基于MES的航天軍工離散機加車間工時管理研究

陳少平，陳卓寧, ，徐同明，周 力

（1. 華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074；2. 武漢開目信息技術有限責任公司，武漢 430223）

0 引言

對于制造型企業而言，工時信息是一種重要制造信息資源，是企業制定生產計劃、安排生產過程、評價工人績效、核算企業成、衡量產品價格等一系列行為的重要依據[1]。企業通過有效的信息化管理工具和手段規范企業的工時信息管理過程，不僅能夠提升其在企業的生產管理過程中的應用價值，而且能夠簡化工時數據維護復雜度、增強工時信息在企業車間不同業務部門中的共享度、減輕工作人員勞動強度、降低生產運行成本，提高企業經濟效益。

目前，國內航天離散制造企業不僅生產任務繁重、生產過程復雜，而且產品質量要求非常嚴格。面對日益激烈的制造業競爭環境，傳統的以人為主的或是局限于獨立的信息系統的工時信息管理模式不僅效率低下、而且工時信息無法形成統一有效的集成應用，難以適應企業的復雜、動態的生產過程。在分析企業車間工時信息管理現狀上，結合車間實際業務過程，提出一種基于MES平臺的工時信息管理模型。在此基礎上，開發了工時信息管理系統用以解決企業在工時管理方面的突出問題。

1 企業工時管理現狀與需求分析

工時信息在企業整個生產管理過程中應用范圍廣泛，甚至可以說貫穿于產品從設計、生產、銷售到消亡這一整個全生命周期過程。通過對國內部分典型的航天軍工離散制造企業實地考察與調研，發現企業生產過程中對工時信息的應用不僅過程復雜，管理手段落后，而且車間不同部門間的工時信息傳遞不及時，生產現場工人的作業工時統計不規范且難以統計等居多問題。具體到企業的機加車間生產過程的工時信息管理方面的弊端，主要體現在如下五個方面：

1) 定額工時的可控性差。車間加工工序的定額工時，由車間定額員制定，而他們主要只是根據紙質工藝定額文件或是個人經驗來確定。制定過程波動性大，經常偏離車間的實際生產工時，尤其是研制的生產任務，這種現象極其頻繁，嚴重影響生產。另外，車間調度員的手工開票方式也易引發問題。定額信息都掌握在車間調度手中，造成管理、調度、加工這三個層次人員信息共享的脫節，缺乏一種有效的工時管理和監督體系[2]。

2) 各業務部門工時信息管理相對獨立，無法形成有效的集成應用。各業務部門都有工時信息應用，但多以人工方式通過紙質文件來傳遞相關的工時信息，不僅效率低下，而且數據冗余、不一致性現象嚴重，給工時管理工作帶來極大不便。另外，在企業工時管理過程中還需要對工時進行優化和修正。基于人工為主的工時信息維護、提交與傳遞很難實現集成應用。

3) 車間工時小票方式管理不規范。車間工人主要通過填寫工時小票上報自己加工任務的所得額定工時，然后提交調度員。手工填寫工票操作起來比較簡單，但是由于沒有統一的標準，票上數據的格式和類型等都沒有明確的規范。而且手寫工票的開票效率低、可靠性差；同時，在實際生產過程中工人為了平衡工作量，還存在工人間私下調配工時或是將工時小票人為延交等現象，給企業的生產管理及后續的工時統計帶來極大的挑戰。

4) 工時統計困難。目前車間使用的是的手工統計。通過把工時數據匯總到 Excel 表上然后再使用Excel的數據透視表功能進行工時數據的處理，生成統計數據和工時的各種報表。工時的匯總和統計工作勞動強度高，并且統計數據的準確性較差。

5) 報表生成復雜、信息查詢困難。數據統計的分散性，導致生成車間的各種報表時，報表上所有數據都需人工計算，大大增加了統計人員的工作強度。而且人為失誤等原因造成報表的準確性差。另外，由于上述原因直接造成的最終后果就是工時信息的查詢困難，如果車間管理層要查詢某工作令的相關信息，必須讓車間提供相關報表，而且只有在出報表的特定時間點才能查詢到最新的生產信息。

針對上述特點，結合企業的業務管理要求，提出基于MES的工時信息管理系統實現車間工時信息的計算機網絡管理，達到信息動態維護、信息共享、快速反應的目的，全面提高企業工時管理的計算機系統化管理水平，為企業的整體信息化管理打下堅實的基礎。

2 基于MES的工時信息管理模型

圖1為結合企業的生產管理過程給出的基于MES平臺的工時信息管理模型。在該模型中，將企業車間生產過程中的工時信息劃分為定額工時、制造工時與實作工時進行管理與集成應用。

制造執行系統（MES），是位于業務管理層（MRP II/ERP）和過程控制層之間，面向車間層的生產管理技術與實時信息系統。MES強調制造計劃的執行。一方面，MES將業務管理系統的命令進一步細化后，向生產過程發出制造指令；另一方面，MES將過程控制層收集到的實時信息，反饋回業務管理系統，作為以后編制生產計劃的依據[3]。文中的工時管理系統正是基于MES系統收集到的相關車間現場實時數據，從中抽取工時方面需要的數據展開系統工作。

圖1 基于MES的工時信息管理模型

時間定額是在一定的技術、組織、條件下，制定出來完成單件產品(例如一個零件) 或某項工作(例如一個工序) 所需的時間[4]，本文中的定額工時特指車間定額員為零件的工序制定的時間定額。企業生產車間對于定額工時管理，主要包括工序的定額工時制定、對生產任務的可分配定額工時計算、任務合計定額工時分配、工人一段時間的定額工時統計以及定額工時查詢等。

制造工時是車間生產調度人員用來分解生產計劃，安排生產任務的基準工時。調度人員在參考定額員給定的額定工時的基礎上，根據實際經驗調整得到的制造工時，其管理內容主要包括制造工時確定、制造工時統計與查詢等。

實作工時是完成某道工序生產任務的平均實際作業時間。對于單件工序生產任務，實作工時即為任務完成時間；對于多件，實作工時為任務實際作業時間的均值。由于航天軍工企業的機加車間機床數控化程度普遍較高，對于實作工時主要通過數控機床采集的有效加工時間來處理，這樣不僅效率高，而且數據相對準確。另外，對于部分普通機床，可借助M E S中其他采集方式（觸摸屏、條碼槍、R F I D等）獲得的任務實作工時，從而保證實作工時的完整性和有效性。針對車間實作工時管理主要包括實作工時計算、統計與查詢。

在企業車間工時管理過程中，定額工時由定額員制定。盡管常用的工時定額制定方法有6種[5]：1) 經驗估計法；2)解析計算法；3) 統計分析法；4) 圖表計算法；5) 類推比較法；6) 技術測定法。但是這樣方法都有各自的特點。方法1) 受人為因素影響較大，但快捷方便。方法2) 相對較準確，但是需要復雜的數學模型。方法3) 和4) 取決于統計資料的可靠程度，這在研制任務較多的離散軍工制造企業難以現實。方法5) 僅適用于大批量生產的產品或者零件品種較為單一和生產對象較為固定的生產企業。方法6) 受影響因素極多，結果變化大。因此，他們主要根據紙質工藝定額文件或是個人經驗來確定，雖然能夠快速制定出工序定額工時，但多偏保守。

對于制造工時，調度人用其制定與優化生產計劃。由于調度員身處生產車間現場，了解車間生產實際情況，確定的制造工時相對定額工時更貼近實際生產時間。而實作工時則是通過處理DNC/MDC系統采集的數控機床加工時間數據得到的，其最能表達工序任務的實際作業時間。為了精細化管理車間生產過程，降低企業生產成本，在提出的管理模型通過工時信息的修正與優化集成應用，利用逼近實際生產作業過程的工時信息反映車間的實際生產情況和運行成本。

圖2 基于MES的工時管理系統功能體系結構

3 工時信息管理系統實現與應用

針對航天軍工企業離散機加生產管理過程中工時信息管理的需求，在基于MES的工時信息管理模型的基礎上，設計了企業生產車間的工時管理系統并進行了實際應用。

3.1 功能體系結構設計

航天軍工離散機加車間的基于MES的工時管理系統功能體系結構包括應用層、功能層與數據層，如圖2所示。

1) 應用層：主要是由車間定額員、調度員、操作工、核算員、管理者等企業工作人員構成，他們按照相應的權限管理、統計與查詢相關的工時信息。

2) 功能層：包括系統功能和工時管理功能。其中系統功能主要包括用戶管理、權限管理和操作日志管理；工時管理功能是對企業車間所使用的工時信息根據相應的業務進行分類而進行管理的，即定額工時管理、制造工時管理和實在工時管理，并對三者之間的修正優化的功能管理。

3) 數據層：在企業已有應用系統的基礎上，提取相關應用系統的數據重構工時信息管理系統運行的數據層底，以支撐其運行。

3.2 關鍵技術

該系統的關鍵功能包括工時計算、工時分配、工時修正和集成應用。其中，工時計算有定額工時計算和實作工時的計算；工時分配是對任務的定額工時進行分配；工時修正包括用制造工時修正優化定額工時，實作工時修正優化定額工時與實作工時修正優化制造工時；集成應用包括工時信息的業務集成應用和工時信息的閉環優化和控制。

1) 工時計算。對于任務的定額工時計算，主要包括獲取MES系統中工序任務的各項最終結論數據與工時系數以及后續的計算。計算公式為：該加工任務的可分配額定工時T=T0+T1×（a×δ1+ b×δ2+ c×δ3+ d×δ4+e×δ5+f×δ6+g×δ7），其中，T0為定額準備工時，T1為單件定額加工工時，其他參數含義見表1所示。

表1 任務定額工時計算參數含義表

對于任務的實在工時計算，則是首先獲取DNC/MDC采集的機床工作狀態和對應的運行時間，再根據MES系統中記錄的設備故障信息得到故障時間，最后結合企業的生產日歷信息，扣除設備計劃休息時間，即可得到Ts到Te時段內設備的非正常工作時間Ta，從而可計算出任務的平均實作工時T =（Ts- Te- Ta）/ N，其中，N為該批次任務的數量。

2) 工時分配。是指對多個工人參與的任務的可分配額定工時進行分配的過程。在企業中，通常有兩種方式分配工時，即按人均分和按件計。在實際生產過程中，工時分配必須滿足相應的條件方可分配，即加工任務、相應的檢驗任務均提交完成且由工人和檢驗員所作的報警均處理完畢，任務的操作工人方可分配該機加任務的額定工時。另外，由于車間實際生產過程中，生產任務較多，為了簡化工時分配的操作，在任務滿足工時分配條件下，系統按指定的分配方式預分配給任務的操作工人，他們通過個人工時查詢時，如有異議，可在工時結算之前協調后再行分配。

3) 工時修正。定期或不定期地對工時進行修正，讀取DNC/MDC采集系統中采集的實際加工時間處理后的工序任務的平均實作工時，利用數理統計方法（譬如，對不同批次的同種工序任務的平均實作工按時段加權平均），給出制造工時和定額工時修訂建議，并修訂制造工時和額定工時，從而優化車間的生產計劃安排和工人的人力成本，提高企業車間生產管理水平和效益。另外，對于數控機床采集任務實作工時受限或是普通機床較多的離散制造企業，也可采用制造工時修正定額工時，以盡量利用有限的條件實現企業的工時信息修正與優化管理。

4) 集成應用。業務集成應用包括MES系統從ERP導入生產計劃的過程中同步從PDM系統讀取工藝文件，生成制造BOM；將其傳遞到車間定額室，定額室對制造BOM中的工序制定定額工時（定額準備和定額加工）；再將更新的制造BOM發布到車間調度室，調度員根據制造BOM中的定額工時，維護其中的制造工時（制造準備和制造加工），然后調度員根據訂單和完整的BOM信息制定生產作業計劃下發到車間現場；現場工人按照作業計劃執行任務，一方面數控機床運行提供實作工時計算的數據源，另一方面任務完成后，工人任務的定額工時進行分配，形成車間的定額工時統計的數據源。對于實作工時數據主要用于后續的工時修正與優化應用，而工人的定額工時數據傳遞到車間核算室，進行個人工時結算和統計。最后，工時系統中維護和形成的各種工時信息共管理人員進行統計和查詢。

工時信息的閉環優化和控制主要是利用制造工時批量修正定額工時以及通過實作工時修正制造工時和定額工時，從而優化車間生產的工時基礎數據，以實現車間的工時信息的優化管理和應用。另外，通過信息化手段，使工時信息都在信息化系統中管理和應用，簡化工時數據的維護和統計難度，提高工時信息傳遞的及時性和有效性。通過權限控制和操作日志記錄，不僅規范工時信息的管理過程，而且對相關的操作進行記錄便于追溯管理，從而對車間生過程中的工時信息進行有效的管控。

3.3 應用實例

本文開發的基于MES的工時信息管理系統已應用到北京某航天軍工離散機加車間的生產管理過程中，該企業生產設備現代化水平較高，車間數控設備占機床設備的80%以上，企業實施ERP、PDM/CAPP、MQS等應用系統較早，DNC和MES系統也于近幾年逐步實施應用。盡管企業生產車間應用了MES系統，但主要是從計劃的角度圍繞車間生產過程實現車間資源（人員、設備、物料等）、計劃調度、執行跟蹤和追溯的管理，對車間所用到的工時信息未全面、系統的涉及，更談不上對其的集成優化應用。基于此，開發的基于MES的工時信息管理系統對車間生產過程所涉及到的工時信息進行全面、系統的管理和集成優化應用。圖3為系統給出的管理平臺工時信息維護和車間終端的工時統計界面。

圖3 管理平臺的工時信息維護和車間終端的工時統計界面

4 結束語

本文針對目前航天軍工離散機械加工車間實際生產過程中工時信息管理方面存在居多難題（譬如，數據維護規范性差、手段落后、效率低下，不同業務部門間信息無法及時、有效的傳遞，難以形成有效的集成應用等問題），在車間應用MES的基礎上，提出了基于MES的工時信息管理模型，并結合車間實際生產管理過程開發了工時信息管理系統。通過該系統在某航天軍工企業的機加車間實施推廣，解決了困擾生產車間對工時信息管理難以統一規范、維護統計困難、無法貼近車間實際生產作業過程的優化集成應用等難題，成功實現了企業車間工時信息全面、系統的深化應用。

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