MES在江南某公司裝配生產區域的應用

盛垚

摘要：簡單介紹了制造執行系統 （MES）的背景和重要性，結合實例詳細介紹了江南某公司MES的系統架構，主要功能和應用場景，并闡述了通過有效的實施MES，對于車間管理水平提高和制造成本降低帶來的收益，為實現企業數字化轉型提供了堅實的基礎。

Abstract： This article briefly introduces the background and importance of Manufacturing Execution System （MES）， and introduces the MES system architecture， main functions and application scenarios of a company in Jiangnan， and explains ?the benefits brought by the improvement of workshop management level and the reduction of manufacturing costs through the effective implementation of MES， which provides a solid foundation for the realization of enterprise digital transformation.

關鍵詞：制造執行系統;生產管理;MES功能;MES實施

Key words： manufacturing execution system;production management;MES function;MES implementation

中圖分類號：F273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）19-0174-03

0 ?引言

智能制造作為近年制造業的熱門概念，是制造企業實現未來經營目標的一種重要模式，作為必要的實施途徑——數字化轉型已經被各企業不斷提上日程。在轉型過程中，生產車間的數字化和信息化改造又是其中的核心部分。所以，必須有針對性的開發和實施制造執行系統 （MES）以實現這個目標。

20世紀90年代，美國先進制造研究機構（AMR）提出了制造執行系統（MES）概念與3層企業集成模型，如圖1所示，即面向客戶的計劃層、面向車間的執行層和面向生產作業現場的控制層。將MES定位于計劃層和控制層中間位置的執行層，重點解決車間的生產管理問題[1]。MES通過把業務計劃的指令傳達到生產現場和收集生產過程中大量的實時數據并上傳，雙向作用促進生產車間的數字化轉型以實現生產系統的整體優化。

江南某公司屬于汽車零部件生產行業，主要生產各種類型的火花塞，產品主要針對國內各大整車廠和國內外售后市場。本文通過案例分析深入探討該公司如何通過應用MES系統，改善生產管理和質量管理的水平，從而提高公司的勞動效率，降低了產品制造成本，實現企業經營目標。

1 ?MES的應用實例

1.1 MES的系統架構

本文介紹的MES系統采用了目前最為流行的B/S（瀏覽器服務器）模式，它是一種三層或多層結構的分布式系統。其基本模型是將用戶界面同信息數據和處理系統邏輯分離，并劃分為表示、功能和數據三大塊，分別放置在相同或不同的硬件平臺上[2]，如圖2所示。

客戶端即表示層：用戶接口部分，即人機界面，在Web環境下，客戶端只需安裝標準的瀏覽器就可以運行。

MES服務器即功能層和數據層的整合：應用的主體，是MES中核心的業務。功能層的表現是該服務器專門負責與數據庫服務器及網站服務器的連接工作，一方面把客戶端請求通過網站服務器傳給數據庫服務器，另一方面將服務器的查詢結果回送給客戶端。數據層的表現是由該服務器與數據庫服務器共同構成，該服務器通過調用數據采集程序，將連接到以太網上的生產現場的數據讀取并寫入數據庫;同時響應客戶端數據請求，并負責管理對數據庫的讀寫和維護。

生產現場的數據主要分幾種形式上傳到以太網，其一是對于獨立的工控機檢測設備，直接連入以太網;其二是PLC的數據直接連入以太網;其三是產線中的傳感器先連入PLC再通過PLC連入以太網;對于無法通過以上三種形式直接連入以太網的數據，將通過現場員工使用客戶端輸入，再通過MES服務器維護進數據庫。

1.2 MES的需求功能和實施路線圖

由于TS16949認證體系的實施，要求汽車零部件制造企業的制造過程實施信息化管理以滿足自身和主機廠客戶對精益生產的需求;同時汽車零部件制造企業也必須通過信息化的手段提高制造過程的管理水平和降低產品制造成本以適應市場變化。根據MESA對MES的定義，MES系統的基本功能模塊包括工序詳細調度，資源分配和狀態管理，生產單元分配，過程管理，人力資源管理，維護管理，質量管理，文檔控制，產品跟蹤和清單管理，性能分析和數據采集等[3]。所以企業必然一方面承擔著需要盡快實施應用MES的壓力，另一方面又無法承受應用MES所有基本功能的時間成本和投資成本。每個企業根據自身的業務實際情況和優先級定義，分步開發和實施不同的MES功能模塊則是這個困局的一個最優解方案。基于此解決方案，江南某公司的MES系統通過結合內部需求和實際資源情況，定制化了所需的MES功能，并分步成功實施，如圖3所示。

該公司對MES功能的需求主要分為以下幾個方面：

①車間管理需求：1）車間生產的效率要求：通過電子化的信息傳遞以提高信息傳遞的速度和效率;2）生產管理的實時化透明化要求：需要實時地采集生產過程的相關信息，使現場人員和車間管理者能夠實時、透明地了解生產的實際狀況，以及和目標之間的偏差情況。基于此需求，開發了以下幾個主要功能模塊：

安燈系統：實時顯示產線的產出和不良品數據，并可以進一步詳細到目前產線/工站的狀態（生產/設備故障/設備換型/質量停機等），不良品分別來自于哪些工站。

數字化車間管理看板：以可視化圖表的形式，展示產線的節拍，每小時產出，OEE即設備綜合利用率（日/月/年/自選時段），OEE的損失帕累托圖，針對OEE損失主要項目的改善PDCA等。

自動層級報表：以可視化圖表的形式，展示生產區域及產線級的報廢率/一次剔除率/產量（日/月/年/自選時段）以及與目標之間的實際偏差情況，報廢率/一次剔除率的帕累托圖等。

②質量管理需求：制造過程質量數據主要來自兩個方面，對產品的檢測和對制造過程的監控。開展質量管理，就是要用數據來發現和解決產品質量的問題，用數據來反映或描述產品質量的變化規律，以最大限度地減少生產系統的質量變異，使其生產過程處于受控狀態，保證符合質量的產品持續、穩定地產出。汽車零部件生產企業屬于多品種及多種訂單形式的離散制造業，外部條件是客戶和產品種類數量大、產品質量信息源頭多、信息變化快。而內部環境又存在傳統質量信息管理混亂、手工方式數據采集差錯率高、質量活動執行效率低等問題。為系統地解決這些問題并適應市場環境，取得質量管理的成功，開發了以下幾個主要功能模塊：

批次追溯管理：當出現成品質量問題時，可以通過成品的批次信息，反查出成品的生產信息，包括班次/員工/過程參數記錄/產品檢測記錄信息，以及成品的零部件批次信息，從而可以和質量合格的批次快速分類對比可能產生質量問題的原因是生產過程還是零部件。

過程參數監控： MES中包含有大量的制造質量數據，為質量分析提供了基礎數據來源。利用統計過程控制（Statistical Process Control，SPC） 的方法，將產品檢測數據和過程參數數據進行統計分析后，以控制圖的形式將工序質量是否受控的狀態滾動實時展示，以便現場人員及時發現，并采取措施做出調整。同時將數據和分析結果存入數據庫，作為歷史數據可以隨時調取，供工程師和生產管理人員參考與進行質量管理決策。

快速反應模塊：QRQC（Quick Response Quality Control，快速反應質量控制）用以快速解決生產現場質量問題。當系統設定需要進行快速反應的報警線被觸發時，包括特定失效類型的比率過高，關鍵過程參數超出公差范圍，關鍵產品檢測結果超出控制線等，MES系統會自動開設工單，并向系統里指定的責任人發送手機短消息/郵件，或者對配有專用手環的現場人員發送信息，以提醒相關人員出現了質量偏差，并要求其執行快速反應流程。另一方面，當相關人員處理完成后，需要在MES系統中登記存檔并關閉對應的快速反應工單。

圖3的分步實施圖，展示了江南某公司分步實施各功能模塊的過程，歷時約2年的時間。原因是經過對過往一些MES系統實施項目的調研后，發現從經濟收益的角度，只有通過對MES高頻次和正確有效的使用，才能讓其中的數據和功能真正的發揮作用，進而幫助提高生產制造水平。而一開始就引入一個擁有非常復雜功能的MES系統，對于MES的使用者（生產現場人員，工程師和管理人員等）而言，由于其學習使用難度較大，從而會產生一部分抗拒心理而不會經常使用，最終導致MES系統形同虛設，無法帶來預期的收益。分步實施最大的好處是，每次使用者只會新增使用一部分MES功能模塊，并且是與其當時的需求直接相關，其主動并頻繁使用的內部驅動力很大;而通過一段時間的使用，熟練掌握并成為習慣后，再擴展使用新的功能。通過不斷的迭代使用，使用者會熟知熟用MES的所有功能，使用MES也成為了日常工作的一項重要和不可替代的活動，最終實現應用MES的目標。

2 ?MES的應用場景和成果

本文介紹的MES系統在生產區域的應用主要在以下場景：

2.1 生產線實時參數監控

由于重要的過程參數，關鍵尺寸測量結果可以實時反應到現場監視器上，MES使用人員可以及時發現異常點和潛在的失效可能，更早的進行預防和快速反應，避免產品出現大量質量問題從而導致產品報廢成本的降低。如圖4所示。除此之外，當出現特殊情況導致工程師無法到現場工作時，也為其可以遠程了解現場問題提供了可行性。

2.2 班組會議和日常管理會議

每班結束和開始的時候，可以通過MES系統，將重要的生產信息，生產指標的完成情況，需要完成的問題點及時展現給班組成員，并記錄需要在日常管理會議上討論解決的問題點。在日常管理會議上，除生產部門外，技術部門，設備部門，質量部門，物流部門一起參加，可以通過對前一天的生產指標回顧，對于記錄問題點的討論，確認當天需要重點關注的措施，以及時完成對偏差的糾正和問題的關閉。如圖5所示。

2.3 過往生產情況的追查

當出現生產質量問題時，通過分析如果是生產制造過程的問題，可以通過產品詳情功能去反查產品的過程參數和檢測結果信息;如果是零部件的問題，可以通過批次追溯功能去反查產品批次對應的零部件批次信息，通過這些信息和數據為進一步了解問題的來源提供了便利和可靠性。

通過MES系統的有效實施和應用，產生非常具體和直觀的收益，具體包括以下幾點：

①現場人員工時的節約：MES應用之前，生產數據（產出數量，報廢數量等）需要由現場員工填寫在紙質文檔上，每條生產線每天需要1人花費至少30分鐘的時間;再由數據員將紙質文檔上的數據填入電子文檔，每條生產線每天需要1人花費至少10分鐘的時間。而在應用之后，由于生產數據直接由系統抓取，每天每條生產線就可以節約40分鐘的工作時間。同時避免了人為填寫錯誤，準確性也得到了提高。

②現場無紙化率的提高：MES應用之前，質量數據（過程參數，產品測量值等）需要由現場員工填寫在記錄本上，每條生產線每月至少需要3本（32頁A4紙/本）。而在應用之后，由于大部分質量數據直接由系統抓取，其余部分可以直接填入MES表單，現場員工無需再使用記錄本，從而節約了大量紙張。

③員工工作效率的提高：MES中的信息極大的提高了透明性和可靠性，從而減少了很多額外的數據確認和澄清時間，進而提高了工作效率。比如MES應用前，出現一次質量問題，需要工程師花4-8小時翻查之前的紙質批次信息，質量記錄等;應用之后，時間則縮短到30分鐘以內。同理，日常管理會議時間也從超過30分鐘縮短到25分鐘內。

④員工工作有效性的提高：MES提供了數據的實時性展示，當產品的過程參數或者產品測量結果出現超出控制線或者變差的趨勢時，現場員工可以及時發現并快速定位問題的來源，在現場無法解決的時候也可以快速將信息反饋給相應的工程師和生產管理人員，將快速反應成功率從30%大幅提高到80%，并消除了之前因為無法及時發現或者疏忽快速反應的情況。

⑤經濟效益的提升：通過消除現場員工的一些非增值工作，提高工作效率，進而每年提升了勞動生產率約8%;通過數據的及時透明的展示，極大降低了出現批量質量事故的風險，并通過快速反應進一步降低了不良率，最終每年減少了產品報廢率約10%。因為分步模塊化的投資，每年的投資成本在當年即可得到回報收益。

3 ?總結

如何更好的實施MES系統，對于提高生產管理的效率和減少運營成本有著非常重要的意義。本文通過對江南某公司的MES系統設計，功能開發，實施方案和應用的案例介紹和研究，證明了以契合公司需求為目標方向，通過分布實施和場景化應用的MES系統，可以成功的為公司帶來巨大的收益。在此過程中，公司員工不斷的使用MES系統，熟悉和掌握數字化工具，也為公司進行智能制造轉型提供了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]戚寶運，許自力，毛勤儉.數字化車間MES系統構建[J].指揮信息系統與技術，2013.

[2]李鑫，夏筱筠，常曉芳.企業車問生產調度MES系統的設計與研究[J].組合機床與自動化加工技術，2010.

[3]MESA Internationa1.Controls definition&MES to controls data flow possibilities ?[M]. Pittsburgh： MESA International white Paper， 1997.