C公司MES系統(tǒng)設(shè)計項目需求及可行性研究

趙可 武漢中車株機軌道交通裝備有限公司

一、緒論

2016年，在“十三五”規(guī)劃期間，黨中央確定了通過信息化與工業(yè)化共同發(fā)展，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，達成社會生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略，隨著國內(nèi)企業(yè)信息化的提升加強企業(yè)整體水平，從而促進社會經(jīng)濟整體發(fā)展。企業(yè)信息化是國民經(jīng)濟和社會信息化的重要內(nèi)容，國家要求大力推進企業(yè)信息化建設(shè)，實現(xiàn)管理創(chuàng)新和科學(xué)管理。而C公司利用MES系統(tǒng)設(shè)計與實施，提升生產(chǎn)效率、加強產(chǎn)品質(zhì)量，從而促進C公司整體管理水平的提高，是C公司利用信息化增強核心競爭力的重要保證，是“努力打造國內(nèi)一流軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)基地”的重要支撐措施。

本文通過對C公司MES系統(tǒng)項目需求及可行性進行分析研究，為制造企業(yè)促進信息化帶動工業(yè)化進行“兩化融合”提供案例支持。

二、C公司MES項目需求及可行性分析

C公司是典型的制造型企業(yè)，具有首件生產(chǎn)周期長，工程變更對生產(chǎn)影響較大特點。MES系統(tǒng)設(shè)計方案應(yīng)滿足根據(jù)項目進度，結(jié)合C公司生產(chǎn)能力，與信息化建設(shè)現(xiàn)狀，針對性建立自動化生產(chǎn)高級排程，通過MES系統(tǒng)對生產(chǎn)項目科學(xué)計算和合理分配，將項目各工序作業(yè)計劃排程，并通過信息數(shù)據(jù)傳播，快速分散至每一個工位，若因工藝變更導(dǎo)致的工序作業(yè)計劃改變，也可及時反饋至各個工位和工作現(xiàn)場，從而降低信息傳播所消耗的寶貴時間，提高公司整體生產(chǎn)效率，提升公司整體項目管控水平。其次，通過MES系統(tǒng)實時抓取工位機、掃碼槍、平板電腦等現(xiàn)場工作終端數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)進度、物料情況、生產(chǎn)異常信息、人員信息，設(shè)備信息等情況實時跟蹤，及時反饋，從而時刻了解車間工作狀況；通過MES系統(tǒng)中質(zhì)量管理功能，檢測并記錄項目生產(chǎn)中各工序NCR的合格率，若有不合格工序，可及時整理記錄質(zhì)量數(shù)據(jù)并通知相關(guān)工位進行返工工序，從而提高項目生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量率。最后，通過C公司車間生產(chǎn)BI系統(tǒng)，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（人員管理）、產(chǎn)品質(zhì)量管理、計劃調(diào)度管理、生產(chǎn)執(zhí)行管理、生產(chǎn)異常管理、現(xiàn)場管理、物料管理、設(shè)備管理、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計，科學(xué)規(guī)劃，實時展示相關(guān)數(shù)據(jù)及圖表信息，以供公司管理層及車間管理人員決策使用。從而顯著提升C公司整體管理水平

C公司MES系統(tǒng)數(shù)字化車間的總體建設(shè)框架由4層、4個系統(tǒng)和1個支撐環(huán)境構(gòu)成：

（一）數(shù)字化資源層

數(shù)字化資源層包括各種數(shù)字化、自動化的裝配設(shè)備、物流設(shè)備、工裝工具、檢測設(shè)備等，如壓入機、壓緊機、擰緊機、試驗臺、RAV/AGV、輸送線等。數(shù)字化、自動化、智能化裝備是企業(yè)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，設(shè)備資源通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在過程管控層和感知與控制層的協(xié)調(diào)控制下準確、高效、協(xié)同運行，確保車間生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（二）數(shù)字化感知與控制層

數(shù)字化感知與控制層由主要由設(shè)備集成監(jiān)控與數(shù)采（SCADA）為核心，通過SCADA和各種工位感知設(shè)備，如工控機、條碼設(shè)備、讀卡器、智能相機等，連接資源層工位上各種數(shù)字化、自動化裝配設(shè)備、檢測設(shè)備、工裝工具等底層資源。接受生產(chǎn)過程管控層下達的生產(chǎn)指令，自動識別物料和工件、實時傳遞工藝參數(shù)控制設(shè)備運行，采集生產(chǎn)過程工藝參數(shù)、檢測數(shù)據(jù)和資源狀態(tài)信息，反饋生產(chǎn)過程信息。在生產(chǎn)過程管控層的指揮調(diào)度下完成高效的數(shù)字化、智能化生產(chǎn)制造過程，保證車間在及時、保質(zhì)的基礎(chǔ)上完成產(chǎn)品生產(chǎn)。

（三）數(shù)字化生產(chǎn)過程管控層

數(shù)字化生產(chǎn)過程管控層以制造執(zhí)行系統(tǒng)為核心構(gòu)建基于工位制節(jié)拍化的生產(chǎn)管控平臺，并于與PLM、CAPP、CAD等系統(tǒng)集成獲取生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)分派下達生產(chǎn)任務(wù)到產(chǎn)線執(zhí)行。向下通過與感知與控制層的條碼設(shè)備、SCADA系統(tǒng)等集成連接數(shù)字化、智能化設(shè)備。實現(xiàn)從車間計劃調(diào)度、生產(chǎn)執(zhí)行與現(xiàn)場管理等的核心生產(chǎn)制造過程管控，以及物料管理、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、設(shè)備管理等支持過程管控的數(shù)字化和智能化。并作為實現(xiàn)設(shè)計、制造、控制一體化核心環(huán)節(jié)，指揮、調(diào)度生產(chǎn)過程，協(xié)同控制生產(chǎn)過程的人、機、料、法、測、環(huán)。

（四）數(shù)字化生產(chǎn)運營監(jiān)控層

生產(chǎn)運營監(jiān)控層構(gòu)建在生產(chǎn)過程管控層的之上，由生產(chǎn)控制中心（PCC）作為信息化指揮平臺。通過PCC集成、處理過程管控層反饋的數(shù)據(jù)，形成各種可視化圖表，并整合視屏監(jiān)控系統(tǒng)輸出，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控預(yù)警，從車間全局角度和多生產(chǎn)單元協(xié)調(diào)生產(chǎn)的角度，實現(xiàn)對車間生產(chǎn)運營的綜合管控與輔助決策。

整個數(shù)字化車間有數(shù)字化車間基礎(chǔ)設(shè)施支撐：主要包括位于制造車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等組成。

C公司數(shù)字化車間由以下子系統(tǒng)和支持環(huán)境組成：

（1）車間現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)：通過設(shè)備控制網(wǎng)、執(zhí)行監(jiān)控網(wǎng)、視頻監(jiān)控網(wǎng)，三網(wǎng)物理分隔，連接現(xiàn)場設(shè)備、工位終端、監(jiān)控攝像頭與應(yīng)用系統(tǒng)；

（2）車間數(shù)據(jù)中心：部署MES應(yīng)用服務(wù)器、SCADA服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，支持各系統(tǒng)運行；

（3）設(shè)備集成監(jiān)控與數(shù)采系統(tǒng)（SCADA）：實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊，監(jiān)控產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)，采集過程工藝參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)；

（4）制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）：支持基于工位制節(jié)拍化生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程透明和可視化，建立產(chǎn)品追溯檔案，提高生產(chǎn)管控的效率。

（5）生產(chǎn)控制中心（PCC）：構(gòu)建信息化指揮平臺，對生產(chǎn)過程的全方位、分布式、可視化監(jiān)控，并實現(xiàn)統(tǒng)一指揮和集中調(diào)度。

1.制造執(zhí)行系統(tǒng)

（1）需求分析

C公司主要從事機車產(chǎn)品的裝配與調(diào)試，當(dāng)前C公司的生產(chǎn)存在生產(chǎn)任務(wù)安排簡單、物流配送不夠精準、質(zhì)量檢測紙質(zhì)記錄，人員管控難度大等問題，同時生產(chǎn)要素之間協(xié)同效果差，計劃執(zhí)行結(jié)果偏差大等不足。

因此C公司希望通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）系統(tǒng)實現(xiàn)基于工位制節(jié)拍化的生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)全流程的計劃、調(diào)度、統(tǒng)計、分析、監(jiān)控等信息進行統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)物流作業(yè)信息的快速高效處理和作業(yè)過程數(shù)據(jù)追溯管理、實時掌握產(chǎn)品的生產(chǎn)進度信息、質(zhì)量信息、工藝信息、異常信息。實現(xiàn)快捷精細的計劃排程、生產(chǎn)透明化、物流透明化，倉儲配送與作業(yè)全過程的信息化管控。

（2）功能用途

通過MES的實施，提高對生產(chǎn)過程的業(yè)務(wù)協(xié)同管控能力，通過智能化提高生產(chǎn)管控的精細化和精準化程度，同時構(gòu)建自組織生產(chǎn)計劃與調(diào)度方式，進行在線智能調(diào)試、生產(chǎn)過程實時監(jiān)控及設(shè)備故障診斷與預(yù)警管理，實現(xiàn)生產(chǎn)過程量化管理、質(zhì)量動態(tài)跟蹤以及從原材料到產(chǎn)成品的一體化協(xié)同優(yōu)化，達到按期交貨、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和減低成本的目的。

（3）工作原理

根據(jù)城軌制造裝配檢測生產(chǎn)線的生產(chǎn)特點，數(shù)字化車間制造執(zhí)行系統(tǒng)MES將涵蓋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（人員管理）、產(chǎn)品質(zhì)量管理、計劃調(diào)度管理、生產(chǎn)執(zhí)行管理、生產(chǎn)異常管理、現(xiàn)場管理、物料管理、設(shè)備管理、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

通過與PLM、CAPP等信息系統(tǒng)一起工作，實現(xiàn)企業(yè)車間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（人員管理）、產(chǎn)品質(zhì)量管理、計劃調(diào)度管理、生產(chǎn)執(zhí)行管理、生產(chǎn)異常管理、現(xiàn)場管理、物料管理、設(shè)備管理、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)等功能。并通過SCADA等系統(tǒng)采集項目生產(chǎn)各項數(shù)據(jù)和產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全方位控制。

（4）結(jié)構(gòu)組成

①工廠建模。針對C公司的自動化加工車間，MES需要具有良好的配置建模能力，支持業(yè)務(wù)的并發(fā)與協(xié)同，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場管理要求。工廠建模包括組織建模、產(chǎn)品建模、工藝建模等內(nèi)容。實現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)進行組態(tài)配置。

②計劃調(diào)度。C公司的生產(chǎn)過程需要經(jīng)過多道工序，多段裝配，在編制生產(chǎn)計劃時需要考慮部裝計劃與總裝計劃的協(xié)同性。當(dāng)通過Excel導(dǎo)入需求訂單后，MES按BOM結(jié)構(gòu)進行分解，編制主計劃，并分配到主線和子產(chǎn)線機臺、工位。下達前MES進行資源的齊套檢查，如滿足條件，通過派工單下發(fā)給車間班組執(zhí)行。

生產(chǎn)派工單明確工位/機臺號、數(shù)量、工藝文件版本等相關(guān)信息，工位/設(shè)備接收到派工單任務(wù)后，按任務(wù)進行加工。

③生產(chǎn)執(zhí)行。MES系統(tǒng)對生產(chǎn)現(xiàn)場執(zhí)行情況進行監(jiān)控，并將生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的流轉(zhuǎn)和品質(zhì)異常等信息進行記錄。通過對生產(chǎn)過程的管理，達到計劃與執(zhí)行的協(xié)作統(tǒng)一，確保生產(chǎn)的平準化?？梢酝ㄟ^以下方面對生產(chǎn)現(xiàn)狀進行改善。

一、生產(chǎn)實績信息實時采集：通過SCADA系統(tǒng)對設(shè)備中控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，實時采集設(shè)備的上料、下料、異常停機等信息，以及壓力、扭矩等工藝參數(shù)，并通過自動采集來進行計劃報完工，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。

二、零部件自動配對：通過零部件稱重數(shù)據(jù)采集和零部件隊列標識，按預(yù)設(shè)的部件配對規(guī)則，自動匹配合適的部件，傳遞給機械手抓取上線組裝。

三、生產(chǎn)實時業(yè)務(wù)驅(qū)動：通過生產(chǎn)執(zhí)行的結(jié)果，進行物料的拉動配送，進行質(zhì)量質(zhì)檢任務(wù)的生成。

四、圖文檔生產(chǎn)同步指示：伴隨著生產(chǎn)的進行，通過線邊終端進行圖文檔的實時指示，方便操作工進行加工。

④現(xiàn)場管理

在生產(chǎn)車間內(nèi)可以通過現(xiàn)場終端進行生產(chǎn)現(xiàn)場的業(yè)務(wù)進行實時管理。如發(fā)生生產(chǎn)異常、質(zhì)量問題、缺料異常、設(shè)備故障等過程中的各種問題進行識別，對突發(fā)的異常事件進行報警，以廣播、郵件等方式通知相關(guān)人員進行處理，并設(shè)置監(jiān)控屏幕進行報警監(jiān)控。結(jié)合事件處理功能，可以針對不同報警事件建立處理工作流。實現(xiàn)對異常的通知、判定、處理、跟蹤、分析追償和關(guān)閉，形成車間異常管理的閉環(huán)，提高異常處理的及時性。通過對異常的分析，進行有針對性的持續(xù)改進。

圖2.4 計劃調(diào)度流程

⑤物料及倉庫管理

C公司項目生產(chǎn)運用工位制精益生產(chǎn)管理模式，該模式對物流精細化配送的要求極高，在項目生產(chǎn)中需要時刻保證物流及時配送到各個工位，并正確匹配相應(yīng)工序，因此MES系統(tǒng)需要提前進行各工序物料需求分解，并制定相關(guān)物料上線順序，生成各工序物料需求單并發(fā)布給物流配送人員。

物料庫房管理人員根據(jù)實時的生產(chǎn)執(zhí)行情況首先進行預(yù)備料，并通過MES系統(tǒng)確認備料完成，MES系統(tǒng)得到確認后，會及時將物料發(fā)送至各工位上，相應(yīng)一線操作人員通過掃碼槍，掃描物料信息的二維碼，MES系統(tǒng)會顯示相應(yīng)物料備料信息，以便操作人員與相應(yīng)工序所需的物料清單核對，保證物料配送的準確性，并且當(dāng)各工位完成當(dāng)前工序后在MES系統(tǒng)中確認，MES系統(tǒng)會自動發(fā)布至物料配送人員，通知其提前準備下一項工序所需要的物料，從而節(jié)省項目整體生產(chǎn)時間。

三、總結(jié)

C公司是積極響應(yīng)國內(nèi)“兩化融合”方針，利用信息化建設(shè)驅(qū)動企業(yè)管理水平提升，管理效率變化的典型案例。本文通過研究C公司MES系統(tǒng)可行性分析，我們幫助MES系統(tǒng)設(shè)計之初，擁有明確的項目目標及需求分析，了解公司的各項業(yè)務(wù)需求目標和具體模塊的可行性。