基于MES的工時采集與統(tǒng)計系統(tǒng)的研究與應用

文/代曉麗 江蕓 祁國成 劉英 符云峰

1 引言

現(xiàn)代企業(yè)精細化管理對工時管理提出了更高的要求，它要求將產(chǎn)品制造過程進行精細化分解，通過確定各個作業(yè)的標準工時，從而得到一系列精細化的工時數(shù)據(jù)。工時數(shù)據(jù)是精益制造的一項重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它對合理安排生產(chǎn)、平衡生產(chǎn)能力有重要意義。而基于動態(tài)準確的工時數(shù)據(jù)可量化分析班組/個人任務負荷程度；為制定生產(chǎn)計劃、合理安排任務提供依據(jù)；為生產(chǎn)作業(yè)提效提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐；通過動態(tài)統(tǒng)計工時數(shù)據(jù)，可建立班組及個人公開公平的激勵平臺；同時，還可為企業(yè)核算成本提供依據(jù)。

工時管理在國外制造企業(yè)的應用十分普及，每個制造企業(yè)都采用適用于本企業(yè)的標準工時進行內(nèi)部管理。目前國內(nèi)的私企因批量生產(chǎn)且品種單一，工時管理的應用也非常普遍。但是國企中特別是大型裝備生產(chǎn)企業(yè)仍采用粗放的工時管理模式，其中軍工行業(yè)內(nèi)微組裝及SMT產(chǎn)線的裝配工時多為產(chǎn)品預估工時，主要通過統(tǒng)計元器件數(shù)量估算出產(chǎn)品裝配工時。而由于小批量、多品種的生產(chǎn)模式，以及產(chǎn)品組裝制造過程中設備操作及手工作業(yè)柔性結(jié)合的生產(chǎn)過程，導致目前的工時數(shù)據(jù)與實際裝配耗用的工時存在較大差異。因此無法對生產(chǎn)任務進行精細化管理，計劃人員只能給組裝產(chǎn)線下達粗放型的任務進度要求，具體的進度情況依賴計劃人員通過會議、電話等方式進行溝通及跟蹤，人員溝通成本高，并且容易造成任務進度偏差較大，無法準確預計任務完成時間。

隨著軍工行業(yè)精益制造與精細化管理的逐漸深入，需要通過結(jié)合MES（manufacturingexecution system）制造執(zhí)行系統(tǒng)與產(chǎn)品CAPP（computer aided process planning）計算機輔助工藝設計，細化生產(chǎn)流程中的工序和工步工時，并建立適應小批量、多品種，設備操作及手工作業(yè)柔性結(jié)合的生產(chǎn)模式下動態(tài)準確的工時采集與統(tǒng)計系統(tǒng)。

表1：工序顆粒度

2 建立標準工時采集和統(tǒng)計體系

軍工行業(yè)中SMT（surface mounting technology）表面貼裝產(chǎn)線裝配PCBA(printed circuit board assembly)印制板組件屬于小批量、多品種的生產(chǎn)模式，裝配涉及上萬種物資代碼的元器件，單件PCBA元器件數(shù)量高達2000只，組件裝配過程包含20個工序，設備和手工操作柔性結(jié)合。僅依靠傳統(tǒng)的人工統(tǒng)計工時方式不僅耗時長，且難以統(tǒng)計工序、工步級的精確工時數(shù)據(jù)，當前建立PCBA標準工時采集和統(tǒng)計體系基礎(chǔ)薄弱，必須解決兩個方面的問題：一是精細化分解各工序的工作內(nèi)容，二是測算各工作內(nèi)容對應的標準作業(yè)時間。

2.1 精細化分解工序顆粒度

將PCBA裝配生產(chǎn)流程中的CAPP工序，依據(jù)作業(yè)復雜度和所需時間不同提取各工序共性的工作內(nèi)容，逐一分解量化為具體的工序顆粒度。顆粒度分解要素如圖1所示。

例如，貼裝-手貼工序共性的工作內(nèi)容為表貼各種型號的元器件，元器件在此工序的固有屬性為物料類屬性，它代表顆粒度可與物料的物資代碼建立對應關(guān)系。不同封裝方式的元器件貼裝難度不同，耗費時間不同。針對同種封裝方式但不同尺寸、引腳數(shù)、引腳間隙的元器件，采用秒表測時法，測量貼裝耗費的時間，將時間差距在±5%之內(nèi)的元器件定為同一顆粒度，以此逐一分解。

圖1：顆粒度分解要素

在貼裝-手貼工序，以表貼電阻為例，它的顆粒度按照貼放作業(yè)時間的不同分解為4種工序顆粒度（電阻0402、0603&0805、3216&6332、電阻網(wǎng)絡），如表1所示。

最終將PCBA裝配過程的20個工序分解為330個顆粒度，具體分布如表2所示。將所有顆粒度建立顆粒度編碼，每一個顆粒度都有一個唯一的編碼，編碼以阿拉伯數(shù)字的形式體現(xiàn)。同時編制自動生成工序顆粒度代碼的程序，新增工序顆粒度時便可自動生成新的唯一編碼，以減少勞動強度，提高顆粒度錄入效率和準確率。

2.2 測量工序顆粒度的標準作業(yè)時間

采用秒表測時法，選擇工作3-5年，操作水平中等偏上的操作者作為被測對象。采用密集性抽樣的方式，選擇涵蓋各種復雜度的產(chǎn)品多次測量，測量時間包含準備與結(jié)束時間，作業(yè)時間，作業(yè)寬放時間，測量時間既考慮了實際操作也涵蓋了知識經(jīng)驗對標準作業(yè)時間的影響。剔除異常值后，取測量平均值作為各顆粒度的標準作業(yè)時間。結(jié)合表二分解的工序顆粒度，建立顆粒度工時數(shù)據(jù)庫，如圖2，將各顆粒度的標準作業(yè)時間與顆粒度代碼匹配。

2.3 建立產(chǎn)品工時數(shù)據(jù)庫

表2：工序顆粒度分布表

在PCB MES系統(tǒng)中開發(fā)“產(chǎn)品工作內(nèi)容錄入平臺”，將各編號的產(chǎn)品按照CAPP工序，逐個錄入各工序裝配對應的顆粒度內(nèi)容。將固有屬性為物料類的顆粒度匹配顆粒度代碼，當前工序所用物料的物資代碼一旦匹配了顆粒度代碼，系統(tǒng)的記憶功能將自動存儲該物料的顆粒度屬性，在后續(xù)錄入使用此物料的其它產(chǎn)品的裝配顆粒度內(nèi)容時，系統(tǒng)將自動帶入顆粒度屬性，不需再次匹配錄入。各工序工時數(shù)據(jù)的錄入包含三部分工作，如圖3所示。

2.3.1 提取工序物料

從工時錄入平臺右上側(cè)的MBOM（manufacturing bill of materials）制造物料清單中快速提取當前工序需要的物料。

2.3.2 物料匹配顆粒度代碼

將部分無顆粒度代碼的物料匹配錄入顆粒度代碼。由于PCBA裝配共涉及物料上萬種，一次性匹配錄入各工序物料的顆粒度代碼工作量較大，我們采取按產(chǎn)品逐個錄入，循序漸進的豐富物料顆粒度代碼庫；

2.3.3 提取操作類顆粒度

從工時錄入平臺右下側(cè)快速提取此工序需進行的操作類工作內(nèi)容。

2.4 工時統(tǒng)計與迭代

各工序裝配完工后，操作人員在“申報平臺”選擇對應工序申報完工，后臺即可自動讀取當前工序錄入的所有顆粒度代碼，每個顆粒度代碼對應單位標準作業(yè)時間H1,H2,H3,…,Hn，n個顆粒度代碼，N1,N2,N3,…,Nn代表當前工序各顆粒度的統(tǒng)計數(shù)量，因此工序的工時定額T如下：

將工時定額進行歸一化，定義

可得到：

其中，λi是顆粒度工時系數(shù)。

為提高工時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準確性及工時系統(tǒng)的指導價值，需對各顆粒度的標準作業(yè)時間Hi進行迭代。

迭代過程模型如圖4所示。

每日統(tǒng)計個人報工的工時定額，結(jié)合日實做工時進行迭代，Ni是產(chǎn)品各顆粒度固定的統(tǒng)計數(shù)量，λi是每次迭代完成后各顆粒度單位標準作業(yè)時間與H1的比值，單次迭代時固定不變。因此每日只針對H1進行迭代，通過Hi=λiH1即可得到個人每日報工涉及顆粒度的H2至Hn的標準作業(yè)時間。而每日完工產(chǎn)品涉及的顆粒度不同，多次迭代后，λi也變相進行迭代。

圖2：顆粒度工時數(shù)據(jù)庫

圖3：產(chǎn)品工序工時錄入平臺

圖4：工時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)迭代過程模型

3 開發(fā)基于MES的工時信息系統(tǒng)

工時信息系統(tǒng)是在PCB MES的基礎(chǔ)上自主開發(fā)的，該系統(tǒng)采用c#編寫，基于.NET框架，以SQL數(shù)據(jù)庫為支撐，作為子模塊嵌入PCB MES,從屬于ERP（enterprise resource planning）企業(yè)資源計劃系統(tǒng)，它讀取ERP下發(fā)的任務數(shù)據(jù)、CAPP工序數(shù)據(jù)及MBOM，上傳各工序報工銷賬數(shù)據(jù)至ERP。此系統(tǒng)界面操作簡單人性化易于推廣應用，工時錄入、采集和統(tǒng)計分為多個子模塊，各子模塊面向用戶進行分級授權(quán)，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定安全可靠運行，很好的滿足了工時管理的需要，目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于微組裝和SMT產(chǎn)線。

4 工時管理的應用

經(jīng)過半年的迭代后，為驗證工時數(shù)據(jù)的有效性，隨機抽取產(chǎn)品A的工時定額數(shù)據(jù)，將各工序的工時定額求和：

而通過實際測量該產(chǎn)品的制造時間為8.48小時，該工時統(tǒng)計方法得到的工時定額數(shù)據(jù)與實際制造消耗的時間基本一致，證明了該方法是有效準確的。

5 結(jié)論

本文成功實現(xiàn)了一種基于制造執(zhí)行系統(tǒng)的工時采集和統(tǒng)計技術(shù)。通過精細化分解工序的標準顆粒度，測算各顆粒度的標準作業(yè)時間，建立產(chǎn)品工時快速錄入采集平臺，實現(xiàn)了工時的動態(tài)采集和統(tǒng)計，通過持續(xù)迭代提高工時數(shù)據(jù)的準確性及工時信息系統(tǒng)的指導價值。該技術(shù)已成功應用于微組裝和SMT產(chǎn)線的績效管理和計劃管理中，充分調(diào)動了全員的工作積極性，促進人員、設備的優(yōu)化配置，產(chǎn)出率提升顯著，有效提升了企業(yè)的綜合管理水平。