離散制造業機床小件MES 系統設計與應用

高瑜雄， 姜 亮， 龍忠琳， 葉雪茹

（中國機械總院集團云南分院有限公司＜云南省機電一體化應用技術重點實驗室＞云南 昆明 650000）

0 引言

制造業是國民經濟的主體， 隨著全球經濟一體化發展和工業信息化推進，制造業成為我國經濟“創新驅動、轉型升級”的主戰場。 “中國制造2025”強國戰略的提出標志著我國由制造大國向制造強國的轉變。

制造執行系統 （Manufacturing Execution System，MES）作為目前應用廣泛的車間管理系統，它不僅有效指導車間生產運行過程， 而且在企業和供應鏈間以雙向交互的形式提供生產活動的基礎信息。 目前國內的中小型機床制造企業，信息化程度相對落后。有的企業還在使用人工記錄紙質單據的形式在運作。 機床制造企業使用的MES 系統，大多是針對機床大件加工而設計。 機床大件，一般都會有條碼、二維碼或者鋼印號標志，以單個零件的加工方式運作。 而機床上“體積小而且價格低”的零部件（后面稱之為“機床小件”），不方便打上鋼印號、條碼、二維碼等， 或者標號成本極高， 一般都是以批量的方式運作。 本文將重點針對“機床小件MES 系統”做研究設計。

1990 年11 月， 美國先進制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）就提出了MES（制造執行系統）概念。 1997 年，MESA 提出的MES 功能組件和集成模型，包括11 個功能，同時規定，只要具備11 個功能之中的某一個或幾個，也屬MES 系列的單一功能產品。2004年，MESA 提出了協同MES 體系結構（c-MES）。

20 世紀90 年代初期， 中國就開始對MES 以及ERP的跟蹤研究、宣傳或試點，而且曾經提出了“管控一體化”“人、財、物、產、供、銷”等頗具中國特色的CIMS、MES、ERP、SCM 等概念，只是總結、歸納、宣傳、堅持或者提煉、提升不夠，發展勢頭不快。

國內最早的MES 是20 世紀80 年代寶鋼建設初期從SIEMENS 公司引進的。 中國工業信息化基本上是沿著西方工業國家的軌跡前進，只是慢半拍而已。幾乎絕大多數大學和工業自動化研究單位，甚至于國家、省、市級政府主管部門都開始跟蹤、研究MES。 從中央到地方，從學會到協會，從IT 公司到制造生產廠，從綜合網站到專業網站，從綜合大學到專科院校，都卷入了MES 熱潮之中。

從行業角度看，國內的MES 系統主要在流程行業等少數領域應用較為成熟，而在離散型制造領域，無論從成功案例的數量還是案例的規模上來看都有較大差距。MES 系統在離散制造業的發展， 往往表現為真正用得好的不多。

1 需求分析

機床小件的特點：種類繁多、價格低廉、生產繁雜。因為利潤少，大部分機床企業不愿意自己生產，但是小件又是機床生產裝配必不可少的零部件。 比如：滑塊頂塊、絲桿隔套、絲桿托架、導向桿固定板等等，如圖1 所示。

圖1 有代表性的小件

機加工車間普遍環境不太適合擺放電腦等固定終端。 在手機等移動終端普及、5G 網絡應用成熟的條件下，面向用戶的移動終端App 已逐漸成為最優選擇。 市面上機床小件MES 系統目前還比較少，很多生產機床小件的中小型企業，還在使用手工記錄工藝流轉單的方式管理。因為機床小件的特點， 企業一般是通過計件方式進行工資核算。工人每天填寫工藝流轉單上報，統計員通過統計流轉信息，物料信息，工藝工序價格等信息來統計工資。在應用企業，當工人數量達到百人左右時，管理庫存、計劃任務、統計工時工資的工作將非常繁重。統計員每天收集紙質流轉單據生產信息， 把信息再錄入到Excel 等工具中進行處理統計，費時費力還非常容易出錯。工藝卡信息、工序信息通過人工來管理，時間久了經常出現錯亂、信息不統一等等情況。 工人對自己的工資有疑問時查詢也非常麻煩。

紙質文檔經過多年積累，管理難度較大，產品出現問題很難追溯，需要翻閱大量的紙質文檔。使用計算機代替人工作業可以避免上面的問題和困擾。 通過調研整理出如下關鍵需求：

（1）計劃任務管理：根據顧客訂單信息、備貨計劃、現有庫存信息、在制品信息、BOM 信息，通過MRP 算法生成采購計劃、生產計劃、委外加工計劃。

（2）生產執行管理：依據企業現有業務流程，將生產計劃下發到指定工段，作業人員領取生產任務，完成工序作業后，在系統上做工序完工確認信息。然后質量檢驗合格入庫。

（3）倉庫管理：主要有倉庫入庫、出庫管理、庫存信息管理、盤盈虧庫存調賬管理。 庫存管理不是MES 系統的核心模塊， 本次設計只做簡單的總庫存的SUMMARY 記錄管理，不做明細庫存。

（4）計件工時工資：企業使用紙質工藝流轉單記錄上報完工量，統計員通過上報信息統計計算工資。工作量特別龐大，容易出錯，經常出現工人對工資有異議，再次排查上報單據信息特別困難，這也是小件系統的一個痛點。

（5）工藝工序管理：工藝工序是生產執行的核心，工序的價格、版本信息也是工時工資統計的關鍵信息。

（6）容錯性考慮：工人文化水平參差不齊，經常會填寫錯誤信息。本次設計主要針對兩個點進行設計：工藝工序價格容錯調整；工序確認容錯調整。

2 系統設計

傳統車間管理系統軟件一般運行于PC 端， 但是由于工業現場環境惡劣、空間限制、線路安全等因素，增加了車間管理的難度。 隨著網絡技術和智能移動終端的不斷發展，管理軟件移動化逐漸成為車間管理系統未來的發展方向。對此，本次系統設計基于H5 混合開發平臺，一次開發，適用IOS 和android 系統。采用BS 模式，結合MES 系統的功能模塊，設計并開發一套具有遠程監控和現場管理功能的移動管理系統，管理客戶從移動終端下單到產品生產完成的整個過程， 期望能夠對整個生產過程進行實時管理以及優化生產流程，從而實現靈活生產、移動辦公，滿足制造過程中產品數據的跟蹤和監控方面的個性化需求。

2.1 架構設計

2.1.1 系統部署方式

系統選擇云服務器部署。降低部署成本，無需購買相關硬件設備；降低人員技能要求，降低人力成本；降低安全管理費用；降低維護成本；降低企業的管理維護風險；訪問靈活； 可以利用云服務彈性伸縮能力靈活滿足實際資源需求，提升了系統穩定性。

2.1.2 緩存架構選型

Redis 緩存。 在高并發的業務場景下，數據庫大多數情況下都是用戶并發訪問最薄弱的環節。 所以系統使用Redis 做緩存操作，讓請求先訪問到Redis ，而不是直接訪問MySQL 等數據庫。 這樣可以大大緩解數據庫的壓力。

2.1.3 數據庫選型

MySQL 數據庫。 MySQL 是一個關系型數據庫管理系統，屬于Oracle 旗下產品。 MySQL 是最流行的關系型數據庫管理系統之一，在WEB 應用方面，MySQL 是最好的應用軟件之一。 MySQL 將數據保存在不同的表中，而不是將所有數據放在一個大倉庫內，這樣就增加了速度并提高了靈活性。 MySQL 所使用的SQL 語言是用于訪問數據庫的最常用標準化語言。MySQL 由于其體積小、速度快、擴展性強、總體擁有成本低，尤其是開放源碼這一特點，一般中小型和大型網站的開發都選擇MySQL 作為系統數據庫。

2.2 系統總體模塊設計

經過機床企業， 小件生產業務的調研， 整理業務流程，如圖2 所示。

圖2 系統業務流程

系統總體分為六大模塊：基本信息管理，工藝工序管理，計劃任務管理，生產執行管理，庫存管理，工時工資核算管理，如圖3 所示。

圖3 系統模塊圖

2.3 基礎信息模塊

一般的制造型企業，都是以公司、工廠、工段、班組設立組織結構，部分企業在工段上面加了一層加工中心。要管理庫存，需要倉庫基本信息，物料基本信息和物料分類信息。 所以基礎信息模塊功能設計如圖4 所示。

圖4 基本資料模塊

2.4 工藝工序管理模塊

機床制造，需要對零部件進行加工，裝配，所以加工和裝配的產品對應的工藝工序信息需要管理。 為了提高復用性，減少工作量，設置了標準工序管理，標準工序提供給所有工藝卡使用。 產品的尺寸大小，功能不同，所需的材料不同，加工工序不同，所以需要加上版本控制。 工序不同，加工的成本有差異，工價也會有差異。 這里設置版本信息，是核算工時工資和成本信息的關鍵點。

依據不同工種，把工序類型定義如圖5 所示。

圖5 工序類型設定

2.5 計劃任務管理模塊

MRP 是企業制作生產計劃的核心， 一般在ERP 實現， 因為此次調研的企業ERP 系統尚未建設， 所以把MRP 在MES 系統中做了簡單實現，來制作生產計劃。 企業根據客戶訂單量、BOM 信息、現有庫存、生產中庫存，通過MRP 算法，計算出采購計劃、生產計劃、委外計劃等信息。 MRP 計算通過系統定時任務完成，最終產生生產計劃。 生產管理人員核對生產計劃無誤，下達生產計劃，產生任務信息。 然后工人領取任務進行作業。 MRP 邏輯關系如圖6 所示。

圖6 MRP 計算的核心內容

2.6 生產執行模塊

工序確認，主體流程是工人領取任務，同時領取毛坯材料，按照工序作業。 作業完成在系統上做確認，機床小件一般是批量作業。 其中作業也分順序作業和非順序作業兩種，此信息是在工藝卡上標志判斷的。工序確認的時候，系統做重復檢查、順序檢查，同時記錄流轉單確認日志。工序確認日志是工時工資統計的核心信息，記錄了工序信息和版本信息。

生產任務轉移，如果工人領取的生產任務，不能及時完成，可以轉移給其他工位的工人協助加工，增加了系統業務的靈活性。入庫檢驗，除了工序過程中的自檢互檢，在所有工序完成時也會有入庫前的最后一道檢驗工序 （專檢）。 檢驗完成即可入庫。 工序確認的邏輯如圖7 所示。

圖7 工序確認邏輯

2.7 庫存管理模塊

在制造企業的信息化建設中， 庫存管理是十分重要的一環。 隨著工業4.0 的不斷發展，市場對倉庫現場管理的透明化有了更高的要求， 庫存管理也越來越受企業重視。庫存管理得當，能提高庫存周轉率，減少庫存積壓，同時庫存有了預警，可以防止庫存斷檔。此次系統管控了毛坯和成品兩大類的物料，毛坯采購入庫，在領取任務的同時進行毛坯領用出庫。成品在檢驗入庫的時候產生庫存，發貨的時候庫存扣減。盤盈虧功能，是用于簡單的調整庫存使用。在盤點或者平時業務異常的時候，進行庫存調賬使用。庫存變化同時會產生庫存交易信息，倉庫管理員可以通過此功能追蹤庫存的變化信息。

2.8 工時工資成本核算

工時工資統計，系統通過任務信息，流轉單，檢驗入庫信息，人員信息，工序價格信息，物料基本信息的關聯，統計出工時工資信息。再通過材料成本和人力成本，核算公司的成本。 工資核算的數據流關系如圖8 所示。

圖8 工資核算數據流

3 功能實現及成果展示

（1）數據庫表設計，基本思路就是按照上面內容描述的思想進行設計。下面列出部分數據庫表設計信息，如圖9 所示。

圖9 主要數據表

（2）根據功能類型，部分系統菜單設計，如圖10 所示。

圖10 部分系統菜單

4 結束語

制造執行系統不僅是制造企業進行生產過程管理的重要手段， 還有更多的功能延伸需要我們不斷探索和嘗試。 本文結合了筆者在制造業進行MES 基礎研究和應用實施經驗，設計出此套適合機床小件制造企業的MES 系統。 通過在某機床小件制造企業的MES 項目實施運行，此系統操作使用簡單，基本滿足了企業的業務需求，并取得了良好的應用和示范效果。通過此系統實施，對企業的生產管理流程起到了規范和優化的作用， 降低了管理部門業務人員的重復性勞動，提升創造性勞動，降低了企業的管理成本，解決了企業工時工資統計困難、工藝工序信息管理、質量追溯難等多個痛點。