12计算机集成制造系统CIMS.docx
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12计算机集成制造系统CIMS
第1章制造业先进管理模式
虽然古代就有管理的思想，但是在传统的手工作坊向现代大规模生产进化以前，经验和习惯在管理中起着主要作用，没有成型的管理方法或模式。
20世纪前期，美国工程师泰勒倡导“科学管理”，把科学的定量分析方法引入生产与作业管理中，标志着一套成熟的科学管理理论的诞生，使得管理技术作为一项重要的生产要素得到企业界的认可和重视。
第二次世界大战后，生产过程的机械化迅速发展，生产管理的重点主要放在扩大生产批量、保证生产数量、确保质量稳定、控制生产成本和满足产品交货期等方面，出现了一系列新的管理技术，如工业工程（IE）、价值工程（VE）、成组技术（GT）、计划评审技术（PERT）、物料需求计划（MRP）、管理信息系统（MIS）等。
20世纪80年代后，信息技术迅猛发展，计算机大量进入企业制造管理领域，使企业制造过程组织更趋柔性化和高效化，并涌现出一批与信息技术紧密相关的先进管理技术，如制造资源计划（MRPⅡ）、准时制生产（JIT）、最优化技术（OPT）、约束理论（TOC）、业务流程重组（BPR）、精益生产（LP）、全面质量管理（TQC）、柔性制造系统（FMS）以及企业资源计划（ERP）、产品数据管理（PDM）、敏捷供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、计算机集成制造系统（CIMS）、敏捷制造（AM）、绿色制造（GM）等。
真像“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”。
1.1制造资源计划（MRPⅡ）
制造资源计划（ManufacturingResourcePlanning，MRPⅡ）是美国在20世纪70年代末80年代初提出的一种现代企业生产组织方式和运作管理模式。
MRPⅡ由美国著名管理专家奥列弗 • 怀特（OliverW • Wight，1929-1983）在MRP的鼻祖——约瑟夫•奥列基（JosephA • Orlicky）博士开创的物料需求计划（MaterialRequirementPlanning，MRP）理论的基础上继续发展起来。
它是以物料需求计划为核心的企业生产管理计划系统。
MRPⅡ是以工业工程的计划与控制为主线、体现物流与资金流信息集成的管理信息系统。
MRPⅡ是计算机集成制造系统（CIMS）的重要技术单元，也是企业资源计划（ERP）的重要核心组成部分。
MRPⅡ的基本思想是：
基于企业经营目标制订生产计划，围绕物料转化来组织制造资源，实现按时按量生产。
具体地说，就是将企业产品中的各种物料分为独立需求物料和相关需求物料，并按时间段确定不同时期的物料需求，从而解决库存物料的准确订货和有效供给；根据产品完工日期制订生产计划，按照基于产品结构的物料需求组织生产，并进行准确的成本自动核算。
MRPⅡ系统分为5个计划层次：
经营规划、生产规划、主生产计划、物料需求计划和生产/采购作业计划。
MRPⅡ计划层次体现了由宏观到微观、由战略到战术、由粗到细的深化过程，反映出一种以计划驱动“推”式（Push）的集中控制模式。
图1-1给出了MRPⅡ的构成示意图。
图1-1MRPⅡ构成示意图
MRPⅡ根据产品结构的层次从属关系，以产品零件为计划对象，以完工日期为计划基准倒排计划，按各种零件与部件的生产周期反推出它们的生产与投入时间和数量，按提前期长短区别各种物料下达订单的优先级，从而保证在生产需要时所有物料都能配套齐备，不需要时不会过早积压，达到降低库存量和减少资金占用的目的；并通过关联的物料的变动，精准地核算成本。
所以，从一定意义上讲，MRPⅡ系统实现了物流、信息流与资金流在企业管理方面的集成，并能够有效地对企业各种有限制造资源进行周密计划、合理利用，提高企业的竞争力。
企业计划管理模式的准确性取决于对市场需求和制造能力这两类不确定因素估计的准确性。
但市场是不断变化的，企业资源能力是有限的，同时又是不完全确定的。
MRPⅡ通过引入能力需求计划和反馈调整功能增强了生产计划的可行性和适应性；通过与财务系统的集成，实现了物流、资金流与信息流的同步；通过与工程技术系统的集成，实现了工程计划与生产作业计划的协调；通过与销售分销系统的集成，使得生产计划更好地体现企业的经营计划，增强了销售部门的市场预见能力。
MRPⅡ还能将MRP对物料资源优化的思想，扩展到包括设备、资金、物资等广义资源，涉及企业的整个生产经营活动，使得MRPⅡ从一种生产计划组织管理的工具，上升为整个企业运作的核心指挥控制体系。
MRPⅡ已为当今世界各类制造企业普遍采用，是进入21世纪信息时代的制造业提高竞争力不可缺少的手段。
1.2准时制生产（JIT）
准时制生产（JustinTime，JIT）方法又称及时生产，是20世纪80年代初由日本丰田汽车公司创立的，是继泰勒的科学管理（Taylor’sScientificManagement）和福特的大规模装配线生产系统（Ford’sMassAssemblyLineProduction）之后的又一革命性的企业管理模式。
JIT，即在正确的时间（RightTime）、正确的地点（RightPlace）干正确的事情（RightThing），以期达到零库存、无缺陷、低成本的理想生产模式。
JIT这种手段是丰田生产方式的核心。
1.JIT生产方式的管理理念
JIT的基本概念是指在所需要的精确时间内，按所需要的质量和数量，生产所需要的产品。
它的理想目标是6个“零”和1个“一”，即零缺陷、零储备、零库存、零搬运、零故障停机、零提前期和批量为一。
为此，主张精简产品结构，不断简化与改进制造与管理过程，消除一切浪费。
这里所说的浪费，按丰田公司的理解是：
凡是超出生产所绝对必要的最少的设备、材料、零件和工作时间的部分都是浪费。
从价值工程的观点看，凡是超出增加产品价值所必需的绝对最少的物料、机器和人力资源的部分都是浪费。
从这一概念出发，加工零件会增加价值，将零件装配成产品会增加价值。
但许多习以为常的生产过程中的活动是不增加价值的一种浪费。
例如，清点、储存、搬运、质量检查等活动都是不增加产品价值的活动，从根本上说都是浪费。
JIT强调消除生产中的一切浪费，其中包括过量生产、部件与操作者的移动和等待时间、劣品的制造过程、物料储存等。
JIT主张消除一切对最终目标不增加价值的活动，视这些活动为垃圾并将它消除在萌芽状态。
JIT是一种追求无库存、彻底排除浪费的生产与管理模式。
为此，对某一零件的加工在数量与完成时间上的要求，是由下一道工序状况决定的。
若下道工序拥挤阻塞，上道工序就应减慢或停止，这些信息均靠看板（KanBan）来传递。
丰田的JIT生产方式通过看板管理成功地制止了过量生产，实现了“在必要的时刻生产必要数量的必要产品（或零部件）”，从而彻底消除在制品过量的浪费，以及由之衍生出来的种种间接浪费。
因此，每当人们提起丰田生产方式，往往容易想到看板管理和减少在制品库存。
事实上，丰田公司以看板管理为手段，制止过量生产，减少在制品，从而使产生次品的原因和隐藏在生产过程中的种种问题及不合理成分充分暴露出来，然后通过旨在解决这些问题的改善活动，彻底消除引起成本增加的种种浪费，实现生产过程的合理性、高效性和灵活性。
这才是丰田准时制生产方式的真谛。
JIT是一种提高整个生产管理水平和消除浪费的严谨方法。
其宗旨是使用最少量设备、装置、物料和人力资源，在规定的时间、地点，提供必要数量的零部件，达到以最低成本、最高效益、最好质量、零库存进行生产和完成交货的目的。
它既在宏观上强调专业化分工以适应技术飞速发展的环境，又注意在一定技术范围内培养多面手以提高应变能力。
日本工厂中的“零件生产厂就是我厂这种零件的仓库”的说法与思想，就是这种概念的体现。
JIT要求有责任感、技术全面和有全局观念的高素质的人员及良好的供应线。
JIT的目的不仅是为了减少库存，乃至消除库存，它的价值还在于发现瓶颈，及时消除瓶颈，提高企业的应变能力。
有人将企业运转比喻为船舶在江河中航行，库存犹如水位，瓶颈犹如暗礁，降低库存犹如降低水位，可以尽早发现并及时解决企业中生产与管理方面的问题与薄弱环节，提高企业在突发事件出现时的应变能力。
2.JIT生产管理模式的目标、方法与手段
JIT不仅是一种生产控制方法，还是一种管理的哲理。
与MRPⅡ的“推”式生产管理模式相对照，JIT是一种“拉”式生产管理模式。
JIT生产管理模式的最终目标是彻底降低成本，获取企业的最大利润；JIT最基本的方法是降低成本，排除一切浪费；JIT最主要的手段是适时适量地生产、弹性配置作业人数及质量保证，如图1-2所示。
图1-2JIT的目标、方法与手段
3.JIT生产方式的技术体系
丰田公司的JIT生产方式从本质上讲是一种生产管理技术。
但就JIT生产方式的基本理念来说，“准时化”不仅仅限于生产过程的管理。
确切地讲，“准时化”是一种现代经营观念和先进的生产组织原则，它所追求的是生产经营全过程的彻底合理化。
JIT生产方法顺应时代的发展和市场的变化，经历了二十多年的探索和完善，逐渐形成和发展成为今天这样的包括经营理念、生产组织、物流控制、质量管理、成本控制、库存管理、现场管理和现场改善等在内的较为完整的生产管理技术与方法体系。
JIT的管理技术体系构成主要包括：
适时适量生产、全面质量管理、自动化控制、全员参与管理、人性管理、外部协作关系等。
丰田JIT生产方式是一个包容了多种制造技术和管理技术的综合技术体系。
利用JIT易于创造出能够灵活地适应市场需求变化的生产系统。
这种生产系统能够从经济性和适应性两个方面来保证公司整体利润的不断提高。
此外，这种生产系统具有一种内在的动态自我完善机制，即在JIT的激发下，通过不断缩小加工批量和减少在制品储备，使生产系统中的问题不断暴露出来，使生产系统本身得到不断的完善，从而保证准时制生产的顺利进行。
1.3并行工程（CE）
并行工程（ConcurrentEngineering，CE）于20世纪80年代中期由美国国防研究机构概括和提出，是一种先进的企业全局管理和集成模式。
它将企业中复杂的工程设计、制造和经营管理过程中的各种作业，按最终目标，在时间和空间上并行交互进行，从而缩短了传统串行作业方式所需的时间和反复修改的次数，大幅度提高了作业质量，加快了进程，降低了成本。
在现实世界中，人们有两种不同的工作方式：
串行作业和并行作业。
并行作业是一种对产品及其相关过程进行并行一体化设计的系统化的工作模式。
并行作业的工作方式是：
以空间资源换取时间资源，从而加快工作的速度。
串行作业方式则相反，它以时间来换取空间。
制造系统与制造工程中的串行作业和并行作业，如图1-3所示。
图1-3串行工程/并行工程示意图
企业为了提高产品开发的时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）、环境（E），除了采用信息集成这一技术手段外，还要实施过程集成技术。
并行工程即是在信息集成基础上进行了过程的重构、集成和优化，把产品开发过程中传统的串行作业转变为并行作业，通过计算机网络支持下的协同工作环境和产品数据管理（PDM）系统，使多学科的协同工作小组能并行作业，缩短了开发周期，减少了设计、制造、装配作业时的反复，降低了成本。
1986年美国国防分析研究所的R-338研究报告对并行工程所做的定义为：
“并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。
这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。
”
根据上述定义，并行工程的具体内涵表现在如下几个方面：
●并行工程的目标是实现产品的高质量、低成本、上市快及满足用户的多种需求。
●并行工程是一种系统化的工作模式。
它强调产品全生命周期的市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）及产品报废等各相关阶段过程的集成、并发与优化；人们在产品生命周期的上游阶段工作时，就要充分考虑下游工作的可实现性，尤其是在产品设计阶段，要进行可制造性、可装配性、可测试性、可维护性、可靠性、可支持性和成本合理性等方面的设计。
●并行工程以产品为中心，组成由有关部门代表参加的多学科小组进行“团队”工作。
这种工作方式不仅加强了部门间的协调，而且集成了多学科人员的智慧。
根据产品复杂程度不同，可组成有层次的团队工作小组群。
如果条件允许，期望用户也成为团队的成员。
●并行工程十分重视信息新技术的采用，以支持产品及其过程的数字化定义、计算机辅助设计与制造（如CAD/CAE/CAM等）、计算机辅助的下游可实现性的设计（如DFA/DFM/DFT等）、计算机辅助团队协同工作及各阶段部门间的信息集成等。
●并行工程要求企业的成员具有与之相应的素质，尤其是团队协同工作的素质，并掌握有关协同工作的新技术。
它要求产品生命周期各阶段工作之间要及时交流、协调，尽量避免跨阶段的“大返工”。
并行工程方法的实质是分层次地工作，它通过宏观过程的分析和求解来缩小微观实际过程分析和求解的范围，因此宏观一定要充分而又不冗余。
从系统论、信息论和控制论的观点来看，并行工程的工作技术具有如下特点：
●并行工程是系统工程的理论与方法在复杂制造过程中的应用。
●并行工程的研究对象是相互关联、具有因果不确定性的复杂过程。
●并行工程在制造过程的目标是牺牲空间赢得时间，串行工程是牺牲时间赢得空间，两者的正确结合使复杂的制造过程快速、无反复地一次成功。
●并行工程的手段与方法是应用系统工程中的分解与协调的理论与方法，将原系统变换成具有集结层与协调层两个层次的等价系统。
集结层把复杂过程变换成相对独立的子系统；协调层则协调各子系统快速、独立、并行而又有序地工作。
●集结层的并行、快速而有序的工作，是靠协调层的串行、交互式的多学科协同小组科学而有效的工作来保证的。
●多学科协同小组工作中存在着语言冲突、约束冲突和动态冲突等，他们利用相应的模式机制来解决。
●并行作业成功的关键是协调层中多学科协同小组工作的科学性与有效性。
协同论是他们工作的理论基础，协同模型是他们工作的模式，支配原理是他们工作的原则，序参数是他们工作的关键点。
1.4约束理论（TOC）
约束理论（TheoryofConstraint，TOC）是以色列物理学家戈德拉特博士（MosheElizahuGoldratt）在他于20世纪70年代开创的最优生产技术（OptimalProductionTechnology，OPT）的基础上发展起来的管理哲理。
TOC是关于进行改进和如何最好地实施这些改进的一套管理理念和管理原则，可以帮助企业识别出在实现目标的过程中存在着哪些“约束”因素，并进一步指出如何实施必要的改进来一一消除这些约束，从而更有效地实现企业目标。
约束理论植根于最优生产技术（OPT）。
OPT认为，一个企业的计划与控制的目标就是寻求顾客需求与企业能力的最佳配合，一旦一个被控制的工序（即瓶颈）建立了一个动态的平衡，其余的工序应相继地与这一被控制的工序同步。
OPT设计了一套概念系统——DBR系统，即“鼓（Drum）”、“缓冲器（Buffer）”和“绳子（Rope）”，来实现计划与控制，其主要包括以下步骤。
（1）识别企业的真正约束（瓶颈）所在是控制物流的关键。
一般来说，当需求超过能力时，排队最长的机器就是“瓶颈”。
如果知道一定时间内生产的产品及其组合，就可以按物料清单计算出要生产的零部件。
然后，按零部件的加工路线及工时定额，计算出各类机床的任务工时，将任务工时与能力工时比较，负荷最高、最不能满足需求的机床就是瓶颈。
（2）找出瓶颈之后，可以把企业里所有的加工设备划分为关键资源和非关键资源。
（3）基于瓶颈约束，建立产品出产计划（ThroughputSchedule）。
产品出产计划的建立，应该使受瓶颈约束的物流达到最优，因为瓶颈约束控制着系统的“鼓点——节拍（Drum-beat）”，即控制着企业的生产节拍和产销率。
为此，先按有限能力法进行生产安排，而在瓶颈前设置“缓冲器”。
（4）对“缓冲器”的管理，可以防止随机波动，使瓶颈不至于出现等待任务的情况。
（5）对企业物流进行平衡，使得进入非瓶颈的物料被瓶颈的产出率所控制（即“绳子”牵引），保证各个作业协同与同步。
一般按无限能力，用倒排方法对非瓶颈资源安排作业计划，使之与关键资源上的工序同步。
TOC最初被人们理解为对制造业进行管理、解决瓶颈问题的方法，后来几经改进，发展出以“产销率、库存量、运行费用”为基础的指标体系，逐渐形成为一种面向增加产销率而不是传统的面向减少成本的管理理论和工具，并最终覆盖到企业管理的所有职能方面。
产销率指单位时间内企业获取的利润额，是TOC对企业目标实现程度的关键度量标准。
企业的制造部门单靠自己是无法大规模增加产销率的，这需要营销、产品设计和财务等其他部门的共同配合，使整个企业成为一个系统整体。
因此就需要高层管理人员不断发展和实施一套为整个企业所接受的基于产销率的经营战略（ThroughputbasedOperatingStrategy，TOS），即TOS战略。
1991年，当TOC逐渐被人们接受的时候，TOC又发展出用来逻辑化、系统化解决问题的“思维过程”（ThinkingProcess，TP）。
所以，今天的TOC，就像当年的OPT在管理理念和软件两个方面共同发展一样，它既是面向产销率的管理理念，又是一系列的思维工具。
1.5精益生产（LP）
“精益生产（LeanProduction，LP）”又称精良生产，英文含义是精干、完美与高品质，因此用中文“精益”来表达通过尽善尽美的生产方式达到的高效益。
Lean的原意是“瘦肉”、“精瘦的”，意思就是要去掉一切多余无用的东西，留下最精干的部分。
20世纪80年代末，美国麻省理工学院（MIT）承担了国际汽车计划（InternationalMotorVehicleProgramme，IMVP）项目，着重研究日本汽车制造业与欧美大量生产方式的差别是什么，其成功的秘诀何在。
美国MIT的研究小组在做了大量的调查和对比后，总结了以丰田汽车生产系统为代表的生产管理与控制模式，提出了“精益生产”概念，把以丰田公司为代表的日本生产方式称为“精益生产”。
精益生产要求：
对于人、时间、空间、财力、物资等方面，凡是不能在生产中增值（Valueadding）的就要去掉。
例如维修工、现场清洁工，当操作工人进行增值的生产活动时，他们不工作，而需要维修时，操作工又不工作，故维修工作不能直接增值，应撤销，而要求操作工成为多面手，能够完成一般性的维修工作。
又如库存占用资金但不增值，因此，在厂内，要求厂房布局上前后衔接的车间尽量靠在一起，生产计划上严格同步，不超前不落后，及时供应；在厂外，对协作厂或供应商，则要求按天甚至按小时供应所需零配件，这样就最大限度地缩小了库存量。
所以精益生产方式几乎只用大量生产方式一半的时间、一半的人力、一半的场地，当然也就会用少得多的费用来开发同一个类型的新产品（如一种新型汽车）。
精益生产模式是对日本以丰田汽车公司为代表的生产系统的总结，它具有以下特点：
●强调以人为中心，以小组工作方式，充分发挥员工的主动性和创造性；生产的主要任务和责任下放到具有多种技能和相互协作的工人组成的工作小组。
●采用JIT，实现了高效率、低库存的多品种混合生产，即上道工序只在下道工序需要时生产和准时提供加工件。
●团队工作（TeamWork）和并行开发是产品开发的主要形式与工作方式，大大缩短了开发周期，提高了产品的可制造性、可销售性。
●简化组织机构，简化组织管理层次和手续，简化产品检验环节，精简一切不增值环节，简化一切过程。
●强调一体化的质量保证体系，流水线工人全面参与质量保证。
●与用户保持长期的密切联系，为用户提供良好的服务，以满足用户的需求。
●不断改进“修炼”，以尽善尽美为目标，追求最大的客户满意度。
显然，精益生产（LP）是JIT的发展和深化。
精益生产系统与大规模生产系统相比，大大提高了生产系统适应环境变化和需求变更的能力。
精益生产工厂追求的目标是：
尽善尽美、精益求精，实现无库存、无废品、低成本的生产。
就像MIT的研究报告中指出的：
建立生产工厂来设计一种新型的汽车，在人员、场地面积、设备投资等方面只有大量生产方式的一半。
为实现这种理想的目标，在20世纪80年代以前只有通过精心的组织与管理来实现。
而在今天的信息时代，则有强有力的自动化工具与方法支持。
目前人们将精益生产的系统空间扩大到整个企业，提出精益企业。
现代企业是多目标的，有局部的目标，例如企业目标；还有全局的目标，如环境保护和社会效益，以及远期效益。
在资源有限的条件下，这些目标是相互冲突的。
为此，用价值模型来统一和综合这些冲突的目标。
在价值模型驱动下，将一切对企业价值起增值作用的企业活动集成起来，形成一条企业价值链，随着时间的推移形成企业价值流。
精益企业的模式就是使这股价值流不断增加的管理模式。
1.6敏捷制造（AM）
敏捷制造（AgileManufacturing，AM）这一概念是1991年美国国防部为解决国防制造能力问题而委托美国里海（Lehigh）大学亚柯卡（Iacocca）研究所，拟定一个同时体现工业界和国防部共同利益的中长期制造技术规划框架，在其《21世纪制造企业战略》研究报告里提出的。
该模式是一种在工业企业界已崭露头角的新的生产模式，是一种直接面向用户不断变更的个性化需求，完全按订单生产的可重新设计、重新组合、连续更换的新的信息密集的制造系统。
这种系统对用户需求的变更有敏捷的响应能力，并且在产品的整个生命周期内使用户满意。
敏捷制造系统的主要特点如下：
●以强大的信息交换能力为基础的虚拟公司成为经营实体的主要组织形式。
●模块化、兼容式的组织机构和生产设施使得企业在组织和技术上具有很大的灵活性和应变能力，可以根据需求的变更进行重新组合。
●以紧密合作为特征的供应者、生产者与买主之间的联合网络。
●销售信息和用户使用信息可通过信息网络直接反馈到生产决策过程中。
●并行工程和多功能项目组是产品开发的主要方式与组织形式。
●把知识、技术和信息作为最重要的财富，发挥人的创造性。
敏捷制造是通过技术、管理和人这三种资源集成为一个协调的、相互关联的系统来实现的，这使得敏捷企业具有灵活改变系统的能力，也就是具有灵活性和柔韧性。
敏捷企业的功能主要如下：
●创造性。
●增添已有资源的能力。
●引入新资源的能力。
●系统重构的能力。
●遗传与移植的能力。
●柔性实施与执行的能力。
●不断改进工作的能力。
●排除故障恢复原状的能力。
这些功能在企业的生产过程、组织结构、信息自动化和人力资源方面均有具体的表现。
这里，有知识的人是敏捷制造系统中最重要、最宝贵的财富，敏捷制造系统能充分发挥人的主动性，并且强调不断对人进行教育，不断提高人的素质。
通过敏捷制造来达到敏捷竞争，是21世纪国际竞争的主要形式。
敏捷制造是企业在无法预测的持续、快速变化的竞争环境中生存、发展并扩大竞争优势的一种新的经营管理和生产组织的模式。
它强调通过联合来赢得竞争；强调通过产品制造、信息处理和现代通讯技术的集成，来实现人、知识、资金和设备的集中管理和优化利用。
《21世纪制造企业战略》研究报告分析归纳了制造企业必须具备的29个使能子系统与企业的9大基本要素的关系，提出了关键使能子系统，以此作为设计敏捷制造系统时的参考。
敏捷制造的关键技术包括：
敏捷虚拟企业的组织及管理技术、敏捷化产品设计和企业活动的并行运作、基于模型与仿真的拟实制造、可重组/可重用的制造技术、敏捷制造计划与控制、智能闭环加工过程控制、企业间的集成技术、全球化企业网、敏捷后勤与供应链等。
敏捷制造是信息时代最有竞争力的生产模式。
它在全球化的市场竞争中能以最短的交货期、最经济的方式，按用户需求生产出用户满意的具有竞争力的产品。
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