2018年1月5日

MES在汽车制造中的应用之实施篇(2) -- 计划管理



由于汽车制造工艺和业务的特殊性,MES系统实施的计划管理也和普通的软件系统实施存在较大不同,下面具体予以说明。

1.    上线节点

汽车工厂的建设有几个关键节点:
-          TTTool Tryout,或Tooling Trial,是指设备调试阶段,MES在此阶段上线。
-          PPPilot Production,是指试生产,物流系统在此阶段上线。
-          SOPStart Of Production,量产开始,ERP在此阶段上线。
对于ERP等系统,一般都是先搭建测试环境,准备主数据,进行配置、测试,然后把数据导入生产环境,然后在SOP上线。
但是MES由于要和设备高度集成,因此必须利用TT的时间窗口进行调试,甚至一些工厂要求MESTT之前一个月上线。
一般来说,TT时的调试车辆较少,一个车间只有数台,并且出现问题时可以随时停线。但是从PP开始,每天的计划量会渐渐增加,不适合处理重大的设备接口问题。
TTSOP之间往往会有数月的时间差,因而这里就存在一个项目管理的问题:MESERP往往作为同一个信息化项目群管理,但是两个系统的上线时间差距较大,因而给项目计划、资源调度等都带来一定的挑战。

2.    开发模式

MESTT上线还带来一个开发模式的问题。
近年来,受互联网开发的影响,敏捷式开发的理念广为流传,但在汽车制造MES领域,恐怕还是瀑布式+模块化开发的模式更为合适。
比如设备集成模块在TT发布,ERP接口在SOP发布,并且每个模块在发布时必须是功能完整、性能可靠的。
由于设备集成模块上线早,而MES完整实施周期又很长,因此为了节省开发资源,必须将功能点按照模块发布顺序进行开发。
MES还有一个特殊点是:通常在搭建好生产环境后,直接在生产环境上进行开发和配置。原因有2点:1OPC调试的结果只针对实际配置的服务器,如果用测试环境调试OPC成功,未必就能保证生产环境调试OPC成功;2是在生产环境下应用服务器和数据库有冗余设计,网络服务器有负载均衡设计,而测试环境非常简单,这些高性能设计无法在测试环境下得到验证。

3.    设备调试过程

本章节重点谈谈设备调试过程。
由于MES设备调试在TT阶段就开始,而此阶段工厂还在建设之中,比如某些区域供电和网络还没有正式完成,需要临时供电、供网等,因而许多工位需要做多轮调试。
就功能而言,一个业务功能点可能需要经历这些调试过程:
-          供电和网络调试。工位上线后检查操作系统、客户端、网络等基础设施和配置。
-          通信调试。又称心跳调试,从设备PLC端发出心跳信息,MES接收后发回反馈信息,主要检查通信和双方的基础握手逻辑,以及耦合器等通信设施是否正确配置。
-          虚拟业务调试。在实车到来之前,从PLC/HMI上发出虚拟的业务信号,MES根据业务逻辑和握手协议返回处理信息。这是因为在TT阶段车辆较少,而调试的工位多,MES工程师要尽可能利用OEM电气工程师的时间来调试逻辑。
-          实车调试。在虚拟业务调试完成之后进行,主要是验证物理设施如传感器、编码器是否正确配置。
在调试阶段,不同工位的不同调试过程是穿插进行的。比如在焊装车间,OEM电气工程师有十多人,而MES控制工程师只有1人,那么有可能MES工程师上午调试某工位的心跳,下午可能去调试另一工位的虚拟业务。
具体到时间计划方面,一般而言,第1个工位需要预留1周的完整调试时间(从供电和网络调试到实车调试),这是因为第1个工位面临的许多问题是所有工位通用的,如OPC配置、网关配置等。此后,第2、第3个工位需要预留3天的完整调试时间。之后每个工位预留1天的完整调试时间,2周后每个工位预留半天。




2018年1月4日

MES在汽车制造中的应用之实施篇(1) -- 沟通管理



在汽车制造领域,MES是一个高度复杂的系统,涵盖了计划、生产、工艺、设备、质量等诸多功能模块,要定义的业务流程非常多,要对接的业务部门也非常多。
此外,对于大型汽车集团公司来说,还要处理好集团公司职能部门与工厂职能部门之间的关系,因此沟通管理非常重要。
4.1-1是一个典型的汽车集团公司某工厂MES项目的组织架构图:
4.1-1 MES相关组织架构示意图

我们可以看出,MES作为一个执行系统,直接服务的对象是生产部人员即一线工人,而工厂的职能部门为生产部门提供辅助,此外集团的各职能部门又为工厂提供信息和指导。
此外,一个新工厂的建设,是一个循序渐进的过程,工厂各职能部门的人员是慢慢到位的,因此,往往在项目的前期,由集团的职能部门进行规划,而在后期由工厂的职能部门明确细节,而集团和工厂之间对一些流程和需求的理解也常常存在偏差。
因此,我们在实施MES的过程中,往往存在以下两个挑战。

挑战一:怎么理解业务?
这两年随着工业4.0、中国制造2025等概念的推广,以及互联网造车企业的扎堆进场,MES市场不断扩大,MES行业从业人员也迅速增加,但是不可否认的事实是,真正懂造车流程、懂业务需求的人员还是太少了。
因此不可避免的,在项目实施过程中,存在着业务部门和IT部门在需求理解上的偏差。
为了达成双方理解上的充分一致,我们可以在组织架构上做一些创新。
下面我介绍一个业界最佳实践的例子:康明斯MES案例。
康明斯MES是一个全集团通用的系统,由同一个团队开发,由同一个团队实施,由同一个团队运维。
其中,开发团队位于总部,由来自于IT部门的架构师、技术专家、供应商人员,以及来自于工程部门的业务专家、控制专家组成,以虚拟团队的方式运作。其中,业务专家是从业十多年的发动机专家,精通发动机制造工艺、流程、质量规范,控制专家熟悉生产现场相关设备的运行机制与控制逻辑。业务专家会在新功能开发前,与工程部门、质量部门的技术人员充分沟通,也会了解各工厂的具体细节,在此基础上,汇集形成统一的流程和需求。控制专家会和设备制造商、工厂设备工程师沟通交流,汇集各方信息后制订统一的控制标准。来自于业务专家和控制专家的需求非常有代表性,而开发团队内部沟通又非常透明顺畅,因此整体的沟通成本较小,实践证明效果非常好。

挑战二:怎么统一业务?
现在不少汽车制造商都是大型的集团公司,而工厂则分布在各地,即使是实施统一的MES系统,具体部署到工厂的时候也多少会存在差异。
而从集团的角度而说,MES系统的规划要尽可能地做到标准化,尽量用一套系统,用一个团队进行开发、实施、运维。
那么,怎样来平衡集团的标准化和工厂的个性化呢?
这里介绍一个方法供参考。
首先建立两个专家委员会:MES业务专家委员会、MES控制专家委员会。成员由集团工程院、质量部的专家代表,和各工厂的专家代表组成。每个专家有一定的投票权,其中集团专家有更多的权重。
当某个需求无法达成一致时,由专家委员会进行投票,形成得分最高的方案。开发团队根据此方案进行设计开发,作为标准解决方案的功能模块。如果工厂依然坚持个性化方案,则开发团队作为工厂订制化需求另行开发,但是优先级较低,可在实施时开发和部署。




2018年1月3日

MES在汽车制造中的应用之架构篇(7) -- 松耦合与紧耦合



MES作为一个执行系统,和车间现场的设备、控制系统有密切的集成关系,这是和一般的IT系统有较大区别的地方。
比如ERP下工单是以天为单位的,库存也以天为单位进行结算。
但是MES在需要和PLC等现场设备集成的地方,通常要求系统以秒级单位进行响应。
因此,车间对MES的可用性就提出了很高的要求。
但是另一方面,与PLC相比,MES系统的设备在成本、稳定性、防护等级等方面又有较大差距,因此,业务方对MES的可用性往往抱着怀疑的态度。一些情况下,业务方要求MES高可用,另一方面又要项目组做出“MES当机怎么办的预案。
在这种情况下,就形成了所谓松耦合的设计。
所谓松耦合,是比较紧耦合而言的。
紧耦合,有点类似同步通信,当一方系统出现异常时,另一方也无法正常工作。象康明斯NGMES、福特NGAVS、沃尔沃ANDON等系统都采用了紧耦合的设计。
而松耦合,类似于异步通信,当一方系统出现短暂异常时,不会影响另一方的正常工作。
下面我们举几个松耦合的例子。

案例一:通过条码缓存数据。
挑战:某整车厂总装车间,混线生产轿车、SUVMPV,并且生产节拍达到61JPH(61台车/小时),要怎么保障生产线上设备的防错?
方案:在装车单上打印各设备的防错条码。
当车辆出PBS时,MES系统打印装车单,并为各设备生成防错条码。防错条码由事先定义的字符串组成,包含车型、工艺参数等数据,并且合成一个长字符串。此过程由MES根据工艺配置自动完成,不需要和PLC交互。
当车辆进入防错工位时,工人扫描装车单上的防错条码,设备PLC经由扫描枪识别条码对应的字符串,再对字符串进行拆分、反向解析,得到所需的防错指令。此过程由PLC根据配置自动完成,不需要和MES交互。

案例二:通过RFID缓存数据。
挑战:某发动机装配车间,变型机较多,且工艺经常调整,因此需要MES能够灵活地处理工艺变更,并且对现场生产的影响要尽可能小。
方案:在大容量RFID TAG上存储工艺数据。
首先,在MES系统设计一个工艺管理模块,可以通过界面灵活地定义各机型在各工位的工艺。
其次,当发动机上线时,MES查询机型的工艺配置数据,得到此发动机在各工位的工艺参数,并且通过PLC写到64KB RFID TAG上。
第三,当发动机到达装配工位,PLC读取RFID TAG上本工位对应的工艺参数,指导设备进行对应的装配、拧紧、检测等作业。作业完成后,PLC把追溯需要的数据追加到RFID TAG上。
最后,当发动机到达下线工位,PLCRFID TAG上追加的数据上传给MES
我们可以看到,仅仅在上线、下线工位,PLC需要和MES实时交互;而在大部分的装配工位,作业仅仅通过PLC进行。
此外,由于工艺配置维护在MES系统里,配置数据存储在MES中,可以通过MES客户端界面,非常方便地进行工艺变更的配置。
3.7-1显示了相关流程:

3.7-1 通过RFID缓存数据





案例三:通过IT PLC缓存数据。
挑战:某整车厂调度系统,能够自动将订单下发给线体PLC,也能够自动从线体PLC同步车辆过站记录。现要求系统提供2个小时的缓存,当系统或网络出现短暂异常时,不会影响现场作业。
方案:通过IT PLC缓存数据。
IT PLC作为现场管理的关键设备,能够和线体PLC实时通信、交换数据。同时,IT PLC提供一定容量的数据存储功能,可以缓存2小时的订单数据和离线过站记录。
每天的生产作业开始之前,计划员在MES中提前锁定订单,系统自动将订单数据下发给IT PLC,并缓存在IT PLC内部数据块中。
当生产开始时,线体PLCIT PLC请求订单,IT PLC检索本地缓存的数据,并转发给线体PLC;当IT PLC本地缓存小于安全值时,则自动向MES请求下发新的订单。当MES系统异常时,由于IT PLC和线体PLC的通信正常,且IT PLC向线体PLC下发的是本地缓存的数据,现场作业短时期内不会受到影响。
在过站记录工位,线体PLC采集RFID TAG信息,并上传给IT PLCIT PLC判断MES是否在线,如在线则将数据上传给MES;如不在线则将数据缓存在IT PLC本地数据块中;当MES恢复在线后,IT PLC将本地缓存的离线过站记录上传给MES

2018年1月2日

MES在汽车制造中的应用之架构篇(6) -- IT PLC的应用



前面在介绍福特NGAVS系统和沃尔沃ANDON系统的时候,都提到了IT PLC的架设。此外,象捷豹路虎中国工厂MES在总装车间也搭建了IT PLC,作为AVI和防错的主控PLC
本章主要介绍IT PLC的作用和架构优点。
ANDON系统搭建专用PLC非常容易理解:方便硬件连接。
以涂装车间为例,拉绳、喇叭、大屏的分布非常分散,要接入线体PLC的话,涉及的PLC非常多。
而有了ANDON PLC,再配合远程I/O和光纤环网,我们就可以把所有的外设接入同一网络,不管是安装还是调试都较为独立,实施风险小。
下面我们以福特NGAVS为例,来看看IT PLC在软件实施方面起的作用。
3.6-1显示了没有IT PLC的架构关系:

3.6-1 IT PLC

3.6-2显示了有IT PLC的架构关系:

3.6-2 IT PLC

经过对比,我们可以看到IT PLC(NGAVS PLC)起到的作用:
首先,从线体实施商的角度来看,由于剥离了NGAVS DB/FC,线体PLC的业务逻辑更加单纯。PN/PN CouplerNGAVS交换数据映射成I/Q数据,在形式上和一般的外设没有区别,集成非常容易,风险小。项目工程文件中只有业务DB/FC,更加稳定安全,调试时耦合度低。
其次,从NGAVS实施商的角度来看,由于NGAVS DB/FC部署在NGAVS PLC上,不需要考虑OEM PLCCPU差异,所有工位可以应用同一个版本的软件,也不必考虑DB/FC/计时器/计数器的冲突,开发和调试都非常方便。
此外,IT PLC可以提供一些额外的功能,如数据缓存。考虑到现场控制网络比IT网络更加稳定,我们可以在订单下载后将订单缓存在IT PLC上,也可以将现场的过站记录缓存在IT PLC上,这样现场控制系统和上层执行系统形成松耦合的关系,对生产的影响小。