基于MES的離散型車間人員管理系統(tǒng)設(shè)計

張震+尤鳳翔

[摘 要] 針對某汽車安全帶生產(chǎn)企業(yè)中無法采集人員信息、人員生產(chǎn)過程追溯不完整、人員技能管理不完善、人員產(chǎn)能不準(zhǔn)確等實際問題，提出了基于制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的離散型車間人員管理系統(tǒng)模型。解決以手工生產(chǎn)為主的企業(yè)生產(chǎn)車間人員管控難、數(shù)據(jù)記錄煩瑣等問題，通過統(tǒng)計學(xué)理論對人員技能進(jìn)行量化判定，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場人員的有效管控及無紙化管理，不僅提高了車間人員管理效率，而且對產(chǎn)品質(zhì)量管控起到了關(guān)鍵作用。

[關(guān)鍵詞] MES；離散型車間；系統(tǒng)設(shè)計；人員信息采集

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 01. 028

[中圖分類號] F270.7；TH166 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）01- 0067- 04

1 前 言

在互聯(lián)網(wǎng)時代背景下，面對競爭更激烈、變化更迅速的市場環(huán)境及產(chǎn)品多樣化、個性化的客戶需求，促使制造企業(yè)加大信息化的發(fā)展。傳統(tǒng)的生產(chǎn)車間，由于缺乏生產(chǎn)現(xiàn)場的實時精確信息，導(dǎo)致信息斷層，車間生產(chǎn)過程猶如“黑箱作業(yè)”，現(xiàn)場的問題不能實時預(yù)警、反饋，管理層人員難以及時發(fā)現(xiàn)并解決問題；且由于缺乏對車間現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，無法實現(xiàn)制造過程的可追溯性，嚴(yán)重影響了車間生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著“智能制造”的開展，MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）已經(jīng)成為實現(xiàn)智能制造的核心，對MES的研究也被提到重要位置。MES被定義為位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)，在1997年提出的MES的11個基本功能模塊：計劃和控制模塊、資源配置和狀態(tài)跟蹤模塊、工序細(xì)節(jié)調(diào)度模塊、產(chǎn)品跟蹤記錄模塊、維護(hù)管理模塊、人力資源模塊、文檔控制模塊、性能分析模塊、過程管理模塊、質(zhì)量管理模塊、數(shù)據(jù)采集和獲取模塊[1]。張書亭[2]從建立敏捷制造企業(yè)的車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)出發(fā)，分析和論述了制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能和應(yīng)用特點，提出了使用先進(jìn)的制造執(zhí)行系統(tǒng)思想和軟件輔助建立敏捷車間系統(tǒng)。柴永生[3]等針對制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性，提出了一個制造執(zhí)行系統(tǒng)的柔性應(yīng)用框架。吳梅磊、呂紀(jì)偉 等對于離散型MES系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集模塊、生產(chǎn)監(jiān)視模塊進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并采用結(jié)構(gòu)化建模方法建立了相應(yīng)的功能模型、信息模型和過程模型。秦睿 等利用RFID數(shù)據(jù)采集方式和ZigBee數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)離散制造車間生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品加工開始時間、加工結(jié)束時間、產(chǎn)品加工設(shè)備、加工人員等數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)采集。王景輝 等以制造執(zhí)行系統(tǒng)框架思想理念為指導(dǎo)，結(jié)合航天產(chǎn)品制造車間管理現(xiàn)狀，利用信息工程方法論和信息資源規(guī)劃工具，建立航天產(chǎn)品制造車間MES應(yīng)用模型，在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行車間生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，提高車間質(zhì)量管理信息化水平。張睿哲等通過對石油化工行業(yè)生產(chǎn)特點及管理模式的分析，結(jié)合MES技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了MES在石油化工企業(yè)的應(yīng)用架構(gòu)、主要功能及系統(tǒng)組成形式。王小維研究了汽車工廠MES系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)；李超 等針對某汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)，利用RFID技術(shù)和Apache Thrift框架設(shè)計了MES的離散車間生產(chǎn)管理模型，并提出基于Android客戶端對車間生產(chǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

對于大多數(shù)中小型離散型制造業(yè)來說，生產(chǎn)車間內(nèi)的人占主導(dǎo)地位，車間大多數(shù)生產(chǎn)工藝要求必須由人才能完成，如果無法對車間員工進(jìn)行有效的管控，既影響生產(chǎn)效率，又影響產(chǎn)品質(zhì)量。然而以上關(guān)于MES的研究盡管已經(jīng)涉及各種制造業(yè)，但均缺乏對生產(chǎn)車間的人員管理方面的內(nèi)容，本文以某汽車安全帶生產(chǎn)車間為背景，從當(dāng)前對人員管理方面的實際問題出發(fā)，基于MES標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，建立了生產(chǎn)車間人員管理系統(tǒng)。

2 人員管理系統(tǒng)需求

經(jīng)過對某汽車安全帶生產(chǎn)車間的詳細(xì)調(diào)研及分析，總結(jié)出當(dāng)前生產(chǎn)車間對人員管理方面存在的主要問題如下：

（1）無法對人員信息進(jìn)行采集。生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息采集包括人員信息相關(guān)數(shù)據(jù)、設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)、物料相關(guān)數(shù)據(jù)、工藝狀態(tài)及加工時間相關(guān)數(shù)據(jù)及車間環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，只有對以上全部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，才能全面而實時地跟蹤。目前生產(chǎn)車間無法對員工信息進(jìn)行采集，不能實時監(jiān)控員工狀態(tài)。

（2）無法進(jìn)行人員操作防錯。由于生產(chǎn)車間的產(chǎn)品種類很多，無法準(zhǔn)確判斷某個員工能否生產(chǎn)某型號產(chǎn)品，考慮產(chǎn)品生產(chǎn)過程對產(chǎn)品質(zhì)量的控制，必須要對人員進(jìn)行防錯，每個員工只能做他會做的產(chǎn)品，而當(dāng)前車間內(nèi)的員工可以隨意進(jìn)行所有產(chǎn)品的加工，無法保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。

（3）員工加工過程無法追溯。目前生產(chǎn)車間現(xiàn)場是由手工錄入員工工號的方法，對每個產(chǎn)品由哪個工號員工生產(chǎn)進(jìn)行記錄，后期由班組長統(tǒng)計錄入電腦。由于記錄卡隨產(chǎn)品在車間流動，無法保證信息保存完整。

（4）新員工培訓(xùn)無法量化判定是否達(dá)標(biāo)。對于新員工來說，培訓(xùn)過后，其進(jìn)行加工產(chǎn)品時需要進(jìn)行實時監(jiān)控。而新員工上線要由老員工帶領(lǐng)才能進(jìn)行操作，且對于新員工是否達(dá)標(biāo)主要由車間管理員人為主觀判斷，無相關(guān)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)支持。

（5）人員產(chǎn)能統(tǒng)計不準(zhǔn)確。車間目前只能靠線上員工在加工過程中自己統(tǒng)計實際產(chǎn)能、不合格數(shù)，并用紙質(zhì)表格記錄，然后再由班組長進(jìn)行匯總后，再統(tǒng)一計算生產(chǎn)工時、生產(chǎn)效率、加班工時、異常工時等進(jìn)行評定。存在數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確、統(tǒng)計過程煩瑣等問題。

針對該企業(yè)存在的以上問題，設(shè)計了基于MES的離散型車間人員管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對車間員工的有效管理。

3 基本框架

3.1 系統(tǒng)框架

基于MES的人員管理系統(tǒng)需要調(diào)用MES的數(shù)據(jù)庫，MES中的生產(chǎn)過程統(tǒng)計的產(chǎn)品生產(chǎn)信息需要與人員信息進(jìn)行交互綁定，然后再將信息存入數(shù)據(jù)庫，其系統(tǒng)框架如圖1。

3.2 系統(tǒng)功能模型endprint

根據(jù)企業(yè)當(dāng)前問題，對人員管理系統(tǒng)的功能進(jìn)行設(shè)計，包括用戶管理、人員信息管理、人員生產(chǎn)過程管理、人員技能級別管理、人員績效管理、人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其功能模型如圖2。

4 人員管理系統(tǒng)功能分析

4.1 人員信息管理

人員信息管理包括對員工的信息采集及員工操作防錯。

（1）員工信息采集采用RFID多功能工位機，通過刷卡的方式進(jìn)行信息的錄入。在現(xiàn)場生產(chǎn)車間每個工位都安裝一個RFID多功能工位機，每個員工都會配一個RFID員工卡，員工在上班時間進(jìn)行刷卡上線，系統(tǒng)會記錄當(dāng)前登錄人信息、登錄時間，在下班時間進(jìn)行刷卡則記錄結(jié)束時間，此過程中包括離崗、異常暫停、休息等相關(guān)信息的記錄。

（2）員工操作防錯是在刷卡的過程中，系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)下達(dá)的生產(chǎn)訂單所包括的產(chǎn)品與員工信息進(jìn)行匹配，判斷該型號產(chǎn)品能否由當(dāng)前員工進(jìn)行加工，如果不能則報警提示。其判斷邏輯流程圖如圖3。

其中人員技能矩陣是事先維護(hù)好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與下面的人員技能管理共用此數(shù)據(jù)表，在數(shù)據(jù)庫中，它是員工與產(chǎn)品信息關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)表，其形式如表1。

4.2 人員生產(chǎn)過程管理

人員生產(chǎn)過程管理主要是在產(chǎn)品加工過程中，需要每一個工位的員工對每一個產(chǎn)品進(jìn)行條碼掃描，然后系統(tǒng)會自動將該產(chǎn)品的信息與員工信息進(jìn)行綁定，存入數(shù)據(jù)庫中。無論產(chǎn)品良與不良，都會將其錄入相關(guān)員工生產(chǎn)過程記錄表中，以實現(xiàn)后期產(chǎn)品生產(chǎn)過程的追溯。

4.3 人員技能級別管理

人員技能級別是對每個員工加工某產(chǎn)品的熟練程度的表現(xiàn)，此功能主要包括新員工上線權(quán)限管理和技能級別自動升級管理。

（1）新員工上線權(quán)限管理。對于新員工來說，他對某產(chǎn)品的技能級別為1，而根據(jù)車間人員管理相關(guān)要求，技能級別為1的員工是不能單獨進(jìn)行產(chǎn)品加工的，只允許在老員工的指導(dǎo)下才能進(jìn)行加工。當(dāng)員工刷卡時，系統(tǒng)會根據(jù)人員技能級別表判斷該員工的技能級別，如果為1，則提示無法獨立加工，需要老員工同時刷卡，此新員工才能進(jìn)行產(chǎn)品加工。

（2）員工技能級別自動升級管理。員工對某個產(chǎn)品的熟練程度是由加工該產(chǎn)品的產(chǎn)能及產(chǎn)品良率決定的。當(dāng)新員工的產(chǎn)能及產(chǎn)品良率達(dá)到并穩(wěn)定在一個標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則判定此新員工具有加工該產(chǎn)品的能力，系統(tǒng)會自動將其技能級別升到2級，則說明該員工擁有獨立加工產(chǎn)品的能力。

每個新員工的合格產(chǎn)能數(shù)會隨著其操作熟練度的提升而增加，對其產(chǎn)能進(jìn)行實時統(tǒng)計，將其制作成曲線圖，是一個產(chǎn)能逐漸增加的“爬坡”曲線，曲線形式如圖4所示。

系統(tǒng)會自動統(tǒng)計分析某個新員工在某段時間（5-10天）內(nèi)的產(chǎn)能是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定在某個標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)能范圍內(nèi)，則判定該員工已經(jīng)掌握加工此產(chǎn)品的技能，就會自動更新人員技能矩陣中的技能級別。但是由于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)能范圍屬于一個經(jīng)驗值，根據(jù)統(tǒng)計論置信區(qū)間相關(guān)理論基礎(chǔ)，設(shè)定一個置信水平區(qū)間來作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)能范圍。

對于一般熟練工的產(chǎn)能可以看作總體服從N（μ，σ2）分布，則可以求得其均值μ的置信區(qū)間。

設(shè)已給定置信水平為1-α，并設(shè)X1，X2，…，Xn為總體N（μ，σ2）的樣本，，S2分別是樣本均值和樣本方差。由于總體σ2未知，考慮S2是σ2的無偏估計，根據(jù)抽樣分布相關(guān)定理知，

則有

=1-α（2）

于是得μ的一個置信水平為1-α的置信區(qū)間

從所有熟練員工產(chǎn)能歷史數(shù)據(jù)中隨機抽取一組產(chǎn)能數(shù)據(jù)，然后由以上相關(guān)置信區(qū)間理論，計算一個置信水平1-α（一般為0.95）的置信區(qū)間，然后以此置信區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)能范圍，判斷新員工產(chǎn)能是否達(dá)到穩(wěn)定，從而提升該員工的技能級別。

4.4 產(chǎn)能報表管理

所有人員產(chǎn)能數(shù)據(jù)都將被統(tǒng)計并匯總，管理人員可以進(jìn)行人員產(chǎn)能查詢，包括每個員工的實際生產(chǎn)工時，實際產(chǎn)能以及計劃完成率、異常工時統(tǒng)計、加班工時統(tǒng)計。所有的過程都由系統(tǒng)自動采集記錄，無需人員手動記錄，避免數(shù)據(jù)不完整，實現(xiàn)無紙化管理。

5 結(jié) 語

本文針對以手工生產(chǎn)為主的某汽車安全帶生產(chǎn)企業(yè)所存在的人員管控問題，設(shè)計此人員生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)車間無紙化的人員管理，對人員生產(chǎn)過程進(jìn)行防錯與追溯，通過統(tǒng)計學(xué)方法，對人員技能提出了一個量化評估指標(biāo)。該系統(tǒng)不僅提高了管理層對生產(chǎn)車間人員的管理效率，也加強了對產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管控，有效提升了產(chǎn)品良率。

主要參考文獻(xiàn)

[1]李文輝. 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報， 2006，32（2）：50-54.

[2]張書亭，楊建軍.面向敏捷制造車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)研究[J].新技術(shù)新工藝，2000（12）：2-4.

[3]柴永生，孫樹棟，吳秀麗，等.制造執(zhí)行系統(tǒng)柔性應(yīng)用框架研究[J].計算機應(yīng)用，2005，25（3）：679-681.endprint