車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）在電子裝配行業(yè)大批量批次生產(chǎn)模式下的應(yīng)用研究—以J公司為例

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著工業(yè)4.0概念的發(fā)展，工信部大力推進“工業(yè)化”與“信息化”融合，旨在增強我國制造業(yè)綜合實力[1]。車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是一個介于企業(yè)資源計劃（ERP）與車間的工業(yè)控制系統(tǒng)之間的信息系統(tǒng)，是二者之間的信息橋梁。目前有很多制造業(yè)企業(yè)已導(dǎo)入ERP系統(tǒng)，完成了計劃、采購、銷售、財務(wù)方面的信息集成，但尚未引入MES系統(tǒng)，在車間執(zhí)行層面的控制非常薄弱[2]。在這樣的背景之下，為制造業(yè)企業(yè)實施MES系統(tǒng)，對促進兩化融合事業(yè)具有重大戰(zhàn)略意義。

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。電子裝配制造業(yè)較傳統(tǒng)離散制造業(yè)相比，產(chǎn)品IC元器件種類繁多，對生產(chǎn)工藝要求較高，普通的MES系統(tǒng)并不能完全適用，因而電子裝配企業(yè)的MES系統(tǒng)需要重新設(shè)計[3]。馬麗麗[4]介紹了MES系統(tǒng)在電裝行業(yè)導(dǎo)入時三個階段的系統(tǒng)建設(shè)方法。向建明[5]對批量控制的電裝行業(yè)設(shè)計了MES系統(tǒng)，并在某企業(yè)進行了實際應(yīng)用的驗證。

通過對MES系統(tǒng)在電裝行業(yè)導(dǎo)入現(xiàn)狀的分析可知，目前還沒有電裝行業(yè)在大批量批次生產(chǎn)模式下的MES系統(tǒng)設(shè)計研究，大批量批次電裝行業(yè)要求產(chǎn)品的原材料滿足齊套且同批次，因而對元件批次配方管理的要求非常高。普通的MES系統(tǒng)并不能完全適用，隨著電裝行業(yè)的日趨發(fā)展，亟待進行大批量批次模式下的MES系統(tǒng)設(shè)計研究。

1 大批量批次電裝行業(yè)的生產(chǎn)特點和對MES系統(tǒng)需求分析

1.1 大批量批次電裝行業(yè)的生產(chǎn)特點分析和概念定義

大批量批次電裝行業(yè)相對于批量控制的電裝行業(yè)有其特殊性，它涉及到以下幾個概念，這些概念同時也是大批量批次電裝行業(yè)生產(chǎn)特點的要素：

1）批次任務(wù)

大批量批次電裝行業(yè)的生產(chǎn)任務(wù)編制并不完全圍繞訂單產(chǎn)生，而是根據(jù)某個特定電子元件A的批次數(shù)，以及每個批次中A的數(shù)量而產(chǎn)生。因而存在“批次任務(wù)”的概念。批次任務(wù)是指，圍繞某個批次管理的原材料而產(chǎn)生的任務(wù)，它的任務(wù)從編制到執(zhí)行都和A物料的批次有關(guān)。主要由A料的數(shù)量決定批次任務(wù)的產(chǎn)品數(shù)量，主要由A料批次的個數(shù)決定批次任務(wù)的任務(wù)個數(shù)。但是若批次任務(wù)其他物料的庫存情況不足以支撐A料的數(shù)量，則需要通過齊套物料準則調(diào)整批次任務(wù)，最后形成確定的批次任務(wù)。

2）齊套物料

Ronen[6]最早對于電子裝配制造業(yè)提出“物料齊套”的概念，它是指在裝配開始之前，一個裝配任務(wù)所需的所有物料都準備就緒的狀態(tài)。那么可以引申出另一個“齊套物料”的概念，即是指一個生產(chǎn)任務(wù)的已準備就緒的一組成套的原材料。

3）批次配方料

針對大批量批次電裝行業(yè)的齊套物料，又受到小樣試制的影響：比如表貼二極管相關(guān)產(chǎn)品，其波長、灰度等參數(shù)受元器件批次影響較大，影響產(chǎn)品品質(zhì)。因為不同批次之間電子元件的性能指標略有不同，而不同批次的組合會導(dǎo)致產(chǎn)品性能差異很大。因此需要通過小樣試制調(diào)整部分元件，確保產(chǎn)品性能指標達到產(chǎn)品標準。小樣試制結(jié)合批次任務(wù)生成“批次配方料”，它是指對于批次任務(wù)的若干特殊物料，指定其批次或者等級，并且保證該任務(wù)的物料齊套。

1.2 大批量批次電裝行業(yè)引入MES系統(tǒng)的難點分析

大批量批次電裝行業(yè)引入MES系統(tǒng)目前存在以下幾個難點：

1）批次任務(wù)的齊套物料平衡

需要保證原材料的批次在同一個批次任務(wù)中是一致的。而這些材料的采購周期、采購成本各不相同，庫存水平不同，給齊套物料平衡造成困難。

2）小樣試制對生產(chǎn)計劃編制和采購計劃有影響

批次計劃存在插單、調(diào)單情況，生產(chǎn)以物料齊套量為依據(jù)排產(chǎn)。在小樣試制后完善批次配方料信息，可能由于缺少某種物料，導(dǎo)致齊套物料中的某種原料需要調(diào)換或者采購。

3）批次配方料對物料計劃編制有影響

小樣試制完成之后才能獲得完整的批次配方料信息，此時制造BOM才可搭建完成。物料配送計劃的編制時間緊，而電子元器件又對時效性要求很高，這對系統(tǒng)的物料管理要求很高，給產(chǎn)品的備料造成一定困難。

1.3 針對大批量批次電裝行業(yè)生產(chǎn)特點的需求分析

通過對電裝行業(yè)批次任務(wù)生產(chǎn)過程進行特點分析和難點分析后，總結(jié)出對MES系統(tǒng)有如下需求：

1）以批次任務(wù)為中心的計劃排程流程的優(yōu)化需求

批次任務(wù)和批次配方料信息對物料采購計劃，物料配送計劃的即時調(diào)整，能夠自動、準確地進行動態(tài)計劃排程、日計劃滾動排程的需求，以最大限度保證物料齊套和產(chǎn)線滿產(chǎn)。

2）針對批次配方料的小樣生產(chǎn)安排需求

在正式投產(chǎn)前，需完成小樣試制的生產(chǎn)安排，批次配方料維護等業(yè)務(wù)流程的需求。

3）物料管理需求

能夠配合批次任務(wù)的物料信息完成物料配料、送料及時準確，物料防錯，物料有效期的控制等需求。

4）產(chǎn)品質(zhì)量追溯需求

關(guān)注單件產(chǎn)品的質(zhì)量控制和質(zhì)量追溯。能夠及時獲取原材料、設(shè)備信息，進行單件追溯確定產(chǎn)品批次、批次配方料、原材料批次的需求。

針對以上特點分析和總結(jié)出的幾種需求點，本文提出批次任務(wù)控制模型，并且對于需求點設(shè)計對應(yīng)的業(yè)務(wù)模塊。

2 引入批次任務(wù)控制模型的大批量批次MES解決方案

2.1 批次任務(wù)控制模型

對于前文提到的批次任務(wù)管控難點，本文提出批次任務(wù)控制模型。該模型涉及到計劃管理、物料管理、車間生產(chǎn)等模塊。

圖1 批次任務(wù)控制模型

根據(jù)大批量批次電裝行業(yè)的需求特點，批次任務(wù)控制模型的核心內(nèi)容如下：

1）根據(jù)A類主材料批次生成批次任務(wù)；

2）再由批次任務(wù)配置齊套物料：包括A類主材、B類主材的批次信息；

3）完成小樣試制之后維護批次配方料信息：包括A類、B類主材的批次信息和X類主材的物料編碼信息。

2.2 批次任務(wù)控制模型與MES系統(tǒng)結(jié)合

將本模型引入MES系統(tǒng)之后，能夠快速的實現(xiàn)批次任務(wù)和采購計劃、物料配送計劃的協(xié)調(diào)，圖2展示了引入批次任務(wù)控制模型之后，MES系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)互相配合的主要業(yè)務(wù)流程，具體如圖2所示。

圖中綠色方框表示ERP系統(tǒng)的業(yè)務(wù)，藍色虛線框內(nèi)的業(yè)務(wù)是批次任務(wù)控制模型包括的業(yè)務(wù)流程。引入批次任務(wù)控制模型的MES系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)流程如下：

1）ERP計劃員在系統(tǒng)中錄入產(chǎn)品主生產(chǎn)計劃，由圖1的批次任務(wù)控制模型編制出批次任務(wù)和采購計劃；根據(jù)庫存情況，配置齊套物料，將主生產(chǎn)任務(wù)拆分成對應(yīng)的批次任務(wù)。

2）MES計劃員在MES系統(tǒng)中錄入批次任務(wù)，下達小樣試制的生產(chǎn)任務(wù)。

3）小樣試制確認后，鎖定試制時使用的齊套物料批次，確保該齊套物料的批次原材料不會被其他任務(wù)使用。

4）MES計劃員維護確認后的批次配方料信息，編制生產(chǎn)線日計劃并下達。

5）MES計劃員編制物料需求計劃和物料配送計劃，下達給倉庫和車間。

6）倉庫人員完成備料、物料配送、ERP記賬。

7）車間人員接收配送物料；進行物料驗證及投料；按照工藝要求進行加工作業(yè)；自檢/完工后在MES系統(tǒng)進行完工匯報。

8）質(zhì)量人員進行首檢、專檢、巡檢和終檢業(yè)務(wù)，并在MES系統(tǒng)里錄入電子質(zhì)檢單。

9）產(chǎn)品完工入庫，ERP記賬。

3 解決方案驗證——以J公司為例

J公司是一家大批量批次生產(chǎn)模式的電裝行業(yè)企業(yè)，生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是LED表貼產(chǎn)品。其生產(chǎn)組織方式為流水式生產(chǎn)、大批量批次制造。目前J公司的信息化建設(shè)中，ERP系統(tǒng)和OA系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)模應(yīng)用，但是任務(wù)管理與計劃編制完全依靠人工協(xié)調(diào)資源。每個批次任務(wù)都要花費精力計算齊套，數(shù)據(jù)量大時耗時久，需要協(xié)調(diào)資源多，人工查詢表單多，容易出錯。

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

針對J公司的實際情況，為J公司導(dǎo)入包含批次任務(wù)控制模型的MES系統(tǒng)。業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過MVC架構(gòu)設(shè)計，采取前后端分離模式，前端采用JSP技術(shù)完成數(shù)據(jù)請求和頁面渲染，后端采用Spring組件完成請求響應(yīng)和邏輯處理，實現(xiàn)MES中的各項業(yè)務(wù)?？傮w架構(gòu)和模塊如圖3所示。MES系統(tǒng)的搭建與ERP系統(tǒng)、監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)進行集成。

ERP系統(tǒng)在計劃層，是MES系統(tǒng)的上層系統(tǒng)。在計劃層面，批次任務(wù)信息、庫存信息由ERP系統(tǒng)傳遞給MES系統(tǒng)；批次配方料維護后的采購計劃調(diào)整信息從MES系統(tǒng)傳遞回ERP系統(tǒng)。在作業(yè)層面，MES系統(tǒng)將車間的生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行信息、工時和物料消耗等信息自下而上傳遞回ERP系統(tǒng)。

圖2 總體業(yè)務(wù)流程

SCADA系統(tǒng)是控制層，是MES系統(tǒng)的下層系統(tǒng)。MES系統(tǒng)與DNC/SCADA系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)和模塊圖

3.2 系統(tǒng)包含模塊

為J公司導(dǎo)入的MES系統(tǒng)主要包括圖示7個模塊。每個模塊包括的業(yè)務(wù)功能如圖3所示。現(xiàn)介紹批次任務(wù)控制模型所涉及到的3個業(yè)務(wù)模塊：

1）計劃管理

通過批次任務(wù)管理功能維護齊套物料信息，運用計算規(guī)則調(diào)整采購計劃，指導(dǎo)小樣試制生產(chǎn)和計劃排程，物料計劃等。同時支持計劃的滾動編制和臨時調(diào)整。

2）物料管理

通過小樣投料及上線管理進行小樣試制的生產(chǎn)安排；通過批次配方料管理完善制造BOM，指導(dǎo)物料計劃和進行生產(chǎn)領(lǐng)送料管理。

3）質(zhì)量管理

通過時效性管理進行物料時效、工序時效的管控；通過質(zhì)量追溯管理大批量批次產(chǎn)成品的批次配方料信息、原材料批次信息，以及過程質(zhì)量信息等。

MES系統(tǒng)在車間生產(chǎn)過程中將通過應(yīng)用條碼，采集原材料、最終產(chǎn)品、托盤、包裝等相關(guān)信息，實現(xiàn)批次任務(wù)在車間全流程的執(zhí)行跟蹤，批次配方料在車間的全路徑跟蹤和產(chǎn)品生產(chǎn)過程的全面質(zhì)量跟蹤和質(zhì)量追溯。

4 MES系統(tǒng)導(dǎo)入預(yù)期效益分析

J公司導(dǎo)入MES系統(tǒng)解決方案后，預(yù)期效益分析如下：

1）批次任務(wù)管理流程自動化。將批次任務(wù)生成、物料齊套平衡和日計劃排程依靠系統(tǒng)自動實現(xiàn)，提升計劃效率和正確性。通過提升物料計劃與生產(chǎn)計劃的協(xié)同性，優(yōu)化生產(chǎn)現(xiàn)場組織管理。通過優(yōu)先級與料況自動匹配齊套性，給予投產(chǎn)指導(dǎo)。并且也有鎖定和預(yù)排輔助功能，引導(dǎo)但不誤導(dǎo)。

2）提高車間生產(chǎn)安排有序性、合理性，提升產(chǎn)能。小樣試制后可以提前獲取庫存量是否能滿足批量生產(chǎn)的需要，從而及時調(diào)整采購計劃，確保批量生產(chǎn)的及時投料，提高企業(yè)整體生產(chǎn)效率和交付準確率。通過優(yōu)化生產(chǎn)計劃排產(chǎn)方式，提升車間各工序間生產(chǎn)連續(xù)性、協(xié)同性；減少生產(chǎn)過程中的排隊等待時間，降低工序人員、物料、設(shè)備等產(chǎn)能浪費，提升生產(chǎn)效率。

3）降低物料成本，提高庫存資金周轉(zhuǎn)率。通過批次任務(wù)管理的理念，及時根據(jù)現(xiàn)有主料庫存產(chǎn)生生產(chǎn)任務(wù)，降低物料積壓的可能性，降低資金占用成本；通過批配方料正確指導(dǎo)物料配送和投料，嚴格控制和驗證任務(wù)用料，確保物料的正確使用與流轉(zhuǎn)；從而改善物流和倉儲管理，避免錯料帶來的質(zhì)量問題，減少原材料浪費。

4）細化質(zhì)量管理，降低客訴率。及時、準確地采集過程質(zhì)量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人、機、料、法、環(huán)、測等影響產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)要素進行追溯，為過程質(zhì)量管理提升的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析提供有力數(shù)據(jù)支撐。原材料批次控制和單件追溯有效保證出廠產(chǎn)品質(zhì)量，減少客訴問題。

5 結(jié)語

兩化融合、智能制造對當(dāng)代制造業(yè)的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)提出了更高的要求，針對行業(yè)生產(chǎn)特點的解決方案對行業(yè)內(nèi)企業(yè)導(dǎo)入MES系統(tǒng)具有啟發(fā)作用。文章通過分析電裝行業(yè)在大批量批次生產(chǎn)模式下對MES系統(tǒng)的需求，介紹了針對批次任務(wù)生產(chǎn)特點的MES系統(tǒng)解決方案，引入批次任務(wù)控制模型，對其業(yè)務(wù)流程和系統(tǒng)架構(gòu)進行了闡述，并以J公司為案例進行系統(tǒng)導(dǎo)入，分析了預(yù)期效益，為大批量批次電裝行業(yè)企業(yè)的信息化建設(shè)提供了切實可行的參考。