面向離散型生產模式的MES系統研究

黃小桐

(中國地質大學(北京) 經濟管理學院，北京 100083)

傳統的制造型企業從生產的批量、生產重復性和穩定性角度，將生產類型分為大批量生產、批量生產、多品種小批量生產、單件生產等。航天企業屬于典型的面向訂單(Make To Order，MTO)制造型企業，產品品種多，批量小，具有試制產品與定型產品共線生產、設計研發與生產同步進行的特點[1]。近年來，隨著我國航天事業的快速發展，航天新研產品種類和定型產品批產任務均大幅增加，對企業的訂單交付能力提出了更高的要求，傳統的依靠表單的生產管理方式已經不能適應當前任務需求，亟需借助生產管理信息系統等先進的數字化手段來提升生產效率和質量管控能力[2-3]。因此，構建一種適合航天企業生產車間特點的生產過程管理系統，是航天企業迫切需要解決的問題[4]。

制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)是面向車間的生產管理系統，位于企業計劃層和控制層之間的執行層(見圖1)[5]。從底層控制系統采集與生產有關的實時數據，通過數據采集終端傳輸到系統中，并進行車間生產作業的計劃排產、過程管理、設備監控、資源配置的優化等工作，為生產管理者提供及時的生產制造活動信息，是生產管理數字化和自動化的主要手段，可最大限度地提高企業的柔性化生產制造能力。本文以某航天企業生產車間為例，探索MES系統在離散型生產模式下的應用。

圖1 3層企業集成模型

1 離散型生產車間特點

通過調研，梳理目前該企業生產流程各個環節，該企業加工車間屬于典型的小型離散型生產車間，具備如下生產特點[6-7]。

1)產品種類多，專線和混線生產并存。

航天產品種類多，批量小或單件生產，在線定型產品批量加工和新研產品單件試制同時存在，受生產資源的限制，經常需要混線生產，這會導致生產資源沖突，車間的調度工作變得異常復雜。從加工過程來說，離散型制造企業的工藝過程非常復雜，有時并聯加工，有時串聯加工，一旦其中一道工序出現問題，就會導致后面所有工序都無法進行。

2)依靠手工排程，計劃執行準確率低。

在生產計劃方面，主要依靠調度員的經驗制定生產作業計劃，排程工具主要為紙質或Excel表單，當在線并行任務量大時，人工排程無法實現大數據量工單的計算，實現平衡設備產能和工期。尤其當產品工藝路線復雜并且插單任務多時，人工排程的不足更加凸顯。計劃存在偏離時，需不斷調整生產計劃，生產計劃的執行準確性很低，無法起到對生產的指導作用。

3)生產過程各類信息無法及時傳遞和獲取。

由于車間沒有生產信息管理系統，在線訂單進度、生產文件準備、計劃編制、工序派工、車間計劃執行、物料流轉情況、產品檢驗情況、產品質量信息等多種信息無法及時獲取。當生產調度人員想要了解在線訂單當前狀態時，只能通過各個工位的臺賬信息逐一查看。信息獲取滯后，導致當生產計劃偏離時，不能及時處理和調整。

4)生產數據統計滯后及管理不易。

航天制造企業由于其生產的特殊性，生產制造過程會產生大量數據，如：原材料批次信息、加工人員信息、關鍵工序實測數據、檢驗信息等，這些數據必須記錄和可追溯。但這些數據都存在于紙質載體上，數據保存和統計匯總存在困難。而不同類別的數據又由不同的歸口部門管理，未能集中統一管理，增加了管理上的難度。

5)生產資料未實現無紙化。

生產過程所需的圖樣文件、工藝文件、質量過程記錄卡、關鍵工序控制卡、檢測數據記錄表、不合格品審理單等，這些與生產過程相關的數據都記錄在紙質文件上，生產過程中容易損壞和丟失，為后期質量追溯帶來困難。

2 需求分析

2.1 系統接口分析

某航天企業自開展信息化建設以來，已經陸續完成了企業資源管理系統ERP、產品主數據管理系統MDM、產品全生命周期管理系統TC、客戶關系管理系統CRM、質量管理系統QMIS等系統建設，在設計制造一體化平臺中，只有制造執行系統MES仍然處于空白，無法形成數據閉環(見圖2)。因此，在建設MES系統中，必須實現與已有系統的接口開發，打通整個信息流，實現生產過程數據的有效傳遞。

圖2 目前企業信息系統現狀

2.2 業務流程分析

通過對該企業目前研發生產模式進行分析，結合已有的信息系統，梳理出如下產品研發生產業務流程(見圖3)。

1)型號主管部門使用項目管理系統下發型號計劃。

2)研制中心設計人員生成設計圖樣、元件表、材料清單形成EBOM；工藝人員編制工藝信息，形成PBOM。

3)ERP系統在接收到型號訂單信息，經過MRP運算，生成采購計劃和生產計劃；其中生產計劃轉化為生產訂單，推送給MES系統。

4)生產車間接收生產訂單后，進行生產準備工作，包括工藝路線配置、工時維護、訂單排程等工作，然后將訂單下達至生產線。

5)生產調度依據排程要求進行派工，車間工人領取加工任務后，發起開工指令，執行生產加工過程。在生產加工過程中，對生產過程數據進行在線采集和電子數據包的填寫，實現生產過程數據的實時記錄。

6)車間工人完成加工后，進行完工操作，并將加工產品移交到檢驗部門進行檢驗。對于檢驗合格的產品，轉至下道工序加工。對于檢驗不合格的產品，需發起不合格審理流程，進行不合格處理。

7)所有工序完工后，產品交半成品檢驗，檢驗合格后，MES系統向ERP報工，產品入半成品庫。

圖3 產品研發生產業務流程

3 系統模塊設計

在業務流程分析基礎上，開展MES系統功能模塊規劃，MES系統功能模塊主要包含基礎數據管理、生產準備、生產執行、統計分析、刀具管理、系統管理6大功能模塊，圖4所示為系統功能架構。下述將針對前4個重點功能模塊開展論述。

圖4 系統功能架構

3.1 基礎數據管理

基礎數據負責為系統運行提供有效、可靠、統一和規范的基礎數據支持[8]。基礎數據管理包括人員管理、設備資源管理、工藝字典管理、BOM管理及外協單位管理等功能，其中BOM管理是核心。BOM管理是承載上游TC系統物料工藝信息的基礎功能，提供工期、工時等生產基礎信息的維護拓展工作。BOM的工藝結構為空間節點、工序層級結構，空間節點構成主工藝路線，各個空間節點下包含多個工序，構成子工藝路線。系統支持多工藝路線，以適應不同的生產要求，圖5所示為產品工藝BOM系統界面。

圖5 產品工藝BOM

3.2 生產準備

生產準備是生產執行的前提，包括訂單管理、訂單排產、領料管理、工藝變更、訂單分批等功能，其中訂單排產和訂單分批是其核心功能。訂單排產功能主要應用于車間級訂單的小顆粒度排產。系統接收任務訂單后即可進行計劃排產，系統依據BOM中維護的工期工時數據計算訂單的預計完成時間。通過比較ERP下達的需求時間與預計完成時間計算浮時，如果浮時為負，則表示任務超期，浮時為正則表示可提前完成。系統為計劃調度提供自動排程和手動排程2種排產手段，先通過自動排程產生一個初版作業計劃，然后采用手動排程來對初版作業計劃進行實時修改，車間實際生產由修改后的作業計劃來指導[9]。

3.3 生產執行

生產執行模塊主要實現對生產執行過程的管理，記錄每一步工序級的生產過程，包括訂單派工、掃碼執行、參數監測、報工管理、檢驗管理、質量審理、入庫管理等功能。

訂單流轉過程中系統支持掃碼流轉，操作人員掃描訂單二維碼后，系統自動查詢該二維碼對應的訂單數據，并在界面提示任務狀態等相關信息，以不同的顏色標識訂單的不同狀態，直觀展示訂單進度。其流轉流程如圖6所示。

圖6 掃碼執行工作流程

在掃碼執行過程中，操作工人依靠工人操作界面完成作業操作。工人操作界面如圖7所示，操作界面包括掃碼區、個人已接收任務列表區、工藝文件清單列表區、已完成工時展示區、訂單進度展示區。任務列表區通過不同的狀態燈展示了相應任務的進展狀態。點擊任務名稱可進入數據包填寫頁面，填寫生產過程要求記錄的數據。

圖7 工人操作界面

生產過程數據和產品檢測數據的準確完整記錄是實現質量追溯的前提，數據采集功能實現對操作工人和檢驗人員在生產、檢驗過程產生的數據進行采集[10-11]。系統支持電子錄入式采集、自動化檢驗設備采集以及加工設備信息采集等3種采集方式。數據采集與校驗如圖8所示，系統數據模板內置了數據合格判據，若采集數據數值不滿足合格范圍，則系統自動進行提示預警。

圖8 數據采集與校驗

訂單加工完成后，MES系統對訂單信息進行歸檔，由于ERP系統已先期建設，MES提供標準訂單入庫接口，將生產完成的訂單信息推送至ERP進行入庫處理。入庫同時，生成裝機清單、研制總結報告等文件，用于質量歸檔。另外，系統通過與TC系統集成，將生產過程中產生的質量審理單據推送給產品設計師，提升產品升級改進迭代效率。

3.4 統計分析

統計模塊用以對生產過程數據進行統計分析，以進行績效考核和生產決策。統計分析模塊包括工人績效統計、訂單統計、KPI績效統計等功能。工人績效統計以工人為維度，統計個人生產績效，作為績效考核的依據，統計項目包括工時完成數量、訂單完成率、產品合格率等。訂單統計以多維度對在線訂單和已完成訂單進行統計，并以可視化圖表形式展示，方便車間管理人員進行生產決策(見圖9)。KPI績效統計以車間維度，對車間的訂單按時完成率、產品合格率進行統計，并按單位績效考核規格進行量化評分。

圖9 訂單統計分析

4 MES系統關鍵技術

4.1 訂單分批技術

在實際生產過程中，因設備、人員、備料情況等環境因素，無法滿足訂單的投產總數量同時在線生產。針對這種生產場景，訂單分批是必不可少的一種處理方式。訂單分批將一個主訂單拆分成2個及以上子訂單，子訂單繼承分批節點前所有主訂單的生產信息，方便后續進行信息追溯。

目前，根據訂單分批結果實時性的不同，可將分批方法大致分為均等分批、一致分批和可變分批等3種。其中，均等分批和一致分批都是在分批完成后不改變后續各道工序的分批方案，具體指每道工序均要保持相同的分批方案進行加工；可變分批是指工件在加工過程中可根據每道工序的加工情況的不同選擇合適的分批方案進行加工，導致不同工序的分批方案不同。均等分批是將同一型號工件分為等量工件數量的多個子批，一致分批是將同一型號工件分為不等量工件數量的多個子批。圖10所示為工件分批加工流程圖。

均等分批雖然結構簡單，但其調度優化性能差；可變分批雖在車間調度優化性能十分出色，但其操作難度極大。一致分批相較于可變分批相對簡單很多，且在優化加工時間、成本等方面比均等分批更優，因此選取一致分批作為實際車間分批調度應用更加適合。其一致分批方法具體步驟如下。

Step1：初始化參數i=1，m=0，j=1。

圖10 工件分批加工流程

Step2：選取當前訂單型號Ji進行分批，對應該型號的訂單數量Ni。

Step3：隨機生成當前訂單型號Ji的批次數pi，且滿足0

Step4：隨機生成第一個子批訂單數量Nj，且滿足0

Step5：令m=m+Nj，若m+pi-j>Ni，則m=m-Nj，返回到Step4；若m+pi-j≤Ni，則進入Step6。

Step7：若未輸出所有型號訂單的分批數和各子批的訂單數量，則令i=i+1，初始化m=0，j=1，返回到Step2；反之，輸出分批結果，結束。

其一致分批流程圖如圖11所示。

圖11 訂單分批加工流程

上述分批方法可以根據復雜多變的加工情況隨機分得大量批次結果，接著通過尋優算法從中得到最佳的分批結果，將其最佳批次劃分結果安排到具體加工機器上進行加工，可得到最佳的調度方案。

4.2 質量預測技術

生產執行過程中的參數監測是針對實際生產中關鍵工藝的工藝參數監測，關鍵工藝是加工產品關鍵質量特性的工藝，而關鍵質量特征則是影響產品整體質量水平的重要因素，因為在實際生產中存在著類似設備老化、人員失誤等各種因素，導致關鍵工藝參數設置出現了偏差，導致生產出產品的關鍵質量特性出現波動，進而導致產品整體質量水平出現波動，所以檢驗人員利用生產現場的數據采集設備，針對關鍵工藝設置監測點，將實際生產時的關鍵工藝參數讀取并記錄，代替傳統的紙質記錄參數，在看板進行可視化，一旦關鍵工藝參數發生異常波動，可以直接進行調整，并且便于后續根據質量審查結果進行調整和優化。

質量預測即MES系統利用FP-growth算法輸出每道工序的工藝參數與其加工出的質量特征之間的關聯關系，通過在生產執行模塊對關鍵工藝的實時參數監測，從而預測出該工序加工出的質量特性是否合格，如果不合格，可以直接調整對應工序的工藝參數，直至加工的質量特性符合要求，接著MES系統將每道關鍵工藝預測出的質量特性數據輸入統計過程控制(Statistical Process Control，SPC)模塊，計算出工序過程能力指數要求，針對工序種類不同，分別利用X-Bar圖、U圖和P圖等3種控制圖在過程能力看板中可視化出來，并且能夠提供給工程師審閱，當控制圖出現異常時，立即產生預警信號，進行異常原因分析。其質量分析與預測流程圖如圖12所示。

圖12 質量預測

其中針對每道關鍵工藝Qi，首先基于歷史制造數據集，將工藝Qi中每個工藝參數作為輸入設為Xi，輸出的關鍵質量特性設為Y，計算輸入與輸出之間的支持度S與置信度C：

(1)

(2)

式中，S是支持度，代表在事件N中，項集{X,Y}同時出現的概率；C代表置信度。

為了輸出每道關鍵工藝的關聯規則ωi，具體的算法流程如下。

Step1：掃描2次關鍵工藝的歷史制造數據集，計算支持度，剔除小于最小支持度的工藝參數，形成質量影響因素項頭表和FP樹數據庫。

Step2：根據項頭表和FP樹數據庫，通過節點鏈表，插入到FP樹中，找到對應質量數據的條件模式基，得到頻繁項集。

Step3：首先依據頻繁項集，根據置信度計算公式，輸出工藝參數與質量特性之間的關聯規則。

然后將每道關鍵工藝Qi根據各自的關聯規則ωi預測的質量特性數據Y輸入到SPC模塊，計算過程能力指數Cpk：

(3)

最后根據工序的不同，將過程能力指數通過X-Bar圖、U圖和P圖等3種控制圖在看板進行可視化。

5 系統開發與實現

現行的管理系統架構有C/S和B/S兩種。C/S架構由客戶機和服務器兩部分組成，而B/S結構是基于web方式的一種架構模式，在MES工作站上只要安裝標準的瀏覽器即可訪問服務器，系統更新時也只需要更新服務器程序即可，因此B/S架構模式更適合于離散車間MES系統。

MES系統采用Java EE技術平臺，開發語言是Java，具有開源、跨平臺、簡單簡潔等優點。數據庫采用Oracle數據庫。采用ESB企業服務總線，實現各業務系統間數據的高效交互。系統采用分布式架構設計，技術能力開放，易擴展，可滿足各類通信協議。支持關系型、非關系型數據存儲，業務數據和應用數據獨立存儲，歸檔數據定期遷移。提供多種基礎模塊服務，通過標準HTTP協議通信，單獨授權方式解耦。前后端獨立劃分，異步加載數據。包含三員管理、運維監控和日志審計等功能滿足軍工安全要求。系統技術架構如圖13所示。

圖13 系統技術架構

6 應用效果

通過MES系統建設實現了車間執行層的信息化管理，有效解決了航天企業離散型生產車間的痛點，實現了精益化管理，降低了生產成本，提升了生產效率，具體內容如下。

1)提高了車間的生產運營效率，實現了訂單的全流程管理，產品生產流程全過程可跟蹤與監控，產品的加工進度得以實時跟蹤，使車間管理人員及時發現生產停滯等異常，并及時處理。

2)應用排程功能和分批功能實現了多品種、小批量生產任務的混線排產，解決了資源占用沖突問題，縮短了流轉周期，零件工序間平均等待時間降低了21%。

3)生產過程中的加工、質量等數據實現實時獲取與監控，實現了生產過程數據和質量數據的可追溯，提升了生產質量管控能力。

4)實現了生產數據的多維度統計分析，有助于實現生產成本核算，員工績效考核，提升車間經營管理水平。

5)MES系統與企業其他信息系統實現無縫集成，實現了數據的共享與傳遞，使整個生產過程更透明高效。

7 結語

通過對航天某企業車間多品種小批量生產模式分析，總結其業務瓶頸，分析其業務流程，針對業務特點開發了面向航天企業離散生產車間的MES系統。系統與現有系統進行業務集成，保證了系統交互與數據閉環。通過系統實際運行，有效提高了車間的生產管理能力和制造執行能力。