變速箱裝配車間制造執(zhí)行系統(tǒng)的解決方案

朱 雷，劉鵬飛,陳遠(yuǎn)方

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 工業(yè)與智能中心，河南 鄭州 450007)

制造型企業(yè)以生產(chǎn)制造為命脈，必然離不開對生產(chǎn)車間的管理。而車間現(xiàn)場是諸多制造因素的匯集地，是企業(yè)信息流和物流的交匯點(diǎn)，傳統(tǒng)制造模式以紙質(zhì)單據(jù)和線下流程為主進(jìn)行管理，難以全面、及時地掌握生產(chǎn)信息。制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)作為車間信息的承載者，是企業(yè)指令上傳下達(dá)的信息樞紐[1]。以MES為核心的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，可用于對各生產(chǎn)流程進(jìn)行信息化管理，并聯(lián)通倉儲、生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、銷售等多個部門，有效增大企業(yè)生產(chǎn)資源管理的深度，進(jìn)而提升企業(yè)整體的核心競爭力[2]。因此，推進(jìn)MES建設(shè)是實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)數(shù)字化戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路。本文以A公司為例，對MES解決方案進(jìn)行研究。

1 變速箱裝配車間的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

當(dāng)前,A公司的變速箱裝配車間暫無生產(chǎn)過程管控的信息系統(tǒng)，主要以企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)系統(tǒng)[3]進(jìn)行生產(chǎn)管理，存在管理不細(xì)、單品成本高、難以進(jìn)行過程追溯、訂單批量大、生產(chǎn)工藝復(fù)雜等問題。顯然，這種以ERP和線下紙質(zhì)單據(jù)為主的傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式已無法滿足現(xiàn)代企業(yè)管理的要求，亟需一套信息化系統(tǒng)解決實(shí)際管理所遇到的問題。

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

變速箱裝配車間主要通過ERP系統(tǒng)對生產(chǎn)訂單進(jìn)行管理、以TCM(Teamcenter Manufacturing)功能模塊進(jìn)行生產(chǎn)工藝管理，但ERP系統(tǒng)和TCM功能模塊的執(zhí)行維度根本無法細(xì)化到車間級?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)前企業(yè)缺少車間級的生產(chǎn)信息系統(tǒng)，導(dǎo)致車間現(xiàn)場的數(shù)據(jù)管理不透明、車間現(xiàn)場與企業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存在“兩張皮”現(xiàn)象。

1.2 生產(chǎn)計劃

當(dāng)前企業(yè)主要以ERP系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)計劃的“頭”“尾”管理，無法將計劃分解、細(xì)化到車間級和工位級，且生產(chǎn)車間只能以紙質(zhì)文檔為主對生產(chǎn)計劃進(jìn)行管理，存在計劃滯后和過分依賴經(jīng)驗(yàn)的問題，根本無法實(shí)現(xiàn)各工序間的生產(chǎn)協(xié)同。

1.3 生產(chǎn)制造

生產(chǎn)現(xiàn)場有離線生產(chǎn)的單機(jī)沖壓設(shè)備，沖壓節(jié)拍遠(yuǎn)高于裝配生產(chǎn)主線，因此生產(chǎn)現(xiàn)場存在一人多機(jī)的多技能操作工位，無法系統(tǒng)地進(jìn)行人員技能的管理；并且生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)異常統(tǒng)計以人員反饋為主，很難做到及時響應(yīng)。

1.4 物料管理

現(xiàn)場沖壓工位與裝配工位為并行生產(chǎn)形式，零件配送以作業(yè)人員被動式到倉儲點(diǎn)取料為主，且因大部分零件無條碼標(biāo)識而無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的追溯，生產(chǎn)過程只能依靠人工校驗(yàn)方式，根本無法確保零件安裝的正確性及批次信息的準(zhǔn)確性。

1.5 質(zhì)量管理

當(dāng)前的質(zhì)量管理主要是生產(chǎn)過程中的檢驗(yàn)及返工返修檢驗(yàn)，質(zhì)量信息需通過紙質(zhì)跟單記錄的結(jié)果來判定，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題時需要用電話通知現(xiàn)場評審。這樣的信息處理過程必然存在滯后，且對質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計以人工為主，工作量較大，存在受人為影響的因素。

1.6 設(shè)備管理

生產(chǎn)車間的設(shè)備種類很多，如沖壓、裝配、鎖付、清洗等設(shè)備，對設(shè)備全生命周期的管理工作量較大，難以有針對性地對設(shè)備做預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)，也無法有針對性地進(jìn)行備品備件的庫存管理與監(jiān)控。

1.7 安燈管理

生產(chǎn)車間的現(xiàn)場異常情況由生產(chǎn)人員進(jìn)行管理。生產(chǎn)人員一旦發(fā)現(xiàn)異常，就會通過電話來安排維修人員進(jìn)行解決，但無法對異常情況進(jìn)行匯總分析，也無法發(fā)揮維修知識庫的作用。

2 MES解決方案

MES的核心在于其針對生產(chǎn)領(lǐng)域的響應(yīng)式綜合信息處理功能，同時，MES能充分利用信息處理所產(chǎn)生的可能性成果[4]。本文結(jié)合變速箱裝配車間的核心業(yè)務(wù)，以精益思想為指導(dǎo)，通過識別裝配車間的工藝流程及其關(guān)鍵工序(圖1)，調(diào)整生產(chǎn)過程的報工節(jié)奏、降低MES應(yīng)用的成本，對車間生產(chǎn)過程的關(guān)鍵要素進(jìn)行重新定義，以有效協(xié)同人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等各生產(chǎn)要素，實(shí)現(xiàn)對MES解決方案的應(yīng)用。

圖1 裝配車間的工藝流程及其關(guān)鍵工序

2.1 數(shù)據(jù)一致性解決方案

數(shù)據(jù)的一致性是企業(yè)控制生產(chǎn)過程的關(guān)鍵。它主要指工藝數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)等的一致性。本文以精益思想為指導(dǎo)，對A公司基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的界限進(jìn)行重新規(guī)劃，以減少數(shù)據(jù)的重復(fù)性錄入，保證數(shù)據(jù)源頭的唯一性；主要基于TCM功能模塊對工藝路線、工序、工時、工藝文件、生產(chǎn)資源等信息進(jìn)行維護(hù)；讓MES通過接口集成應(yīng)用TCM功能模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，保證生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用數(shù)據(jù)的一致性，為實(shí)現(xiàn)裝配車間生產(chǎn)過程的管控和生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)的指導(dǎo)奠定基礎(chǔ)，并規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的應(yīng)用流程。解決數(shù)據(jù)一致性問題的業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 解決數(shù)據(jù)一致性問題的業(yè)務(wù)流程

2.2 生產(chǎn)制造解決方案

在生產(chǎn)制造解決方案中，MES能通過接口集成從ERP系統(tǒng)獲取的變速箱的成品生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)。車間主任收到生產(chǎn)計劃后能基于MES按照設(shè)定的排序規(guī)則，對生產(chǎn)訂單進(jìn)行排序，同時依據(jù)產(chǎn)品的物料清單(Bill of Material，BOM)的層級生成半成品訂單，并讓半成品訂單自動匹配與TCM功能模塊同步的工藝路線，以自動生成生產(chǎn)工單。班組長在

收到生產(chǎn)工單后對生產(chǎn)工單進(jìn)行物料齊套性校驗(yàn)；同時，MES能依據(jù)校驗(yàn)結(jié)果，按照工單對應(yīng)的工藝路線內(nèi)工序?qū)傩陨晒ば蚺晒魏臀锪吓渌蛦?，并且自動匹配產(chǎn)品的設(shè)備加工程序，實(shí)現(xiàn)人工作業(yè)和設(shè)備自動作業(yè)的任務(wù)下發(fā)?；贛ES的生產(chǎn)制造精細(xì)化管理流程如圖3所示。

圖3 基于MES的生產(chǎn)制造精細(xì)化管理流程

生產(chǎn)制造解決方案能讓生產(chǎn)制造過程以MES終端為載體，在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)工位機(jī)、掃碼槍等智能終端的應(yīng)用，并且能通過集成電路(Integrated Circuit，IC)卡刷卡登錄權(quán)限及技能驗(yàn)證的方式,讓有關(guān)人員用智能終端完成生產(chǎn)任務(wù)查看、電子作業(yè)指導(dǎo)書查看、叫料、投料、質(zhì)檢、掃碼報工、設(shè)備報修、保養(yǎng)等作業(yè)過程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計劃的精細(xì)化管理和生產(chǎn)過程的數(shù)字化管控。

2.3 物料管理解決方案

MES、ERP和TCM三大系統(tǒng)的集成應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)以生產(chǎn)計劃為載體的物料需求拉動管理，改變車間被動拉料的轉(zhuǎn)運(yùn)模式。物料需求拉動的流程如圖4所示。根據(jù)TCM功能模塊內(nèi)的物料屬性，可將生產(chǎn)現(xiàn)場的物料分為以標(biāo)準(zhǔn)件為主的庫存看板模式和以訂單實(shí)際需求為主的計劃配送模式?？紤]到異常情況，MES應(yīng)具有現(xiàn)場緊急叫料功能。

圖4 物料需求拉動的流程

(1) 計劃配送是變速箱裝配車間的主要物流模式之一，可用于大件、關(guān)鍵件物料的配送。它包括：①根據(jù)生產(chǎn)工單在MES內(nèi)設(shè)置物料的配送批次、時間周期、配送時刻等參數(shù)，確定每次的配送量以及配送頻次，以保證倉庫一次配送的物料能夠在線邊庫進(jìn)行存放且不堆積；②MES根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的物料需求規(guī)則觸發(fā)點(diǎn)，將物料需求發(fā)布到中間庫，同時指導(dǎo)倉儲人員按計劃進(jìn)行物料的備料、配送；③MES在成品訂單完工后，能自動扣減線邊庫的庫存量，同時將物料消耗信息同步到ERP系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對物料成本的管控。

(2) 看板配送適用于通用件、標(biāo)準(zhǔn)件等小件的配送。它主要依靠MES內(nèi)的生產(chǎn)完工單，自動扣減線邊庫的看板件安全庫存。當(dāng)安全庫存到達(dá)最小值時，它能自動觸發(fā)配送需求，將物料需求發(fā)布到中間庫，并在ERP系統(tǒng)中同步生產(chǎn)調(diào)撥單，指導(dǎo)倉庫的備料和物料配送，以補(bǔ)貨到最大安全庫存，從而實(shí)現(xiàn)物料的看板拉動，保持生產(chǎn)不斷料。

(3) 緊急叫料主要為緊急插單或者針對某個物料產(chǎn)生的緊急叫料需求，按MES內(nèi)設(shè)置的物料需求規(guī)則、配送規(guī)則產(chǎn)生物料需求任務(wù)，同時同步到ERP系統(tǒng)，以指導(dǎo)配送。

2.4 質(zhì)量管理解決方案

質(zhì)量管理解決方案能通過MES內(nèi)維護(hù)物料的檢測模板確定觸發(fā)檢測任務(wù)的時機(jī)，將質(zhì)檢數(shù)據(jù)與生產(chǎn)工單等信息關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量的一體化管理以及質(zhì)量問題的追溯；同時能根據(jù)檢測結(jié)果，向車間和質(zhì)量管理部門提供分析數(shù)據(jù)和報表，以便有關(guān)部門及時發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量問題。質(zhì)量管理的主要業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

圖5 質(zhì)量管理的主要業(yè)務(wù)流程

2.5 設(shè)備管理解決方案

設(shè)備維護(hù)的作用是記錄生產(chǎn)車間的設(shè)備維護(hù)信息，包括設(shè)備的日維護(hù)信息、周維護(hù)信息和月維護(hù)信息等[5]。設(shè)備管理主要分為主動式預(yù)防和被動式維修，主動式預(yù)防包括設(shè)備周期性保養(yǎng)和設(shè)備日常點(diǎn)檢；被動式維修即故障性維修。設(shè)備管理解決方案要求針對不同的設(shè)備，在MES內(nèi)設(shè)置設(shè)備的任務(wù)項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)主動式預(yù)防任務(wù)的定時觸發(fā)以及被動式維修任務(wù)的手動解決，并形成設(shè)備追溯履歷，為后續(xù)的分析工作提供支撐。

2.6 安燈管理解決方案

安燈是豐田生產(chǎn)模式所謂自動化質(zhì)量控制方法的一個重要部分，也是精益生產(chǎn)可視化管理的一種重要工具[6]。MES在安燈管理方面的應(yīng)用主要針對以下四方面：物料異常、質(zhì)量異常、工藝異常和設(shè)備異常。當(dāng)操作人員在加工過程中發(fā)現(xiàn)安排不合理或者有異常時，可以手動觸發(fā)安燈報警信息，根據(jù)MES內(nèi)的流程配置將異常信息及時通知到人，或者通過集成的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的自動報警，以觸發(fā)安燈流程，對出現(xiàn)的異常進(jìn)行定責(zé)和分析。

3 基于ISA-95的MES應(yīng)用方案

本文結(jié)合精益思想，以ISA-95為技術(shù)手段，在變速箱裝配車間應(yīng)用了MES解決方案，形成了以MES為核心的數(shù)字化管控平臺[7],實(shí)現(xiàn)了以下建設(shè)目標(biāo)：①通過對生產(chǎn)過程的實(shí)時監(jiān)控滿足生產(chǎn)管理的要求[8]；②通過對生產(chǎn)信息的標(biāo)準(zhǔn)化、細(xì)致化采集，建立設(shè)備現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控；③實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程監(jiān)控、質(zhì)量全過程追溯，并通過工廠級可視化看板等方式，提高企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營管控能力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營與生產(chǎn)決策的科學(xué)化，提高生產(chǎn)經(jīng)營效率和

管理效率；④以MES為依托，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)制造的現(xiàn)場層SCADA系統(tǒng)到執(zhí)行層MES再到頂層ERP系統(tǒng)的縱向貫通，并實(shí)現(xiàn)銷售、設(shè)計、工藝、采購、計劃、生產(chǎn)、財務(wù)等業(yè)務(wù)部門的橫向集成。基于ISA-95的MES應(yīng)用方案的總體架構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于ISA-95的MES應(yīng)用方案的總體架構(gòu)

4 結(jié)束語

A公司在建設(shè)和實(shí)施MES的過程中，逐步完成了以企業(yè)自身資源為主的數(shù)字化知識體系的建設(shè)，培養(yǎng)了一批數(shù)字化管理人才，為企業(yè)后續(xù)數(shù)字化建設(shè)的拓展實(shí)施提供了人才基礎(chǔ)和儲備。對MES實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，企業(yè)成功的數(shù)字化轉(zhuǎn)型離不開以下幾點(diǎn)：①一把手工程，從頂層設(shè)計開始即制定符合數(shù)字化轉(zhuǎn)型的制度體系；②組織賦能，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)部門向數(shù)字化、智能化的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型；③人員培養(yǎng)，建立以信息技術(shù)和生產(chǎn)業(yè)務(wù)為主的人員培養(yǎng)體系，以支撐企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型；④資源統(tǒng)籌，確保數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程的資源投入。