面向離散型企業(yè)的MES/ERP技術(shù)研究

    制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）能通過信息傳遞，對從訂單下達到產(chǎn)品完成整個的生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理，當(dāng)車間里面有實時事件發(fā)生時，MES能對此及時做出反應(yīng)、報告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對它們進行指導(dǎo)和處理。

    近10 年來，MES技術(shù)已經(jīng)在石油、化工、能源、食品和造紙等行業(yè)得到了廣泛的實施和應(yīng)用，國內(nèi)許多企業(yè)也逐漸開始采用這項技術(shù)來增強自身的核心競爭力。然而在MES系統(tǒng)建設(shè)方面，國內(nèi)目前大多企業(yè)仍然側(cè)重于MES 的軟件開發(fā)及其建模，主要停留在思想、內(nèi)涵及體系結(jié)構(gòu)方面的研究上，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)一般局限于單一功能，在技術(shù)深度與應(yīng)用廣度上都存在差距。本文結(jié)合中國電子科技集團公司第38 研究所（以下簡稱中國電科38所）在精密加工車間實施MES 的過程，分析并解決MES 實施過程中關(guān)鍵技術(shù)及難點問題，開發(fā)了集工藝過程全流程追蹤和質(zhì)量控制等多功能集成于一體的MES 系統(tǒng)，達到了預(yù)期目標(biāo)，對提高企業(yè)信息化管理水平具有重要意義。

1 MES 系統(tǒng)應(yīng)用背景

    中國電科38 所主要從事電子裝備研制與生產(chǎn)，是典型的離散型企業(yè)，具有科研與生產(chǎn)一體化特征，生產(chǎn)模式為多品種、小批量生產(chǎn)，在研產(chǎn)品生產(chǎn)、試制產(chǎn)品生產(chǎn)、小批量投產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn)同時進行，生產(chǎn)計劃會經(jīng)常改變和調(diào)整 。由于離散型企業(yè)的上述特點，增加了企業(yè)在生產(chǎn)、物流和質(zhì)量等方面的管理難度，大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。中國電科38 所目前已經(jīng)運用多種信息化系統(tǒng)OA、PDM、CAPP 等來解決工作中的問題，并發(fā)揮了重要作用，但生產(chǎn)現(xiàn)場的管理還處于人工管理的狀態(tài)，缺少信息化平臺支撐，導(dǎo)致浪費大量人力物力。生產(chǎn)現(xiàn)場主要存在以下幾方面薄弱環(huán)節(jié)： a．無法及時了解生產(chǎn)過程情況，對生產(chǎn)進度缺乏準(zhǔn)確及時的數(shù)據(jù)，缺少有效的統(tǒng)計和考核手段。b．加急計劃多，對原有生產(chǎn)安排的沖擊較大，缺少有效的方法和手段來對生產(chǎn)資源進行重新合理安排。c．工藝信息的變更迫使正在加工的零件重新制訂加工計劃，影響后續(xù)工序和其他零件的加工生產(chǎn)。d．制造設(shè)備與工具未實施信息化管理，設(shè)備加工情況監(jiān)控不到位，缺少設(shè)備運行狀態(tài)信息，設(shè)備有效利用率較低。e．型號和零件種類較多，實時狀態(tài)靠人工現(xiàn)場查看，無法及時了解產(chǎn)能情況，人工管理效率無法滿足生產(chǎn)計劃進度要求，遺漏生產(chǎn)任務(wù)情況時有發(fā)生。f．生產(chǎn)實時狀況、人員狀況以及設(shè)備的運行參數(shù)和性能指標(biāo)缺乏有效的監(jiān)控與科學(xué)化管理。g．工時信息依靠人工統(tǒng)計，既浪費人力物力，又時有錯誤發(fā)生。h．質(zhì)量信息依靠紙質(zhì)方式統(tǒng)計，質(zhì)量信息不能快速統(tǒng)計來指導(dǎo)生產(chǎn)。i．手工填寫報表，不能及時統(tǒng)計各種信息來指導(dǎo)生產(chǎn)。

    總之，企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的計劃準(zhǔn)確性、實時性比較差，影響企業(yè)對生產(chǎn)的快速反應(yīng)能力。對車間中大量的不確定因素，缺乏科學(xué)決策方法，缺乏系統(tǒng)間的有效集成，使得各個方面的信息系統(tǒng)成為一個孤島，信息無法傳遞。

2 MES 系統(tǒng)總體方案研究

    MES 系統(tǒng)是面向車間層次的管理信息系統(tǒng)，在上層資源計劃管理系統(tǒng)（EntERPrise Resource Planning，ERP）與下層工業(yè)控制執(zhí)行系統(tǒng)（Process Control System，PCS）之間架起了一座橋梁，圖1 所示為MES 在企業(yè)信息集成體系中的關(guān)系。系統(tǒng)總體方案設(shè)計思路是：應(yīng)用面向生產(chǎn)過程的設(shè)計理念，以生產(chǎn)信息基礎(chǔ)庫／數(shù)據(jù)庫為核心，采用B／S模式的Web －Service 技術(shù)的3 層結(jié)構(gòu)模型，與企業(yè)原有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Product Date Management，PDM）、工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Computer Aided Process Planning，CAPP）、制造信息系統(tǒng)（Manufacturing Iformation System， MIS）、車間分布式數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Numerical Control， DNC）和物流系統(tǒng)（Logistic System，LS） 等相集成，獲得生產(chǎn)計劃信息、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝信息和物流信息等，將生產(chǎn)計劃和車間作業(yè)現(xiàn)場控制聯(lián)系起來，從而可彌補計劃層與控制層之間的空隙，實現(xiàn)企業(yè)連續(xù)的信息流，提高企業(yè)的敏捷性。

圖1 MES 在企業(yè)信息集成體系中的關(guān)系

2.1 功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃

    系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃以數(shù)控增效、提高產(chǎn)能為出發(fā)點，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場計劃、機床、刀具、質(zhì)量等數(shù)據(jù)的全面集成，建立完善的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)體系，圖2 所示為MES 系統(tǒng)功能規(guī)劃。中國電科38 所的MES 系統(tǒng)是在標(biāo)準(zhǔn)MES 業(yè)務(wù)組件基礎(chǔ)上，針對離散型企業(yè)的典型需求，實現(xiàn)工藝過程全流程追蹤、機床監(jiān)控、計劃排產(chǎn)、計劃管理、車間管理、庫房管理、檢驗管理、外協(xié)管理、決策支持與分析和數(shù)據(jù)集成等功能。

圖2 MES 系統(tǒng)功能規(guī)劃

2.2　數(shù)據(jù)流程設(shè)計

    數(shù)據(jù)流程設(shè)計的目標(biāo)是在設(shè)計任務(wù)進入系統(tǒng)，到設(shè)計結(jié)果輸出的整個過程中，信息、數(shù)據(jù)流通始終保持暢通，圖3 所示為MES 系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)流程圖。MES 系統(tǒng)通過與企業(yè)現(xiàn)有的MIS、PDM、CAPP、DNC和LS 等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的集成，提取產(chǎn)品BOM、三維圖形、工序、工時、程序、刀具及投產(chǎn)令號信息等，實現(xiàn)圖形化高級計劃與排產(chǎn)，并對工作現(xiàn)場數(shù)據(jù)、機床運行狀態(tài)、刀具庫存、質(zhì)量狀態(tài)實時采集、監(jiān)控，為計劃調(diào)度、質(zhì)量控制提供決策支持與分析。

圖3 MES 系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)流程

2.3　關(guān)鍵技術(shù)分析

    2.3.1　集成技術(shù)

    基于信息共享的PDM／CAPP／MIS／DNC／LS／MES 的集成是企業(yè)實施的重點。通過開放MES 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，開發(fā)數(shù)據(jù)接口程序，在PDM／CAPP／MIS／LS／DNC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存時，數(shù)據(jù)庫自動調(diào)用觸發(fā)器，實時在MES 數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建生產(chǎn)任務(wù)，實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)工藝變更，全流程跟蹤生產(chǎn)計劃執(zhí)行，實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以及產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)的動態(tài)共享和聯(lián)動，從而實現(xiàn)信息化系統(tǒng)上下游的銜接。

    2.3.2　離散排產(chǎn)技術(shù)

    遺傳算法是模擬達爾文生物進化論的自然選擇及遺傳學(xué)機理的生物進化過程的計算模型，是基于“適者生存”的一種高度并行、隨機和自適應(yīng)優(yōu)化算法，具有很高的靈活性和并行處理能力等特點 。系統(tǒng)中采用遺傳算法，將影響離散型企業(yè)計劃排產(chǎn)的關(guān)鍵因素（如：產(chǎn)品的BOM 關(guān)系、同一整件中的長短工序、每個零件的計劃節(jié)點、不同工序的定額工時與實際加工用時之間的關(guān)系系數(shù)、同一零件不同工序之間的離散度、產(chǎn)品優(yōu)先級、每個工序的產(chǎn)能、緊急插單等排產(chǎn)因素）及其內(nèi)在邏輯關(guān)系參數(shù)化為排產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動排產(chǎn)。自動排產(chǎn)結(jié)果如圖４ 所示，圖中顯示了每臺機床承擔(dān)的任務(wù)情況及相應(yīng)任務(wù)完成情況。

圖4 自動排產(chǎn)結(jié)果

    2.3.3　工藝過程全流程追蹤技術(shù)

    工藝過程全流程追蹤技術(shù)是通過與CAPP 系統(tǒng)集成工藝過程的方法實現(xiàn)，零部件經(jīng)過計劃排產(chǎn)后，MES 根據(jù)工藝過程自動傳遞到規(guī)定的班組，然后由班組長登錄系統(tǒng)后對任務(wù)進行分配，員工采用條碼掃描方式登錄系統(tǒng)，通過觸發(fā)方式實現(xiàn)制造狀態(tài)的信息獲取。工藝過程全流程追蹤實現(xiàn)了所有產(chǎn)品從工藝設(shè)計結(jié)束到制造信息系統(tǒng)下達生產(chǎn)計劃的任務(wù)派送以及計劃人員的直接派工，提高了班組對未來任務(wù)的預(yù)判，做到了項目經(jīng)理和計劃人員“足不出戶”就能對現(xiàn)場工作進行掌控，增強了產(chǎn)品后續(xù)質(zhì)量的歷史追蹤，并為產(chǎn)品全生命周期管理提供了良好的數(shù)據(jù)支撐，改變了員工工時分配的紙質(zhì)化管理，為車間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計提供了信息化手段。這樣就提高了工作效率、準(zhǔn)確度，降低了勞動力成本。工藝過程全流程追蹤技術(shù)實現(xiàn)的詳細流程如圖5 所示。

圖5 工藝過程全流程追蹤流程圖

3 應(yīng)用系統(tǒng)實踐

    通過對精密加工車間MES 實際需求分析，結(jié)合離散型企業(yè)特點，完成了MES 功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃和數(shù)據(jù)流程設(shè)計，解決了開發(fā)過程中集成技術(shù)、離散排產(chǎn)技術(shù)和工藝過程全流程追蹤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，建成了一套可行的MES 系統(tǒng)。通過MES 工藝流程管理及質(zhì)量追溯系統(tǒng)解決方案的實施，大大提高了生產(chǎn)效率，減少了外協(xié)工作量，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。通過全流程質(zhì)量追溯的實施，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。通過全流程查詢系統(tǒng)的實施，提高了領(lǐng)導(dǎo)層對項目總體計劃的全局掌控和決策的科學(xué)性、可行性。截至目前，在中國電科38 所該系統(tǒng)已有涉及5 個產(chǎn)品6000 多個零件運行成功。通過測試，系統(tǒng)排產(chǎn)計劃履約率達到80％，數(shù)據(jù)錄入和統(tǒng)計時間縮短50％，問題的追溯率提高到90％，設(shè)備的利用率提高10％，為產(chǎn)品的質(zhì)量統(tǒng)計、全生命周期管理提供了數(shù)據(jù)支撐。

4　結(jié)束語

    面對電子整機產(chǎn)品快速發(fā)展、多品種小批量生產(chǎn)模式的行業(yè)背景，本文開展了以數(shù)控增效、提高產(chǎn)能為出發(fā)點，以“產(chǎn)品過程控制”為核心的ＭＥＳ系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究。系統(tǒng)成功實現(xiàn)與企業(yè)現(xiàn)有MIS、PDM、CAPP、DNC 和LS 的集成，改善了企業(yè)信息化集成制造水平。系統(tǒng)應(yīng)用后，設(shè)備利用率、車間的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品的質(zhì)量都得到了提高，并為提高后續(xù)產(chǎn)品計劃安排的科學(xué)性和可行性及后續(xù)車間實現(xiàn)無圖化打下了堅實的基礎(chǔ)。

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