離散制造業(yè)機(jī)床小件MES 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高瑜雄， 姜 亮， 龍忠琳， 葉雪茹

（中國機(jī)械總院集團(tuán)云南分院有限公司＜云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室＞云南 昆明 650000）

0 引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體， 隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展和工業(yè)信息化推進(jìn)，制造業(yè)成為我國經(jīng)濟(jì)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型升級(jí)”的主戰(zhàn)場(chǎng)。 “中國制造2025”強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出標(biāo)志著我國由制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。

制造執(zhí)行系統(tǒng) （Manufacturing Execution System，MES）作為目前應(yīng)用廣泛的車間管理系統(tǒng)，它不僅有效指導(dǎo)車間生產(chǎn)運(yùn)行過程， 而且在企業(yè)和供應(yīng)鏈間以雙向交互的形式提供生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)信息。 目前國內(nèi)的中小型機(jī)床制造企業(yè)，信息化程度相對(duì)落后。有的企業(yè)還在使用人工記錄紙質(zhì)單據(jù)的形式在運(yùn)作。 機(jī)床制造企業(yè)使用的MES 系統(tǒng)，大多是針對(duì)機(jī)床大件加工而設(shè)計(jì)。 機(jī)床大件，一般都會(huì)有條碼、二維碼或者鋼印號(hào)標(biāo)志，以單個(gè)零件的加工方式運(yùn)作。 而機(jī)床上“體積小而且價(jià)格低”的零部件（后面稱之為“機(jī)床小件”），不方便打上鋼印號(hào)、條碼、二維碼等， 或者標(biāo)號(hào)成本極高， 一般都是以批量的方式運(yùn)作。 本文將重點(diǎn)針對(duì)“機(jī)床小件MES 系統(tǒng)”做研究設(shè)計(jì)。

1990 年11 月， 美國先進(jìn)制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）就提出了MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）概念。 1997 年，MESA 提出的MES 功能組件和集成模型，包括11 個(gè)功能，同時(shí)規(guī)定，只要具備11 個(gè)功能之中的某一個(gè)或幾個(gè)，也屬M(fèi)ES 系列的單一功能產(chǎn)品。2004年，MESA 提出了協(xié)同MES 體系結(jié)構(gòu)（c-MES）。

20 世紀(jì)90 年代初期， 中國就開始對(duì)MES 以及ERP的跟蹤研究、宣傳或試點(diǎn)，而且曾經(jīng)提出了“管控一體化”“人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷”等頗具中國特色的CIMS、MES、ERP、SCM 等概念，只是總結(jié)、歸納、宣傳、堅(jiān)持或者提煉、提升不夠，發(fā)展勢(shì)頭不快。

國內(nèi)最早的MES 是20 世紀(jì)80 年代寶鋼建設(shè)初期從SIEMENS 公司引進(jìn)的。 中國工業(yè)信息化基本上是沿著西方工業(yè)國家的軌跡前進(jìn)，只是慢半拍而已。幾乎絕大多數(shù)大學(xué)和工業(yè)自動(dòng)化研究單位，甚至于國家、省、市級(jí)政府主管部門都開始跟蹤、研究MES。 從中央到地方，從學(xué)會(huì)到協(xié)會(huì)，從IT 公司到制造生產(chǎn)廠，從綜合網(wǎng)站到專業(yè)網(wǎng)站，從綜合大學(xué)到專科院校，都卷入了MES 熱潮之中。

從行業(yè)角度看，國內(nèi)的MES 系統(tǒng)主要在流程行業(yè)等少數(shù)領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟，而在離散型制造領(lǐng)域，無論從成功案例的數(shù)量還是案例的規(guī)模上來看都有較大差距。MES 系統(tǒng)在離散制造業(yè)的發(fā)展， 往往表現(xiàn)為真正用得好的不多。

1 需求分析

機(jī)床小件的特點(diǎn)：種類繁多、價(jià)格低廉、生產(chǎn)繁雜。因?yàn)槔麧櫳?，大部分機(jī)床企業(yè)不愿意自己生產(chǎn)，但是小件又是機(jī)床生產(chǎn)裝配必不可少的零部件。 比如：滑塊頂塊、絲桿隔套、絲桿托架、導(dǎo)向桿固定板等等，如圖1 所示。

圖1 有代表性的小件

機(jī)加工車間普遍環(huán)境不太適合擺放電腦等固定終端。 在手機(jī)等移動(dòng)終端普及、5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成熟的條件下，面向用戶的移動(dòng)終端App 已逐漸成為最優(yōu)選擇。 市面上機(jī)床小件MES 系統(tǒng)目前還比較少，很多生產(chǎn)機(jī)床小件的中小型企業(yè)，還在使用手工記錄工藝流轉(zhuǎn)單的方式管理。因?yàn)闄C(jī)床小件的特點(diǎn)， 企業(yè)一般是通過計(jì)件方式進(jìn)行工資核算。工人每天填寫工藝流轉(zhuǎn)單上報(bào)，統(tǒng)計(jì)員通過統(tǒng)計(jì)流轉(zhuǎn)信息，物料信息，工藝工序價(jià)格等信息來統(tǒng)計(jì)工資。在應(yīng)用企業(yè)，當(dāng)工人數(shù)量達(dá)到百人左右時(shí)，管理庫存、計(jì)劃任務(wù)、統(tǒng)計(jì)工時(shí)工資的工作將非常繁重。統(tǒng)計(jì)員每天收集紙質(zhì)流轉(zhuǎn)單據(jù)生產(chǎn)信息， 把信息再錄入到Excel 等工具中進(jìn)行處理統(tǒng)計(jì)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力還非常容易出錯(cuò)。工藝卡信息、工序信息通過人工來管理，時(shí)間久了經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)亂、信息不統(tǒng)一等等情況。 工人對(duì)自己的工資有疑問時(shí)查詢也非常麻煩。

紙質(zhì)文檔經(jīng)過多年積累，管理難度較大，產(chǎn)品出現(xiàn)問題很難追溯，需要翻閱大量的紙質(zhì)文檔。使用計(jì)算機(jī)代替人工作業(yè)可以避免上面的問題和困擾。 通過調(diào)研整理出如下關(guān)鍵需求：

（1）計(jì)劃任務(wù)管理：根據(jù)顧客訂單信息、備貨計(jì)劃、現(xiàn)有庫存信息、在制品信息、BOM 信息，通過MRP 算法生成采購計(jì)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、委外加工計(jì)劃。

（2）生產(chǎn)執(zhí)行管理：依據(jù)企業(yè)現(xiàn)有業(yè)務(wù)流程，將生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)到指定工段，作業(yè)人員領(lǐng)取生產(chǎn)任務(wù)，完成工序作業(yè)后，在系統(tǒng)上做工序完工確認(rèn)信息。然后質(zhì)量檢驗(yàn)合格入庫。

（3）倉庫管理：主要有倉庫入庫、出庫管理、庫存信息管理、盤盈虧庫存調(diào)賬管理。 庫存管理不是MES 系統(tǒng)的核心模塊， 本次設(shè)計(jì)只做簡(jiǎn)單的總庫存的SUMMARY 記錄管理，不做明細(xì)庫存。

（4）計(jì)件工時(shí)工資：企業(yè)使用紙質(zhì)工藝流轉(zhuǎn)單記錄上報(bào)完工量，統(tǒng)計(jì)員通過上報(bào)信息統(tǒng)計(jì)計(jì)算工資。工作量特別龐大，容易出錯(cuò)，經(jīng)常出現(xiàn)工人對(duì)工資有異議，再次排查上報(bào)單據(jù)信息特別困難，這也是小件系統(tǒng)的一個(gè)痛點(diǎn)。

（5）工藝工序管理：工藝工序是生產(chǎn)執(zhí)行的核心，工序的價(jià)格、版本信息也是工時(shí)工資統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵信息。

（6）容錯(cuò)性考慮：工人文化水平參差不齊，經(jīng)常會(huì)填寫錯(cuò)誤信息。本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)：工藝工序價(jià)格容錯(cuò)調(diào)整；工序確認(rèn)容錯(cuò)調(diào)整。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)車間管理系統(tǒng)軟件一般運(yùn)行于PC 端， 但是由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、空間限制、線路安全等因素，增加了車間管理的難度。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能移動(dòng)終端的不斷發(fā)展，管理軟件移動(dòng)化逐漸成為車間管理系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。對(duì)此，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于H5 混合開發(fā)平臺(tái)，一次開發(fā)，適用IOS 和android 系統(tǒng)。采用BS 模式，結(jié)合MES 系統(tǒng)的功能模塊，設(shè)計(jì)并開發(fā)一套具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)管理功能的移動(dòng)管理系統(tǒng)，管理客戶從移動(dòng)終端下單到產(chǎn)品生產(chǎn)完成的整個(gè)過程， 期望能夠?qū)φ麄€(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)管理以及優(yōu)化生產(chǎn)流程，從而實(shí)現(xiàn)靈活生產(chǎn)、移動(dòng)辦公，滿足制造過程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的跟蹤和監(jiān)控方面的個(gè)性化需求。

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)部署方式

系統(tǒng)選擇云服務(wù)器部署。降低部署成本，無需購買相關(guān)硬件設(shè)備；降低人員技能要求，降低人力成本；降低安全管理費(fèi)用；降低維護(hù)成本；降低企業(yè)的管理維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)；訪問靈活； 可以利用云服務(wù)彈性伸縮能力靈活滿足實(shí)際資源需求，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.1.2 緩存架構(gòu)選型

Redis 緩存。 在高并發(fā)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)庫大多數(shù)情況下都是用戶并發(fā)訪問最薄弱的環(huán)節(jié)。 所以系統(tǒng)使用Redis 做緩存操作，讓請(qǐng)求先訪問到Redis ，而不是直接訪問MySQL 等數(shù)據(jù)庫。 這樣可以大大緩解數(shù)據(jù)庫的壓力。

2.1.3 數(shù)據(jù)庫選型

MySQL 數(shù)據(jù)庫。 MySQL 是一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，屬于Oracle 旗下產(chǎn)品。 MySQL 是最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一，在WEB 應(yīng)用方面，MySQL 是最好的應(yīng)用軟件之一。 MySQL 將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個(gè)大倉庫內(nèi)，這樣就增加了速度并提高了靈活性。 MySQL 所使用的SQL 語言是用于訪問數(shù)據(jù)庫的最常用標(biāo)準(zhǔn)化語言。MySQL 由于其體積小、速度快、擴(kuò)展性強(qiáng)、總體擁有成本低，尤其是開放源碼這一特點(diǎn)，一般中小型和大型網(wǎng)站的開發(fā)都選擇MySQL 作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

2.2 系統(tǒng)總體模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)過機(jī)床企業(yè)， 小件生產(chǎn)業(yè)務(wù)的調(diào)研， 整理業(yè)務(wù)流程，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)總體分為六大模塊：基本信息管理，工藝工序管理，計(jì)劃任務(wù)管理，生產(chǎn)執(zhí)行管理，庫存管理，工時(shí)工資核算管理，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)模塊圖

2.3 基礎(chǔ)信息模塊

一般的制造型企業(yè)，都是以公司、工廠、工段、班組設(shè)立組織結(jié)構(gòu)，部分企業(yè)在工段上面加了一層加工中心。要管理庫存，需要倉庫基本信息，物料基本信息和物料分類信息。 所以基礎(chǔ)信息模塊功能設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 基本資料模塊

2.4 工藝工序管理模塊

機(jī)床制造，需要對(duì)零部件進(jìn)行加工，裝配，所以加工和裝配的產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的工藝工序信息需要管理。 為了提高復(fù)用性，減少工作量，設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)工序管理，標(biāo)準(zhǔn)工序提供給所有工藝卡使用。 產(chǎn)品的尺寸大小，功能不同，所需的材料不同，加工工序不同，所以需要加上版本控制。 工序不同，加工的成本有差異，工價(jià)也會(huì)有差異。 這里設(shè)置版本信息，是核算工時(shí)工資和成本信息的關(guān)鍵點(diǎn)。

依據(jù)不同工種，把工序類型定義如圖5 所示。

圖5 工序類型設(shè)定

2.5 計(jì)劃任務(wù)管理模塊

MRP 是企業(yè)制作生產(chǎn)計(jì)劃的核心， 一般在ERP 實(shí)現(xiàn)， 因?yàn)榇舜握{(diào)研的企業(yè)ERP 系統(tǒng)尚未建設(shè)， 所以把MRP 在MES 系統(tǒng)中做了簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，來制作生產(chǎn)計(jì)劃。 企業(yè)根據(jù)客戶訂單量、BOM 信息、現(xiàn)有庫存、生產(chǎn)中庫存，通過MRP 算法，計(jì)算出采購計(jì)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、委外計(jì)劃等信息。 MRP 計(jì)算通過系統(tǒng)定時(shí)任務(wù)完成，最終產(chǎn)生生產(chǎn)計(jì)劃。 生產(chǎn)管理人員核對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃無誤，下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃，產(chǎn)生任務(wù)信息。 然后工人領(lǐng)取任務(wù)進(jìn)行作業(yè)。 MRP 邏輯關(guān)系如圖6 所示。

圖6 MRP 計(jì)算的核心內(nèi)容

2.6 生產(chǎn)執(zhí)行模塊

工序確認(rèn)，主體流程是工人領(lǐng)取任務(wù)，同時(shí)領(lǐng)取毛坯材料，按照工序作業(yè)。 作業(yè)完成在系統(tǒng)上做確認(rèn)，機(jī)床小件一般是批量作業(yè)。 其中作業(yè)也分順序作業(yè)和非順序作業(yè)兩種，此信息是在工藝卡上標(biāo)志判斷的。工序確認(rèn)的時(shí)候，系統(tǒng)做重復(fù)檢查、順序檢查，同時(shí)記錄流轉(zhuǎn)單確認(rèn)日志。工序確認(rèn)日志是工時(shí)工資統(tǒng)計(jì)的核心信息，記錄了工序信息和版本信息。

生產(chǎn)任務(wù)轉(zhuǎn)移，如果工人領(lǐng)取的生產(chǎn)任務(wù)，不能及時(shí)完成，可以轉(zhuǎn)移給其他工位的工人協(xié)助加工，增加了系統(tǒng)業(yè)務(wù)的靈活性。入庫檢驗(yàn)，除了工序過程中的自檢互檢，在所有工序完成時(shí)也會(huì)有入庫前的最后一道檢驗(yàn)工序 （專檢）。 檢驗(yàn)完成即可入庫。 工序確認(rèn)的邏輯如圖7 所示。

圖7 工序確認(rèn)邏輯

2.7 庫存管理模塊

在制造企業(yè)的信息化建設(shè)中， 庫存管理是十分重要的一環(huán)。 隨著工業(yè)4.0 的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)倉庫現(xiàn)場(chǎng)管理的透明化有了更高的要求， 庫存管理也越來越受企業(yè)重視。庫存管理得當(dāng)，能提高庫存周轉(zhuǎn)率，減少庫存積壓，同時(shí)庫存有了預(yù)警，可以防止庫存斷檔。此次系統(tǒng)管控了毛坯和成品兩大類的物料，毛坯采購入庫，在領(lǐng)取任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行毛坯領(lǐng)用出庫。成品在檢驗(yàn)入庫的時(shí)候產(chǎn)生庫存，發(fā)貨的時(shí)候庫存扣減。盤盈虧功能，是用于簡(jiǎn)單的調(diào)整庫存使用。在盤點(diǎn)或者平時(shí)業(yè)務(wù)異常的時(shí)候，進(jìn)行庫存調(diào)賬使用。庫存變化同時(shí)會(huì)產(chǎn)生庫存交易信息，倉庫管理員可以通過此功能追蹤庫存的變化信息。

2.8 工時(shí)工資成本核算

工時(shí)工資統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)通過任務(wù)信息，流轉(zhuǎn)單，檢驗(yàn)入庫信息，人員信息，工序價(jià)格信息，物料基本信息的關(guān)聯(lián)，統(tǒng)計(jì)出工時(shí)工資信息。再通過材料成本和人力成本，核算公司的成本。 工資核算的數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖8 所示。

圖8 工資核算數(shù)據(jù)流

3 功能實(shí)現(xiàn)及成果展示

（1）數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)，基本思路就是按照上面內(nèi)容描述的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面列出部分?jǐn)?shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)信息，如圖9 所示。

圖9 主要數(shù)據(jù)表

（2）根據(jù)功能類型，部分系統(tǒng)菜單設(shè)計(jì)，如圖10 所示。

圖10 部分系統(tǒng)菜單

4 結(jié)束語

制造執(zhí)行系統(tǒng)不僅是制造企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)過程管理的重要手段， 還有更多的功能延伸需要我們不斷探索和嘗試。 本文結(jié)合了筆者在制造業(yè)進(jìn)行MES 基礎(chǔ)研究和應(yīng)用實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出此套適合機(jī)床小件制造企業(yè)的MES 系統(tǒng)。 通過在某機(jī)床小件制造企業(yè)的MES 項(xiàng)目實(shí)施運(yùn)行，此系統(tǒng)操作使用簡(jiǎn)單，基本滿足了企業(yè)的業(yè)務(wù)需求，并取得了良好的應(yīng)用和示范效果。通過此系統(tǒng)實(shí)施，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)管理流程起到了規(guī)范和優(yōu)化的作用， 降低了管理部門業(yè)務(wù)人員的重復(fù)性勞動(dòng)，提升創(chuàng)造性勞動(dòng)，降低了企業(yè)的管理成本，解決了企業(yè)工時(shí)工資統(tǒng)計(jì)困難、工藝工序信息管理、質(zhì)量追溯難等多個(gè)痛點(diǎn)。