朱麗娜，許春停

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)能通過(guò)信息傳遞，對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成整個(gè)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化管理，當(dāng)車間里面有實(shí)時(shí)事件發(fā)生時(shí)，MES能對(duì)此及時(shí)做出反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理。近10年來(lái)，MES技術(shù)已經(jīng)在石油、化工、能源、食品和造紙等行業(yè)得到了廣泛的實(shí)施和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)也逐漸開始采用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)自身的核心競(jìng)爭(zhēng)力［1－2］。然而在 MES系統(tǒng)建設(shè)方面，國(guó)內(nèi)目前大多企業(yè)仍然側(cè)重于MES的軟件開發(fā)及其建模，主要停留在思想、內(nèi)涵及體系結(jié)構(gòu)方面的研究上，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)一般局限于單一功能，在技術(shù)深度與應(yīng)用廣度上都存在差距。本文結(jié)合中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)電科38所)在精密加工車間實(shí)施MES的過(guò)程，分析并解決MES實(shí)施過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)問(wèn)題，開發(fā)了集工藝過(guò)程全流程追蹤和質(zhì)量控制等多功能集成于一體的MES系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對(duì)提高企業(yè)信息化管理水平具有重要意義。

1 MES系統(tǒng)應(yīng)用背景

中國(guó)電科38所主要從事電子裝備研制與生產(chǎn)，是典型的離散型企業(yè)，具有科研與生產(chǎn)一體化特征，生產(chǎn)模式為多品種、小批量生產(chǎn)，在研產(chǎn)品生產(chǎn)、試制產(chǎn)品生產(chǎn)、小批量投產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn)同時(shí)進(jìn)行，生產(chǎn)計(jì)劃會(huì)經(jīng)常改變和調(diào)整［3］。由于離散型企業(yè)的上述特點(diǎn)，增加了企業(yè)在生產(chǎn)、物流和質(zhì)量等方面的管理難度，大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。中國(guó)電科38所目前已經(jīng)運(yùn)用多種信息化系統(tǒng)OA、PDM、CAPP等來(lái)解決工作中的問(wèn)題，并發(fā)揮了重要作用，但生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理還處于人工管理的狀態(tài)，缺少信息化平臺(tái)支撐，導(dǎo)致浪費(fèi)大量人力物力。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)主要存在以下幾方面薄弱環(huán)節(jié):

a.無(wú)法及時(shí)了解生產(chǎn)過(guò)程情況，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度缺乏準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)，缺少有效的統(tǒng)計(jì)和考核手段。

b.加急計(jì)劃多，對(duì)原有生產(chǎn)安排的沖擊較大，缺少有效的方法和手段來(lái)對(duì)生產(chǎn)資源進(jìn)行重新合理安排。

c.工藝信息的變更迫使正在加工的零件重新制訂加工計(jì)劃，影響后續(xù)工序和其他零件的加工生產(chǎn)。

d.制造設(shè)備與工具未實(shí)施信息化管理，設(shè)備加工情況監(jiān)控不到位，缺少設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，設(shè)備有效利用率較低。

e.型號(hào)和零件種類較多，實(shí)時(shí)狀態(tài)靠人工現(xiàn)場(chǎng)查看，無(wú)法及時(shí)了解產(chǎn)能情況，人工管理效率無(wú)法滿足生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度要求，遺漏生產(chǎn)任務(wù)情況時(shí)有發(fā)生。

f.生產(chǎn)實(shí)時(shí)狀況、人員狀況以及設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和性能指標(biāo)缺乏有效的監(jiān)控與科學(xué)化管理。

g.工時(shí)信息依靠人工統(tǒng)計(jì)，既浪費(fèi)人力物力，又時(shí)有錯(cuò)誤發(fā)生。

h.質(zhì)量信息依靠紙質(zhì)方式統(tǒng)計(jì)，質(zhì)量信息不能快速統(tǒng)計(jì)來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。

i.手工填寫報(bào)表，不能及時(shí)統(tǒng)計(jì)各種信息來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。

總之，企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)劃準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性比較差，影響企業(yè)對(duì)生產(chǎn)的快速反應(yīng)能力。對(duì)車間中大量的不確定因素，缺乏科學(xué)決策方法，缺乏系統(tǒng)間的有效集成，使得各個(gè)方面的信息系統(tǒng)成為一個(gè)孤島，信息無(wú)法傳遞。

2 MES系統(tǒng)總體方案研究

MES系統(tǒng)是面向車間層次的管理信息系統(tǒng)，在上層資源計(jì)劃管理系統(tǒng)(Enterprise Resource Planning，ERP)與下層工業(yè)控制執(zhí)行系統(tǒng)(Process Control System，PCS)之間架起了一座橋梁，圖1所示為MES在企業(yè)信息集成體系中的關(guān)系。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)思路是:應(yīng)用面向生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)計(jì)理念，以生產(chǎn)信息基礎(chǔ)庫(kù)/數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，采用B/S模式的Web－Service技術(shù)的3層結(jié)構(gòu)模型，與企業(yè)原有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Product Date Management，PDM)、工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Computer Aided Process Planning，CAPP)、制造信息系統(tǒng)(Manufacturer Information System，MIS)、車間分布式數(shù)字控制系統(tǒng)(Direct Numerical Control，DNC)和物流系統(tǒng)(LogisticsSystem，LS)等相集成，獲得生產(chǎn)計(jì)劃信息、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝信息和物流信息等，將生產(chǎn)計(jì)劃和車間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制聯(lián)系起來(lái)，從而可彌補(bǔ)計(jì)劃層與控制層之間的空隙，實(shí)現(xiàn)企業(yè)連續(xù)的信息流，提高企業(yè)的敏捷性［4］。

圖1 MES在企業(yè)信息集成體系中的關(guān)系

2.1 功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃以數(shù)控增效、提高產(chǎn)能為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃、機(jī)床、刀具、質(zhì)量等數(shù)據(jù)的全面集成，建立完善的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)體系，圖2所示為MES系統(tǒng)功能規(guī)劃。中國(guó)電科38所的MES系統(tǒng)是在標(biāo)準(zhǔn)MES業(yè)務(wù)組件基礎(chǔ)上，針對(duì)離散型企業(yè)的典型需求，實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程全流程追蹤、機(jī)床監(jiān)控、計(jì)劃排產(chǎn)、計(jì)劃管理、車間管理、庫(kù)房管理、檢驗(yàn)管理、外協(xié)管理、決策支持與分析和數(shù)據(jù)集成等功能。

圖2 MES系統(tǒng)功能規(guī)劃

2.2 數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)入系統(tǒng)，到設(shè)計(jì)結(jié)果輸出的整個(gè)過(guò)程中，信息、數(shù)據(jù)流通始終保持暢通，圖3所示為MES系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)流程圖。MES系統(tǒng)通過(guò)與企業(yè)現(xiàn)有的MIS、PDM、CAPP、DNC和LS等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的集成，提取產(chǎn)品BOM、三維圖形、工序、工時(shí)、程序、刀具及投產(chǎn)令號(hào)信息等，實(shí)現(xiàn)圖形化高級(jí)計(jì)劃與排產(chǎn)，并對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、刀具庫(kù)存、質(zhì)量狀態(tài)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控，為計(jì)劃調(diào)度、質(zhì)量控制提供決策支持與分析。

圖3 MES系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)流程

2.3 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.3.1 集成技術(shù)

基于信息共享的PDM/CAPP/MIS/DNC/LS/MES的集成是企業(yè)實(shí)施的重點(diǎn)。通過(guò)開放MES的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，開發(fā)數(shù)據(jù)接口程序，在 PDM/CAPP/MIS/LS/DNC系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)調(diào)用觸發(fā)器，實(shí)時(shí)在MES數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建生產(chǎn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)工藝變更，全流程跟蹤生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)共享和聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)信息化系統(tǒng)上下游的銜接。

2.3.2 離散排產(chǎn)技術(shù)

遺傳算法是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇及遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型，是基于“適者生存”的一種高度并行、隨機(jī)和自適應(yīng)優(yōu)化算法，具有很高的靈活性和并行處理能力等特點(diǎn)［5］。系統(tǒng)中采用遺傳算法，將影響離散型企業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)的關(guān)鍵因素(如:產(chǎn)品的BOM關(guān)系、同一整件中的長(zhǎng)短工序、每個(gè)零件的計(jì)劃節(jié)點(diǎn)、不同工序的定額工時(shí)與實(shí)際加工用時(shí)之間的關(guān)系系數(shù)、同一零件不同工序之間的離散度、產(chǎn)品優(yōu)先級(jí)、每個(gè)工序的產(chǎn)能、緊急插單等排產(chǎn)因素)及其內(nèi)在邏輯關(guān)系參數(shù)化為排產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排產(chǎn)。自動(dòng)排產(chǎn)結(jié)果如圖4所示，圖中顯示了每臺(tái)機(jī)床承擔(dān)的任務(wù)情況及相應(yīng)任務(wù)完成情況。

2.3.3 工藝過(guò)程全流程追蹤技術(shù)

圖4 自動(dòng)排產(chǎn)結(jié)果

工藝過(guò)程全流程追蹤技術(shù)是通過(guò)與CAPP系統(tǒng)集成工藝過(guò)程的方法實(shí)現(xiàn)，零部件經(jīng)過(guò)計(jì)劃排產(chǎn)后，MES根據(jù)工藝過(guò)程自動(dòng)傳遞到規(guī)定的班組，然后由班組長(zhǎng)登錄系統(tǒng)后對(duì)任務(wù)進(jìn)行分配，員工采用條碼掃描方式登錄系統(tǒng)，通過(guò)觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)制造狀態(tài)的信息獲取。工藝過(guò)程全流程追蹤實(shí)現(xiàn)了所有產(chǎn)品從工藝設(shè)計(jì)結(jié)束到制造信息系統(tǒng)下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃的任務(wù)派送以及計(jì)劃人員的直接派工，提高了班組對(duì)未來(lái)任務(wù)的預(yù)判，做到了項(xiàng)目經(jīng)理和計(jì)劃人員“足不出戶”就能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作進(jìn)行掌控，增強(qiáng)了產(chǎn)品后續(xù)質(zhì)量的歷史追蹤，并為產(chǎn)品全生命周期管理提供了良好的數(shù)據(jù)支撐，改變了員工工時(shí)分配的紙質(zhì)化管理，為車間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)提供了信息化手段。這樣就提高了工作效率、準(zhǔn)確度，降低了勞動(dòng)力成本。工藝過(guò)程全流程追蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)流程如圖5所示。

3 應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)踐

圖5 工藝過(guò)程全流程追蹤流程圖

通過(guò)對(duì)精密加工車間MES實(shí)際需求分析，結(jié)合離散型企業(yè)特點(diǎn)，完成了MES功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃和數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)，解決了開發(fā)過(guò)程中集成技術(shù)、離散排產(chǎn)技術(shù)和工藝過(guò)程全流程追蹤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，建成了一套可行的MES系統(tǒng)。通過(guò)MES工藝流程管理及質(zhì)量追溯系統(tǒng)解決方案的實(shí)施，大大提高了生產(chǎn)效率，減少了外協(xié)工作量，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。通過(guò)全流程質(zhì)量追溯的實(shí)施，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。通過(guò)全流程查詢系統(tǒng)的實(shí)施，提高了領(lǐng)導(dǎo)層對(duì)項(xiàng)目總體計(jì)劃的全局掌控和決策的科學(xué)性、可行性。截至目前，在中國(guó)電科38所該系統(tǒng)已有涉及5個(gè)產(chǎn)品6 000多個(gè)零件運(yùn)行成功。通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)排產(chǎn)計(jì)劃履約率達(dá)到80%，數(shù)據(jù)錄入和統(tǒng)計(jì)時(shí)間縮短50%，問(wèn)題的追溯率提高到90%，設(shè)備的利用率提高10%，為產(chǎn)品的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、全生命周期管理提供了數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)電子整機(jī)產(chǎn)品快速發(fā)展、多品種小批量生產(chǎn)模式的行業(yè)背景，本文開展了以數(shù)控增效、提高產(chǎn)能為出發(fā)點(diǎn)，以“產(chǎn)品過(guò)程控制”為核心的MES系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究。系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)與企業(yè)現(xiàn)有MIS、PDM、CAPP、DNC 和 LS的集成，改善了企業(yè)信息化集成制造水平。系統(tǒng)應(yīng)用后，設(shè)備利用率、車間的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品的質(zhì)量都得到了提高，并為提高后續(xù)產(chǎn)品計(jì)劃安排的科學(xué)性和可行性及后續(xù)車間實(shí)現(xiàn)無(wú)圖化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ 黃宋魏，王波，和麗芳.選礦廠MES的設(shè)計(jì)［J］.有色金屬，2011(S1):244－249.

［2］ 劉佩欣，祝威.淺談制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)在煤化工行業(yè)中的應(yīng)用探討［J］.神華科技，2011，9(5):70－73.

［3］ 刁樹民，金喜波，楊明遠(yuǎn)，等.離散型制造業(yè)應(yīng)用MES系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27(2):223 －225.

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