界面如图9所示。

图9 设备全生命周期管理系统主界面

5 结语

本文重点介绍了设备全生命周期管理的必要性及方法，介绍了设备全生命周期管理实现的重要技术及总体功能模型，实现了企业设备管理系统的信息化、动态化，使设备管理水平有了很大幅度的提高，有效地解决了企业设备及配件重复购置、利用率低及资金严重浪费等问题，同时使设备管理的业务流程得到了改善，并且使企业设备及配件的采购、使用状况监测和企业资产的分析有了准确的依据，极大地加速了企业信息化的进程。下一步的工作将是根据不同用户的需求对个别功能进行完善和扩展。

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