数字化生产管理实训中心管理方案设计与实施.docx
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数字化生产管理实训中心管理方案设计与实施
前言
高校实训中心是以生产产品为结果，以学生为产品实现的重要主体，建设在校内的学生技能训练平台。
对于高校学生来说，由于缺乏工作经验，而企业对从业者的综合素质和技能要求日渐提高，学生刚进企业可能一时难以适应企业文化，所以很有必要在学生毕业之前进行预岗实习。
知识不仅仅是学生所必须要掌握的，相应的技能也要掌握。
而用传统的实训方案难以适应市场经济的变化，所以急切需要一套先进的完整成熟的实训方案对高校学生进行技能实训，以提高学生自身能力适应时代需求。
南京工程学院是一所以工科为主的院校，秉持“学以自用”的办学宗旨，培养学生的要求是能够将知识转变为生产力。
学校先后建设实验中心33个、各类实验室157个、校内实习（实训）基地16个、实习（实训）室76个、校外实习基地96个。
为了适应制造企业对人才的需求，机械工程学院通过了解最新的企业需求以及国内外发展现状，为提高培养人才素质，通过与Predator公司的中国代理商武汉优博睿科技有限公司进行沟通，在校实践中心建设数字化生产实训中心。
为此本毕业设计以南京工程学院的实训中心为基础，着重对南京工程学院机械工程学院的学生技能培训方案进行了细致的研究，通过使学生在模拟生产现场的实践与学习，进一步将其能力与企业需求接轨。
第一章绪论
1.1课题的意义
人才是建设创新型国家的基础，人才培养、尤其是创新人才培养，是基础性、全局性的工作，也是战略性和前瞻性的工作。
在高校人才培养工作中，学生动手实践能力培养是提高教学质量的主要途径。
其中，实验实训中心的建设工作至关重要。
当前大学生就业形势严峻，企业对大学生的要求日渐提高，而现实中由于中国教育模式的一些弊端使得应届毕业生一时难以适应企业需求。
南京工程学院机械工程学院建设了数字化生产管理实训中心主要针对机械学院的各专业进行了生产培训。
传统的生产管理模式存在着信息采集和管理不规范，出现问题追溯不易，效率低下，需要各相关部门及人员进行密切协调合作，沟通环节较多，信息难以准确传达，而数字化生产管理模式解决了这些问题，不会造成信息传递过程中出现误差。
另外数字化生产管理易学易接受，其产生的数据具有准确性，有助于管理人员进行分析研究，从而做出改善措施。
另外，实训中心促进了学生对生产管理模式的了解，有助于推动他们对管理模式的思考，为企业和社会培养更多的人才。
1.2课题背景
南京工程学院是一所以工科为主的院校，秉持“学以自用”的办学宗旨，培养学生的要求是能够将知识转变为生产力。
学校先后建设实验中心33个、各类实验室157个、校内实习（实训）基地16个、实习（实训）室76个、校外实习基地96个。
为了适应制造企业对人才的需求，机械工程学院通过了解最新的企业需求以及国内外发展现状，为提高培养人才素质，通过与Predator公司的中国代理商武汉优博睿科技有限公司进行沟通，在校实践中心建设数字化生产实训中心。
为此本毕业设计以南京工程学院的实训实训中心为基础，着重对南京工程学院机械工程学院的学生技能培训方案进行了细致的研究，通过使学生在模拟生产现场的实践与学习，进一步将其能力与企业需求接轨。
1.3国内外研究现状
目前高校实训中心实训方案相对市场经济变化有些落后，需要相对做些调整。
国外职业教育实训基地的建设的类型以德国的“双元制”模式和澳大利亚的“TAFE”模式为代表。
“双元制”模式：
这是以德国为代表的职业教育人才培养模式，是一种国家立法支持、校企合作共建的办学体制，即由企业和学校共同担负培养人才的任务，按照企业对人才的要求组织教学和岗位培训。
“双元制”的其中一元是指学校，其主要职能是传授与职业有关的专业基础理论知识，进行严格的文化理论教学；另一元是指企业，其主要职能是让学生在企业里接受职业技能专业培训，接受严格的实际操作训练。
因此，这种人才培养模式又叫“双重训练制”。
在实践教学实施过程中，“双元制”模式十分重视学生实践技能的培训。
理论和实践教学之比约为3∶7或2∶8。
同时，理论教学注重实用性，并紧密与实践相联系，服从实践需要。
在企业的培训场所包括有工作岗位、实训工场和跨企业的训练工场。
实训工场的任务是把那些在劳动岗位上无法传授或训练的技能及相应知识传授给学生，工件不形成产品，纯属消耗。
此外职业学校也有教学车间，补充企业里无法完成的培训，为理论教学提供直观和演示手段。
企业的实训教师一般都是技术学院毕业、具备2～5年职业实践的专业人员。
实训教师同时还必须通过教育学、心理学考试，符合《实训教师资格条例》的要求。
“TAFE”模式：
这是以澳大利亚为代表的人才培养模式。
是一种国家框架体系下以产业为推动力量，政府、行业与学校相结合，以学生为中心进行灵活办学的、与中学和大学进行有效衔接的、相对独立的、多层次的综合性人才培养模式。
该模式注重能力本位的教育和培训（CBET），推行统一的国家职业能力资格证书制度。
通过分析有关职业能力，确立权威性国家能力标准，建立了相应课程标准，并由技术与继续教育学院承担技术职业资格等级证书课程的教学，根据学生实际所获知识能力评定技术能力等级。
采取国际上先进的案例结合情景的开放式教学方式，是以学生为中心、以教师为主导的互动模式，能充分发挥学生的积极主动性和创造性。
学制上有全日制课程、部分制时间课程、工读交替制课程、函授与远程课程以及企业学习日课程。
学校具有完善的校内实习、实训基地。
由于澳大利亚政府的投资和企业的赞助，不仅实训设备数量充足、设施完善，而且技术先进，这就为实践教学创造了必要的、现代化的教学环境。
在实践教学实施过程中，十分注重学生动手能力的培养，教室就是实验室，学习环境与工作环境融为一体。
教室里一般摆满了教学用具及一般性试验设备，边讲边练。
学生的实训操作教学都在实习车间进行，业余时间对学生开放。
这种安排，方便了学生的实习和实践，提高了教学效果和学生掌握知识和技能的速度。
TAFE的教师实践经验丰富，全部是从有实践经验的专业技术人员中招聘。
专职教师至少有三年的实践经验，还需定期去企业进行专业实践，同时受过大学专业教育和相关专业的培训，持有教师资格证书，通过4级职业证书，由以上两种典型模式分析可知，它们均具有一个突出的共同点，即以能力为本位，以培养技术应用性技能型人才为目标，始终围绕理论与实践相结合，提高学生实际动手能力。
在实训教学实施过程中，对学生实训操作和技能的培养，前者主要是通过校外基地来进行，而后者却是在校内进行【1】。
在国内，东南大学实训基地的建设在高校中处于领先地位。
东南大学校内实训基地实验教学改革及方案：
1.打破学科和专业界限，整合全校机电类实验教学资源，建立以面向全校学生的工程基础训练、面向机电类/近机类/土建类学生的学科基础训练和面向机电类/近机类学生的工程实现训练为三个层次，贯穿设计技术、制造技术、控制技术和生产保障技术四大主线，分层式、模块化、开放性的网络结构实验教学新体系。
2.完善和优化与机电工程类学科理论课程体系接轨，实验队伍、仪器设备和环境设施等资源配备科学规范完整，管理运作机制先进合理高效的机电综合工程训练中心的体系结构，特别地，为保证实验中心的可持续发展，使其具备示范引领作用，构建教授领衔，理论课教师、实验教师、实验技术人员、研究生助教一体化实验教学队伍。
3.凝炼和建立体现个性化教育和研究性学习的实验教学新模式，特别在实验教学内容、实验教学方法与手段、实验考核方式和实验技术创新等方面有所突破，使中心成为培养学生自主学习兴趣、开拓学生个性潜力、激励学生实践创新的基地，以期达到开阔学生知识视野、陶冶学生思想情操、发展学生健全身心、培养学生团队精神的目的。
4.在优化整合校内实验教学资源、引入校外产/学/研实践教学资源的基础上，加大实践教学投入，实现实践教学装备的规模化、精良化、高效化。
同时，利用网络、信息等现代技术，进一步完善面向全体学生的实验开放运行机制，研究开发支撑人性化、个性化教学的计算机辅助实验教学系统，使学生真正获得发展个性特长、培养创新精神和实践能力的现实平台。
5.以“以人为本，建设和谐环境”的思想为指导，建立科学规范、公平合理的管理体制，充分利用各种政策措施，调动中心全体人员的积极性，培养高尚的职业道德和强烈的责任感，营造团结向上、生气勃勃、乐于奉献、勇于创新的和谐环境【2】。
南京工程学院是一所应用型本科院校，实训中心的建设关系到院校的生存和发展，当前科学技术不断进步，产品结构不断调整，社会呼唤高校加大对人才的培养，为此南京工程学院针对实训中心打算建立一个先进的是实训实验室，并根据现有设备配套设计出实训方案。
其设计思想是根据机械工程学院各专业特点，因材施教，在实训中充分发挥各专业特长，来培养学生的能力。
1.4课题任务
本课题的任务就是根据实验室现有的设备和配套使用软件进行方案设计，并将方案实施，实施完再进行改进。
在方案设计前，需对实训中心使用的软件熟练掌握，了解其工作流程和原理。
另外实训中心主要针对机械工程学院各专业，而专业各有所长，所以在方案设计时要考虑各专业特色，略有区别。
在方案设计后要找一些学生作为实训对象，分析整理实施过程并做方案改善。
第二章数字化生产管理模式
2.1数字化生产管理发展历程及特点
生产管理经历了机械化、自动化等两个大酌历史阶段。
进入21世纪后，随着计算机、数据库和网络等信息技术与现代先进的生产管理理念的不断融合，生产管理逐渐朗着强调信息的集成和共享的数字化生产管理方向发展。
数字化生产管理围绕生产计划与生产控制等过程，针对生产任务和目标，运用数字化定量表达、存储、处理和控制方法，及时准确地采集、存储、更新和有效地组织管理与生产有关的产品信息、计划信息、资源信息、生产活动状态信息等，并进行及时的信息处理、统计分析和反馈，为优化生产过程与经营决策提供快捷、准确的数据和参考方案。
数字化生产管理能满足现代生产管理的小批量多品种、生产提前期短和产品质量高的要求。
数字化生产管理主要有实时性、精确性、集成性、自动反馈、决策支持性、适应柔性生产和小批量多品种的生产模式等特点，由于这些持性使得数字化生产管理更加适合现代企业环境的要求。
1.实时性：
计划信息在下达过程中可以通过网络及时地迭到各个操作人员手中，资源信息和生产活动状态信息以及生产过程中需要及时响应的事件可以及时上传到计划和控制系统，使系统能够及时做出响应和处理。
2.精确性：
数字化管理中计划信息的精确性可以大大地提高，从而提高了计划的可行性和合理性。
计划的粒度可以k常细，计划的准确性得益于制造指令和计划指令的执行状态等各种信息的及时反馈。
3.集成性：
生产管理的各种计划、组织、管理和控制的手段、方法和软件系统集成在数字化生产管理系统平台之上，各种系统能够实时进行信息交换、功能集成和管理工程的协同，整体发挥各个软件的技术特点和功能。
4.自反馈性；各种计划信息、生产活动的状态信息在执行和实施过程中可能会出现不可预测的问题，数字化生产管理系统可以在出现故障时，自动反馈状态信息，并及时响应和处理出现的问题。
5.决策支持：
由于响应的实时性、信息的准确性和系统的集成性，能够对历史生产数据进行统计分析，所以数字化生产管理能够对企业的经营管理和决策支持起重要的的支撑作用。
2.2数字化生产在制造行业的的应用
随着现代制造技术的发展，越来越多新的制造理念、新技术、新设备、新工艺在制造业得到广泛应用，在推动制造业迅速发展的同时，也对传统的企业管理，生产过程控制，生产管理模式，方法，手段提出新的要求。
数字化生产管理在这一时代背景应用而生，它是基于企业具有智能网络化功能的生产设备、涵盖所有部门和岗位的计算机网络系统以及与之相适应的各种管理系统组成的。
在现代制造业中，通常企业由MRPⅡ/ERP系统，也可能是PDM/CAPP、SCM等系统或者是它们中的某些组合制定企业决策，称之为计划管理层。
计划管理层强调企业的计划性，以客户订单和市场需求预测作为计划的来源，制定生产计划、管理企业的各种资源、管理销售和服务等。
该层主要解决企业资源的合理利用和生产计划的编制问题。
在计划的编制过程中，需要企业的设计系统如CAPP/PDM系统提供产品工艺和图纸信息。
生产计划等由计划层制定后，接下来就是任务下放到各个部门，由各个部门去执行。
在传统的制造企业中，各种信息、指令通过公司一级职能部门、分厂、车间班组等各个管理环节传递到生产、制造现场。
现场的各种数据、信息又通过以上环节逆行返回，由于环节多，周期长，执行过程中不可避免的出现各种人为偏差。
在很多拥有大量先进技术装备的现代企业里，因为没有相应的管理系统与之匹配，使先进的设备效能得不到充分发挥，而要解决这个问题就必须引入制造执行系统（MES）。
制造执行管理系统是企业CIMS信息集成的纽带，是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。
执行系统的功能有3方面：
第一，面向车间的生产过程管理与实施信息系统，它主要解决车间生产任务的执行问题。
第二，为了提高车间生产过程管理的自动化和智能化水平，必须对车间生产过程进行集成化的管理，实现信息集成与共享，从而达到车间生产过程整体优化的目标；第三，通过MRP系统输入的生产制造订单把生产和计划实时地关联起来，成为连接二者的桥梁。
接着就是企业车间现场生产，在生产现场中，需要对车间的设备运行状况，生产用时数据及其它数据进行采集，这就需要SFC（Shopfloorcontrol,车间现场自动化）系统。
SFC，厂区监控系统：
利用来自车间的数据及其它数据处理文件, 维护和传送生产订单及工作中心各种状态信息的系统。
其作用：
当工厂车间发生实时事件时，SFC能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。
这种对状态变化的迅速响应使SFC能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。
通过以上，我们可以看出制造行业中，信息系统的结构图，如图2-1所示。
图2-1ERP与MES/SFC之间的关系
2.3MES系统简述
制造执行系统（manufacturingexecutionsystem，简称MES）是美国AMR公司（AdvancedManufacturingResearch，Inc．）在90年代初提出的，旨在加强MRP计划的执行功能，把MRP计划同车间作业现场控制，通过执行系统联系起来。
这里的现场控制包括PLC程控器、数据采集器、条型码、各种计量及检测仪器、机械手等。
MES系统设置了必要的接口，与提供生产现场控制设施的厂商建立合作。
制造执行系统协会（ManufacturingExecutionSystemAssociation,MESA）对MES所下的定义：
“MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。
当工厂发生实时事件时,MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。
这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。
MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。
”
第三章校企共建数字化生产管理实训中心建设项目
3.1项目背景
高校实训中心是以生产产品为结果，以学生为产品实现的重要主体，建设在校内的学生技能训练平台。
对于高校学生来说，由于缺乏工作经验，而企业对从业者的综合素质和技能要求日渐提高，学生刚进企业可能一时难以适应企业文化，所以很有必要在学生毕业之前进行预岗实习。
知识不仅仅是学生所必须要掌握的，相应的技能也要掌握【5】。
而用传统的实训方案难以适应市场经济的变化，所以急切需要一套先进的完整成熟的实训方案对高校学生进行技能实训，以提高学生自身能力适应时代需求。
另外在当前国内对MES系统的引用处于初步阶段，应用在高校实训中心更是罕见，南京工程学院机械学院具有鲜明的远见，与武汉优博睿科技有限公司协建了数字化生产管理实训中心，用于加深参加实训的学生对现代的生产管理模式的理解。
武汉优博睿科技有限公司是美国Predator公司在中国的一家业务代理商，主要负责PredatorMES软件系统的项目实施。
目前已与国内多家大型制造企业存有合作关系。
数字化生产管理实训中心的建设，必须充分的利用现有的固定设备，这样不仅可减少建设经费减少实验室的数量，而且能在不影响原有设备正常使用的前提下充分利用设备资源。
该实训中心在先进设计制造实验室中进行建设，目前仅进行了八台设备的连接，通过对这八台设备的生产管理过程的演示，希望能使参加实训的学生能了解从数字化设计到数字化生产全过程的基本流程。
3.2实验室硬件条件
数字化生产管理实训中心实验室建设于南京工程学院工程实践中心7号楼，依托原有的数控设备搭建数字化的生产管理系统。
实验室中拥有八台数控设备，分别可完成车削、铣削、测量、快速成形等等工作。
实验室的整体平面布局图以及PredatorMES系统布线图如图3-1所示。
图3-1实训中心整体平面布局图
目前实验室由8台数控设备组成，其详细说明如下表3.1所示:
表3.1设备表名
序号
设备编号
设备名称
控制系统
1
20093389
数控加工中心
FANUC0i-MD
2
20093387
数控车床（FANUC）
FANUC0i-MD
3
20093388
数控车床（西门子）
SIEMENS802DSL
4
20091524
数控铣床（西门子）
SIEMENS802DSL
5
20091522
单轴数控电火花成型机
Windows
6
20091523
数控中走丝线切割机床
Windows
7
20051974
复合式三坐标测量仪
Windows
8
20030361
激光快速成型机
Windows
实验室建成后，每台设备都需要配备一台液晶显示屏和条码扫描器，显示屏用作生产看板，条码扫描器用来进行人工操作数据反馈。
生产看板能够指示出当前所需进行的工作，工人根据指示进行机床操作，机床操作完成后，还需完成数据采集工作。
如：
当完成零件装夹，操作人员使用条码枪扫描相应的条码，使系统能够接收到当前的机床操作状态信息。
CNC设备接入网络示意图如图3-2所示：
图3-2数控设备接入DNC网络连接示意图
3.3实训中心数字化实施软件PredatorMES概述
3.3.1PredatorTravelers定义
PredatorTravelers（电子化工艺工单管理子系统）是一个用计算机来实现创建、组织发放和记录详细生产数据、过程和作业指导的应用程序。
其实现的主要软件应用技术是基于PredatorMES/SFC-Travelers模块，通过PredatorMES/SFC-Travelers获取从CAPP或MRPⅡ/ERP系统过来的信息，可以被系统根据现场实际情况进行有效的分类管理，由生产车间的管理人员和工程师互动地创建或配置有效而合理的电子作业指导文件——“电子工单”，并迅速发放到生产现场的各个环节，可通过各类电子终端最终实现车间的无纸化生产和装配。
3.3.2PredatorTravelers与PDM关系
产品数据管理PDM（ProductDataManagement）有效地将产品数据从概念设计、计算分析、详细设计、工艺流程设计、加工制造、销售维护至产品消亡整个生命周期内及其各阶段的相关数据，按照一定的数学模式加以定义、组织和管理，使产品数据在其整个生命周期内保持一致、最新、共享及安全，具体地说，PDM技术是对工程数据管理、文档管理、产品信息管理、技术数据管理、技术信息管理、图像管理以及其它产品信息管理技术的一种概括与扩展。
PDM以软件为基础，是一门管理所有与产品相关信息（包括工程规范、电子文档、扫描图像、CAD/CAE/CAM文件、产品结构、产品定单、供应商状况等）和所有与产品相关的过程（包括作业流程、审批/发放过程、工程更改单等）的技术。
他提供产品全生命周期的信息管理，并在企业范围内，为企业的设计制造建立一个并行化的产品开发协作环境。
它将整个企业视为一体，能跨越整个工程技术群体，是促使产品快速开发和业务工程快速化的催化器，也是在分布式企业管理模式的基础上，与其它应用系统建立直接联系的重要工具，它将很好地面向企业的生产组织，使企业提高其产品质量，缩短研制周期，提高工作效率，加快产品投放市场速度，从而提高产品竞争能力。
PDM管理几乎所有产品数据，但它运用于企业的计划层、管理层，无法将产品相关信息（产品二维图、三维图、刀工具清单、装夹说明、作业流程、工程更改单等）发放到车间现场，无法指导现场操作人员进行生产。
PredatorTravelers系统面向于企业执行层和控制层，利用PDM管理的几乎所有产品数据，整个关联生产过程中的大量生产文件（派工单、工艺卡片、设计图纸、刀工具清单、装夹工艺文件、工程更改单等）并下发到车间现场，实现信息的共享，搭建无纸化生产管理平台。
3.3.3系统目标
1.提高图纸的有效管理
通过对图纸及用户进行分级管理，有效控制非本系统操作人员的非法操作；通过建立图纸的产品结构树（以建立工程的形式完成），使产品与图纸相关联，利于对产品的进一步管理。
2.提高工作效率
通过应用网络和数据库技术管理各种图库，减少设计人员的检索旧图纸时间，提高部门的运作效率；对各部门生产的文件统一管理，并提供给相关部门访问，在更深层次上利用这些信息，提高整个企业的运作效率。
3.确保设计数据安全性
数据文件的组织由应用程序管理，有权限控制，源程序可由软（硬）件加密。
在文件系统和通用的商用数据库上建立自己的数据文件管理方法，采用面向对象技术，在数据库上建立一层对象库，对数据和文档的管理通过对象库与文件系统和数据库系统进行管理，确保数据和文件可靠。
4.提供集中的、模块化的管理
使信息化维护繁重为轻松，采用Internet技术，使管理员能够从任何一台计算机来管理、配置整个系统，建立并维护用户及其他系统资源；系统的主要应用集中于少数服务器，很大程度上减少了系统维护的工作量。
通过网络实现了多个使用者直接的协同工作。
5.无纸化生产
整个车间信息资源，整个关联生产过程大量的生产文件，保证生产相关数据的完整、一致、安全及可追溯，实现共享，让现场操作人员清楚知道零件制造需要的工艺过程和资源，需要的刀工具、量具、设备、材料、检验等，同时车间人员能够实时互动浏览最新作业流程、零件设计图纸和、工艺订单情况，搭建了一个无纸化生产管理平台。
3.3.4系统功能
1.作业流程电子化
PredatorTravelers包括一个强大的基于目标的数据库，支持无限多的零件、工艺要求、NC程序、材料、刀夹量具、设备、图纸、检验要求、工程变更通知（ECN）等等，为生产车间提供电子化的派工单，指导生产人员现场操作。
2.电子指导文件集中管理
PredatorTravelers允许用户以附件的形式添加和查看无限多本地的二维图、三维图、工艺卡片、刀具清单、装夹说明、工艺说明、更改单、更改说明、仿真图、视频文件等。
3.作业流程重用
PredatorTravelers通过向导框操作实现以下流程：
电子工艺工单的发放、不发放和召回
电子工艺工单的修改、复制和创建交替
电子工艺工单的删除、恢复和清除
电子工艺工单、工序、零件等的ECN工程变更通知和版本控制
4.支持条码枪
条码枪可用于PredatorTravelers每个操作界面，通过扫描工单号、零件号或工序号轻松方便快捷的查看电子工艺工单，利用现场的PC显示终端显示二维图、三维图、工艺说明、刀工具清单、工程更改说明等指导现场操作人员生产。
5.详细的历史记录
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