黃 鑫 李 茹
(天津職業(yè)大學(xué),天津 300410)
近年來(lái),智能制造已經(jīng)成為全球新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)力,也是《中國(guó)制造2025》的制高點(diǎn)、突破口和主攻方向。數(shù)字化車(chē)間、智能工廠作為智能制造重要的實(shí)踐領(lǐng)域,已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型建設(shè)的趨勢(shì)。MES 系統(tǒng)即制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System),是一套面向制造企業(yè)車(chē)間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。它通過(guò)數(shù)字化生產(chǎn)過(guò)程控制,借助自動(dòng)化和智能化技術(shù)手段,以最終實(shí)現(xiàn)車(chē)間制造的智能化、生產(chǎn)過(guò)程的透明化、制造裝備的數(shù)控化和生產(chǎn)信息的集成化。由于MES 系統(tǒng)與制造企業(yè)的業(yè)務(wù)聯(lián)系緊密,處于智能制造建設(shè)的底層,所以可謂是智能制造建設(shè)的“最后一公里”工程。
目前中國(guó)大部分制造企業(yè)還過(guò)度依賴(lài)人力進(jìn)行生產(chǎn),生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息化、自動(dòng)化條件還很薄弱,面對(duì)以人工作業(yè)為主要生產(chǎn)手段的企業(yè),MES系統(tǒng)很難發(fā)揮效力。系統(tǒng)如果不能直接實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的直接自動(dòng)控制,那MES系統(tǒng)的核心價(jià)值將不能體現(xiàn),并與其他的追溯系統(tǒng)、資源計(jì)劃系統(tǒng)將無(wú)異。
另一方面,我國(guó)目前具備一定自動(dòng)化基礎(chǔ)的制造企業(yè),現(xiàn)普遍的信息化建設(shè)層次還在車(chē)間層控制系統(tǒng) (Shop Floor Control System,SFC) 和ERP管理系統(tǒng)兩個(gè)方面。且SFC的建設(shè)主要是基于裝備制造生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的機(jī)床等設(shè)備所需具備的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化,甚至智能化功能,而不是主要基于企業(yè)自身的生產(chǎn)和管理需要開(kāi)發(fā)的訂制化系統(tǒng)。這些基于生產(chǎn)作業(yè)處理的子系統(tǒng)和基于實(shí)時(shí)操作的工廠子系統(tǒng),集成度較差、相容性較低。
在汽車(chē)零件、制藥行業(yè)及電子零組件等高科技產(chǎn)業(yè)中,由于制造現(xiàn)場(chǎng)流程復(fù)雜,分批、并批、跳批、外包、插單、抽單等異常生產(chǎn)狀況極為頻繁,使得傳統(tǒng)上以財(cái)務(wù)、會(huì)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)的ERP 系統(tǒng)中制造相關(guān)模塊難以勝任,于是從工廠營(yíng)運(yùn)層考量的專(zhuān)用型制造執(zhí)行系統(tǒng)在這些領(lǐng)域首先應(yīng)用而生。
隨著我國(guó)制造企業(yè)高度集成化、自動(dòng)化、柔性化、智能化的發(fā)展需求,促使對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)亟需以新一代MES 系統(tǒng)為核心,建立企業(yè)過(guò)程化、敏捷化、級(jí)別化的制造協(xié)同管理平臺(tái),使企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和管理實(shí)現(xiàn)同步化和最優(yōu)化。
由于鋰電動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)上的核心部件,產(chǎn)品的品質(zhì)和可靠性十分重要。近些年鋰電制造的工藝技術(shù)不斷提高,對(duì)生產(chǎn)的自動(dòng)化和信息化管理水平要求越來(lái)越高。不少鋰電制造企業(yè)已經(jīng)具備或正在實(shí)施一些獨(dú)立的管理信息系統(tǒng):OA,HR,MRP,PDM,CRM和DSS等,但這些業(yè)務(wù)模塊間處于孤島狀態(tài),甚至不是同一廠商提供的。鋰電制造企業(yè)的MES 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要采用信息化技術(shù)和集成理念,將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)原有各個(gè)環(huán)節(jié)使用的孤立軟件系統(tǒng)有機(jī)融合。實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行、生產(chǎn)過(guò)程的追溯、設(shè)備的正常高效使用、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)采集及分析等多個(gè)方面,對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行集成管理。
從MES 系統(tǒng)所處的層次來(lái)說(shuō),它應(yīng)處于企業(yè)計(jì)劃層與控制層之間的執(zhí)行層,上連ERP 系統(tǒng)、CRM 系統(tǒng),下連DCS、FCS、PLC 等系統(tǒng),是企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)之間的橋梁和紐帶。MES 系統(tǒng)應(yīng)成為制造管理核心,靈活接駁各種軟硬件設(shè)備和平臺(tái),形成企業(yè)的制造控制和數(shù)據(jù)交互中心,使制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化生產(chǎn)并獲得最優(yōu)的成本、品質(zhì)和交期成果。
從MES 系統(tǒng)的功能定義來(lái)說(shuō),由于鋰電池的制造工藝主要包括電芯的生產(chǎn)、電池裝配、化成生產(chǎn)、OCV 檢測(cè)、過(guò)程倉(cāng)儲(chǔ)物流等一系列復(fù)雜流程。對(duì)應(yīng)的MES 系統(tǒng)的構(gòu)建必須基于鋰離子動(dòng)力電池整個(gè)生產(chǎn)流程,并要作為中間件將各種業(yè)務(wù)相關(guān)的異構(gòu)系統(tǒng),如企業(yè)資源管理(SAP)、物流管理系統(tǒng)(LMS)、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)(WMS)、產(chǎn)品生命周期管理(PLM)、能源環(huán)境管理系統(tǒng)等連接起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)鋰電制造整個(gè)流程的可視化、數(shù)字化和可控化。所設(shè)計(jì)的鋰電制造業(yè)MES 系統(tǒng)的總體架構(gòu)如下圖1所示:
圖1 鋰電制造業(yè)MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)
本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的MES 系統(tǒng)采用企業(yè)應(yīng)用集成技術(shù)(EAI),通過(guò)數(shù)據(jù)可視化(BI)、關(guān)連式數(shù)據(jù)庫(kù)(RDBMS)、輕量目錄訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議(Lightweight Directory Access Protocol, LDAP)、 開(kāi) 放 式 架 構(gòu)(Open Platform)、Web服務(wù)等相關(guān)技術(shù),將各類(lèi)進(jìn)程、軟件、標(biāo)準(zhǔn)和硬件聯(lián)合起來(lái)。實(shí)現(xiàn)界面集成、業(yè)務(wù)過(guò)程集成、數(shù)據(jù)集成、平臺(tái)集成四個(gè)方面的集成系統(tǒng)。
(1)應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化BI 和門(mén)戶(hù)技術(shù),把用戶(hù)界面作為公共的集成點(diǎn),把原有零散的系統(tǒng)界面(PP 生產(chǎn)計(jì)劃、MRP 物料計(jì)劃、MDM 主數(shù)據(jù)管理等)集中在一個(gè)新的保留瀏覽器的界面之中,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用用戶(hù)界面統(tǒng)一的接入與安全機(jī)制。
(2)應(yīng)用關(guān)連式數(shù)據(jù)庫(kù)RDBMS 對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)并編成目錄,確定元數(shù)據(jù)模型,實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的分布與共享,以及異構(gòu)的數(shù)據(jù)源之間數(shù)據(jù)層的直接整合。
(3)應(yīng)用LDAP技術(shù)定義、授權(quán)和管理各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息,實(shí)現(xiàn)包括業(yè)務(wù)管理、進(jìn)程模擬以及綜合任務(wù)、流程、組織和進(jìn)出信息工作流等業(yè)務(wù)過(guò)程的全集成。
(4)采用開(kāi)放式架構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng),構(gòu)建與現(xiàn)有應(yīng)用(包括化成管理系統(tǒng)FMS、倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)WMS、生產(chǎn)制造業(yè)系統(tǒng)SPC)相兼容的系統(tǒng),另一方面對(duì)現(xiàn)有資源進(jìn)行重構(gòu)以滿(mǎn)足新的信息系統(tǒng)需求,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從底層結(jié)構(gòu)、軟件、硬件和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體平臺(tái)集成。
本文以國(guó)內(nèi)多家鋰離子動(dòng)力電池企業(yè)開(kāi)發(fā)的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)為例,來(lái)闡述鋰電制造業(yè)MES系統(tǒng)的主要通用功能的實(shí)現(xiàn)。
計(jì)劃/工單管理(APS)模塊通過(guò)EAI 接口,接收物流管理系統(tǒng)LMS 傳遞過(guò)來(lái)的由上層企業(yè)資源計(jì)劃SAP(ERP)下達(dá)的訂單信息(P/O),根據(jù)用戶(hù)給定的規(guī)則進(jìn)行計(jì)劃排產(chǎn),自動(dòng)生成計(jì)劃工單W/O;訂單生產(chǎn)期間,MES通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)上的設(shè)備狀態(tài)和任務(wù)的執(zhí)行情況等進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度,實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)實(shí)績(jī)反饋”,將各層次管理操作人員關(guān)心的報(bào)表數(shù)據(jù)以圖形化的界面展示出來(lái)。其功能原理如下圖2所示:
圖2 計(jì)劃/工單管理模塊功能原理圖
以某能源工廠的典型動(dòng)力電池生產(chǎn)線(xiàn)為例,可將生產(chǎn)線(xiàn)分成四大工程:電極、裝配、化成、模組,其Line 信息化運(yùn)營(yíng)需具備生產(chǎn)管理、批次管理、包裝實(shí)績(jī)、入庫(kù)實(shí)績(jī)、異常保留品管理功能。
(1)生產(chǎn)管理:管理指定工序和當(dāng)前產(chǎn)線(xiàn)所有設(shè)備的啟停、生產(chǎn)、原材料投入、關(guān)鍵參數(shù),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境監(jiān)控、原材料消耗、實(shí)時(shí)產(chǎn)量、直通率、能源消耗等生產(chǎn)信息的監(jiān)控統(tǒng)計(jì),便于生產(chǎn)管理人員及時(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況。
(2)批次管理:批次的生成、shift、關(guān)閉及合并,支持手動(dòng)操作,實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。
(3)包裝實(shí)績(jī):提供標(biāo)準(zhǔn)的包裝功能,支持成品的裝包與拆包功能,支持多層包裝。
(4)入庫(kù)實(shí)績(jī):提供倉(cāng)儲(chǔ)管理功能,實(shí)現(xiàn)成品入庫(kù)管理。
(5)異常保留品管理:記錄異常產(chǎn)品編號(hào),包括種類(lèi)、異常原因、時(shí)間等信息,禁止異常保留品繼續(xù)上線(xiàn)生產(chǎn),作相應(yīng)的權(quán)限管理。
模塊監(jiān)視產(chǎn)品在任意時(shí)刻的位置和狀態(tài),收集和記錄產(chǎn)品或物料加工工序、加工結(jié)果的數(shù)據(jù),形成每個(gè)物料或產(chǎn)品可追溯性記錄,以便在必要時(shí),企業(yè)向客戶(hù)證實(shí)產(chǎn)品的質(zhì)量、追溯問(wèn)題的根源或評(píng)估問(wèn)題的嚴(yán)重程度等。系統(tǒng)的追溯管理模塊主要包括:產(chǎn)品追溯查詢(xún)、物料追溯查詢(xún)、批次追溯查詢(xún)、計(jì)量裝置不合格追溯查詢(xún)、生產(chǎn)計(jì)劃追溯查詢(xún)、在制品追溯查詢(xún)、設(shè)備使用追溯查詢(xún)、生產(chǎn)實(shí)時(shí)產(chǎn)能追溯查詢(xún)。具體該模塊的內(nèi)容如下圖3所示:
圖3 產(chǎn)品追溯查詢(xún)模塊示意圖
基于TQM 全面質(zhì)量管理的思想,該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)從供應(yīng)商、原料到售后服務(wù)的整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)和生命周期進(jìn)行質(zhì)量記錄和分析,并在生產(chǎn)過(guò)程控制的基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行嚴(yán)格控制,能有效地防止不良品外流,降低不良品率。主要包括如下幾個(gè)子項(xiàng):
(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)(質(zhì)量建模過(guò)程):質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)、品質(zhì)數(shù)據(jù)維護(hù)、檢驗(yàn)項(xiàng)目維護(hù)、抽樣水準(zhǔn)、抽樣計(jì)劃、抽樣方案。
(2)質(zhì)量檢驗(yàn):IQC、PQC、OQC、質(zhì)量異常處理等匯總看板。
(3)質(zhì)檢過(guò)程:主要由系統(tǒng)設(shè)備完成,如需人工則由系統(tǒng)SOP 引導(dǎo),用電子檢測(cè)設(shè)備完成,實(shí)時(shí)記錄。
(4)質(zhì)量分析看板:可視化分析、追溯、查詢(xún)功能看板。
(5)質(zhì)量改進(jìn):對(duì)質(zhì)量改進(jìn)工作進(jìn)行記錄、跟蹤、監(jiān)控、反饋等。
由于鋰離子動(dòng)力電池制造工藝中存在產(chǎn)品種類(lèi)繁多、材料性態(tài)不一、生產(chǎn)工程的復(fù)雜、性能要求較高、技術(shù)和產(chǎn)品更新較快的特點(diǎn),制程整合工程師就需要頻繁通過(guò)MES 系統(tǒng)改動(dòng)制程信息。這就需要一個(gè)Recipe 管理模塊,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)生成和更新制程信息,具有Recipe 生成報(bào)表功能和簽核功能,便于管控產(chǎn)線(xiàn)各工段制程的變更情況,從而滿(mǎn)足多元化產(chǎn)品需求、降低人為失誤造成的報(bào)廢率。針對(duì)上述需求,Recipe管理模塊開(kāi)發(fā)的主要功能如下:
(1)發(fā)布與簽核:登錄新的Recipe 或變更原有Recipe,自動(dòng)按照客戶(hù)配置好的組織結(jié)構(gòu)和審批流程推送給相關(guān)人員進(jìn)行審批,完成后自動(dòng)變更版本并發(fā)布。
(2)查詢(xún)與刪除:按照文件名稱(chēng)、文件編號(hào)、編輯者、創(chuàng)建日期等進(jìn)行查詢(xún)與刪除操作,Recipe 刪除時(shí)系統(tǒng)記錄操作人員ID、操作時(shí)間、文件名稱(chēng)等信息。
(3)下載、上傳、對(duì)比:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)首先對(duì)當(dāng)前設(shè)備的Recipe版本進(jìn)行檢查,自動(dòng)比對(duì)并從MES下載最新版本Recipe,同時(shí)系統(tǒng)準(zhǔn)許現(xiàn)場(chǎng)人員錄入并上傳相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間參數(shù),并作相關(guān)履歷記錄。
(4)權(quán)限和設(shè)備管理:對(duì)不同用戶(hù)和權(quán)限創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的用戶(hù)和管理組并賦予相應(yīng)的權(quán)限,登記并維護(hù)全部設(shè)備清單并和相應(yīng)的Recipe建立關(guān)聯(lián)配置。
(5)信息記錄和歷史管理:當(dāng)授權(quán)人員修改設(shè)備工藝參數(shù)時(shí),設(shè)備自動(dòng)向MES 系統(tǒng)傳送相關(guān)變更履歷,包含設(shè)備編號(hào)、操作者、操作時(shí)間、操作項(xiàng)目變更前后值等信息并作相應(yīng)記錄。
鋰電池化成管理系統(tǒng)(Formation Management System)從鋰電池特性和生產(chǎn)工作一致性出發(fā),通過(guò)對(duì)各化成設(shè)備和過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理和預(yù)警保護(hù)等,智能化管控整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)電池化成過(guò)程。提高系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和更精確的控制檢測(cè),滿(mǎn)足高性能電池大規(guī)模生產(chǎn)的需求?;晒芾恚‵MS)模塊的主要功能如下,功能示意圖如圖4所示:
圖4 化成管理模塊功能示意圖
(1)設(shè)備狀態(tài):對(duì)實(shí)時(shí)采集的化成設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后,實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)刻所進(jìn)行的工作狀態(tài)以及工作內(nèi)容,如:化成工作到某個(gè)步次,正在進(jìn)行第幾個(gè)循環(huán)工作等。
(2)生產(chǎn)監(jiān)控:主要收集過(guò)程數(shù)據(jù),并圖示化展示化成充放電過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);其他機(jī)械動(dòng)作的實(shí)時(shí)信號(hào)反饋,以及異常的及時(shí)報(bào)警工作。
(3)工程設(shè)定:對(duì)不同型號(hào)電芯的化成具體內(nèi)容的設(shè)計(jì)與建模,對(duì)化成過(guò)程中的不同級(jí)別保護(hù)工作參數(shù)的設(shè)定,以保證安全化成工作;對(duì)異常工作的直接篩選,及對(duì)異常點(diǎn)位的統(tǒng)計(jì),為設(shè)備維保提供方向。
(4)數(shù)據(jù)管理:對(duì)化成歷史數(shù)據(jù)的歷史查詢(xún),保證追溯的完整性,異常信息的匯總對(duì)生產(chǎn)改進(jìn)進(jìn)行指導(dǎo)工作。
在整個(gè)MES 系統(tǒng)中設(shè)備管理是非常重要的一個(gè)功能模塊,對(duì)產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備從采購(gòu)、檔案、運(yùn)行、點(diǎn)檢、故障報(bào)警、維修等整個(gè)生命周期進(jìn)行無(wú)縫管理,完整追溯和該設(shè)備相關(guān)的事件,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電池生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況,設(shè)備綜合效能OEE 和設(shè)備稼動(dòng)率,設(shè)備可靠性等進(jìn)行全面分析和管理。MES系統(tǒng)中設(shè)備管理的核心功能如下:
(1)設(shè)備臺(tái)賬管理:建立設(shè)備型號(hào)、制造商、購(gòu)置和啟用日期、部件參數(shù)、庫(kù)存、總帳等基本檔案,并可查詢(xún)包括設(shè)備原值變動(dòng)、部門(mén)轉(zhuǎn)移、安裝位置調(diào)整等變動(dòng)業(yè)務(wù)。
(2)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控管理:通過(guò)各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)服務(wù)接口,對(duì)作業(yè)層設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)處理,將采集到的信息生成電子報(bào)表進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)。
(3)設(shè)備點(diǎn)檢管理:建立設(shè)備點(diǎn)檢卡、點(diǎn)檢計(jì)劃,按照計(jì)劃執(zhí)行點(diǎn)檢作業(yè),點(diǎn)檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳、存儲(chǔ)、分析、報(bào)警,生成點(diǎn)檢記錄和報(bào)表。
(4)設(shè)備維修管理:提供完整的設(shè)備維修業(yè)務(wù)流,從維修開(kāi)始建立維修工單并完成工單審核,使用終端設(shè)備對(duì)維修工時(shí)、維修點(diǎn)、工作量等記錄并回傳至服務(wù)端,生成設(shè)備維修報(bào)表。
(5)設(shè)備備件管理:備件基本信息記錄、信息管理、出入庫(kù)管理、庫(kù)存管理等功能,對(duì)備件進(jìn)行計(jì)劃、生產(chǎn)、訂貨、供應(yīng)、儲(chǔ)備的組織及管理。
(6)設(shè)備KPI 統(tǒng)計(jì)分析:設(shè)計(jì)設(shè)備關(guān)鍵業(yè)績(jī)指標(biāo)KPI(如OEE、MTBF、MTTR、設(shè)備故障TOP等),根據(jù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析,輸出多維度的分析報(bào)表/圖表,用于上層ERP 進(jìn)行決策分析。
MES 系統(tǒng)已成為我國(guó)智能制造行業(yè)中不可缺少的核心技術(shù),實(shí)踐證明,企業(yè)使用MES 后可以縮短生產(chǎn)周期、減少在制品(WIP)、增強(qiáng)準(zhǔn)時(shí)交貨能力、改善產(chǎn)品質(zhì)量,進(jìn)而降低生產(chǎn)成本、增加總生產(chǎn)盈余,幫助制造企業(yè)生產(chǎn)車(chē)間提高工廠操作的一致性、敏捷性與正確性,對(duì)于企業(yè)精益化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)有重大的意義。