基于薄膜太陽能發(fā)電玻璃行業(yè)的MES系統(tǒng)研究

王 珍，王興剛，王 宇，王洪達,朱振國

(1.中建材輕工業(yè)自動化研究所有限公司，杭州 310015；2.國網(wǎng)山東省電力公司巨野縣供電公司，菏澤274900；3.93363部隊，沈陽 110000 ；4.94973部隊，杭州 310000)

隨著中國制造2025、工業(yè)4.0、互聯(lián)網(wǎng)+等戰(zhàn)略的提出，在眾多行業(yè)，我國制造企業(yè)已開始加速智能工廠的建設，實現(xiàn)智能裝備、智能產(chǎn)線、智能車間和智能物流的應用。MES(智能制造執(zhí)行系統(tǒng))已成為各生產(chǎn)制造行業(yè)的標配，MES系統(tǒng)可以為用戶提供一個對任務快速反應、處理緊急任務有彈性的精細化管理的制造業(yè)環(huán)境，幫助制造業(yè)企業(yè)降低生產(chǎn)成本，按時完成訂單，改善工藝、提高產(chǎn)品質量和服務質量，提高工作效率[1]。但如何更好的應用MES對于新引入MES系統(tǒng)的企業(yè)有著至關重要的引導作用。

MES是通過搭建兩級數(shù)據(jù)化平臺、企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)(ERP)，以建立一套具有數(shù)據(jù)實時采集、智能分析、決策支持等功能的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)線流程及數(shù)據(jù)的智能管控，實現(xiàn)制造信息和管理信息全程透明和共享，并采取多種信息網(wǎng)絡安全技術確保信息安全，達到全面提升企業(yè)的資源配置優(yōu)化、操作自動化、實時在線工藝優(yōu)化、生產(chǎn)管理精細化和智能決策科學化水平[2]。但不同行業(yè)所要應用MES的場景不同[3]，該文通過不同行業(yè)MES的應用場景及功能的對比，體現(xiàn)薄膜太陽能裝備行業(yè)的特殊性，通過對實際項目的應用和使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行總結，對當前行業(yè)的MES設計提出可行性建議，以促進薄膜太陽能發(fā)電玻璃行業(yè)在MES上的成熟應用。

1 不同行業(yè)MES應用對比研究

目前MES行業(yè)大致分為兩種類型，離散型和流程型行業(yè)，兩者對于生產(chǎn)模型的要求不同。流程型生產(chǎn)行業(yè)中體現(xiàn)了以配方為核心的生產(chǎn)模型，而離散型行業(yè)中體現(xiàn)了以產(chǎn)品BOM為核心的生產(chǎn)模型。

典型的流程生產(chǎn)行業(yè)有醫(yī)藥、石油化工、電力、鋼鐵制造、能源、水泥等領域。這些企業(yè)，主要采用按庫存、批量、連續(xù)的生產(chǎn)方式。典型的離散制造行業(yè)主要包括機械制造、電子電器、航空制造、汽車制造等行業(yè)。這些企業(yè)，則既有按定單生產(chǎn)，也有按庫存生產(chǎn)；既有批量生產(chǎn)，也有單件小批生產(chǎn)。離散型行業(yè)與流程性行業(yè)在MES的功能上主要體現(xiàn)在以下幾點區(qū)別[4-6]。

1.1 生產(chǎn)計劃方式方面

離散企業(yè)通過ERP系統(tǒng)向MES下達作業(yè)計劃指令，主要以工單的方式進行，而流程企業(yè)的作業(yè)計劃下達主要以指令計劃形式方式。

1.2 數(shù)據(jù)采集方面

離散企業(yè)的數(shù)據(jù)采集，以手工上報為主，并可以結合條形碼采集等半自動信息采集技術進行物料、工時、設備、質量等信息的采集，容易受到人為因素的影響，保障數(shù)據(jù)的準確性成為了重中之重。

流程生產(chǎn)企業(yè)的自動化程度較高，自動化設備能自動的準確記錄生產(chǎn)現(xiàn)場的各種信息。對于MES重點在于MES系統(tǒng)集成時與這些自動化設備做好數(shù)據(jù)接口[5]。

1.3 反沖處理

離散制造中的完工上報，一般每道工序都要進行上報，或在關鍵工序設置反沖點，對前面工序進行反沖處理。

流程生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)完工上報，多采用反沖處理。一般在工藝流程的最后設置完工上報點，而對前面工序流程實行反沖處理，如物料反沖、設備工時反沖等對在制品和成本進行跟蹤。

1.4 設備管理

離散行業(yè)的生產(chǎn)設備的布置，不是按產(chǎn)品而是按照工藝進行布置的?？梢赃M行同一種加工工藝的機床一般有多臺。單臺設備的故障不會對整個產(chǎn)品的工藝過程產(chǎn)生嚴重的影響，一般重點管理關鍵及瓶頸設備。

在流程生產(chǎn)企業(yè)的流水生產(chǎn)線生產(chǎn)中，生產(chǎn)線上的設備維護尤其重要，每臺設備都是關鍵設備，不允許發(fā)生故障，任意一臺設備的故障都會導致整個工藝流程的終止，所以設備管理尤其關鍵[7]。

1.5 質量管理

對離散行業(yè)和流程生產(chǎn)行業(yè)而言，質量檢驗和管理都相當重要，但MES中對質量檢驗和管理的方式有所區(qū)別。離散行業(yè)中，對單件小批生產(chǎn)，一般需要檢驗每個零件、每道工序的加工質量；對批量生產(chǎn)，一般采用首檢、抽檢、SPC分析相結合。

流程生產(chǎn)行業(yè)中，一般采用對生產(chǎn)批號產(chǎn)品進行各工序上的抽樣檢驗，全檢較少。通過對過程抽檢的數(shù)據(jù)進行報表分析及工藝改善，達到質量管理的目標[7]。

2 MES在薄膜太陽能行業(yè)應用的功能特點

薄膜太陽能裝備制造企業(yè)車間產(chǎn)品屬于典型的流程化制造產(chǎn)品，設備和工藝管控精細、設備結構復雜，質量控制要求高，因此MES系統(tǒng)的設計更加側重于數(shù)據(jù)收集和處理以及對設備、工藝和質量的管控[8,9]。

該MES系統(tǒng)平臺支持ISA-95標準，對MES系統(tǒng)與設備集成時的術語與模型做了詳細規(guī)范。能接入ERP系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)，同時支持ISA-88標準，能集成與生產(chǎn)線相關的工藝設備和輔助設備、PLC控制系統(tǒng)等。由于碲化鎘薄膜太陽能玻璃屬于半導體行業(yè)，故項目在實施時用的是SECS GEM協(xié)議[10]。系統(tǒng)架構如圖1所示。其主要有以下特點：多車間和多站點配置(為后續(xù)低成本擴展提供可能)；為每個連接的客戶端提供獨立的多語言管理(包括接口和數(shù)據(jù))；通過PDA和智能手機訪問功能；將智能業(yè)務組件整合到系統(tǒng)中；采用集中部署的服務器架構；完善的系統(tǒng)安全權限管理；同時連接多個數(shù)據(jù)庫(MySQL、SQL、Server，Oracle，IBM DB2)；擴展配置和腳本功能；支持與ERP、暖通的系統(tǒng)對接，主要通信協(xié)議有WebService、OPC、SECS GEM等；支持多種設備通信協(xié)議(打印機、掃碼槍，PDA、RFID…)

根據(jù)薄膜太陽能裝備的設計特點及實際需求，MES系統(tǒng)主要功能模塊如圖2，包括基礎資料中心、工單管理、工作計劃管理、質量管理、下片管理、報表管理、生產(chǎn)追蹤、報警管理、配方管理、緩存區(qū)管理、設備管理、工廠可視化管理、異常處理、數(shù)據(jù)采集、Trans。

通過這些功能實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的追蹤管理、數(shù)據(jù)報表管理、生產(chǎn)流程管控、在線產(chǎn)品可視化管理及工藝分析等功能，為不在現(xiàn)場的工程師提供了更好的生產(chǎn)管理方式。同時與ERP的集成實現(xiàn)了物料的反沖管理、工單計劃的下達及產(chǎn)品完成時的信息上報等，抽檢數(shù)據(jù)的填報及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集報表系統(tǒng)為質量管理及質量分析奠定了基礎，緩存區(qū)管理加強了生產(chǎn)操作流程的管控，設備管理則實現(xiàn)了對生產(chǎn)流程中每一臺設備的關鍵數(shù)據(jù)管理、配方管理、耗材管理及易損耗件、保養(yǎng)等計劃的管理，使工程師對現(xiàn)場情況更加清晰明了。

3 MES在項目應用中會出現(xiàn)的問題

3.1 人工干預

生產(chǎn)流程管控不精細，人工干預太多，導致所獲取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)不準確，不利于數(shù)據(jù)分析及工藝改善，人工干預主要體現(xiàn)在以下幾點：設備集成不夠完善，設備工程師在操作時未能按照標準操作進行，從而影響了傳輸?shù)組ES端的數(shù)據(jù)質量；對于在生產(chǎn)線區(qū)間的上下片處，沒有利用MES進行流程管控，人工判斷管理誤差較大，產(chǎn)品追溯存在不全面及錯誤的現(xiàn)象；生產(chǎn)操作過程中，未按照MES規(guī)范進行操作，如與ERP的交互，未按照正常下訂單操作，下線后的產(chǎn)品再次返回線上未進行返工操作等，同樣導致數(shù)據(jù)的不真實及不全面。

3.2 設備集成不完善

MES與設備集成存在問題主要體現(xiàn)在以下幾點：設備端狀態(tài)及流程未完全按照MES設計的設備規(guī)范進行實施，導致所采集到的數(shù)據(jù)有質量問題；MES與設備集成時的驗收流程不夠細致精確，缺乏出廠前的驗收流程，導致現(xiàn)場集成時花費時間較長，問題較多；設備集成過程中與設備廠商的對接缺乏銜接，導致問題解決緩慢及無法解決的現(xiàn)象。

最后，MES維護方面體現(xiàn)的問題主要是MES功能與用戶實際需求未緊密結合，這是由于當前業(yè)主沒有專業(yè)的MES工程師及工藝工程師提出實際的需求，故在報表查詢及實際維護操作時存在較多的問題，維護不能完全獨立，需要較多的支援[11-13]。

4 結 語

通過研究當前生產(chǎn)制造行業(yè)的現(xiàn)狀，智能制造勢在必行，對比離散及流程行業(yè)的MES功能特點，并對薄膜太陽能項目的實施過程進行研究，發(fā)現(xiàn)在MES系統(tǒng)架構的設計中，生產(chǎn)線的流程管控設計不清晰，導致人工干預太多。另外，設備信號的不穩(wěn)定觸發(fā)等系列原因都使得系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)不可靠，不便于設備工藝的改善。報表的需求不清晰也導致生產(chǎn)人員無法清晰得知現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，故在采購MES系統(tǒng)前，盡量完善MES需求及現(xiàn)場操作流程，減少人工干預，設計滿足操作需求的報表便于生產(chǎn)工藝的分析和改善，專業(yè)的MES工程師在MES實施過程的參與也會促進MES在設計及工藝流程上的改善，專業(yè)的MES維護工程師也能更好有助于快速定位問題及MES功能設計的完善，使MES的使用體驗更佳。

在MES應用設計時，不可能一次就做到完美，但對現(xiàn)場工藝流程的熟悉程度及問題發(fā)現(xiàn)都是一次用于MES提升的寶貴經(jīng)驗，設計規(guī)范不可能一蹴而就，關鍵是制定規(guī)范的同時必須要求設備完全按照規(guī)范進行，只有這樣才能一次次的將規(guī)范漸進完善，最后形成行業(yè)的標準規(guī)范，更加有助于行業(yè)內MES的進步提升和成熟應用。