制造系统广义过程重组和集成

摘要：传统的经营过程重组、企业再造等概念大都针对于企业的业务过程，面向过程的思想也主要体现在经营领域。本文将“过程”概念广义化，提出包括业务过程、制造过程以及控制过程的广义过程，对其广义重组进行了探讨。在此基础上，指出了传统制造系统应用集成模式的缺点，提出了一种以嵌套式广义过程模型为基础的制造系统广义过程集成模式。

关键词：制造系统 广义过程 重组 集成

制造系统广义过程重组和集成：1．前言

现在人们讨论的企业再造、经营过程重组，其焦点大都在于企业的业务过程，人们通常认为面向过程主要应用于企业的经营领域，在制造层没有太多的意义，而和控制层更没有什么关系。但是，如果面向过程只体现在经营层，而忽略了其在制造层的意义，制造过程环节上的脱节对系统整体系统会有较大影响，因为制造过程在企业响应市场的时间周期中占有相当份额，而且制造概念已经从传统的物理集中向分布式和动态逻辑化方向发展，面向制造过程的资源配置和集成面临新的问题[1]；而传统的控制过程通常采用一种封闭式的集散控制结构，不仅控制过程本身存在问题，而且也给控制过程和制造过程以及业务过程的集成增加了难度。所以在多个层次上对广义过程进行全面重组和集成有其现实意义。

具体来说，制造企业在其运营过程中，不仅包括管理层次的业务流过程，也包括车间制造层次的物料流过程，还包括设备层次的控制流过程。虽然企业变革更大程度上对经营管理层次的业务过程产生了巨大影响，但也同样不能忽视其它层次的过程。我们要用全新的眼光重新审视企业由上到下的不同层次的过程，并用一种全新的方法将它们改进、集成，这样才能取得企业全局优化的效果。所以这里我们将“过程”加以广义化，提出广义过程的概念，力图对制造企业的一切资源均以面向过程的方式进行组织和运作。

制造系统广义过程重组和集成：2．制造系统广义过程形式

美国先进制造研究机构AMR（Advanced Manufacturing Research）于90年代提出新一代制造企业的三层结构，即计划层、执行层、控制层[2]。从更广泛的意义看，我们认为先进制造系统可分为企业应用层、车间应用层和现场设备应用层三层结构。三层结构在宏观上与企业中的企业级、车间级和设备级相对应。

对应于的三层结构，我们可以得到三个层次的过程，如图1所示。从企业内部看，三个层次的过程分别为以人为中心、面向任务的业务过程，主要指企业商流层面上的活动；以产品为中心、面向物流的制造过程层次，对企业内部而言，主要指产品具体物化的生产过程，是物流层面上的活动；以及以设备为中心、面向控制变量的控制过程，主要指底层设备环节的控制、监控等活动。

如果我们拓广范围，从企业内部到企业外部、从单企业到多企业，就形成了多企业/客户间集成业务过程，多企业/客户间的集成制造过程层次，以及多企业/客户间的集成控制过程，也可称为协同商务过程、协同制造过程以及协同控制过程。
协同商务过程 主要指企业在业务层面与供应商、分销商、合作者以及客户之间的协同行为。目前很多的应用都是在这个层面上展开的，如面向供应商管理的SCM、改善客户关系的CRM、实现产品协同设计的CPC以及更一般意义上的Ebusiness等。
协同制造过程 协同商务的商流引发了具体的物流过程，在这个意义上，协同制造过程是指“物”在供应商、制造商、分销商以及最终客户形成的供需链上的流动过程。但除此以外，协同制造过程还可以指虚拟企业意义上的产品具体物化的协作过程，它对应于产品概念逻辑层次上的协同设计过程。
协同控制过程 协同控制过程是对传统设备控制概念的拓展。目前，网络化制造、动态联盟已经成为一种新型及可实施的制造理念，这种形势下制造系统的控制系统也将从DCS、PLC向FCS方向发展，并将走向分布式虚拟控制系统，它是FCS在时间和空间上的进一步拓展，也就是这里所说的协同控制。其中，协同控制的结构、机制以及远程分布式控制、监控和诊断技术将是其中需要解决的关键问题。

图1 制造企业的广义过程结构

3．制造系统广义过程重组

制造系统广义过程重组和集成：3．1传统结构的缺点

三个不同的层次的过程都走过了各自不同的历程，如业务过程从部门驱动的运营向以过程为驱动的运营发展，制造过程从以工艺功能中心驱动向以目标产品驱动，控制过程由集中控制、集散控制到分散控制。分析和比较三种过程的发展趋向，我们会发现它们有一个共同点，即都由职能导向到过程导向，从部门导向到客户导向（这里的客户是一种广义化的概念）。下面具体来分别分析这三种过程。

在传统的面向职能的组织结构中，工作由一个部门传递给另一个部门，每一部门都有一系列工作，有些部门的工作已经自动化，但它们的计算机系统执行的是僵化的面向职能的程序。一个具体业务过程通常需要通过多个职能领域，大多数从开始到结束的连续过程缓慢而且容易出错。这种业务流具有如下弱点：（1）业务流程增加了不必要的工作时间，减低了工作效率；（2）由于增加了不必要的工作步骤，导致了成本增加；（3） 业务流程通常要经过各个独立部门间的传递，有些传递可能会陷入“部门间缝隙”；（4） 每一职能部门都有自己的动机、行为准则，通常这些动机和规则与直接的经营目标—满足客户需求并没有直接的关联；（5）业务过程采用一种“抛过墙”的做法，当业务过程某个环节出现意外时，很难进行协调处理；（6）通常每一职能部门的计算机应用是由不同的开发小组独立建造的，可能会使用不兼容的数据，阻止或妨碍了系统间的交流。

同样，对于制造过程也存在类似的问题，主要表现为：（1） 生产工序的设计以及生产设备的布置不合理，主要表现为“机群式”布置方式，这种情况下零件制品的流经路线长、流动速度慢，降低了工作效率；（2）物流速度缓慢，增加了运输成本；（3）每个功能中心容易造成在制品库存积压，提高了生产成本；（4）各个生产单位对功能中心负责，而不是客户需求，容易造成生产过程与客户产品需求的不匹配；（5）制造过程中某个环节出现意外时，返工处理比较困难。

对于控制过程来说，这种集中控制或递阶控制方式存在的问题主要表现为：（1）集中式处理导致风险集中，当集中控制器发生故障时，则对整个监视区域都失去了控制；（2）集中控制器容易造成变量积压，从而成为计算瓶颈；（4）一个传感器信息的服务对象应该是一个直接的控制器或执行器，在这种结构中，它们之间的直接关联被剥夺了，造成信息的纵向、横向的传递环节较多，导致信息的反馈和传递速度较慢；（5）局部的集中控制器间的协作完全依靠协调器进行，自主性较差。

制造系统广义过程重组和集成：3．2 面向过程的广义过程重组

对于业务过程的重组而言，就是要改变传统的部门职能驱动的运营模式为过程驱动的结构。企业运营不是围绕职能部门，如研究和开发部门、营销部门、销售部门等，而是围绕核心业务过程，比如创造需求、计划及供应链而组织起来的。某个核心业务过程可能与许多功能相连，如产品的并行设计过程需要涉及到市场、设计、制造等各个职能部门的人员，重新设计过的供应链也对采购、营销及市场产生重要影响。业务过程的重组过程如图2所示，沿着由“部门职能驱动”向“过程驱动”方向发展。

图2 面向过程的业务过程创新模式

制造系统依托于具体的产品制造过程，面向制造过程的控制方式与传统车间控制系统之间的最显著区别在于，它将制造过程与制造管理和控制功能相分离，以制造过程模型为“引擎”，驱动系统实现面向制造过程的制造管理和控制，并实现各类信息的有效集成。正是由于制造过程与制造管理和控制功能的分离，使系统功能摆脱了具体的产品制造过程的局限，即它能够通过修改或添加产品制造过程模型，而适应不同制造过程（离散型、流程型和混合型）和生产方式（重复生产、装配式生产、单件小批量的混流加工等）。

另一方面，通过制造过程模型实现制造过程相关的人、设备、物料、在制品、质量和工艺等相关资源的动态配置和集成，实现计划管理流、控制和监控流、质量流等的跟踪和集成，实现制造系统信息集成。制造过程的重组过程如图3所示。

图3面向过程的制造过程创新模式

控制过程位于制造系统的底层，现代制造企业的生产过程及设备的复杂程度越来越高，要控制其运行状态、设备状况，就需要综合大量的底层实时信息，利用多种信息处理手段，作出及时、正确的处理。这不仅是对生产过程、设备及产品进行质量控制，保证生产正常运行、设备安全可靠、产品符合质量标准的要求，也是用以提供底层实时运行信息，从整体上提高企业经营决策可靠度和敏捷性的基础条件。

传统的底层自动化控制系统由于分层太多，造成系统不能及时实现指令“上传”和“下达”，生产柔性降低，市场响应速度慢。现场总线技术的出现和兴起，改变了设备控制系统的结构，使其向着网络化的方向发展[3]，适合了控制系统“面向过程”的发展趋向。简而言之，它以单个分散的测量控制设备作为网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络化控制系统。这种控制过程重组模式如图4所示。

图4面向过程的控制过程创新模式

4．制造系统广义过程集成

制造系统广义过程重组和集成：4．1传统集成模式

传统的制造企业应用，通常首先分别实现各个层次的应用，如在企业应用层实施ERP系统，在车间应用层实施MES，而在设备应用层则建立生产控制系统如DCS、PLC、DNC以及SCADA等[4]。在各个层次建立了相对完善的应用后，然后才考虑集成的问题。该集成模式主要是在于中间层次的制造执行系统MES，它填补了企业级信息系统和底层生产控制系统之间的信息鸿沟，成为连接上层计划和底层设备的桥梁。但由于这种集成模式建立在传统的层次管理结构基础上，过程也是预先设定的，是一种自上而下基于程式的一种信息控制方式。其弱点主要表现在以下几个方面：
（1）集成模式通用性差，目前以集成上层ERP和底层自动化系统的MES系统，无论其功能多么复杂，大都针对特定的行业、特定的领域问题而开发的，缺少通用性和广泛的集成能力；（2）重构能力差，重构能力是指系统具有随业务过程、制造过程的变化进行功能配置和动态改变的能力，而该集成方式难以满足这种要求；（3）敏捷性差，敏捷性是所有先进制造模式的核心，重构能力差就直接影响了系统敏捷性能，一个微小的过程改变可能就会导致系统不能正常运转；（4）集成模式复杂，在三个不同层次上，可能配置了来自不同厂家的应用，在同层次不同应用以及不同层次不同应用间都需要预留集成接口，形成了一种复杂的集成方式。

制造系统广义过程重组和集成：4．2 嵌套式广义过程模型

广义过程重组为不同的层次的过程创新奠定了基础，同样对于这种广义过程集成问题，也应首先先重构后集成，改变传统的被动集成方式为主动集成方式。图5抽象表示了三个过程层次的关联形式。工作流模型实现对业务过程的描述，并驱动业务过程使其自动化；而制造过程模型则对制造过程进行描述，并成为驱动具体产品制造过程的引擎；在底层，控制过程模型驱动底层自动化系统的运行。

工作流模型、制造过程模型、控制过程模型呈现一种嵌套式结构，即制造过程模型嵌入于工作流模型之中，而控制过程模型则嵌入在制造过程模型之中。在这种嵌套式结构中，制造过程模型起到了承上启下的作用，一方面可以实现从业务过程到制造过程的自然转移，另一方面在制造过程中可以反应出底层设备状态。

图5 嵌套式广义过程模型

图6 制造企业抽象工作流

4．3 基于广义过程模型的企业应用集成

图6表示了一个制造企业的抽象工作流[5]，在该工作流中，“生产”作为一个活动而存在，同时它本身也是一个工作流，包括计划分解、领料、生产调度、加工控制、物料跟踪等多个活动。这一系列活动存在着相对固定的顺序关系，每个活动都有其启动和终止条件。当车间情况发生改变时，只要改变这些活动的流程。相应地，工作流引擎就可以根据新的流程关系来控制和协调车间中的各个应用活动。这样就可以通过建立工作流模型将企业上层活动和车间的生产活动关联在一起，以工作流的方式实现企业业务过程和车间业务过程的集成。

图7“生产”的抽象工作流

图7表示了车间“生产”活动的抽象工作流，在该工作流中，实现了车间业务过程与具体产品的制造过程的融合。这其中，关键是建立制造过程模型以及实现制造过程模型对于“生产”工作流模型的无缝嵌入。具体在车间层中，可将制造层对象划分为制造过程、计划、操作、物料、设备、工艺、人员、BOM表等基本对象，制造过程结构模型就可表示为制造过程与其它各种对象的关联和协调关系，如图8所示。