基于MES的智能制造協(xié)同管理體系分析

李郁松 潘 成 吳曉峰

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 運(yùn)城 044502）

0 引言

2015 年我國提出“中國制造2025”的發(fā)展目標(biāo)，將發(fā)展智能制造提高至國家戰(zhàn)略層面，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)在制造業(yè)的融合，推動(dòng)制造業(yè)向信息化、智能化的方向發(fā)展。MES 系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)智能制造過程管理信息化、智能化的關(guān)鍵，基于MES 系統(tǒng)的智能制造協(xié)同管理體系建設(shè)，有其必然性和必要性。

1 MES系統(tǒng)簡介

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）由美國AMR 公司提出，其核心作用是提高制造業(yè)生產(chǎn)過程管理水平，將計(jì)劃生產(chǎn)與現(xiàn)場管理有機(jī)結(jié)合，利用MES 系統(tǒng)對生產(chǎn)過程做信息化管理，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置，最終提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

近些年，制造管控向著集約化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，制造業(yè)各系統(tǒng)之間的壁壘被打破，MES 系統(tǒng)以執(zhí)行層身份融入?yún)f(xié)同管理體系（如圖1 所示），具備了詳細(xì)計(jì)劃、生產(chǎn)跟蹤、生產(chǎn)調(diào)度、資管管理、定能分析、過程管理、人力資管管控、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、質(zhì)量管理和性能分析等眾多功能。

圖 1 以MES 為執(zhí)行層的協(xié)同管理體系

2 智能制造協(xié)同管理體系構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)框架

以MES 系統(tǒng)為核心的協(xié)同管理體系應(yīng)整合計(jì)劃管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理等功能，并融合與智能制造所在行業(yè)有關(guān)的主流軟件，該體系應(yīng)具備。1）支持多種數(shù)據(jù)采集方案。2）適應(yīng)離散化的智能制造生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、工藝等模塊的管理需求。3）與智能制造體系內(nèi)的各類生產(chǎn)設(shè)備有效銜接。4）可進(jìn)行數(shù)字化考核評價(jià)。5）人機(jī)交互。6）自動(dòng)化處理。7）與其他信息化平臺(tái)相互兼容。

基于以上需求，系統(tǒng)管理系統(tǒng)需至少配置2 臺(tái)服務(wù)器，分別用于生產(chǎn)線監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。其中，用于生產(chǎn)線監(jiān)控的服務(wù)其與傳感器及監(jiān)控設(shè)備相連，采集各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)；用于數(shù)據(jù)管理的服務(wù)器則提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編輯、查詢等功能。系統(tǒng)采用SSH 架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層3 個(gè)部分。數(shù)據(jù)層利用Hiberbate 作為ORM 工具；業(yè)務(wù)層使用Spring 框架，構(gòu)建SOA 模式，并通過WebService 接口與其他系統(tǒng)相對接；表現(xiàn)層使用MVC 架構(gòu)，可將前后端業(yè)務(wù)邏輯有效分離。系統(tǒng)配備關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，將ERP 和MES 數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，加強(qiáng)管理過程的信息共享，為協(xié)同管理的實(shí)現(xiàn)奠定信息資源基礎(chǔ)[1]。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 計(jì)劃管理

在智能制造項(xiàng)目計(jì)劃管理過程中，ERP 經(jīng)MRP 計(jì)算得到項(xiàng)目計(jì)劃，設(shè)計(jì)人員按照項(xiàng)目計(jì)劃在PLM 中完成方案設(shè)計(jì)、BOM 及圖紙?jiān)O(shè)計(jì)等工作，然后由計(jì)劃人員依照BOM 結(jié)構(gòu)、企業(yè)產(chǎn)能和生產(chǎn)資料配置等因素，形成與具體產(chǎn)品相對應(yīng)的生產(chǎn)訂單，將訂單同步至MES 當(dāng)中。

通過對應(yīng)接口，MES 系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取PLM 中的圖紙、BOM 及工藝信息，生產(chǎn)車間管理人員結(jié)合MES 系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)訂單對生產(chǎn)線進(jìn)行針對性的調(diào)整，確定開工時(shí)間節(jié)點(diǎn)，并由MES 系統(tǒng)按照生產(chǎn)節(jié)奏自動(dòng)完成生產(chǎn)任務(wù)的分配。在智能制造過程中，將產(chǎn)品工藝流程與工藝路線相結(jié)合，可以得到產(chǎn)線生產(chǎn)模式，由此形成的工單則作為MES 的核心數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)開展計(jì)劃執(zhí)行、跟蹤反饋等工作，將整個(gè)智能制造過程形成的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集中到系統(tǒng)內(nèi)部，通過統(tǒng)計(jì)分析，將生產(chǎn)資料、技術(shù)文件、產(chǎn)品與工位相對應(yīng)，形成智能化的計(jì)劃管理體系。管理人員可在MES 系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)BOM 物料的有關(guān)信息，工單下發(fā)后可以自動(dòng)向各工位匹配物料需求計(jì)劃，傳送至ERP 系統(tǒng)，形成可被倉庫直接參考的物料配送清單。

2.2.2 生產(chǎn)管理

智能制造生產(chǎn)線各工位對應(yīng)既定操作人員，工單計(jì)劃可以依照人員配備情況向各工位的操作人員下發(fā)具體的操作任務(wù)，操作人員登錄個(gè)人賬號即可查看任務(wù)分配情況。根據(jù)現(xiàn)場條件，調(diào)度人員可重新進(jìn)行任務(wù)與操作人員間的匹配，并對工單任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行檢查，及時(shí)處理延遲、遺漏等異常工單。

工單執(zhí)行過程使用物料識別技術(shù)進(jìn)行管理，通常使用條碼系統(tǒng)，MES 內(nèi)的條碼系統(tǒng)具備可靠性高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢，使用掃碼槍掃描產(chǎn)品條碼即可了解工單信息，系統(tǒng)可以自動(dòng)完成產(chǎn)品信息、任務(wù)狀態(tài)與操作人員的審核和匹配[2]。在工序起始階段，使用掃碼槍掃描關(guān)鍵物料條碼，以此作為起始信號，同時(shí)核對工序及物料情況，避免生產(chǎn)過程出錯(cuò)。如果為生產(chǎn)流程的最后一道工序，系統(tǒng)自動(dòng)給出完工入庫提醒，并在突發(fā)生產(chǎn)異常后第一時(shí)間給出聲光報(bào)警提示，將異常信息傳送給預(yù)設(shè)人員。

2.2.3 質(zhì)量管理

質(zhì)量管理是智能制造的重點(diǎn)，也是協(xié)同管理體系的重點(diǎn)模塊。智能制造各工藝流程內(nèi)均設(shè)置質(zhì)控點(diǎn)，各質(zhì)控點(diǎn)上設(shè)置了停檢、過檢、自檢等項(xiàng)目，依照生產(chǎn)情況自動(dòng)形成質(zhì)檢計(jì)劃?，F(xiàn)場質(zhì)檢人員利用移動(dòng)終端掃描產(chǎn)品條碼可以獲取質(zhì)檢指導(dǎo)文件和記錄單，掃描設(shè)備條碼可關(guān)聯(lián)設(shè)備及計(jì)量器具，采集結(jié)果數(shù)據(jù)，無法自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)則手動(dòng)錄入，如果數(shù)據(jù)錄入不合格，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)異常流程，將返工單傳輸至對應(yīng)責(zé)任人，如果連續(xù)出現(xiàn)不良工序，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)質(zhì)量信息，并輸出相應(yīng)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可從不同角度總結(jié)生產(chǎn)質(zhì)量問題，為質(zhì)量管理優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2.2.4 工藝管理

在MES 系統(tǒng)內(nèi)完成工藝流程及路線建模，通過物料編碼、產(chǎn)品描述關(guān)聯(lián)至具體產(chǎn)品，并基于具體工序，關(guān)聯(lián)工序卡、工時(shí)、檢驗(yàn)記錄和生產(chǎn)物料等。其中，工時(shí)是智能制造精細(xì)化控制的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)也是生產(chǎn)計(jì)劃編制和過程控制的重要參考。如果生產(chǎn)流程中柔性作業(yè)較多，可能引發(fā)工時(shí)誤差較大的問題，而借助MES 系統(tǒng)進(jìn)行工時(shí)信號采集，通過工序顆粒數(shù)的精細(xì)化分解，可以實(shí)現(xiàn)工時(shí)信息的動(dòng)態(tài)化采集，配合持續(xù)迭代確保工時(shí)數(shù)據(jù)的可靠性。系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)各道工序執(zhí)行的實(shí)際工時(shí)與預(yù)設(shè)工時(shí)間的差值并輸出差值報(bào)表，可以統(tǒng)計(jì)各操作人員工作績效，方便后期管理。

2.3 技術(shù)創(chuàng)新

智能制造協(xié)同管理系統(tǒng)使用Web 前后端分離的開發(fā)模式，以此進(jìn)行MES 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終形成的系統(tǒng)可在前端完成大多數(shù)數(shù)據(jù)的處理，降低服務(wù)其運(yùn)行壓力。

可利用AngularJS 代碼進(jìn)行系統(tǒng)前端編寫，以形成清晰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性。因該系統(tǒng)對html 的影響非常有限，可與開發(fā)設(shè)計(jì)人員之間有效協(xié)調(diào)。

將系統(tǒng)后端設(shè)計(jì)為SSH 框架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行對象需求分析并給出對應(yīng)模型，將模型轉(zhuǎn)換為Java 對象編寫DAO 接口，利用Hibernate 的DAO 完成Java 與數(shù)據(jù)庫間的交互。

圖2 現(xiàn)場作業(yè)管理流程圖

3 智能制造協(xié)同管理體系應(yīng)用

某儀器儀表智能制造企業(yè)協(xié)同管理體系建設(shè)前，對企業(yè)現(xiàn)有管理體系做客觀評價(jià)，發(fā)現(xiàn)如下問題：信息傳輸速度慢、管理秩序性較差，生產(chǎn)流程受人員、設(shè)備、原料等因素的干擾較大等問題。因此決定構(gòu)建以MES為核心的協(xié)同管理體系，圖2 為體系運(yùn)行后現(xiàn)場作業(yè)管理流程圖。

隨著以MES 為核心智能制造協(xié)同管理體系在企業(yè)中的應(yīng)用，2019 年上半年企業(yè)管理質(zhì)量大幅度提升，產(chǎn)線故障率由體系運(yùn)行前的1.6%將至0.8%，故障時(shí)間由最長4.82 h，縮短至1.66 h，原材料運(yùn)轉(zhuǎn)周期由15 d 將至9 d，勞產(chǎn)率提升超過28%，見表1。

表1 勞產(chǎn)率分析簡表

4 結(jié)論

MES 系統(tǒng)在智能制造協(xié)同管理體系中的應(yīng)用可幫助實(shí)現(xiàn)智能制造過程的精細(xì)化管控，合理減少人力資源投入，節(jié)約物料，同時(shí)提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量。隨著智能制造領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，基于MES 的協(xié)同管理體系也將得到有效完善，覆蓋智能制造的全過程，給企業(yè)帶來更高的綜合效益。