基于MES在離散型制造行業中應用與研究

經驗人：王 憑 肖祥純 廖華元 方 堅 李嘉偉

基于MES在離散型制造行業中應用與研究

經驗人：王 憑 肖祥純 廖華元 方 堅 李嘉偉

隨著國內制造業的快速發展，行業市場競爭越來越激烈，企業面臨著產品交貨期越來越短，批量越來越小，個性化定制越來越強。離散型制造行業生產特點呈現為：多品種、小批量、短交期、多變化的特征。如何在行業中立于不敗之地，成為企業急需解決的問題，從而信息化技術受到制造行業的重視。本文通過調研離散型制造企業，結合MES體系和現場精細化管理技術，并且從理論和實踐兩方面，采用文字和圖表相結合的模式描述方法對MES關鍵技術內容（基本理論、流程體系、應用效果）進行了系統的分析論述。

隨著市場競爭的不斷加劇，信息技術和通信技術越來越受到制造企業的重視。目前離散制造企業趨向于準時制生產方式（Just in Time，JIT），又稱作零庫存方式。但是企業往往面臨著客戶的需求多樣性且變更頻繁，使得離散型制造企業往往具有小批量生產、產品品種多、生產流程不固定、實時性響應高等特性。那么，如何依據客戶的需求，能實時準確掌握庫存現況、設備使用狀態、車間生產過程和員工信息等情況，來實現制造的實時化、精準化及管理精細化，已經成為離散制造業有待解決的關鍵問題。為了解決生產現場與管理層之間信息傳遞不及時，管理不到位等問題，制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）的概念被提了出來。MES是實施企業敏捷制造戰略和實現車間生產敏捷化的基本技術手段，它主要側重于從訂單下達到產品產出的整個生產過程的監控及管理。但是，我國在離散制造行業中MES系統應用還不多，主要原因是現場數據采集、處理、工裝設備較為落后，無法對生產過程進行準確的識別和跟蹤，無法適應于離散制造業信息化的需求。要解決離散制造業現存的各種問題，必須運用先進的技術和識別、跟蹤手段，構建一個適應企業的MES系統，來實現信息在企業中的融會貫通，通過信息的實時獲取，來滿足實時化生產需要，提升企業在市場中的競爭力。

離散型制造企業管理關鍵問題分析

目前離散型制造行業遇到的關鍵問題有：1）現場信息無法及時反饋，生產狀態無法實時得到監控， 導致生產計劃追蹤困難：現場手工及自動快節拍流水線作業，導致無法及時反饋作業信息，同時計劃管理人員無法實時了解生產進度。2）制造資源未得到有效的管控：車間資源設備型號、數量較多，其中包括SMT、AOI、燒程、測試儀等，生產過程如何合理安排資源的作業，同時還保證關鍵設備的上料防錯、燒錄程式防錯等實現對設備資源綜合管控。3）產品追溯不完整：目前大多數制造企業都是局部手工去記錄一些關鍵的追溯信息，但信息量不全，一旦產品出現質量問題，往往無法準確定位到出現問題的位置，實際上應包括物料追溯、質量追溯、缺陷及維修追溯、設備及操作者追溯、發包過程追溯等對產品全過程追溯。 4）制造現場不透明：ERP系統只能管理到工單的下發和成品完工狀態，生產過程包括生產進度、質量狀況、返工狀況、維修狀況、在制品狀況等信息都無法及時了解；每個車間、每條產線目前的投入、產出狀況，目標達成狀況等都無法及時了解，從而無法快速決策以保證生產目標的達成。5）產品設計變更信息無法及時傳遞到現場：生產過程中發生因客戶需求變化，導致產品設計或工藝也需要進行變更，ERP系統現有功能無法支持此變更的信息及時傳遞到現場，此時只能通過郵件或電話的方式傳遞到現場，大大降低了工作效率且產品生產周期也隨之增加。

離散型制造企業MES設計總體方案

針對離散型制造行業所存在的問題和現狀分析，建立一個常規生產業務的生產執行信息管理系統（MES），與現有信息系統高度集成；實現從訂單開始到產品產出的整個生產活動的信息化管控，為管理層的數據統計、生產決策提供有效的支持手段，為生產現場提供明確的、可執行的生產信息和方便高效的數據采集及記錄手段。MES系統應以生產訂單的作業執行管理為核心，通過優化生產能力分析、物料分析提升生產可執行性；利用條形碼掃描等手段實現生產進度精細管控、防呆防錯、質量管理、設備運行、關鍵物料追溯等數據采集和管理功能，優化生產執行過程中的事前計劃、事中控制和事后分析與反饋，提供與ERP、OA、QMS等信息系統的集成，其在信息系統的架構圖如下。

基于MES系統功能模塊

MES系統核心模塊總體分為：1）基礎模塊：GCM用于提供產線中使用的各種代碼管理；SEC用戶權限管理，可精確管理到用戶在頁面中各按鈕的使用權限；MEG用戶自定義錯誤/警告/信息的模塊。2）WIP模塊：WIP可定義工廠/產品/流程/工序等各種主信息，提供準確無誤的歷史信息和LOT跟蹤信息（包括LOT創建、拆分、返工、合并、LOT鎖定、報損等）；BOM管理用于產品BOM的主數據并提供防止在生產過程中各部件的誤投入情況；INV提供成品、半成品及原材料的庫存管理和可追蹤功能，及原材料的出入庫管理。3）擴展模塊：RAS用于實時提供各種設備及工具的當前狀態和現況，并可設置維修設備計劃信息；EDC收集和保管LOT進行生產時所需的數據；QCM管理進料及出貨品質信息。4）定制模塊：主要是根據離散型制造行業不同的企業進行量身定制的功能，如SPC統計過程控制，可提供不同的圖形表達方式（如控制圖、直方圖、柱狀圖等）；FMB可通過顯示器來監控各模塊的實時狀態和生產現況；ALM是對WIPRASEDCSPC模塊所發生的各種異常進行報警處理的模塊。5）報表模塊：可提供各種匯總報表。

MES系統方案詳細設計

如下圖為某制造企業產品工藝路線圖及MES核心全流程生產監控流程。

生產訂單的拆分或合并

MES系統與ERP系統訂單主數據進行相互，MES系統接收來自于ERP系統中的生產訂單，并將生產訂單按一定的規則進行拆分或合并，MES系統將生產訂單拆分為多個LOT后，生產計劃員可以根據每天的產能或生產訂單的優先級對LOT進行按時間先后順序排產。

生產過程監控

每個工序的開始（start）及結束（end）都需要進行掃描確認，可根據工序的長短進行確認，可設置為每個工序結束時，系統默認下道工序開始，這樣可減少工位員工進行頻繁做掃描動作；工序間還可以設置Q-TIME時間，即工序間有一段等待時間，時間設置后，若沒有到設置的時間，系統不允許做下道工序的操作；到達特定工序（如調試、耐壓工序）需要有加載調試程序和指導大綱，MES系統與PLM系（產品生命周期管理）系統有接口，可以將PLM系統中存儲對應的產品的程序版本和調試大綱自動下載到MES系統，通過工位上的終端設備進行顯示出來，指導現場操作人員。

品管管理及產品質量追溯

制造企業可以根據產品的屬性來定義哪道工序設置為配置關系采集，主要用于產品級關鍵物料的追溯；其中在特定工序（如測試）借助到設備（測試機臺）進行測試產品，將設備與MES系統進行無縫連接，通過接口，可將設備數據自動采集到MES系統做分析，一旦發生質量異常，MES系統通過ALM預警模塊進行報警，同時線上的LOT將自動進行鎖定，待相關工藝人員進行處理完畢，才允許流轉到下道工序。

物料配送及看板管理

庫房根據每個工位上所需要的物料并按每工位間的節拍進行配料，將每道工序的物料與載具（如送料車或AGV小車）進行綁定后，將物料送至每個工位，現場人員通過掃描條碼進行確認收貨。當此工位的物料全部接收完畢后，MES系統自動發出信號自動對下一道工序進行叫料操作。若工位出現缺料時，現場發出請求叫料信號，傳遞到庫房的FMB（工廠監控看板）上，庫房人員看到警報提示，將其缺料的物料配送到發出請求叫料的工位上。

MES系統應用分析

基于MES核心全流程生產監控設計流程，以下是某制造企業一條產品線導入MES前與導入MES后的實際效果圖。生產周期：平均縮短45%；數據錄入時間：平均縮短75%；在制：平均減少24%；作業組的手工記錄：平均減少61%；前置時間：平均縮短27%；手工記錄損失：平均減少56%；產品缺陷：平均減少18%。

結語

本文基于MES系統，結合了離散型制造行業的特點，設計出MES系統在離散型制造行業中總體方案架構。實施了MES系統后，優化工廠生產制造管理模式，強化過程管理和控制，達到精細化管理目的；實時掌握計劃、調度、質量、工藝、設備運行等信息情況，使工廠各相關部門及時發現問題和解決問題。對于此系統，進行大量的模擬應用及現場調試后。自系統上線以來，該系統運行良好，能夠實現設計初期的功能要求，滿足應用的需要。

王 憑1肖祥純1廖華元1方 堅1李嘉偉2

1.株洲電力機車研究所信息中心；2.株洲電力機車研究所制造中心

王憑（1981-）男，漢族，湖南株洲人，碩士，高級工程師，研究方向：企業信息化、制造信息系統自動化及集成；肖祥純（1972-）男，漢族，主任級工程師，本科，研究方向：生產管理；廖華元（1972-）男，漢族，主任級工程師，研究方向：企業信息化；方堅（1966-）男，漢族，教授級工程師，研究方向：企業信息化管理。李嘉偉（1983-）男，漢族，高級工程師，研究方向：生產信息化。

國家科技支撐計劃支持項目，項目名稱：大型工程裝備制造企業全球集成管控技術研究與應用示范，項目編號：2012BAF12B20

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.043