林大明,盧政毅,黃圣龍
(柳州五菱柳機動力有限公司,廣西 柳州545005)
柳州五菱柳機動力有限公司以NP18發(fā)動機生產(chǎn)線為切入點,結(jié)合企業(yè)多辦公平臺實施MES制造管理信息化項目,提高公司的工藝及產(chǎn)線工業(yè)化及信息化水平,全面提升企業(yè)的生產(chǎn)制造全過程的競爭能力。
通過MES制造管理信息化項目實施,建立制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)(面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng))。實現(xiàn)為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃派工管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、質(zhì)量管理、設備管理、看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)采集分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊,為企業(yè)打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。
MES必須基于優(yōu)秀的管理業(yè)務流程,縱橫全面考慮。縱向采用目前國際通用的三層結(jié)構(gòu),橫向貫穿研發(fā)、供應鏈、制造、營銷整個價值鏈過程。構(gòu)建步驟可分布實施,但必須基于整體架構(gòu),否則會出現(xiàn)信息孤島、信息煙囪、難以整合等問題,不利于公司整體協(xié)同。
西方企業(yè)的信息化是沿著MRP/MRPII/ERP這條路徑走下來的,發(fā)展過程中存在著一定的問題。美國AMR通過對大量企業(yè)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)普遍以ERP/MRPII為代表的企業(yè)資源管理軟件為主,如果沒有公司自動化技術、現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)等的有效支持,往往陷入集成與應用兩層皮的尷尬境地,最后導致失敗。1992年AMR提出了三層的企業(yè)信息化模型。目前,這三層結(jié)構(gòu)模型已經(jīng)是公認的企業(yè)信息化模型。
企業(yè)信息化三層模型包含企業(yè)資源計劃ERP、執(zhí)行系統(tǒng)MES、過程控制系統(tǒng)PCS等三個層級,是一個貫徹“計劃—執(zhí)行—控制”的有機整體。企業(yè)資源計劃ERP面向資源計劃,執(zhí)行系統(tǒng)MES面向現(xiàn)場執(zhí)行,過程控制系統(tǒng)PCS面向過程控制。其中,MES是一個承上啟下的系統(tǒng),一方面連接底層的工程控制,一方面連接高層的資源計劃,是確保企業(yè)信息化成功的基礎和關鍵。企業(yè)信息化三層結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 企業(yè)信息化三層結(jié)構(gòu)模型
執(zhí)行層面的信息化包含研發(fā)PDM、供應鏈SCM、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES和客戶關系管理CRM.模塊與模塊之間考慮預留標準接口,可與ERP、辦公協(xié)同OA和底層的控制對接。如圖2所示。

圖2 企業(yè)信息化業(yè)務架構(gòu)
MES本質(zhì)上是對制造過程中信息流的管理,根據(jù)制造信息的特點,將信息流分為平臺、計劃信息流(計劃流)、產(chǎn)品信息流(產(chǎn)品流)、作業(yè)信息流(作業(yè)流)和物料信息流(物流)5個層次,涵蓋了制造過程的各個管理環(huán)節(jié)。如圖3所示。
平臺:平臺是MES系統(tǒng)的基礎模塊,是MES所有功能模塊的基礎支撐。MES平臺包括基礎數(shù)據(jù)、智能BOM、信息發(fā)布中心、權(quán)限管理和電子看板系統(tǒng)等管理平臺。
計劃信息流:是計劃信息的流向,貫穿從客戶訂單到交付的整個過程,也是制造過程組織的依據(jù)。
產(chǎn)品信息流:產(chǎn)品信息流是指產(chǎn)品流動過程的信息流,是產(chǎn)品制造過程中實物流動的源頭。貫徹產(chǎn)品流的信息流包括產(chǎn)品跟蹤、產(chǎn)品追溯和產(chǎn)品存儲等。
作業(yè)信息流:作業(yè)信息流是指產(chǎn)品制造過程中的作業(yè)信息流。作業(yè)流包括工位管理、設備管理、暗燈系統(tǒng)、質(zhì)量管理、效率管理系統(tǒng)等。

圖3 MES業(yè)務架構(gòu)圖
物料信息流:物料信息流是指物料流動過程中的信息流,通常由產(chǎn)品流拉動,貫穿物流計劃、物料存儲、物料配送、物料追溯、產(chǎn)品跟蹤(產(chǎn)品電子檔案)等環(huán)節(jié)。
基于“企業(yè)信息化架構(gòu)理論”設計的制造管理信息化平臺架構(gòu),可以解決架構(gòu)服務器分散,維護困難、數(shù)據(jù)安全無法保障及現(xiàn)有信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)獨立、共享不暢等問題,并且具備靈活擴展、維護方便、數(shù)據(jù)安全、遇到故障靈活切換等特點。基于“企業(yè)信息化架構(gòu)理論”設計的新的系統(tǒng)架構(gòu),采用先進的IT技術,完全滿足公司未來信息化規(guī)劃的需求。
網(wǎng)絡及硬件架構(gòu)主要由服務器、生產(chǎn)線、物料配送區(qū)、倉庫及其他應用客戶端等組成。2.1.1服務器
數(shù)據(jù)庫服務器與應用服務器分離,確保數(shù)據(jù)的安全性,避免應用服務器出現(xiàn)問題影響數(shù)據(jù)的安全。通過交換機連接不同的數(shù)據(jù)庫服務和應用服務器進行各種業(yè)務處理,支持越來越高的業(yè)務連續(xù)性要求。
數(shù)據(jù)庫服務器與應用服務器使用服務器群集與數(shù)據(jù)庫高可用組雙機容錯系統(tǒng)作為雙機熱備方案,該方案具備以下特點:
1)服務器、網(wǎng)卡、電源模塊等關健設備全部使用冗余設計,無單點故障;
2)雙機軟件快速反映,錯誤檢測時間小于10 s,故障切換及恢復時間一般在10~20 s;
3)雙機軟件GUI與Server分離,可隨時中斷GUI而不影響Server的運行;
4)支持 JOB和 BRING IN/BRING OUT、在一臺SERVER上停止JOB不會導致FAILOVER;在同一塊網(wǎng)卡上建立多個活動的IP地址,支持多個JOB的運行;
5)自動切換:當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(如:系統(tǒng)宕機、HA 進程/應用進程被殺掉、RS-232、SCSI、光纖、網(wǎng)絡線纜斷開),RoseHA將確定故障原因,并采取相應對策,并將這些應用切換到備份服務器上,而故障服務器中未受影響的應用不會被切換,既不會受任何影響,更不需要系統(tǒng)管理員干預。
2.1.2 生產(chǎn)線
每條生產(chǎn)線配置一臺現(xiàn)場服務器,現(xiàn)場服務器使用工業(yè)一體機電腦,滿足生產(chǎn)線現(xiàn)場的嚴苛環(huán)境要求,現(xiàn)有生產(chǎn)線每個工位采集及錄入的數(shù)據(jù)都存儲在現(xiàn)場服務器,并通過網(wǎng)絡同時上傳到中心機房的數(shù)據(jù)庫服務器上,有效解決現(xiàn)有生產(chǎn)線現(xiàn)場服務器易發(fā)故障及維護困難,數(shù)據(jù)獨立存儲導致的數(shù)據(jù)共享不暢及數(shù)據(jù)安全無法保障的問題。
2.1.3 物料配送區(qū)
物料配送區(qū)的配送計算機通過網(wǎng)絡,實時的獲取生產(chǎn)線各個工位的物料需求,通過LCD看板顯示或者系統(tǒng)播放聲音信息及時通知配送人員把所需的物料配送到生產(chǎn)線。
2.1.4 倉庫及其他應用客戶端
倉庫及其他應用客戶端通過無線及有線網(wǎng)絡與中心機房應用服務器相連,通過PAD、者客戶端PC或移動設備,靈活使用應用服務器上部署的業(yè)務功能模塊。
此次搭建的MES系統(tǒng)軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如4所示。

圖4 MES系統(tǒng)軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖
3.1.1 NET框架
要求.NET Framework 4.5及以上版本。3.1.2 WEB開發(fā)框架
ASP.NET MVC 5:ASP.NET MVC是微軟官方提供的以MVC模式為基礎的ASP.NET Web應用程序(Web Application)框架,ASP.NET MVC 5為其最新版本。
1)基于依賴注入(IOC)設計模式及依賴注入框架Ninject設計,使數(shù)據(jù)訪問接口層不依賴具體的實現(xiàn),可以方便適應不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(MSSQL、MySql、Oralcle 等)。
2)基于依賴注入(IOC)設計模式及依賴注入框架Ninject設計,可以靈活的應付已有業(yè)務的更新和改進要求。
3)基于ASP.NET WEB API 2的插件式數(shù)據(jù)訪問接口(API)服務,不僅可以方便的為其它系統(tǒng)提供數(shù)據(jù),還可以讓系統(tǒng)靈活地使用不同的前臺框架(HTML、Winform、WPF、IOS、Andorid等),應對不同操作環(huán)境需求。
4)基于ASP.NET MVC 5的插件式框架,可以靈活實現(xiàn)移除過時的業(yè)務功能及增加所需的新的業(yè)務功能。
5)基于微軟成熟的.NET Framework 4.5、ASP.NET MVC 5及ASP.NET WEB API 2框架技術,支持大用戶量并發(fā)使用(在普通服務器下支持2000-5000并發(fā))。
6)框架提供完整的錯誤日志記錄,遇到問題能通過日志快速定位和解決。
7)插件式框架輕松應對系統(tǒng)部署和升級,在應用服務器上把框架部署完成后,只需要將實現(xiàn)業(yè)務功能的插件文件拷貝到框架的插件文件夾下,就可以立即使用新的業(yè)務功能;如果需要移除業(yè)務功能,只需移除對應的業(yè)務插件文件即可。
電力拖動方案是電氣控制原理圖設計及電器元件選擇的依據(jù)。本設計作為實訓裝置,主要促進企業(yè)新員工掌握電動機常用的控制電路,使企業(yè)新員工增加感性認識,因而不考慮進行電力拖動方面的實訓,達到培訓演示效果即可。
根據(jù)公司信息化整體規(guī)劃,結(jié)合發(fā)動機裝配公司的實際業(yè)務,本階段引入MES系統(tǒng)的主要功能,功能包含基礎數(shù)據(jù)、產(chǎn)品電子檔案、質(zhì)量過程控制、工位管理、暗燈系統(tǒng)、物料配送、效率管理、設備管理相關內(nèi)容。
基礎數(shù)據(jù)是MES系統(tǒng)運行的基礎。
1)產(chǎn)品基礎數(shù)據(jù):包括產(chǎn)品系列、產(chǎn)品狀態(tài)、產(chǎn)品代碼、工藝路線主要模塊。
2)物料基礎數(shù)據(jù):包括物料類型、BOM、供應商信息的管理。
3)質(zhì)量基礎數(shù)據(jù):定義各種質(zhì)量指標、檢測項目以及對于檢查數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的邊界值。
4)設備基礎數(shù)據(jù):設備臺賬管理。
5)基礎數(shù)據(jù)還包括:車間生產(chǎn)線及工位、班次和工作時間、員工和部門以及權(quán)限管理等功能。
MES系統(tǒng)對產(chǎn)品信息采集、分析處理,為每一臺發(fā)動機建立電子檔案,提供便捷的查詢等功能,滿足生產(chǎn)作業(yè)、產(chǎn)品追溯等業(yè)務需求。
(1)檔案內(nèi)容:根據(jù)生產(chǎn)及追溯業(yè)務需求,設計產(chǎn)品電子檔案包含主要內(nèi)容及信息來源如下表1所列。

表1 產(chǎn)品電子檔案內(nèi)容
(2)數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集方式選擇原則:準確、方便、快捷。MES平臺優(yōu)先選擇自動采集的方式,減少手工錄入環(huán)節(jié),降低出錯幾率,提高效率及數(shù)據(jù)實時性。
主要的數(shù)據(jù)采集方式有:
1)數(shù)據(jù)庫接口(自動采集);
2)文件傳輸接口(自動采集);
3)設備OPC接口(自動采集);
4)RFID自動識別(自動采集);
5)條碼(一維、二維)掃描錄入;
6)手工錄入。
現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集見如圖5所示。

圖5 MES數(shù)據(jù)采集服務器架構(gòu)
現(xiàn)場操作PC通過網(wǎng)絡與應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器相連,掃描/錄入質(zhì)檢信息、追溯物料信息等,連同對應的發(fā)動機狀態(tài)號、操作員、工位、操作時間等信息經(jīng)過處理后保存到數(shù)據(jù)庫服務器,供查詢、分析、追溯用。
現(xiàn)場服務器運行著OPC服務,現(xiàn)場服務器通過OPC接口與RFID識別系統(tǒng)等PLC控制的自動化設備相連,實時獲取PLC信息,并保存到數(shù)據(jù)庫服務器。如圖6,當托盤經(jīng)過RFID讀寫單元的感應區(qū)域時,托盤RFID中存儲的狀態(tài)號被自動識別,該狀態(tài)識別號以及讀寫頭單元地址通過PLC傳送到OPC服務器。OPC服務將讀寫單元地址轉(zhuǎn)化成對應的工位編號,連同讀取的時間保存到數(shù)據(jù)庫服務器。工位是操作PC從數(shù)據(jù)庫服務器獲取到發(fā)動機相關信息,實時顯示出來。
熱測試臺等測試、測量設備完成操作后,測試測量結(jié)果保存到現(xiàn)場服務器,MES系統(tǒng)則可以通過數(shù)據(jù)庫接口獲取上述測試測量數(shù)據(jù),保存到產(chǎn)品檔案記錄供查詢、分析、追溯。
(3)產(chǎn)品檔案報表
軟件具備模塊查詢功能,分精確追溯零件、批次追溯零件、擰緊設備、測量設備、熱試磨合、發(fā)動機返修、總成查詢等7大模塊進行布置,可按發(fā)動機號、零件號、工位號、工位名稱、操作者、生產(chǎn)時間等單條件或多條件查詢,可按查詢內(nèi)升序或降序進行排序;
電子檔案以Excel表格、PDF等格式保存,并可自動實時打印。
電子檔案數(shù)據(jù)與公司內(nèi)網(wǎng)連接,可分權(quán)限查詢和打印。
產(chǎn)品電子檔案數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)開放式,便于二次開發(fā)。
質(zhì)量管理信息系統(tǒng)構(gòu)建全面基于整個質(zhì)量管理業(yè)務系統(tǒng)如圖6所示。質(zhì)量管理業(yè)務體系包含質(zhì)量系統(tǒng)管理、早期集成設計、精益制造工程、制造程序認證、質(zhì)量標準、質(zhì)量信息、過程質(zhì)量管理、質(zhì)量改善等幾個核心模塊。

圖6 質(zhì)量管理系統(tǒng)業(yè)務模型圖
制造過程過程控制模塊包含預防、檢測和遏制三個層次,遵循PDCA管理循環(huán),本期信息系統(tǒng)構(gòu)的業(yè)務內(nèi)容包含檢驗數(shù)據(jù)采集接口、質(zhì)量實時監(jiān)控SPC、響應與返修、質(zhì)量改善清單、質(zhì)量自働、質(zhì)量追溯、質(zhì)量查詢、質(zhì)量報告體系。業(yè)務模型如圖7所示。

圖7 業(yè)務模型
質(zhì)量過程管理基于以上業(yè)務邏輯,設計本期的IT架構(gòu),如圖8所示。包含數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量信息統(tǒng)計分析與存儲、質(zhì)量過程遏制、質(zhì)量追溯、過程改進、質(zhì)量決策報表和質(zhì)量查詢七個功能模塊。

圖8 質(zhì)量過程控制IT架構(gòu)簡圖
工位管理主要包括工位的生產(chǎn)派工功能、操作標準化SOS和物料索取,在工位操作PC上的系統(tǒng)界面,可以靈活切換這三個功能。同時工位管理系統(tǒng)還支持擴展其他管理功能,如設備點檢、工位5S標準、工位安全人等。
暗燈(Andon)系統(tǒng)是當生產(chǎn)線出現(xiàn)問題需要其他人員支持解決時,將生產(chǎn)線停下來,等到將問題解決后再重新啟動生產(chǎn)線的一套裝置。這樣可以使問題不往后流動,有效地提高了過程質(zhì)量。同時,它也大大促進了團隊合作、問題解決。暗燈系統(tǒng)主要作用:
1)貫徹“不接受、不制造、不傳遞缺陷”的三不原則,不讓缺陷流到下工序;
2)拉動管理人員快速響應現(xiàn)場,貫徹現(xiàn)場、現(xiàn)物、現(xiàn)實的三現(xiàn)主義;
3)促進團隊合作與高效問題解決;
4)記錄暗燈事件信息、統(tǒng)計、分析,為問題改善提供決策依據(jù)。
MES的物料配送功能:主要實現(xiàn)從倉庫到物料配送區(qū)、倉庫到生產(chǎn)線、物料派送區(qū)到生產(chǎn)線的物料配送管理,支持物料索取、電子拉動、排序送料多種配送方式,同時可以與WMS(倉儲管理系統(tǒng))對接,實現(xiàn)倉儲數(shù)字化管理。
本階段MES項目主要應用到物料索取的配送方式,通過工位的物料索取系統(tǒng),操作工人向配送區(qū)域發(fā)出物料需求信息,傳送到物料配送計算機,并在電子看板上顯示,同時打印配送單,指導送料。
如9圖所示,物料配送系統(tǒng)可以支持多個工位索取功能,滿足增條生產(chǎn)線的物料索取-配送需求。物料索取信息經(jīng)服務器處理后,形成完成的物料需求信息,傳輸?shù)轿锪吓渌碗娔X。

圖9 物料配送系統(tǒng)
物料需求信息包括:所需的物料型號、數(shù)量、庫位地址、配送地址、索取持續(xù)時間、需求緊急狀態(tài)等。
效率管理的核心是差異管理,即實際與標準的差異,標準與標準的差異。要對效率標準進行設計(如標準工時、標準人力投入、生產(chǎn)節(jié)拍等)。當實際效率小于標準時,關注差異原因并進行改進。改進一定時間后實際效率大于標準時間,就改善標準,依此類推動態(tài)循環(huán)。公司還必須關注標準改進幅度,納入考核體系。標準的改進幅度又叫基礎生產(chǎn)力。見圖10.

圖10 差異管理模型
效率管理信息系統(tǒng)基于效率不斷提升,著眼”差異”的管理平臺。效率管理分為四個層次:效率基礎數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和控制改善,如圖11所示。

圖11 效率管理信息系統(tǒng)
設備管理信息系統(tǒng)是生產(chǎn)管理信息平臺的重要組成部分,系統(tǒng)架構(gòu)基于先進制造全員生產(chǎn)維護(TPM)業(yè)務系統(tǒng)設計。系統(tǒng)包含三大部分:設備采購管理、設備使用管理和設備轉(zhuǎn)移與報廢管理。
設備采購與檔案管理主要有設備需求申請、招標與采購、設備驗收、設備基礎檔案四個部分。
設備使用管理包含指標管理、設備監(jiān)控、保養(yǎng)計劃、專業(yè)保全、自主保全、搶修管理、備品備件管理、盤點與折舊。
設備轉(zhuǎn)移與報廢主要是資產(chǎn)管理歸屬部門、責任人轉(zhuǎn)移;設備轉(zhuǎn)賣和設備報廢流程。
MES系統(tǒng)的實施及實際運行表明,MES系統(tǒng)給公司各方面帶來極大的改進:
1)建立數(shù)字化、透明化現(xiàn)場管理和監(jiān)控體系,優(yōu)化和規(guī)范公司業(yè)務流程;建立制造部門統(tǒng)一協(xié)同平臺,加強生產(chǎn)各相關部門的協(xié)同能力,大大提高了工作效率;
2)生產(chǎn)排程與執(zhí)行追蹤:MES系統(tǒng)自動獲取ERP主計劃,實習生產(chǎn)線作業(yè)計劃排程,并監(jiān)控排程的執(zhí)行狀況,確保生產(chǎn)計劃的達成,降低在制品庫存和縮短制造周期;
3)建立以產(chǎn)品信息為紐帶,監(jiān)控作業(yè)現(xiàn)場的詳細過程,建立相關業(yè)務單元有效協(xié)作的信息平臺;建立生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)管理平臺,實施記錄生產(chǎn)信息,及時監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)采購、檢驗、外協(xié)、生產(chǎn)等問題,通過數(shù)據(jù)分析,不斷挖掘優(yōu)化空間,降低生產(chǎn)成本,縮短生產(chǎn)周期,提高工作效率;
4)建立全程質(zhì)量追溯體系:透過采集生產(chǎn)過程信息、物料批次信息和檢驗信息,形成完整的產(chǎn)品生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫,建立產(chǎn)品的全程追溯體系;通過分析來不斷優(yōu)化并縮短檢驗周期;績效分析與持續(xù)改善:產(chǎn)出/效率/品質(zhì)/庫存/周期等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,支持決策和績效管理,實現(xiàn)對制造周期、在制品庫存、產(chǎn)品品質(zhì)等的持續(xù)改善;
5)建立生產(chǎn)質(zhì)量物流等異常情況預警機制,提高問題處理效率和準確率,降低生產(chǎn)成本;
6)監(jiān)控現(xiàn)場業(yè)務操作,引入防呆機制,幫助操作人員減少操作失誤;
7)和ERP、設備集成,代替人工錄入,提高系統(tǒng)的處理效率和準確率;
8)實時獲取各項業(yè)務績效指標,為高層決策提供全面及時的第一手數(shù)據(jù)。
總體而言,工廠MES系統(tǒng)實施,需搭建一個全面的、集成的、穩(wěn)定的生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)平臺,從4個維度形成4大框架體系,對產(chǎn)線、工位、人員、品質(zhì)等多方位的監(jiān)控、分析、改進,形成精細化、透明化、自動化、實時化、數(shù)字化、一體化管理,實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)制造信息化管理,極大程度提高了企業(yè)的制造水平。
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