精益生產(chǎn)工具——制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究

呂　穎，趙志彪，白　楊，李向東，沈明艷

(1.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.中國(guó)兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100053)

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精益生產(chǎn)工具——制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究

呂穎1，趙志彪2，白楊1，李向東1，沈明艷1

(1.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.中國(guó)兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100053)

摘要：以離散裝配制造業(yè)為背景，研究介紹了制造系統(tǒng)內(nèi)涵、意義，以及制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能模塊、數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和關(guān)鍵使能技術(shù)，并以某國(guó)營(yíng)車橋廠車橋及主減速器裝配線制造執(zhí)行系統(tǒng)項(xiàng)目為例，進(jìn)一步說(shuō)明了制造執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)廠方制造能力和精益生產(chǎn)水平的推動(dòng)和提升作用。

關(guān)鍵詞：制造現(xiàn)場(chǎng)；精益生產(chǎn)；MES；數(shù)據(jù)采集

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)作為車間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理、監(jiān)測(cè)與控制的一體化平臺(tái)，是精益生產(chǎn)思想在信息化時(shí)代制造業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的落地與實(shí)踐[1]。

MES是美國(guó)AMR (Advanced Manufacturing Research) 公司在20世紀(jì)90年代初提出的，MES 作為支持車間級(jí)數(shù)字化制造過(guò)程的核心模塊，負(fù)責(zé)底層設(shè)備信息的反饋和處理與上層計(jì)劃指令的傳達(dá)和執(zhí)行。MES彌合了企業(yè)計(jì)劃層和生產(chǎn)車間過(guò)程控制系統(tǒng)之間的鴻溝，實(shí)現(xiàn)了制造過(guò)程的敏捷性與快速響應(yīng)性，在有效提高生產(chǎn)運(yùn)作效率和質(zhì)量的同時(shí)，降低了運(yùn)營(yíng)成本，減少了制造資源浪費(fèi)[2]。

1面向裝配過(guò)程的MES內(nèi)涵及意義

1.1面向裝配過(guò)程的MES內(nèi)涵

面向裝配過(guò)程的MES是以精益生產(chǎn)和訂單拉動(dòng)式生產(chǎn)模式為目標(biāo), 在集成了作業(yè)計(jì)劃排程與生產(chǎn)調(diào)度、在線質(zhì)量控制、車間物料流規(guī)劃與控制、生產(chǎn)譜系追溯、可視化過(guò)程監(jiān)控和生產(chǎn)狀態(tài)分析等功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中，包括產(chǎn)品、物料、設(shè)備、人員和流程指令(在線過(guò)程指導(dǎo))在內(nèi)的裝配過(guò)程中所有車間制造資源，及其執(zhí)行狀態(tài)的可視化監(jiān)測(cè)與控制。

1.2面向裝配過(guò)程的MES意義

MES解決了企業(yè)內(nèi)部管理流程縱向鴻溝和底層單元設(shè)備孤島問(wèn)題，成為連接企業(yè)運(yùn)作流程中的各類平臺(tái)的紐帶，MES與ERP、SCM、PDM以及生產(chǎn)控制設(shè)備組成了裝配過(guò)程閉合回路，實(shí)現(xiàn)了裝配全過(guò)程的可觀、可測(cè)和可控，使傳統(tǒng)裝配過(guò)程黑箱透明化，有效提高了裝配效率和產(chǎn)品裝配質(zhì)量，縮短了工況信息響應(yīng)時(shí)間，降低了生產(chǎn)運(yùn)作成本。

2面向裝配過(guò)程的MES功能模塊

MES在出現(xiàn)伊始就立足于車間現(xiàn)場(chǎng)，將生產(chǎn)過(guò)程透明化作為切入點(diǎn)，通過(guò)工位粒度的管控模式，結(jié)合不斷發(fā)展的各類傳感設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)制造資源的事實(shí)捕捉和產(chǎn)品裝配過(guò)程全生命周期的監(jiān)測(cè)與控制提供了有利的保障。下述對(duì)裝配過(guò)程MES的主要功能模塊(由于篇幅所限，此處主要介紹核心功能模塊)進(jìn)行介紹。

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配全過(guò)程制造資源的組態(tài)配置工作，形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)清單、工藝清單和底層硬件邏輯交互規(guī)則等動(dòng)態(tài)可配置的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為平臺(tái)提供基礎(chǔ)支撐作用。該模塊主要特點(diǎn)是開(kāi)放集成性和快速衍生性。開(kāi)放集成性是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)的一部分功能，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和工藝的結(jié)構(gòu)化配置，在企業(yè)已經(jīng)推行PDM的前提下，需要與企業(yè)現(xiàn)有PDM的配置結(jié)果無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)快速讀取和轉(zhuǎn)換，提高組態(tài)配置效率；快速衍生性是企業(yè)中的產(chǎn)品在幾個(gè)大類基礎(chǔ)上進(jìn)行某些工藝或結(jié)構(gòu)的變更，從而衍生出多項(xiàng)小類，為了提高配置效率，需要能夠?qū)崿F(xiàn)快速衍生功能，將基礎(chǔ)大類配置完畢后，只需更改其中的某些變動(dòng)項(xiàng)即能形成新的衍生小類。

2)計(jì)劃調(diào)度模塊。該模塊通過(guò)對(duì)計(jì)劃的制定、變更實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)計(jì)劃綱領(lǐng)的制定和動(dòng)態(tài)更迭，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)組織工作，并通過(guò)對(duì)計(jì)劃執(zhí)行情況的監(jiān)控、發(fā)布，使不同層級(jí)的員工及時(shí)掌握裝配現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)推進(jìn)情況，為相應(yīng)決策提供信息支撐。該模塊的主要特點(diǎn)是開(kāi)放集成性和動(dòng)態(tài)可變更。開(kāi)放性集成性是在實(shí)施MES的企業(yè)大多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)計(jì)劃編制過(guò)程的無(wú)紙化，需要MES在提供獨(dú)立編制計(jì)劃功能的基礎(chǔ)上，能夠與企業(yè)已有的計(jì)劃信息進(jìn)行集成(如ERP系統(tǒng))，在縮減計(jì)劃編制工作量的同時(shí)，減少由于信息平臺(tái)、業(yè)務(wù)流程變更而引起的生產(chǎn)系統(tǒng)振蕩問(wèn)題；動(dòng)態(tài)可變更性是MES作為面向車間級(jí)的管控平臺(tái)，能夠?qū)τ?jì)劃的變更(如緊急插單)做出及時(shí)的響應(yīng)，并通過(guò)發(fā)布平臺(tái)及時(shí)發(fā)布調(diào)整結(jié)果，為生產(chǎn)組織的聯(lián)動(dòng)調(diào)整提供信息支持。

3)物料倉(cāng)儲(chǔ)模塊。隨著零庫(kù)存和JIT準(zhǔn)時(shí)化等生產(chǎn)模式和理念的傳播，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物料狀態(tài)的實(shí)時(shí)響應(yīng)、物料拉動(dòng)以及與倉(cāng)庫(kù)的聯(lián)動(dòng)配送等成為了物料倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)需要解決的問(wèn)題。該模塊通過(guò)各類傳感器的采集數(shù)據(jù)，結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)的配置結(jié)果和生產(chǎn)計(jì)劃推進(jìn)情況，動(dòng)態(tài)生成細(xì)時(shí)間顆粒的物料配送計(jì)劃，從而有效杜絕過(guò)去由經(jīng)驗(yàn)配送和靜態(tài)配送導(dǎo)致的物料積壓或物料短缺引起生產(chǎn)中斷的情況。該模塊的主要特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和開(kāi)放集成性。動(dòng)態(tài)響應(yīng)性是根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況和線邊物料耗損狀況，與倉(cāng)庫(kù)聯(lián)動(dòng)，迅速生成配送清單，及時(shí)補(bǔ)料或調(diào)整配送計(jì)劃，為降低倉(cāng)儲(chǔ)成本、保持生產(chǎn)連續(xù)性提供數(shù)據(jù)支撐；開(kāi)放集成性是倉(cāng)儲(chǔ)平臺(tái)在管控物料的同時(shí)，供應(yīng)商信息作為附屬信息也被納入管理范疇，為后期的供應(yīng)商評(píng)價(jià)提供依據(jù)，如果企業(yè)已經(jīng)推行供應(yīng)鏈管理平臺(tái)，則需要保證不同平臺(tái)的信息集成，提高資源配置效率。

4)譜系追溯模塊。該模塊是對(duì)產(chǎn)品裝配全過(guò)程數(shù)據(jù)的多維度呈現(xiàn)，根據(jù)企業(yè)需要，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值，并通過(guò)多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)追溯和呈現(xiàn)，為產(chǎn)品改進(jìn)和質(zhì)量問(wèn)題問(wèn)責(zé)提供數(shù)據(jù)支撐。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性日漸提升，裝配過(guò)程數(shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何式增長(zhǎng)(以年產(chǎn)能20萬(wàn)臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線為例，日數(shù)據(jù)量達(dá)到一百多萬(wàn)條)，對(duì)一定時(shí)域內(nèi)的海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速檢索、分析是該模塊需要解決的首要問(wèn)題。

3數(shù)據(jù)采集平臺(tái)及關(guān)鍵使能技術(shù)

3.1數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

MES中的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)通過(guò)各類傳感的集成，形成異構(gòu)數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)企業(yè)需要，對(duì)裝配過(guò)程中的各類制造資源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、歸檔，為裝配過(guò)程各類制造資源以及在制品狀態(tài)監(jiān)控、降低不合格品率、避免制造資源的浪費(fèi)和產(chǎn)品譜系追溯提供技術(shù)支撐。數(shù)據(jù)采集平臺(tái)常用的硬件設(shè)備如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)采集平臺(tái)常用硬件設(shè)備

3.2關(guān)鍵使能技術(shù)

3.2.1基于RFID技術(shù)的在制品追蹤技術(shù)

為了能夠在惡劣工業(yè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)在制品實(shí)時(shí)追蹤和信息的有效提取、歸檔，系統(tǒng)采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identication，RFID)進(jìn)行在制品信息標(biāo)定。該技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)偵測(cè)辨識(shí)技術(shù)。與傳統(tǒng)條碼技術(shù)相比，RFID具有易于集成、抗干擾、信息存儲(chǔ)容量大以及安全性高等優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中不需要人工干預(yù)，可實(shí)現(xiàn)快速、批量讀取，能夠有效提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度和響應(yīng)速度，解決了制造過(guò)程中的實(shí)時(shí)工況信息無(wú)法捕捉的瓶頸問(wèn)題[3]。RFID系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)與讀寫(xiě)頭如圖2所示。

圖2　RFID網(wǎng)關(guān)與讀寫(xiě)頭

3.2.2基于OPC技術(shù)的在線工況信息傳輸技術(shù)

OPC(OLE for Process Control)標(biāo)準(zhǔn)由在過(guò)程自動(dòng)化控制領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的軟硬件供應(yīng)商聯(lián)合微軟公司共同提出，并設(shè)立相應(yīng)的OPC基金會(huì)負(fù)責(zé)制定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。OPC標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息通信提供了統(tǒng)一、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)接口，解決了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)中的異構(gòu)問(wèn)題，改變了過(guò)去驅(qū)動(dòng)程序定制開(kāi)發(fā)研發(fā)周期長(zhǎng)、成本居高不下的不利局面，而用戶可以靈活地進(jìn)行設(shè)備的選型，功能擴(kuò)展、重構(gòu)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員只需要開(kāi)發(fā)OPC客戶端，即可通過(guò)OPC服務(wù)器與底層各設(shè)備單元實(shí)現(xiàn)雙向信息互聯(lián)。

4應(yīng)用驗(yàn)證

針對(duì)某國(guó)營(yíng)重型車橋廠制造過(guò)程粗放、生產(chǎn)過(guò)程黑箱化和工況信息傳遞時(shí)滯性強(qiáng)等問(wèn)題，開(kāi)展了6萬(wàn)臺(tái)車橋及主減速器裝配線的制造執(zhí)行系統(tǒng)建設(shè)工作。系統(tǒng)需兼顧8種不同類型車橋的生產(chǎn)，屬于典型的多品種、小批量的制造模式。該系統(tǒng)基于.NET 構(gòu)建，以SQL Server 2005關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)作為中心數(shù)據(jù)庫(kù)，包括產(chǎn)品基礎(chǔ)信息配置、裝配質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、計(jì)劃管理和數(shù)據(jù)采集等功能，通過(guò)各功能間相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制。

4.1MES部分功能模塊介紹與界面展示

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊。該模塊包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置、裝配工藝配置與裝配單元配置等3個(gè)子模塊，負(fù)責(zé)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量信息和裝配資源等基礎(chǔ)信息的定義與維護(hù)。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置界面如圖3所示(限于篇幅限制，其他模塊未詳細(xì)介紹)。

2)質(zhì)量追溯模塊(見(jiàn)圖4)。該模塊根據(jù)用戶需求形成多類報(bào)表，從不同維度對(duì)產(chǎn)品裝配全過(guò)程質(zhì)量信息檔案進(jìn)行呈現(xiàn)和追溯。

3)組態(tài)配置模塊(見(jiàn)圖5)。該模塊對(duì)裝配過(guò)程中的信息類型進(jìn)行了定義，給出了不同類型信息間的交互邏輯。

4)OPC組態(tài)配置模塊(見(jiàn)圖6)。利用第三方研發(fā)的OPC服務(wù)器進(jìn)行OPC組態(tài)配置，增強(qiáng)了底層設(shè)備的靈活性和可拓展性。

圖3　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置界面

圖4　產(chǎn)品質(zhì)量信息追溯界面

圖5　組態(tài)配置界面

圖6　OPC服務(wù)器配置界面

4.2MES應(yīng)用效能分析

MES系統(tǒng)的實(shí)施，對(duì)廠方制造能力、制造效率和精益管理水平等方面的提升發(fā)揮了積極的推動(dòng)作用，對(duì)其核心能力和軟實(shí)力的提升具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。廠方實(shí)施MES前、后的效果對(duì)比分析見(jiàn)表1。實(shí)施前、后的效能對(duì)比見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比可以看出，在項(xiàng)目實(shí)施后，在產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本和環(huán)境保護(hù)等方面取得了較好效果。

表1　MES實(shí)施前、后的效果對(duì)比分析

表2　MES實(shí)施前、后效能對(duì)比分析

效能提升體現(xiàn)在多方面且具有積聚效應(yīng)，凸顯了信息化建設(shè) “1+1>2”的倍增效應(yīng)(見(jiàn)圖7)，體現(xiàn)了以精益生產(chǎn)理念為引導(dǎo)，以提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力為歸宿的項(xiàng)目初衷。

圖7　MES的倍增效應(yīng)

5結(jié)語(yǔ)

面向裝配過(guò)程的MES以精益生產(chǎn)理念為驅(qū)動(dòng)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源、裝配工藝資源和物料資源與生產(chǎn)制造無(wú)縫銜接，構(gòu)建企業(yè)生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)流程的閉合信息回路，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程透明化，有效提高了信息的響應(yīng)速度，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低了運(yùn)行成本和資源能耗。

目前，MES項(xiàng)目多屬于工廠內(nèi)部的小集成，未來(lái)理想模式是建立與整車廠，甚至與其他異地工廠之間形成信息互聯(lián)、雙向透明的大集成，以及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下的協(xié)同制造生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈上、下游之間的縱向協(xié)同，多方共贏，在信息流推動(dòng)下保證物流、資金流、質(zhì)量流的穩(wěn)定、良好運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯馬彤

Research of the Lean Production Tool in the Information Age-manufacturing Execution Systems

LYU Ying1， ZHAO Zhibiao2， BAI Yang1， LI Xiangdong1， SHEN Mingyan1

(1.Advanced Technology Generalization Insititute of CNGC, Beijing 100089, China； 2.China North Industries Planning and Research Institute， Beijing 100053, China)

Abstract：Through the disperse assembly manufacturing field, the connotation and meaning of the manufacturing system is introduced. The function of MES module, the data acquisition platform and the key enabling technologies are expounded. Finally, the axle main reducer assembly line MES project is selected to further promote the advance effect of the MES for the factory manufacturing capability and lean production level.

Key words:manufacturing site， lean production， MES， data collection

收稿日期：2015-10-27

作者簡(jiǎn)介：呂穎(1982-)，女，工程師，主要從事精益生產(chǎn)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TP 315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A