在传统的制造系统架构中，三个系统层级的协同工作构成了生产制造信息系统的主干，它们分别是资源计划层 - 企业资源计划 (ERP)、制造执行层 - 制造执行系统 (MES) 以及设备执行层 - 可编程逻辑 (PLC)。这一架构自诞生以来，便为制造业的规模化生产提供了坚实的支撑。然而，随着市场需求的不断变化和技术的飞速发展，传统的三层架构逐渐显露出其局限性，尤其是在面对小批量、多品种的生产模式时，其灵活性和响应速度显得力不从心。正是在这样的背景下，柔性制造系统 (FMS) 应运而生，为制造业的转型升级注入了新的活力。
1 传统制造系统架构
传统制造系统的三层架构如图 1 所示。工厂的整体生产计划由 ERP 系统负责，在 ERP 中规划未来一段时间内的产量计划，同时检查企业在人、机、料、法、环五大维度的资源是否齐套，评估计划可行性。而 MES 系统承接 ERP 的计划后，将计划拆解为更加独立的生产工单，各生产单元基于工单进行报工。最终，PLC 系统控制生产设备完成具体的制造工作。
图1 传统制造系统的三层架构
1.1 ERP
ERP 系统作为整个制造系统的 “大脑”，主要负责资源的整合与规划。它通过对市场需求、库存状况、生产能力等度信息的综合分析，制订出科学合理的生产计划。这些计划不仅涵盖了产品的生产数量、生产时间等基本信息，还涉及原材料采购、人力资源配置、设备调度等多个方面。ERP 系统的核心在于其强大的数据处理能力和全局视野，能够确保生产活动的有序进行，并最大限度地优化资源配置。
1.2 MES
MES 系统则是 ERP 系统与设备执行层之间的桥梁，它负责将 ERP 系统制订的生产计划转化为具体的生产指令，并监控整个生产过程的执行情况。MES 系统具有高度的灵活性和可配置性，能够根据不同的生产需求进行快速调整。借助 MES 一定程度上提高了信息反馈速度，收集到较为全面准确的信息和帮助诊断问题根本原因，提高运营效率、库存周转率和报废率，也能改善企业对市场变化的灵敏度和反应度。在不确定的市场变化中提高企业的竞争力。
1.3 PLC
PLC 作为设备执行层的核心，直接控制着生产设备的运行。它根据 MES 系统下发的生产指令，对生产设备进行精确控制，确保生产任务的顺利完成。PLC 具有高度的可靠性和稳定性，能够在恶劣的工业环境中长时间稳定运行。同时，PLC 还具备强大的编程能力，可以根据不同的生产需求进行灵活配置和扩展 。
2 FMS系统分析
FMS 系统集成自动化、信息、人工智能技术，为中小自动化单元提供高效灵活智能方案，是现代制造业发展的重要方向，极大提高企业竞争力，FMS 系统的优点如下。
尽管传统的三层架构在规模化生产中发挥了重要作用，但在面对小批量、多品种的生产模式时，其局限性逐渐显现。为了克服这些局限性，FMS 系统以其高度的灵活性和快速响应能力，成为现代制造业转型升级的重要推手。
(1) 高度灵活性。FMS 系统以高度灵活性为核心优势，打破传统生产模式局限，采用模块化设计，灵活配置加工单元，降低改造成本和时间，快速响应市场变化，满足多样化需求。
(2) 实时调度能力。FMS 系统凭借实时调度能力实现高效生产，集成先进控制技术监控现场参数，动态调整计划、优化流程，并优化资源配置，确保关键设备优先、提高生产效率、系统稳定运行于复杂生产环境。
2.1 FMS 系统的定位
FMS 系统在工厂信息管理的架构中，主要完成计划与调度的协调。生产计划与调度指的是企业为匹配供需，对其生产活动按时间最优地分配资源的管理活动。
(3) 智能化生产决策。FMS 系统智能化在于其数据处理分析能力，集成大数据、人工智能技术深度挖掘生产数据，提供精准预测、成本控制、质量控制等决策支持，提高企业决策效率和准确性，保障精细化管理与竞争力。
构建 FMS 系统的主要目的是对中小型自动化单元进行整体管控，既不属于传统系统中的制造执行层，也不属于设备执行层，承上对接 MES 系统接收工单任务，启下对接设备执行层，直接控制 PLC 进行生产执行任务 。
(4) 业务链系统集成。FMS 系统与 ERP、MES 等无缝集成，是全面自动化、信息化管理的基础。实时获取订单、物料、库存信息，紧密结合生产过程，提高效率、准确性，避免信息孤岛，实现全程监控、精细化管理，提高运营效率。
(5) 可持续性和可扩展性。FMS 系统具备可持续性和可扩展性，能随企业规模扩大和生产需求变化，通过增加加工单元、升级设备适应变化，并引入新技术提高性能和智能化水平 。
2.2 FMS 系统的控制模式
FMS 系统的控制模式如下：设备在上一个生产制造完成后，发送待机通知给 FMS 系统，等待下一个加工任务。FMS 系统在接收到设备待机，基于工序任务的优先级，选择整线效率最大化的物料送达该设备。当然，在某些高级别的 FMS 系统中，这一动作也可能提前完成，即在设备发出待机通知的同时，下一个待生产的零件已经运送至等待位置，最大化地减少物流时间损失。当零件完成上料后，FMS 系统会同时下发该零件的工艺参数，包括加工程序、所需要的工装等，随后再发送开工启动信号，设备进入生产制造环节 。在完成生产制造任务后，设备上传完工通知给 FMS 系统，FMS 系统会综合判断物流设备的空闲情况，最终调度物流设备完成下线任务。FMS 系统与单机设备交互模式如图 2 所示。
图2 FMS系统与单机设备的交互模式
2.3 FMS 系统的优势
FMS 系统的引入弥补了传统制造系统架构在灵活性和实时调度方面的不足，工艺路线变成了控制策略，在 FMS 系统中进行的工艺参数配置，不仅作为生产线运行防错的基本逻辑，还成为控制物流设备、自动化设备的核心规则。因此，可以在 FMS 中动态修改工艺。生产线出现换型需求时，只要物理条件满足所有控制策略和程序，均可以通过 FMS 系统进行动态管控，最终实现了工艺路线的灵活配置、资源协调的全局性算法，以及对于产线特殊事件的动态响应能力，同时也为产线的产能仿真提供了更加准确的仿真算法 。
3 FMS 系统的应用
3.1 工艺路线的灵活配置
在传统的 MES 系统中，工艺路线是一个确定性的配置参数。具体来说，传统 MES 系统中对于工艺的定义主要是管理工艺顺序，即工艺路线的管理。对于工艺参数的配置，功能相对单薄。作为工艺参数中至关重要的一环，加工过程中使用的刀具、夹具以及物料等资源，往往都是在设备控制层进行管控。这样就造成了一旦产品需要换型，就要对生产线的程序进行大规模改造。
FMS 系统的引入弥补了传统制造系统架构在灵活性和实时调度方面的不足，工艺路线变成了控制策略，在 FMS 系统中进行的工艺参数配置，不仅作为生产线运行防错的基本逻辑，还成为控制物流设备、自动化设备的核心规则。因此，可以在 FMS 中动态修改工艺。生产线出现换型需求时，只要物理条件满足所有控制策略和程序，均可以通过 FMS 系统进行动态管控，最终实现了工艺路线的灵活配置、资源协调的全局性算法，以及对于产线特殊事件的动态响应能力，同时也为产线的产能仿真提供了更加准确的仿真算法 。
3.2 资源协调的全局性算法
精益生产的理念中，瓶颈工位识别是提高产线产能的核心方法。但是，在柔性制造条件下，瓶颈工位变成了一个不确定因素，产品 A、B 混线生产的瓶颈工位判断如图 3 所示，图中 CT 代表 Cycle Time，即循环时间，该指标是评估设备生产效率及产线节拍均衡的重要指标。在产品 A 的生产过程中，设备 M1 成为工序瓶颈，但是在产品 B 的生产过程中，设备 M2 成为工序瓶颈。在这样的一个复杂生产环境中，已经无法使用传统瓶颈工位识别法进行节拍提高，此时需要一个全局的调度算法，实现混线生产时的节拍最大化。
图3 产品A、B混线生产的瓶颈工位判断
FMS 系统特别适用于混线生产的场景，其调度内核通过复杂的加权算法，能够基于设备、物料、工装、物流等维度，对某个工艺任务进行权重分析，结合系统中配置的不同调度策略，最终得出在当前状态下的动态权重，进而调度物流设备执行权重最高的生产任务，这样的基本逻辑能够实现产线产能最大化，避免提高单一瓶颈工位的权重，造成整线节拍下降的情况。
3.3 产线特殊事件的动态响应
传统的 MES 系统，当遇到设备故障影响整体产能时，仅能做到将产品调拨至并行工位进行生产，无法从全局角度计算出产线最优调整策略。
MES 系统处理 OP20A 工位故障如图 4 所示，当 OP20A 工位出现故障时，传统 MES 系统会将所有生产任务转移给 OP20B 工位，但是此时 OP10 工位和 OP30 工位的节拍远远高于 OP20 工位，因此 OP20B 会成为新的瓶颈工位。
图4 MES系统处理 OP20A工位故障
FMS 系统在应对上述特殊事件的策略上有着天然的优势，因为其核心理念是基于生产状态的实时感知进行动态决策，因此设备故障停机并不会影响其全局最优的算法。如上场景在 FMS 系统调度策略的应用下，会进行工单任务的平衡生产，最终实现整线产能最大化 。
图5 FMS系统处理 OP20A工位故障
FMS 系统处理 OP20A 工位故障如图 5 所示，当 OP20A 工位出现故障后，FMS 系统会根据在制品数量情况，灵活调度 OP10A 工位和 OP30A 工位。甚至将部分 OP20A 工位的生产任务，调拨至 OP10 工位或者 OP30 工位完成，实现整线的均衡生产。
4 结束语
FMS 柔性制造管控系统在智能制造领域的应用，标志着制造业向更高层次的自动化、信息化与智能化迈进。该系统通过模块化设计、智能调度与协同控制，实现了生产资源的灵活配置与高效利用，极大地提升了生产线的适应性和响应速度。在智能制造的浪潮中，柔性制造管控系统不仅优化了生产流程，降低了运营成本，还促进了产品质量的稳步提升。未来，随着技术的不断进步，柔性制造管控系统将在更多领域发挥关键作用，推动制造业向更加智能化、绿色化、服务化的方向转型，为全球经济的高质量发展注入强劲动力。
作者：智邦科技有限公司 赵子逸
