基于5M1E 生產現場質量管理無紙化解決方案及應用

向 平

（博世汽車部件（長沙）有限公司，長沙 410100）

0 引言

隨著新一代信息技術的發展，德國工業4.0，美國工業互聯網，中國制造2025等相繼提出，實施智能制造逐漸成為世界大國爭奪制造業制高點的熱點問題［1]。企業如果希望在相應領域保持領先的地位，基本的途徑就是實施智能制造，數字化工廠是智能制造必經的階段性實現。

數字化工廠包含3 個方面的內容：一是產品設計和制造數字化；二是企業管理數字化；三是商務運營電子化［2]。制造過程的數字化主要指生產管控的數字化，以數字信息傳遞為核心，通過信息化技術改造，優化生產、管理、服務等流程。需要建立數字化制造管理模式，搭建車間無紙化制造集成平臺，實現生產管理無紙化，為產品的生產加工及信息追溯提供數據支撐［3]。生產過程中的生產質量管理文件的無紙化是向無紙化制造技術轉變的重要一步，生產現場的5M1E（人、機、料、法、測、環）管理是生產質量管理的基本原則，本文基于生產現場質量管理中紙質文件的無紙化實現為主要對象，按照5M1E 管理的要求對生產現場質量管理的無紙化實現過程進行相應的闡述。

1 基本思路

在生產的實際過程，基于5M1E的6大因素現場質量管理主要需要關注如下的內容。

（1）人（Man）：操作人員的質量認知，技能熟練程度；

（2）機（Machine）：機器，設備，工裝夾具的維護和檢查；

（3）料（Material）：生產的生產計劃，BOM 表，原材料檢測和追溯；

（4）法（Method）：工序流程和生產參數管理；

（5）測（Measurement）：生產質量的檢測和反饋；

（6）環（Environment）：設備安全和人員安全。

本文以上述6 大因素的現場質量管理文件的文件發布數字化、文件展示無紙化、過程檢查自動化、信息反饋電子化為切入點，考慮到文件的生成流程和管控流程的一致性，并考慮基于微服務架構保證系統的獨立性，從先進訂單排程系統（APS）、制造執行系統（MES）、數字化作業指導書、培訓管理系統、參數管理系統、電子化錄入系統、權限控制系統和電子表格這8 大類型應用中將所需要的文件進行相應的無紙化和電子化，同時通過多個系統之間信息的協同和信息交互實現紙質文件的生命周期的數字化閉環管理，紙質文件對應的解決方案如表1 所示。

表1 5M1E紙質文件與解決方案的對應關系表

2 系統實現

2.1 先進訂單排程

生產計劃是企業對生產任務作出統籌安排，具體擬定生產產品的品種、數量和進度的計劃，是企業經營計劃的重要組成部分，是企業進行生產管理的重要依據，既是實現企業經營目標的重要手段，也是組織和指導企業生產活動有計劃進行的依據。先進訂單排程系統就是基于精益化生產的需求，將客戶訂單進行相應的拆分和編排，生成生產計劃的電子化工具。

2.2 制造執行系統

制造執行系統（MES）是生產現場的控制單元，MES 作為連接工廠計劃層和現場執行單元的中間層，不同的企業對MES的功能要求是不同的，具有訂制性的特點［4]，本公司的MES主要通過以下3大功能模塊實現無紙化：原材料管理模塊，工具管理模塊，電子化排班表。

（1）原材料管理模塊主要實現以下作用：生產原材料的批次信息記錄，生產原材料的型號匹配。原材料管理模塊通過獲取物料標簽實現物料識別和追溯，通過基于BOM表的物料規范來實現對物料的管控，從而完成BOM表的電子化，借助設備加工次數的統計，也可實現物料使用和剩余數量的計數。

（2）工具管理模塊通過定義工具的唯一標識碼來實現對

工具生命周期的記錄，并在工具到達使用壽命時能進行提醒，在到達維修條件后通知維修，并對超過使用壽命的使用實現攔截。

（3）電子排班表是實現MES 系統中生產計劃的電子化錄入模塊，通過電子化排班表實現生產班次和計劃的無紙化，同時借助MES 的設備接口和掃描槍系統，可以實現設備停機錄入的電子化，實現停機登記表的無紙化和電子化。

2.3 電子作業指導書

作業指導書是質量管理體系文件的重要組成部分，既是質量手冊和程序文件的支持性文件，也是對質量手冊和程序文件的細化和補充，其主要的作用在于闡明生產過程或活動的具體要求和方法，用來指導員工為某一具體過程或者某項具體活動如何進行提供作業指導的文件。

系統通過作業指導書在線編輯，作業指導書數字化化審核，作業指導書的數字化審批，電子化作業指導書展示4 大步驟實現生產和安全作業指導書的無紙化和電子化。

2.4 培訓管理系統

員工技能是指企業員工所掌握的工作技術和能力，相應的技術和能力是確保員工勝任相應崗位的保證，也是企業產品可靠性的重要保證。

培訓管理系統包括5 大功能模塊：員工和培訓者信息管理（員工信息、崗位培訓者信息、崗位培訓師信息和生產線組織）；崗位培訓技能管理（分配崗位培訓、登記崗位培訓結果、培訓效果驗證、培訓再鑒定）；作業指導書管理（指導書自動更新、培訓名稱更新）；報表功能（培訓記錄、技能矩陣、培訓報、崗位培訓技能發布）；自動報警功能（技能過期提醒、資質復審提醒、技能釋放提醒、培訓到期提醒、無技能人員操作提醒）。

2.5 參數管理系統

工藝參數表示未來完成某項工藝流程的一系列基礎數據或者指標，這些基礎數據和指標構成了工藝操作的內容，工藝參數表的作用是確定預期會在生產和工藝控制中用到的每一個關鍵參數的參數范圍（關鍵參數——可以影響生產或者質量的工藝參數）。

為了確保生產現場的參數設置在合理合規的范圍，在公司的現場質量管理流程中，增加了生產準備檢查表，需要在每次產品型號更換時進行參數設置的檢查，同時，公司的工藝工程師也需月度進行產線現場檢查并填寫生產參數檢查表，確保參數設置的合規性。

為了實現工藝參數電子化的閉環系統，生產參數管理系統主要包括以下3大功能：工藝參數表電子化（生產參數檢查表電子化），參數檢查自動化（生產準備檢查表和工藝參數檢查表電子化），參數修改在線化。生產參數管理系統的3大模塊的系統實現如圖1所示。

圖1 生產參數管理系統的3 大模塊的系統實現

2.6 電子化錄入系統

設備檢查（設備點檢，傳感器狀態檢查，對中檢查，關鍵設備清潔檢查）是設備維護中的重要內容，與日常保養相結合，借以掌握設備運行情況、工作性能和磨損情況，為生產工作做好準備，同時可以及時查明和消除設備隱患，縮短修理時間和降低修理成本，提高設備生產效率［5]。生產品質控制（開班首件產品測量、換型產品測量、過程控制檢、設備重啟換型檢）是指物料入庫后到成品入庫前各個階段的生產活動的品質控制。

從流程而言，公司的規范是定義設備和生產品質檢測的上下限數值范圍或者文字標簽，為了擴大系統的兼容程度，在系統開發初期，對于此類應用均通過電子化錄入系統來實現，通過輸入相應的數值型數據或者文字數據來實現無紙化和電子化。

2.7 權限控制系統

從生產的5M1E管理循環的角度，生產現場的人員管理是生產管理的基礎，生產現場人員管理的內容包括考勤管理（考勤登記表、離崗登記表、崗位登記表），技能管理（員工技能矩陣、作業指導培訓記錄、安全培訓記錄），權限管理系統的作用是通過現場人員考勤信息采集、技能管理和設備管控，通過技能進行員工操作權限和設備動作的電子閉環管理。

2.8 電子表格（Excel）

在無紙化的實施過程中，存在部分使用頻次低，并且只需要特定人員操作的文件（質檢的交接班記錄、線長的交接班記錄），基于成本的考量，沒有采用開發軟件實現電子化，而是通過使用Excel 電子表格共享和錄入的方式來實現無紙化和電子化。

2.9 跨系統集成

2.9.1 生產計劃管理的數字化閉環

生產計劃管理的數字化閉環的目的是將生產計劃，生產狀態和設備狀態實時可視化展示，以方便決策層的現場管理和決策。為實現生產計劃管理在制造流程的數字化，需要確保先進訂單排程系統和MES 的信息交互，同時在MES 側，需要通過安燈（Andon）和網頁（Web）進行相應的可視化實現，系統的架構如圖2所示。

圖2 先進訂單排程和制造執行系統信息交互系統架構

2.9.2 作業指導書數字化生命周期的管理閉環

從公司的文件管理流程角度，作業指導文件，包括生產作業指導書，安全作業文件，質量異常停止表的整個生命周期都包含編輯、審批、培訓、發布4 個環節，傳統的紙質作業文指導書件存在管理工作重，需要紙質文件可視化，紙質文件成本高，文件更新取決于人工操作，更新不及時等，員工的培訓可能不到位等問題。

在公司的系統架構和應用中通過數字化的作業指導書系統來進行相應操作文件的數字化，通過培訓管理系統來實現操作文件培訓和記錄的數字化閉環，實現了作業指導書的全數字化生命周期，系統流程如圖3所示。

圖3 作業指導書的數字化閉環流程

2.9.3 人員管理的數字化生命周期管理閉環

權限管理系統的作用是人和設備實時可控的關聯，通過培訓管理系統，可以將員工技能管理信息得以電子化，為了實現技能和權限的防錯，需要實現權限管控系統和培訓管理系統的信息交互和集成，從而將人和設備基于員工技能有機結合起來，實現人員管理全生命周期的電子化，如圖4所示。

圖4 人員管理的數字化閉環流程

2.9.4 和PLC的通信

除了和MES的數據交互外，與PLC的通信也是實現生產參數檢查自動化的關鍵，在本系統中，通過采用OPC UA（新設備）/OPC DA（老舊設備）通信技術的應用，實現了設備工藝參數采集的標準化。

3 結束語

本方案基于5M1E 質量文件管理的要求，根據文件的生成和管控流程的一致性，通過多個獨立應用實現生產現場文件的全數字化，通過生產參數管理系統實現生產參數從產生、發布、檢查、修改全周期的數字化管理，通過作業指導書和培訓管理系統的互聯互通，實現了作業指導文件的數字化閉環，通過授權系統和培訓管理系統的跨系統集成，完成設備操作人員管理的數字化閉環。在實際使用中，本應用在生產文件的數字化生命周期管理、工作效率、生產過程管控水平、生產現場質量管理、綠色制造等5個方面取得了建設成效。

（1）實現了生產文件數字化生命周期管理。通過多應用的協同和信息交互，實現了作業指導書和權限管控的全生命周期的數字化管理的閉環控制。

（2）提高了工作效率。通過電子化的文件管理審批錄入流程，節省了人員的工作時間，通過本方案，每個部門減少了文件管理人員1/4的工作量，提高了工作效率。

（3）提高了生產過程的管控水平。通過基于5M1E 現場質量管理文件的無紙化，減少手工數據錄入和數據統計工作，通過紙質文件數字化提高了生產過程的管控水平［6]，電子化的文件和數據記錄，可為大數據分析、數據挖掘的智能化應用提供數據。

（4）優化了生產現場質量管理。生產現場質量管理的無紙化方案可以有效地解決加工車間的管理復雜多變、自動化水平參差不齊、系統實時性要求高等問題。

（5）助力綠色制造。通過無紙化的現場質量管理，公司每條產線每年可減少約3000張A4紙，從而極大地節省了現場的紙質文件的使用，降低了成本和浪費，為真正實現綠色制造提供有力的支撐和途徑。