智能制造技術(shù)
——MES系統(tǒng)在裝配過程中的應(yīng)用及探究

王榮利 王軍 馬軍偉 程四化 藺玲

（西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西 西安，710043）

智能制造技術(shù)
——MES系統(tǒng)在裝配過程中的應(yīng)用及探究

王榮利 王軍 馬軍偉 程四化 藺玲

（西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西 西安，710043）

隨著軍品制造信息化的發(fā)展，MES系統(tǒng)是企業(yè)各系統(tǒng)間的信息樞紐，是企業(yè)信息化建設(shè)的重要課題。本文主要介紹了MES系統(tǒng)的定義及功能，結(jié)合某軍工企業(yè)裝配車間中MES的應(yīng)用實(shí)例，指出了MES系統(tǒng)在生產(chǎn)執(zhí)行過程中的應(yīng)用效果和在應(yīng)用過程中存在問題，表明了其建設(shè)是一個(gè)不斷完善的過程。

MES；裝配車間；生產(chǎn)管理

近年來，隨著信息化工程的開展，特別是在“十五”計(jì)劃中提出以“信息化帶動(dòng)工業(yè)化”以來，我國大部分企業(yè)引入了先進(jìn)的管理思想和管理系統(tǒng)，特別是以 ERP 為代表的計(jì)劃管理系統(tǒng)和以DNC、PLC為代表的工業(yè)控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)管理中，并在生產(chǎn)中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。然而，由于計(jì)劃管理系統(tǒng)無法擴(kuò)展到底層控制層，而底層控制層也無法向上延伸到計(jì)劃管理層，于是在這兩者之間出現(xiàn)了脫節(jié)，導(dǎo)致企業(yè)制定的計(jì)劃得不到準(zhǔn)確的執(zhí)行。為了解決計(jì)劃管理系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)之間的脫節(jié)問題，美國 AMR 公司提出了能夠?qū)崿F(xiàn)兩者雙向信息交互的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，通過接受計(jì)劃層的生產(chǎn)任務(wù)信息，并對(duì)其進(jìn)行分解生成工序級(jí)的操作指令，并將該操作指令下達(dá)給控制層；同時(shí)，又能夠接受底層控制層的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，并將其及時(shí)反饋給上層計(jì)劃管理系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

近年來，隨著軍品制造信息化的發(fā)展，MES系統(tǒng)成為企業(yè)各系統(tǒng)間承上啟下的信息樞紐，其對(duì)于提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本等起著至關(guān)重要的作用，是企業(yè)信息化建設(shè)的重要課題。本文重點(diǎn)對(duì)MES系統(tǒng)的定義及功能進(jìn)行介紹，并以本廠xx裝配車間MES系統(tǒng)的應(yīng)用為實(shí)例，指出了MES系統(tǒng)在應(yīng)用過程中的效果及目前應(yīng)用中存在問題，在今后還有很多工作要解決完善。

1 MES系統(tǒng)介紹

1.1 MES系統(tǒng)定義

MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)最早由美國先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu) AMR( Advanced Manufacturing Research）在90年代提出，將 MES 概念定義為“位于底層工業(yè)控制系統(tǒng)與上層計(jì)劃管理系統(tǒng)之間的面向車間層管理信息系統(tǒng)”[2]。它為操作人員/管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源( 人、設(shè)備、物料、客戶需求等)的當(dāng)前狀態(tài)。

制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)（Manufacturing Enterprise Solutions Association，MESA）對(duì) MES 所下的定義：“MES 能通過信息傳遞對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠發(fā)生實(shí)時(shí)事件時(shí)，MES 能對(duì)此及時(shí)作出反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理。這種對(duì)狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使 MES 能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動(dòng)，有效地指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運(yùn)作過程，從而使其既能提高工廠及時(shí)交貨能力，改善物料的流通性能，又能提高生產(chǎn)回報(bào)率。MES 還通過雙向的直接通訊在企業(yè)內(nèi)部和整個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中提供有關(guān)產(chǎn)品行為的關(guān)鍵任務(wù)信息?！?/p>

圖1 MES系統(tǒng)定位

圖2 MES 系統(tǒng)功能

圖3 MES系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 MES系統(tǒng)定位

自1990年AMR提出MES概念后，1992年AMR又提出了企業(yè)集成的三層模型，指出了MES在企業(yè)集成模型中的定位和作用，見圖1。

三層系統(tǒng)分工明確，又有機(jī)結(jié)合，被許多研究機(jī)構(gòu)認(rèn)同。三層企業(yè)集成模型具體如下：

計(jì)劃層：企業(yè)的管理決策層，承擔(dān)著企業(yè)的全面管理的工作。主要功能包括訂單處理、財(cái)務(wù)分析、庫存管理、生成BOM 和生產(chǎn)工藝文件，以及制定生產(chǎn)計(jì)劃和采購計(jì)劃等。

執(zhí)行層：企業(yè)生產(chǎn)的執(zhí)行層，負(fù)責(zé)企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度。掌控車間運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)，如質(zhì)量參數(shù)、生產(chǎn)進(jìn)度等；有效的將生產(chǎn)情況反應(yīng)至管理層。

控制層：車間生產(chǎn)的控制層，重點(diǎn)是設(shè)備的控制，及對(duì)生產(chǎn)的流程做有效及時(shí)的監(jiān)督和控制。

1.3 MES系統(tǒng)功能

AMR公司于1993年提出MES集成模型，包括四種功能模塊：工藝管理、車間管理、過程管理和質(zhì)量管理[3]。此時(shí)，MES的重點(diǎn)是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息的整合，對(duì)于離散型工業(yè)和流程工業(yè)存在很多差異。直到1997 年，MESA 針對(duì)當(dāng)時(shí)不同公司的 MES功能模型進(jìn)行融合，提出了 11 個(gè)功能模塊[4]。這才提供了標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)框架，以及可以被廣泛采納的信息結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)。MES 的功能模型如圖 2 所示。

2 MES在某軍工裝配車間的實(shí)施實(shí)例

軍工企業(yè)是典型的離散型制造企業(yè)，其裝配車間生產(chǎn)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）生產(chǎn)的產(chǎn)品品種多、批量?。?）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需物料種類繁多；3）產(chǎn)品制造工藝復(fù)雜，且產(chǎn)品一致性要求高；4）產(chǎn)品生產(chǎn)流程復(fù)雜，從生產(chǎn)計(jì)劃、物料發(fā)放、生產(chǎn)制造、檢驗(yàn)、軍檢等過程。

圖4 XX裝配車間各班組人員派工圖

圖5 xx裝配車間生產(chǎn)任務(wù)匯總圖

圖6 xx裝配車間物料發(fā)放圖

為了合理地配置和組織所有資源，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程全流程的信息化管理，本廠提出建立工廠內(nèi)部互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)、物流等制造過程各環(huán)節(jié)之間以及與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）的高效協(xié)同與集成，建立全生命周期產(chǎn)品信息統(tǒng)一平臺(tái)。從而，以xxx裝配車間為試點(diǎn)單位，建立車間制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量信息等及時(shí)反饋；通過對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)控，能夠清晰掌握生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行情況、當(dāng)前的瓶頸工序、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、在制品的分布情況等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)劃、調(diào)度、質(zhì)量、設(shè)備、生產(chǎn)、能效的全過程閉環(huán)管理，提高車間的生產(chǎn)能力。

圖7 xx裝配車間MES系統(tǒng)車間管理界面

圖8 xx裝配車間MES系統(tǒng)質(zhì)量控制界面

xx裝配車間制造執(zhí)行系統(tǒng)MES項(xiàng)目的實(shí)施是由我廠聯(lián)合北京華宏信達(dá)科技有限公司開發(fā)的， MES系統(tǒng)總體架構(gòu)（見圖3）是建立在微軟系統(tǒng)平臺(tái)上，依托于Web 服務(wù)架構(gòu)和.NET 技術(shù)，利用了SQL數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)建立的總體架構(gòu)，具有高度集成性，開放性和易用性。

在xx裝配車間MES系統(tǒng)硬件由1個(gè)服務(wù)器、1個(gè)LED看板、10多個(gè)客戶端組成，每個(gè)客戶端硬件環(huán)境由工控機(jī)、觸摸一體機(jī)、紅外掃描設(shè)備和條碼打印機(jī)等組成。

xx裝配車間MES系統(tǒng)LED看板可以對(duì)各班組人員派工情況、生產(chǎn)任務(wù)、車間物料情況進(jìn)行監(jiān)控，且以顏色區(qū)分顯示，見圖4、5、6。圖4為xx裝配車間各班組人員派工情況，黃色顯示為未派工人數(shù)，綠色顯示已派工人數(shù)；圖5為xx裝配車間生產(chǎn)任務(wù)匯總，包括當(dāng)月任務(wù)總數(shù)、已完工數(shù)量、正在加工數(shù)量、未派工數(shù)量；圖6為xx裝配車間物料發(fā)放情況，包括工單序號(hào)、工單數(shù)量、對(duì)應(yīng)工序號(hào)、單位用量、已發(fā)料情況、缺料情況等。準(zhǔn)確地反應(yīng)了車間人員派工、月生產(chǎn)任務(wù)加工、車間物料等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況，使管理者能清楚地了解車間實(shí)際資源情況和生產(chǎn)能力，從而使調(diào)度人員更加合理地安排生產(chǎn)任務(wù)，更好的保證生產(chǎn)進(jìn)度。

MES系統(tǒng)硬件中每個(gè)客戶端系統(tǒng)界面主要由車間管理、庫房管理、工具庫管理、質(zhì)量管理組成，主要實(shí)現(xiàn)的功能有生產(chǎn)任務(wù)簽收、完工匯報(bào)、成品、半成品庫存、質(zhì)量控制等。任務(wù)簽收是指生產(chǎn)調(diào)度從ERP系統(tǒng)產(chǎn)生生產(chǎn)任務(wù)后，操作人員簽收任務(wù)開始生產(chǎn)或裝配產(chǎn)品；完工匯報(bào)是指任務(wù)派發(fā)后，操作者簽收任務(wù)并生產(chǎn)完成后，啟動(dòng)MES系統(tǒng)完工反饋請(qǐng)求，將完工信息反饋到ERP系統(tǒng)；半成品、成品入庫是指待工件全部工序生產(chǎn)完成后，經(jīng)檢驗(yàn)部門檢驗(yàn)合格后MES系統(tǒng)將根據(jù)任務(wù)完工情況匯報(bào)信息自動(dòng)生產(chǎn)入庫隊(duì)列，可實(shí)現(xiàn)對(duì)在制品物流過程的監(jiān)控跟蹤；質(zhì)量控制是指MES系統(tǒng)質(zhì)量模塊能夠追蹤工件的批次、操作者及檢驗(yàn)情況，為產(chǎn)品質(zhì)量追蹤和追溯提供信息依據(jù)。

在車間管理界面見圖7，操作人員可以對(duì)生產(chǎn)任務(wù)簽收、生產(chǎn)前準(zhǔn)備、開工、部分報(bào)工、日結(jié)、完工報(bào)工、現(xiàn)場(chǎng)問題提報(bào)等進(jìn)行操作，車間管理界面還包括了生產(chǎn)所用工裝和設(shè)備需求，實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確地將產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)提供給計(jì)劃層。質(zhì)量控制管理界面見圖8，包括工單號(hào)、批次號(hào)、工序號(hào)及工序名稱、是否是關(guān)鍵工序、裝配車間、操作者、檢驗(yàn)者等信息，可實(shí)時(shí)地跟蹤產(chǎn)品的質(zhì)量信息，提高了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)問題的反饋速度，使相關(guān)部門能及時(shí)的做出處理，此外，質(zhì)量控制可對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量信息進(jìn)行追蹤，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量全過程的有效控制。

3 應(yīng)用效果及目前存在問題

3.1 應(yīng)用效果

MES系統(tǒng)是對(duì)車間級(jí)生產(chǎn)過程的集成、控制和監(jiān)控，合理地配置和組織車間所有資源，包括設(shè)備、工具、人員等，提高了車間對(duì)生產(chǎn)過程中問題的快速響應(yīng)和及時(shí)處理，其效益主要表現(xiàn)在：

1)實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)計(jì)劃、任務(wù)分配、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)工、質(zhì)量檢驗(yàn)、入庫等全過程的信息化管理。

2)提高了生產(chǎn)管理的可視化和實(shí)時(shí)性, 物料平衡與生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)增強(qiáng)了生產(chǎn)信息的準(zhǔn)確性。

3)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配車間產(chǎn)品的快速質(zhì)量追蹤、實(shí)時(shí)進(jìn)度追蹤、實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)在制品、實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)問題等，使生產(chǎn)管理更加透明化。

4)MES 系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)監(jiān)控和過程記錄功能, 能夠使相關(guān)人員更加快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)生產(chǎn)中的危險(xiǎn)狀況, 并做出快速的響應(yīng)處理。

3.2 存在問題

MES系統(tǒng)所涉及的信息及決策過程非常復(fù)雜，因此在實(shí)施應(yīng)用中仍存在一些問題。當(dāng)前主要存在的問題是由于生產(chǎn)、檢測(cè)設(shè)備信息化程度不高，因此在企業(yè)執(zhí)行層的MES 管理系統(tǒng)不能獲取設(shè)備控制層的相關(guān)信息。

4 結(jié)論

在制造技術(shù)高速發(fā)展的今天，軍品制造業(yè)的信息化建設(shè)是提升軍工企業(yè)整體實(shí)力的必由之路，MES系統(tǒng)是計(jì)劃管理系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)之間的“橋梁”，其發(fā)展應(yīng)用將是軍品制造業(yè)信息化建設(shè)的重要課題。

在xx裝配車間通過MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程全流程的信息化管理，實(shí)現(xiàn)了高度協(xié)同、信息共享、實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)字化生產(chǎn)線，同時(shí)也為其它裝配車間MES系統(tǒng)的推進(jìn)建立提供了夯實(shí)的基礎(chǔ)。由于MES系統(tǒng)中所涉及的信息及決策過程非常復(fù)雜，其建設(shè)必定是一個(gè)不斷完善的過程，后續(xù)在該裝配車間MES系統(tǒng)自身完善以及在其他車間MES系統(tǒng)的建立都還有很多工作要解決。

（References）

[1] 范玉順, 黃雙喜, 趙大哲. 企業(yè)信息化整體解決方案[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2004.

[2] K.Thomas, Electronic Data Systems. MES in the Age of Agile Manufacturing. A Presentation at MESA Roundtable 4, Chicago, Sep.13, 1995, 1-4.

[3] Byoung K. Choi and Byung H. Kim.MES (manufacturing execution system) architecture forFMS compatible to ERP(enterprise planning system)[J].International Journal of ComputerIntegrated Manufacturing, 2002, 3(15)：274-284.

[4]李清.制造執(zhí)行系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社, 2007.

王榮利(1984-)，女，工程師，主要研究方向是產(chǎn)品裝配工藝技術(shù)。