王錦程 謝蕾 李欣冀 趙振杰

本文基于研究所近年來(lái)形成的智能工廠體系，重點(diǎn)介紹了該體系中MES系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用情況。

一、引言

研究所主要以飛行器的設(shè)計(jì)為主，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和少部分零部件由北京總部完成，部分產(chǎn)品及器件的供應(yīng)則由全國(guó)各地的配套廠商完成，產(chǎn)品測(cè)試及總裝則是在研究所的外協(xié)配套工廠開展，在形成了跨區(qū)域的全國(guó)協(xié)同研制體系的同時(shí)，也表現(xiàn)出了生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)外協(xié)廠商的依賴性。與此同時(shí)，外協(xié)廠商的地域分布及研制產(chǎn)品的特性等因素，也導(dǎo)致研究所無(wú)法通過一體化信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全局協(xié)同管理。近年來(lái)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，外協(xié)質(zhì)量難以有效保證，外協(xié)信息溝通效率不高且響應(yīng)不迅速等問題成為了制約研究所快速提升競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素，大力提升自身的制造生產(chǎn)水平的成為了迫在眉睫的問題。而研究所傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)模式主要依靠員工手工操作設(shè)備與填寫紙質(zhì)記錄單來(lái)完成，生產(chǎn)過程與進(jìn)度管理則主要依靠調(diào)度人員的現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)過程及其數(shù)據(jù)、產(chǎn)品履歷和產(chǎn)品質(zhì)量信息等均無(wú)法進(jìn)行有效的追溯?；谶@種現(xiàn)狀，研究所組織團(tuán)隊(duì)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行分析、調(diào)研并論證智能工廠架構(gòu)，規(guī)劃相應(yīng)的實(shí)施途徑，形成了以MES系統(tǒng)為核心的智能工廠建設(shè)思路。MES系統(tǒng)（制造執(zhí)行系統(tǒng)）旨在建立與車間設(shè)備的連接，采集與分析制造過程的數(shù)據(jù)以供最佳的生產(chǎn)流程控制與可視化。該概念于20世紀(jì)90年代提出，優(yōu)勢(shì)在于它是車間和管理之間的接口，通過信息集成實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和業(yè)務(wù)的信息傳遞及對(duì)生產(chǎn)過程的優(yōu)化。MES系統(tǒng)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)依據(jù)紙質(zhì)材料指導(dǎo)生產(chǎn)、采用紙質(zhì)文件進(jìn)行人工作業(yè)流轉(zhuǎn)的生產(chǎn)模式，將生產(chǎn)制造過程從線下離散管理轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€集成式統(tǒng)一管理。

2015年，研究所基于對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)特征、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品生產(chǎn)過程、產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及管理規(guī)范等內(nèi)容的梳理構(gòu)建了MES系統(tǒng)，并應(yīng)用在了產(chǎn)品生產(chǎn)中。在MES系統(tǒng)的幫助下，生產(chǎn)過程得到了有效的管控，訂單、任務(wù)、設(shè)備、人員與物資等信息條例清晰，工作安排也能根據(jù)任務(wù)緊急情況進(jìn)行及時(shí)的調(diào)優(yōu)，極大的提升了產(chǎn)品交付的效率與產(chǎn)品質(zhì)量。2016年，采用MES系統(tǒng)管理的車間因其全面的信息化與高效的自動(dòng)化等特色，獲批全國(guó)五星級(jí)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng);且其合理調(diào)配資源完成的“天鴿”飛行器成功完成長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭首飛搭載任務(wù)，取得了滿意效果。

二、以MES為核心的智能工廠框架

在國(guó)際金融危機(jī)之后，歐美等國(guó)紛紛推出“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，力圖搶占新時(shí)代國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。而隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”，美國(guó)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，“中國(guó)制造2025”等戰(zhàn)略的相繼提出，制造業(yè)的地位也越來(lái)越凸顯，成為了當(dāng)前大國(guó)、大企業(yè)提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。用戶使用的是產(chǎn)品，產(chǎn)品來(lái)源于制造，因而面向制造的研發(fā)成為了當(dāng)前研究所產(chǎn)品研制理念的轉(zhuǎn)型方針。從構(gòu)建以MES為核心的智能工廠，再到由智能工廠驅(qū)動(dòng)的智能制造體系，是研究所未來(lái)戰(zhàn)略部署的主要方向。研究所智能工廠框架如圖l所示。

以MES系統(tǒng)為核心，將研究所現(xiàn)有的綜合財(cái)經(jīng)管控系統(tǒng)、PLM系統(tǒng)、物資采購(gòu)系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)及生產(chǎn)過程與售后保障系統(tǒng)進(jìn)行融合與銜接，為所級(jí)、部門級(jí)領(lǐng)導(dǎo)提供從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，再到維修保障的全生命周期基于綜合數(shù)據(jù)的分析、建議與可視化條件，為領(lǐng)導(dǎo)的決策提供數(shù)據(jù)支持。具體包含三個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）生產(chǎn)制造：依據(jù)產(chǎn)品研制計(jì)劃MES系統(tǒng)細(xì)化計(jì)劃并分配到具體設(shè)備或操作人員，結(jié)合詳細(xì)的工作排布，實(shí)時(shí)監(jiān)督生產(chǎn)進(jìn)程及異常情況的發(fā)生，并采取預(yù)置策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)優(yōu)，提高生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行效率。

（2）供應(yīng)鏈：完善采購(gòu)與制造物流體系，提高外購(gòu)件、自制件及外協(xié)材料、物料到達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確性，并對(duì)扣料、在制品及成品等進(jìn)行精細(xì)化管控，提供數(shù)據(jù)支持的生產(chǎn)預(yù)判和缺料預(yù)警功能，提高物資供應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

（3）工程技術(shù)：面向制造的研制過程中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是圍繞最終的產(chǎn)品開展，從EBOM、SBOM、PBOM再到MBOM，圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能仿真、設(shè)計(jì)工藝協(xié)同、工藝制造的協(xié)同及裝配仿真，調(diào)優(yōu)用戶的使用體驗(yàn)與功能指標(biāo)的均衡性。并在這一系列BOM傳遞過程中，建立產(chǎn)品的履歷臺(tái)帳，為最終交付用戶及后續(xù)保障提供數(shù)據(jù)支撐。

在智能制造時(shí)代，制造是產(chǎn)品研制的核心，MES不再只是連接ERP與車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的中間層級(jí)，而成為了智能工廠框架三個(gè)主線的關(guān)鍵點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)。

三、MES系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

結(jié)合研究所當(dāng)前產(chǎn)品的研制現(xiàn)狀，梳理了產(chǎn)品生產(chǎn)的主要過程，并與MES的功能進(jìn)行了對(duì)應(yīng)，如圖2所示。并基于產(chǎn)品生產(chǎn)過程，形成了MES系統(tǒng)的功能框架體系，如圖3所示。MES系統(tǒng)的功能框架分為資源層、服務(wù)處、功能層和展示層。其中資源層主要為支撐系統(tǒng)運(yùn)行的底層軟硬件設(shè)施，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等;服務(wù)層主要包括操作系統(tǒng)層面及軟件底層提供的系統(tǒng)全局功能，如日志、權(quán)限、角色及接口等;功能層是MES系統(tǒng)的核心，包括了以BOM管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、開工報(bào)工管理等為代表的十多向主要功能;展示層主要為領(lǐng)導(dǎo)、管理人員及操作工人提供查看、操作系統(tǒng)的界面。

1、MES構(gòu)建過程

以MES系統(tǒng)功能框架為基礎(chǔ)，研究所啟動(dòng)了軟件系統(tǒng)的構(gòu)建工作，主要過程包括需求分析與方案設(shè)計(jì)、二次開發(fā)與功能測(cè)試，綜合聯(lián)調(diào)與用戶測(cè)試及應(yīng)用完善與總結(jié)驗(yàn)收四個(gè)階段的工作，具體如下。

（1）需求分析與方案設(shè)。對(duì)研究所生產(chǎn)車間的工藝、生產(chǎn)、物料、檢驗(yàn)等業(yè)務(wù)進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)研，并結(jié)合業(yè)務(wù)調(diào)研工作開展需求分析，經(jīng)過內(nèi)外部專家評(píng)審，形成調(diào)研與需求分析報(bào)告。在調(diào)研與分析報(bào)告的基礎(chǔ)上，開展系統(tǒng)構(gòu)建的方案設(shè)計(jì)工作，并同時(shí)搭建原型系統(tǒng)對(duì)部分功能進(jìn)行預(yù)配置，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)方案與實(shí)際需求場(chǎng)景的匹配程度。經(jīng)過方案細(xì)化、原型實(shí)現(xiàn)、功能確認(rèn)等多次迭代，最終完成設(shè)計(jì)方案報(bào)告，經(jīng)過內(nèi)外部專家的綜合評(píng)審，形成指導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)的建設(shè)方案。

（2）二次開發(fā)與功能測(cè)試?；谠O(shè)計(jì)方案開展部分功能的二次開發(fā)工作，主要包括數(shù)據(jù)和流程的動(dòng)態(tài)建模、用戶使用界面的個(gè)性化配置及底層相關(guān)功能邏輯的開發(fā)實(shí)現(xiàn)等。在二次開發(fā)的過程中，同步編寫測(cè)試大綱，準(zhǔn)備相關(guān)的基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)開發(fā)、測(cè)試、調(diào)優(yōu)以及完善的流水線迭代作業(yè)，提高功能開發(fā)的效率。功能開發(fā)與測(cè)試完備后，開展系統(tǒng)級(jí)全局功能的綜合功能測(cè)試，解決功能交互時(shí)出現(xiàn)的問題，并形成二次開發(fā)與測(cè)試報(bào)告，作為后續(xù)工作的參考。

（3）綜合聯(lián)調(diào)與用戶測(cè)試。基于功能測(cè)試滿足要求的結(jié)果，開展系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同聯(lián)調(diào)及終端控制設(shè)備的綜合調(diào)試工作，確保時(shí)序工步、通信接口與控制精度等達(dá)到使用要求，對(duì)服務(wù)端的響應(yīng)性和客戶端的操作性進(jìn)行綜合測(cè)試，確保系統(tǒng)滿足并發(fā)訪問壓力、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、前后臺(tái)同異步處理一致性等方面滿足使用要求。完成綜合調(diào)試工作后，開展系統(tǒng)使用培訓(xùn)，并在培訓(xùn)的過程中結(jié)合系統(tǒng)的模擬使用工作，經(jīng)一至三個(gè)月的模擬試運(yùn)行，檢查功能、性能的指標(biāo)符合度，在完善測(cè)試中出現(xiàn)問題的同時(shí)，形成綜合測(cè)試報(bào)告。

（4）應(yīng)用完善與總結(jié)驗(yàn)收。基于試運(yùn)行正常且主要問題得到有效解決的結(jié)果，開展正式系統(tǒng)的部署、系統(tǒng)配置信息的遷移及正式數(shù)據(jù)上線運(yùn)行等工作。正式運(yùn)行中實(shí)際遇到的情況會(huì)比測(cè)試運(yùn)行復(fù)雜，需對(duì)正式運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行記錄、處理與完善，對(duì)于研究所來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)正式運(yùn)行一個(gè)月后，認(rèn)定系統(tǒng)滿足使用要求，達(dá)到了建設(shè)的目標(biāo)，進(jìn)行了總結(jié)驗(yàn)收。

2、MES主要功能

研究所對(duì)生產(chǎn)過程及其對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了細(xì)分，功能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與交互參數(shù)通過詳細(xì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了描述，確保了功能的模塊化與接口關(guān)系的規(guī)范化，同時(shí)細(xì)分的功能又能在后期調(diào)整中靈活的增加與修改，提升了系統(tǒng)整體的敏捷性。MES系統(tǒng)功能眾多，部分主要功能包括生產(chǎn)策劃、產(chǎn)品投產(chǎn)、BOM、任務(wù)管理質(zhì)量控制、外協(xié)管理、可視化與移動(dòng)端的應(yīng)用等，具體如下。

（1）生產(chǎn)策劃管理。生產(chǎn)策劃是按生產(chǎn)計(jì)劃安排，定期向生產(chǎn)執(zhí)行部門下達(dá)生產(chǎn)指令的過程，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃的定期編制、動(dòng)態(tài)更新和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)布及投產(chǎn)流程電子化等功能，提高了生產(chǎn)計(jì)劃制定/發(fā)布、產(chǎn)品投產(chǎn)的規(guī)范性和業(yè)務(wù)效率。

（2） BOM管理。BOM是零件加工、產(chǎn)品組裝的依據(jù)，是生產(chǎn)任務(wù)的明細(xì)組成實(shí)體，為生產(chǎn)整個(gè)業(yè)務(wù)的開展提供數(shù)據(jù)來(lái)源和支持。合理的BOM結(jié)構(gòu)能夠降低生產(chǎn)規(guī)劃復(fù)雜度，細(xì)分大型產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)，優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)的調(diào)配策略。

（3）產(chǎn)品投產(chǎn)管理。產(chǎn)品投產(chǎn)是指將生產(chǎn)執(zhí)行部門下達(dá)的生產(chǎn)訂單轉(zhuǎn)化為任務(wù)的過程，結(jié)合訂單類型、投產(chǎn)與生產(chǎn)計(jì)劃以及制造BOM不同，可分為成套投產(chǎn)和零星投產(chǎn)。成套投產(chǎn)建立了與生產(chǎn)計(jì)劃的關(guān)聯(lián)關(guān)系，已投產(chǎn)的項(xiàng)目不再重復(fù)投產(chǎn)，但可以更改完成日期。零星投產(chǎn)是對(duì)成套投產(chǎn)中的遺漏項(xiàng)、報(bào)廢項(xiàng)以及臨時(shí)項(xiàng)投產(chǎn)，投產(chǎn)流程不依賴于生產(chǎn)計(jì)劃和制造BOM。

（4）生產(chǎn)過程質(zhì)量控。質(zhì)量控制包括外購(gòu)、外協(xié)件質(zhì)量控制，工序質(zhì)量控制，產(chǎn)品質(zhì)量控制三個(gè)方面。例如，外購(gòu)物資或外協(xié)件需通過物資檢驗(yàn)流程審批通過后才能辦理入庫(kù);強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)的工序完工需會(huì)自動(dòng)進(jìn)入檢驗(yàn)員的檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，普通工序的完工則會(huì)流轉(zhuǎn)至工人自檢環(huán)節(jié);而產(chǎn)品所有工序完成，則會(huì)進(jìn)入完工流程，經(jīng)過檢驗(yàn)后方能成為完工產(chǎn)品。

（5）生產(chǎn)看板和監(jiān)控。通過對(duì)于產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度的圖示化顯示，以及產(chǎn)品關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度、生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度和工序進(jìn)度的逐級(jí)細(xì)化顯示，為領(lǐng)導(dǎo)和各級(jí)管理人員提供實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)，識(shí)別節(jié)拍瓶頸的直觀依據(jù)。例如，計(jì)劃調(diào)度人員可通過“生產(chǎn)進(jìn)度圖”跟蹤所有工作訂單的工序計(jì)劃進(jìn)度信息，計(jì)劃管理人員可通過“現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃關(guān)鍵要素表”掌握全年交付數(shù)量、當(dāng)前應(yīng)交數(shù)量當(dāng)前入庫(kù)總數(shù)的信息等。

（6）外協(xié)供應(yīng)商管理。外協(xié)業(yè)務(wù)管理是從外協(xié)計(jì)劃生成、協(xié)議簽訂、協(xié)議內(nèi)容執(zhí)行、進(jìn)度監(jiān)控到最終外協(xié)產(chǎn)品交付入庫(kù)及外協(xié)單位售后維護(hù)的全業(yè)務(wù)過程管理。其中還包括外協(xié)過程中的質(zhì)量管理（如技術(shù)問題處理、檢驗(yàn)、返修與報(bào)廢等），以及對(duì)外協(xié)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析和基于分析結(jié)果進(jìn)行的外協(xié)業(yè)務(wù)管理改進(jìn)。

（7）移動(dòng)端的擴(kuò)展應(yīng)用。通過將現(xiàn)有制造執(zhí)行管理系統(tǒng)的應(yīng)用延伸至移動(dòng)端，解決部分外協(xié)場(chǎng)所網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連通、產(chǎn)品離線檢驗(yàn)等問題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集、過程控制、動(dòng)態(tài)分析、作業(yè)指導(dǎo)、產(chǎn)品追溯、質(zhì)量監(jiān)控以及過程預(yù)警等功能，提高生產(chǎn)管理人員、技術(shù)人員、外場(chǎng)操作人員的執(zhí)行效率，減少紙質(zhì)文件傳遞。

3、MES系統(tǒng)的應(yīng)用

MES系統(tǒng)功能貫穿了研究所產(chǎn)品生產(chǎn)從前期工藝技術(shù)準(zhǔn)備到最后成品入庫(kù)的全業(yè)務(wù)過程，提供了便利和高效的信息化解決方案。研究所MES系統(tǒng)上線運(yùn)行以來(lái)，先后完成了十余類，三百余件產(chǎn)品基于BOM結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品生產(chǎn)，承擔(dān)了部分小型飛行器的總裝總測(cè)工作，為飛行器的綜合驗(yàn)證及產(chǎn)品發(fā)布做出了重要貢獻(xiàn)，并以此為基礎(chǔ)，形成了相應(yīng)BOM結(jié)構(gòu)、工藝文件等編制與管理規(guī)范，指導(dǎo)后續(xù)新類型、新產(chǎn)品和新生產(chǎn)線的工作開展。

四、結(jié)語(yǔ)

智能制造已逐步成為時(shí)代的主題，掌握了先進(jìn)制造方式，就具備了將客戶的個(gè)性化需求變?yōu)楫a(chǎn)品的能力。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，以研發(fā)設(shè)計(jì)為核心技術(shù)的研究所在競(jìng)爭(zhēng)中越來(lái)越不占優(yōu)勢(shì)，建立自身的生產(chǎn)車間，是研究所突破現(xiàn)有局勢(shì)的必由之路。本文介紹了研究所面臨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力的情況下開展的以MES為切入點(diǎn)的智能制造戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，介紹了MES系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用情況。研究所通過以MES為核心構(gòu)建了生產(chǎn)能力，并借助自身研發(fā)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，以面向制造的研發(fā)開發(fā)產(chǎn)品，生產(chǎn)的產(chǎn)品成功的在市場(chǎng)考驗(yàn)中站穩(wěn)了腳步，且部分產(chǎn)品已經(jīng)用在了飛行器產(chǎn)品中，經(jīng)過了各類地面與飛行試驗(yàn)的考驗(yàn)，取得了滿意效果。