MES/CAPP集成下生產過程動態追蹤管理體系研究

馬躍，張宇（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024）

MES/CAPP集成下生產過程動態追蹤管理體系研究

馬躍，張宇
（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024）

在分析制造執行系統（MES）中產品生產過程數據與計算機輔助工藝規劃系統（CAPP）中工藝數據的基礎上，針對壓力容器制造業生產過程及質量管理的特點，建立了一種MES/CAPP集成下的生產過程動態追蹤管理體系。通過對體系集成框架與運行模式的分析，開發了壓力容器生產過程動態追蹤管理系統，實現了生產過程中對物料及質量狀態的實時追蹤，提高了生產過程的管理效率；通過對質量問題的溯源，追蹤并改善質量形成過程中的缺陷因素并對工藝知識庫進行優化，有效提升了企業工藝設計與產品制造的科學性與合理性。

MES/CAPP；壓力容器制造；生產管理；動態追蹤

0　前言

對于制造企業，生產過程是企業管理的核心環節之一。在產品的制造過程中，企業如何將各種資源、信息、環節進行有效地整合與利用，以合理的消耗生產出優質的產品，是生產過程管理的關鍵目標，是企業取得最佳經濟效益的基礎。但是在傳統串行生產組織模式下，每個職能部門只關注某個具體環節，人為地割裂了整個制造過程，不僅延長了制造周期，且不易保證產品質量。

CAPP是連接產品設計與制造的橋梁，工藝文件中包含的各種信息為產品制造過程的執行、評價、分析、改進等提供了豐富的數據支撐。但CAPP作為工藝人員編制工藝時的輔助工具，被定義為部門級軟件，導致在企業信息系統體系內，工藝設計過程與生產、計劃、質量等業務部門脫節，難以保證為其他信息系統實時提供一致、有效的工藝信息。MES系統連接企業控制層與計劃層，擁有控制車間內包括物料、設備、人員等在內各種資源的能力，在生產管理的縱向起承上啟下的作用。但是隨著產品的多樣化及企業管理的精細化，MES在過程信息的有效挖掘、質量缺陷分析等方面能力不足。因此，如何在產品“設計——制造”的橫向上有效共享整合工藝、物料狀態、質量等信息，在制造過程的層面上統一業務，將過程管理系統化、平臺化，是具有現實意義的。

壓力容器制造企業，其生產模式多為單件、小批量、多品種、訂單式，屬于典型的離散制造企業，生產柔性較強，不確定性較多，且由于對產品制造質量要求及其嚴格，故其過程管理較為復雜。為此本文根據某壓力容器制造企業實際情況，有針對性地建立了基于MES與CAPP集成的生產過程動態追蹤管理體系框架，旨在通過CAPP中工藝數據與MES中制造數據的動態集成，提高生產過程中部門間信息交換與利用效率，增強企業對在制產品的管控能力，同時通過對質量缺陷的及時追蹤[1]，提高企業內MES的過程優化能力及CAPP的工藝優化能力。

1　MES/CAPP集成下生產過程動態追蹤管理體系基本框架

產品的制造過程包括產品設計、工藝設計、產品制造與裝配、質量控制等諸多環節，涉及信息較為復雜，工藝過程與制造過程關聯性較強[2]。通過CAPP和MES的動態集成，工藝信息與制造信息可以無縫傳遞與交換，企業得以實現制造過程中工藝、質量、材料、設備、人員等信息及資源的實時跟蹤管理，合理調度生產資源，分析工藝執行情況，及時診斷質量故障，制定并實施整改措施。基于MES和CAPP的生產過程動態追蹤管理體系集成框架如圖1所示。

圖1　MES/CAPP集成下生產過程動態追蹤管理體系集成框架

通過CAPP與MES的系統間集成，MES可以實時共享CAPP中產品的工藝路線、詳細工序內容、質檢工藝等信息。在此基礎上，通過采集現場數據，系統可以實現對在制品工序狀態及質量狀態的動態追蹤。物料的工序狀態控制著質量任務的節拍，質量活動的執行結果制約著生產任務的繼續進行，以此將生產制造過程與質量監控過程緊密聯系起來。當加工過程產生質量缺陷后，通過質量缺陷追蹤體系與質量狀態追蹤體系及CAPP之間的信息集成，可對生產過程中的制造信息及產品設計時的工藝信息等因素進行綜合比對分析，追溯缺陷的產生原因，并制定相應的解決方案后反饋至MES或CAPP系統，及時糾正。通過生產過程中對設備的實時數據采集，為上層功能提供實時準確的數據支持。通過“工藝設計——工序跟蹤——工序質檢——缺陷追溯——工藝及過程優化”的信息閉環傳遞，形成了CAPP-MES動態集成體系。

2　MES/CAPP集成下生產過程動態追蹤管理體系運行模式

在制造業中，BOM（Bill ofMaterial，產品物料清單）是企業進行生產組織的基礎核心數據，貫穿于產品設計、工藝、制造、計劃、采購、銷售等職能部門。故BOM成為系統間集成及模塊間信息傳遞的重要依據[3]。

2.1物料追蹤

在高效的管理環境下，企業需要實時掌控在制品（Work-in-Progress，WIP）的位置及狀態。隨著企業對過程控制、質量管理、庫存管理及成本核算精度的要求日益嚴格，需要對WIP進行更加準確的追蹤。

WIP的追蹤可以通過其工序狀態追蹤來實現，操作者按照工藝文件對物料進行加工，其工序狀態隨著加工進程而改變，結合某時刻物料的工序狀態及對應的加工工藝文件，便可以判斷此時物料的加工進度及所處的加工位置。如圖2所示。

根據產品的設計BOM，一方面由工藝人員針對其中需要自制或外協的零部件進行工藝路線規劃及工藝設計；另一方面，系統通過對BOM中的零部件關鍵件標識的識別自動對其進行逐件或逐批編碼，保證系統內物料信息的前后一致性。針對用量較大的鋼材，當按照零件規格下料后，標識移植的同時在系統內建立零件物料編碼與鋼材材質編號之間的映射，不僅實現了產品中零部件的追蹤，同時保證了系統對零部件所用材料的追溯。

當操作者按照工藝要求執行完某一道工序后，便根據所加工零件的物料編碼進行工序匯報操作。傳統的人工錄入方式對車間相關設備要求較低，但所采集信息的及時性與準確性較差。采用無線射頻技術（Radio Frequency Identification，RFID），可自動識別對象，無需人工干預，可以提供更加精準的實時數據[4]。

圖2　物料追蹤與質量狀態追蹤運行模式

通過分布在車間的各種數據采集裝置（如焊接設備上的無線電流傳感器、焊接熔池圖像傳感器等）監控設備運行狀態，系統讀取實時數據，在實現物料位置跟蹤的基礎上，實現了對該工序某些關鍵工藝參數執行情況的動態跟蹤，為質量缺陷的分析、工藝的優化等提供精細的底層基礎數據。同時系統可自動填充過程記錄文件（如焊接操作記錄等），相比傳統人工觀測并記錄的方式，在提高過程見證文件數據真實性和有效性的同時也可以使操作者更加專注于零件的加工過程。

通過焊縫編號與制造工藝中工序編號相關聯，系統實現了對壓力容器制造過程中重要制造環節——焊接的進度及質量的跟蹤與管理。同時，根據零件的加工進度及BOM中零部件之間的父子關系，系統還可以實現裝配部件及產品齊套信息的跟蹤。

2.2質量狀態追蹤

工序質量是構成產品質量的重要因素，是企業質量管理的重要環節之一。同時全面、準確、及時的原始質量信息是落實制造過程質量管理預防作用的基礎。質量狀態追蹤運行模式如圖2所示。

當某道工序操作完成后，操作人員便可在系統上匯報此道工序完成。同時工序匯報信息會同步到質檢子系統中的工序檢驗模塊；質檢人員依據工藝要求判斷產品質量，并手工錄入結果或系統自動獲取數據（如系統自動獲取便攜式探傷儀中的數據），合格產品繼續流轉，不合格產品則進入質量評審管理流程。

當打印某檢驗記錄單時，系統根據操作人及檢驗人ID自動附上其電子簽名，通過MES與CAPP的信息集成，系統在對工藝與質量信息管理的同時，也可以生成符合相關法律規定的產品工藝流轉記錄卡等質量見證文件。

2.3質量缺陷跟蹤

制造工序是產品形成的直接環節，工序質量是多種因素共同作用下的結果。一般來說，工序質量由操作者、機器設備、原材料、工藝方法、測量、環境等六大因素（5M1E）決定。如果這六大因素均處于受控狀態，則產品的工序質量的處于穩定狀態，否則產品質量將出現波動甚至缺陷。

如在制造過程中發現質量缺陷，即未達到一次交檢合格時，應對不合格品進行及時處置，如降級、返工或報廢，同時及時分析缺陷產生的原因，找出制造過程中產生不合格品的系統因素，改進措施做到有的放矢，使制造過程在最短的時間內恢復到受控狀態。運行模式如圖3所示。

在CAPP與MES系統數據庫的交互支持下，發生質量缺陷的工序，其工藝參數、操作規范、執行標準、工藝編制及審核人員等工藝設計信息，及操作人員、質檢人員、該道工序前質檢結果與工序后質檢結果、設備信息、工況環境、生產時間等制造執行信息可實時提取，系統一方面可以對缺陷問題進行基于案例推理(Case-Based Reasoning，CBR)分析處理，檢索質量缺陷案例庫中的相似案例，另一方面相關人員可在系統的支持下對大量數據進行統計，分析缺陷產生的原因，并對其中具有不確定性的因素進行驗證試驗，確定根本原因后及時制定并實施相應整改方案，同時更新案例知識庫。當確定質量缺陷由原材料質量問題引起時，系統可追溯相同材質編號的零部件或成品，通過復驗或隔離等措施，排查同類問題，防止有潛在質量缺陷的產品流入下道環節。

圖3　質量缺陷跟蹤運行模式

3　MES/CAPP集成下生產過程動態追蹤管理體系數據模型

基于MES和CAPP集成環境下生產過程動態追蹤管理體系數據庫設計的部分E-R模型如圖4所示。

圖4　MES/CAPP集成下生產過程動態追蹤管理體系相關數據模型

圖中只給出了與動態追蹤體系相關的主要數據表，忽略了其他為系統開發需求而設計的輔助表格。動態追蹤體系集成了MES與CAPP的主要數據表，通過將零部件信息、工藝信息、生產計劃信息、物料信息、工序匯報信息和質檢信息進行連接，實現了系統對整個生產過程的動態跟蹤。通過對兩系統中數據的分析與挖掘，實現了CAPP與MES的動態優化。

4　MES/CAPP集成下生產過程動態追蹤管理體系應用實例

壓力容器制造企業的生產具有以下特點：（1）壓力容器大多是非標產品，生產重復度小；（2）由于產品屬于訂單式生產、訂單式設計，技術不成熟；（3）由于壓力容器加工周期較長，故企業一般同時進行多個訂單產品的制造，生產組織與管理難度較大；（4）制造工藝較為復雜、繁瑣，制造過程約束較多；（5）壓力容器屬于特殊設備，工作環境惡劣，其產品的質量缺陷將嚴重影響人民生命及財產安全，故其制造質量要求極其嚴格；（6）由于工藝離散程度高，且產品質量影響因素較多，質量穩定性較差；（7）壓力容器生產過程受國家相關職能部門嚴格監管，質量管理責任分配復雜，且生產過程記錄文件較為繁復。這些行業典型特征使得壓力容器制造企業生產過程的管理較其他制造企業更具有挑戰性。基于前述理論、行業特點及原型企業實際情況，本文生產過程跟蹤管理體系應用于壓力容器生產企業，功能架構如圖5。

系統選擇C/S體系結構，采用Visual Studio作為系統開發環境，利用ADO.NET數據訪問接口建立客戶端程序與服務器SQLServer數據庫的連接。

系統建立了基于產品BOM的物料體系與工藝體系，調度人員可以及時追蹤統計某產品或某訂單在制品當前的工藝及質量狀態，發現生產瓶頸，合理調度車間生產資源，立體安排某些輔助部門(探傷、試驗、熱處理等)的作業時間[5]，提高生產過程效率。同時通過統計生產過程中的質量缺陷，追溯其成因，找到重點監控節點。

如圖6所示，系統通過對三個工作令下的所有焊縫質檢記錄統計后發現，環焊縫的一次探傷合格率遠遠低于縱焊縫，因此提高環焊縫的焊接質量對于減少焊縫返修次數、提高產品質量及保證生產進度至關重要。通過MES與CAPP的無縫集成，系統可以橫向比對環焊縫焊接工序的工藝參數、焊接操作記錄、施工工況、被焊筒節封頭質檢記錄等相關工藝及制造信息，并自動計算不合格焊縫的關鍵工藝設計節點及制造控制節點所占總數的比例。運用5M1E分析法，通過統計、分析及試驗驗證，最終確定影響環焊縫焊接質量的因素有封頭與筒節的累計誤差、組裝方法、施焊時焊絲與筒體中心線的偏移量、偏焊量等，相關技術人員據此對相關工藝環節及制造環節進行重點控制，改善了環焊縫一次探傷合格率。

圖5　MES/CAPP集成下生產過程動態追蹤管理體系總體架構

圖6　焊后檢驗統計分析界面

5　結論

本文在CAPP與MES集成的基礎上，針對壓力容器制造企業工藝、制造、質控等環節的特殊性，構建了生產過程動態追蹤管理體系，通過對在制品的物料追蹤、質量狀態追蹤及質量缺陷追蹤，改善了生產過程中物料和質量的管理；通過對集成體系內現有數據的充分挖掘，提高了質量問題的追溯效率和加工工藝及制造過程的優化能力；同時，提高了企業圍繞產品生產過程的信息關聯度，為生產周期的縮短及產品質量的持續改進奠定了基礎。通過在企業的實際應用，驗證了本體系的有效性。相信長期使用必定會為企業帶來良好的經濟效益和社會效益。

［1］張根保，任顯林，李明，等.基于MES和CAPP的動態質量可追溯系統［J］.計算機集成制造系統，2010（02）：349-355.

［2］李洲洋，田錫天，賈曉亮，等.基于單一企業物料清單的飛機制造過程管理體系［J］.計算機集成制造系統，2008（07）：1356-1362.

［3］張永弟，楊光，岳彥芳.基于BOM的CAD/CAPP/MES集成研究［J］.機械設計與制造，2011（03）：78-79.

［4］賀長鵬，鄭宇，王麗亞，.面向離散制造過程的RFID應用研究綜述［J］.計算機集成制造系統，2014（05）：1160-1170.

［5］張金偉，鄭華林，尚旭陽.壓力容器企業生產管理信息系統功能分析與設計［J］.中國制造業信息化，2007（11）：27-30.

(編輯：阮毅)

Study on Dynamic Manufacturing Tracing Management System Based on Integration of MES and CAPP

MA Yue，ZHANG Yu
（SchoolofMechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024，China）

A dynamic manufacturing tracing model based on Computer Aided Process Planning(CAPP)and Manufacturing Execution System(MES)was established through the analysis ofmanufacturing data in MES and process data in CAPP and the characteristics of manufacturing process and quality management in pressure vesselmanufacturers.The integration framework and operation mode were analyzed and the Pressure Vessel Dynamic Manufacturing Tracing Management System was developed.The real-time tracing ofmaterial and quality state in the production process was achieved which improved efficiency of production processmanagement.The defects in forming process of product quality were improved and the process knowledge base was optimized through quality defect tracing，which increased the rationality ofprocessplanningand productmanufacturing in enterprise.

MES/CAPP；pressure vesselmanufacture；manufacturingmanagement；dynamic tracing

TH186

A

1009－9492(2015)06－0034－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.008

2015－03－15

馬躍，男，1960年生，遼寧大連人，碩士，副教授。研究領域：物聯網技術在制造執行系統（MES）和車間生產管理系統的應用技術。已發表論文22篇。