航天離散型制造企業車間制造執行系統的設計與實現

◎陜西航天時代導航設備有限公司 孫偉峰

陜西航天時代導航設備有限公司（以下簡稱“公司”）作為典型的離散型制造軍工企業，近年來，隨著國家重點型號任務和企業自研產品的不斷增多，型號任務呈現出密集增長的態勢，這些任務的技術指標要求更高，技術難度更大，新技術應用更多，質量及可靠性要求更高。面對新的任務要求，在現有人力資源、廠房設備和其他資源沒有大幅增加的情況下，要完成研制生產任務，依靠傳統的經驗方法、人工調度等傳統模式，已不能適應新的需要，迫切需要建設基于精細化、數字化的車間制造執行系統（以下簡稱MES），以縮短生產周期，提高產品的可靠性，從而達到優化管理，提高生產能力的目的。

經過廣泛的調研論證，公司決定建設車間制造執行系統，實現車間生產制造過程的透明化,達到“快速響應、均衡生產、物流暢通”的管理目標。首先以機加車間和熱表車間為試點，部署M ES系統，實現與ERP、PLM、DNC系統和自主開發的不合格品審理系統的集成，并將該系統推廣到其它的幾個車間。

一、存在問題

機加車間是公司機械加工的專門車間，包括車、銑、刨、磨、電加工、線切割、電火花等十多個工種，承擔公司所有零組件的機械加工任務；熱表車間是公司熱處理和表面處理的專門車間，包括熱處理、焊接、電鍍、涂裝、疊壓、黑化、鍍膜等十多個工種，承擔公司所有零組件的熱處理和表面處理任務。這兩個車間在零組件加工生產中關聯程度較高，相互協作多，經過研究，決定將這兩個車間的制造執行系統同時實施。

經過梳理，這兩個車間存在的主要問題有：

●批產類生產任務來源于生產部門下發的生產任務，屬于工序協作計劃。計劃性相對較弱，主要受制于其他主制車間的協作任務；

●部分工位受限于設備資源的產能，對設備資源的均衡調度要求高；

●由于產品型號多，工序長，拆批多，狀態各異，管理方式原始，造成在制品跟蹤困難；

●加工工藝特殊，工藝調整和變化頻繁，試驗檢驗數據采集工作量大。目前仍采用傳統方式進行現場管理，數據采集、工藝文件查看、信息追溯難度大；

●產品嚴格按照工藝路線完成加工和工序流轉，容易和頻繁的工藝變更產生矛盾；

●部分數控加工工位對工裝夾具的要求較高，但由于工裝準備周期較長，造成生產等待；

●航天產品質量追溯要求高，需要實現全過程的三檢和總檢，不合格品跟蹤審理及質量問題追溯分析等，在手工管理的模式下，追溯困難且效率很低。

二、建設目標

MES系統是連接管理層系統與控制層系統的橋梁，主要是圍繞車間的人、機、料、法、環、測進行管理，覆蓋計劃與調度、車間作業、物料管理、質量管理、設備管理、看板與報表管理等方面。依據機加車間（熱表車間）實際生產需求，MES系統建設目標主要包括：

（一）及時獲知生產信息，提升生產管理控制能力

通過MES系統集成多樣化的數據采集工具（條碼、DNC聯網等），建立多通道、靈活的、多機制的預警機制，實現機加車間（熱表車間）生產現場數據的實時反饋，包括生產計劃執行信息、設備狀態、人員在崗情況等、在制品加工狀態等，讓生產管理人員可以實時獲知生產現場的相關信息，實現信息在車間內和車間之間的無縫傳遞與共享，并能夠根據生產現場的各種情況，實時做出相應的反饋。同時，可以為經營決策層了解生產進度、績效考核和成本分析提供數據支持。

（二）實現全程追溯，改善產品質量

通過MES系統采集原輔材料投入數量、批號（關鍵標準件序列號）及生產過程中的生產線、機臺、人員、崗位、零組件批次（關鍵件序列號）等信息記錄，建立起覆蓋產品全過程的完整追溯體系。通過追溯體系，可以有效追溯產品生產過程中各工序的生產時間、線別、班次人員、設備狀態、工藝參數、質檢記錄、環境和原材料等信息，對生產過程中影響質量的因素進行分析，找出存在的問題并加以處理改進，不斷提升產品質量。

（三）優化生產資源配置，減少生產等待，提升效率

通過MES系統可以實時掌控企業各項生產資源狀況，在此基礎上，根據企業的生產要求，對各項資源進行綜合平衡，最大化的發揮出各項資源的能力，提高資源的利用率，同時對生產過程進行不斷優化，如設備、人員、物料、在制品等，減少生產過程中的浪費，全面提升生產效率。

（四）推進精細化管理，有效控制生產成本

實現機加車間（熱表車間）計劃執行情況的在線反饋與監控，各層管理者可以在線實時了解生產執行情況，提高產品生產過程中信息的透明度和完整性。對生產計劃的編制、作業計劃的執行落實過程、物資消耗及裝配記錄的登記、質量過程控制以及生產資源管理等實現精細化管理，有效控制生產成本。

（五）實現與DNC、ERP、PLM以及不合格品審理等系統的集成

實現MES和DNC、ERP、PLM和不合格品審理系統等的集成，實現從訂單、物料和BOM、工藝路線和工藝規程等的數據統一，打通訂單下達、物料信息的共享、工裝工具入庫信息、MES齊套申請、ERP齊套信息、報工點合格數及報廢數信息、提交入庫申請信息、檢測項等，確保數據惟一，初步建立“數字車間”。

三、建設內容

機加（熱表）車間生產管理系統包括：機加（熱表）車間MES系統、機加車間DNC/MDC系統、不合格品審理系統，并實現與ERP、PLM系統的集成，總體業務流程圖如圖1所示。

●產品范圍：型號產品中涉及機加車間、熱表車間所有的零組件。

●工序范圍：機加車間車銑刨磨、電加工等全部加工工序，熱表車間熱處理、電焊、噴漆、電鍍及氧化等全部生產工序以及其委外加工工序。

●業務范圍：生產計劃與調度、車間作業、車間物料管理、設備管理、過程質量管理、車間人員管理、委外管理、工裝夾具管理以及不合格品審理等。

各系統的主要功能如下：

（一）MES系統

●生產計劃管理：通過系統對產品的生產計劃制定和下達、訂單批量創建、批次創建、計劃排產、外協管理、批次管理、派工管理等。

●現場管理：包括任務接收、生產準備、報工管理、問題上報等。

●物料管理：包括線邊庫、二級庫、物料庫房的管理，物料信息的錄入等。

圖1 車間生產管理系統總體流程圖

圖2 生產執行系統功能結構圖

圖3 ERP系統功能與數據流向圖

●質量管理：包括質量紀錄、數據采集、委托檢驗、不合格品的處理、各類合格證的打印等。

●資源管理：包括設備管理、人員管理、工裝管理、工時管理等。

●數據采集：包括生產類數據采集、質量類數據采集、設備類數據采集。

●看板與報表：包括生產實時看板，生產統計報表、業務流水報表、工裝庫存報表等。

●基礎建模：包括物料主數據、工藝流程、工藝模型、圖文管理當等。

生產執行系統功能結構圖如圖2。

（二）DNC/MDC系統

●通訊系統

主要實現將各種廠家不同操作系統、不同性能的設備通過通信系統制定的協議連接起來，以實現設備與服務器的數據通信，保證設備的基本信息、加工信息等能被上傳到服務器。通信系統它完成的基本功能是代碼的雙向傳輸，除此以外還可以完成機床參數備份等。

●程序管理系統

程序管理系統平臺構架在客戶端/服務器體系結構上，產品數據集中放置在服務器中實現數據的集中和共享。程序管理系統包括產品結構樹的管理、數控程序的流程管理、人員權限的管理、安全管理、版本管理、產品及機床管理。

●程序編輯仿真系統

此系統是專為數控編程而設計的軟件，它具有實用的數控編輯、文件智能比較、刀位軌跡三維模擬等功能。

●機床監控與數據采集系統

機床監控與數據采集系統用于采集機床的實時狀態、工作狀態、故障狀態、生產數量，電子看板可以詳盡展示各類分析報告，便于對設備進行科學管理。

（三）不合格品審理系統

●審批流程管理

要實現不合格品審理單的網絡審簽，由檢驗員發起申請，通過車間級、處室級、公司級三級審理，最終確定審理結論，根據相關制度規定，審理單可在每一級結束。審理過程中實現了工藝、外協、軍代表等會簽。最終審理完成的不合格品表單可進行打印歸檔。

●統計分析管理

主要實現以圖表的形式展現不合格品審理表單審理過程中的數據信息，可以進行多維度的統計與分析，以便進行產品質量分析，為后續提升產品質量提供數據支撐。

●綜合查詢管理

主要實現所有在線表單審理狀態及下級審批者信息，同時可通過不同字段組合進行模糊與精確查詢。

●系統功能管理

此模塊主要實現系統用戶、角色、權限、模塊等設置功能，方便系統管理人員進行操作。

（四）ERP系統

ERP系統主要以SAP為平臺，主要有銷售管理（SD）、項目管理（PS）、計劃管理（PP）、物料管理（MM）、質量管理（QM）、人力資源管理（HR）、財務管理（FI）、成本管理（CO）等八個模塊，打通跨部門業務流程，實現信息流、物流與資金流的統一，建立企業項目式接單跟蹤及核算管理模式，建立零件標準成本核算體系，實現訂單、物料和報工、入庫等功能與MES系統的集成，ERP系統功能與數據流向如圖3。

圖4 PLM系統功能與數據流向圖

圖5 MES與ERP系統的集成

圖6 MES與PLM系統的集成

圖7 MES與DNC/MDC集成

（五）PLM系統

PLM系統以Teamcenter為基礎構建統一的共享平臺，建立產品設計與工藝編制協同的反饋機制，建立工藝總體設計，構建產品BOM，建立工藝分工的流程，進行工藝設計和工裝設計管理。實現工藝資源管理，建立工藝資源庫和知識庫，典型工藝、工序庫。實現工藝更改管理，包括工藝更改、技術偏離（臨時更改），設計與工藝更改的關聯，PLM系統功能與數據流向如圖4。

（六）MES與各系統集成

MES與ERP系統集成點包括：ERP制造訂單下達、物料信息的下達、工裝工具入庫信息、MES齊套申請、ERP齊套信息、報工點合格數及報廢數信息、提交入庫申請信息等。與PLM系統集成點包括：物料信息、工藝信息、BOM信息、圖文檔、檢測項。

四、應用效果

從MES系統三年多來的運行情況來看，應用效果良好，基本達到了建設目標，取得如下效果：

（一）規范了相關流程

在系統實施過程中，通過對公司主管生產和質量技術的領導、車間領導、主任工藝師、主管工藝員、班組長、計劃調度、操作者以及定額員等60多人次的訪談和對當前的業務現狀的梳理，分析了當前業務中存在的19個問題，與車間一起修訂和完善了計劃管理、物料出入庫管理、線邊庫管理、二級庫管理、派工管理等20個流程，繪制了標準的流程圖，明確了各個流程的接口關系，特別對生產計劃管理、批次拆分管理等流程進行了變更，最大程度的優化當前流程中不合理和需要改進的地方，同時保持流程的完整性。

圖8 MES與不合格品審理系統的集成

（二）完善了相關工藝規程

生產制造型企業的核心競爭力就體現在工藝技術上。在系統的實施過程中，通過對工藝路線、物料定額、加工設備、工時定額等基礎數據的整理，發現了目前在工藝編制上的一些問題，比如，工序名稱的不統一、加工設備和工裝的缺失、檢驗要求和檢驗方法的不完善，工時定額和物料定額的不準確等問題，通過與工藝主管部門和車間充分溝通后，以實施系統為抓手，對15個型號1400多份工藝進行了修訂和完善。通過系統的實施，促進了車間工藝技術水平的提高。

（三）實現了車間管理的透明化和標準化

通過系統的實施，實現了產品的流轉信息、設備的加工狀態、關鍵工序的質量信息等信息的公開透明、無縫傳遞與共享，使生產過程可監控，在制品可跟蹤、物料批號可查詢、檢驗信息可采集與存檔、質量信息可追溯，實現了車間作業情況的現場實施反饋與全程監控，達到了車間管理的透明化。杜絕了以前由于生產信息的“黑箱”和不透明，使得產品隨意報廢、丟失，隱瞞質量問題以及數據采集不準確等車間現場管理長期存在的“老大難”問題迎刃而解。與此同時，通過MES的實施，大大促進了車間生產數據標準化進程，以MES系統實施為推動，對零組件圖號、工序、BOM、生產批次、檢測項等基礎和業務數據進行了標準化整理，基本實現了車間業務數據的標準化。

（四）加快了產品的研制生產進度

公司的MES系統有三個特點，一是對各類人員的角色、職責有相對清晰、明確的要求；二是對派工、報告、檢驗以及不合格品審理、設備故障等信息處理均有明確的時限要求，比如兩小時內完成派工，派工后兩小時任務完成接收、加工完成后兩小時完成報工、不合格品審理要求24小時內處理完畢等；三是各級管理者包括公司領導、車間領導、科研生產、計量檢驗等相關部門領導可以實時監控，實時了解產品進度和存在問題。這些信息化所固有的特點無形之中對計調員、班組長、操作者、檢驗員、設備維護維修人員、工藝員、主任工藝師甚至副總師等各級型號研制人員給予了較大的壓力，使得以前諸如懈怠、推諉、扯皮等現象大為減少，提高了各級人員的執行力，據初步統計，車間的生產效率提高了26.7%。

（五）提高了車間管理水平

型號產品制造過程工藝復雜、零件多，設計和工藝變更頻繁，各項質量檢驗檢測數據量大，生產加工過程對設備和工藝的要求極高。在系統建設過程中，我們對車間流程進行優化設置，建立以產品生產流程為主線的運行管理模式，滿足不同產品的加工特點和流程需求，加強工藝在生產過程中的介入和管理能力，實現在生產過程中“工藝為驅動、質量為主導”的管理模式、規范路徑中各個環節的控制和要求，通過線邊庫的模式，建立以生產準備為核心，將生產過程中的要素和需求在產品實現全流程的前段解決，各項管理職能前移，通過嚴格的批次管理措施，實現了基于電子化的零件合格證方式對于各項生產過程數據和質量檢驗數據的快速收集，為后續質量問題跟蹤、復查、追溯提供完整的歷史記錄，實現精細化管理的目標。與此同時，機加車間（熱表車間）工時結算數據全部從MES系統中提取，既大大推動了車間MES系統的推廣應用，也徹底根據除了人工統計容易漏項，工時結算不準確等問題，提高了車間管理的規范性。

（六）發揮了各個應用系統的整體效應

將M E S系統與已經投入運行的DNC/MDC、ERP、PLM、不合格品審理等系統的集成，打通了生產過程管理的信息通道，解決了同一數據在各個系統中重復錄入現象，造成重復工作以及數據在不同系統中的不一致性等問題，提高數據利用率和使用效率。與此同時，幾個系統之間相互制約，相互制衡，互相監督，互相促進，發揮系統間的整體集成效應。