引言

    車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System），簡稱MES，是美國管理界上世紀(jì)90年代提出的新概念，是基于數(shù)字化技術(shù)建立的車間層作業(yè)計劃與執(zhí)行控制的系統(tǒng)，是制造系統(tǒng)實現(xiàn)綜合優(yōu)化的一項核心技術(shù)。國際KMMESA組織（KMMES國際聯(lián)合會）對KMMES的定義：“MES是一些能過完成車間生產(chǎn)活動管理及優(yōu)化的硬件和軟件的集合，這些生產(chǎn)活動的覆蓋從訂單發(fā)放到出產(chǎn)品的全過程”。國外已開發(fā)出成熟的MES產(chǎn)品并進(jìn)行了大量應(yīng)用，如達(dá)索、西門子等公司均開發(fā)了自己的MES產(chǎn)品，在應(yīng)用客戶中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

    國內(nèi)在車間制造執(zhí)行系統(tǒng)研究方面也已經(jīng)開展了大量的研究，特別是近年來針對軍工企業(yè)特點開發(fā)了針對性的MES產(chǎn)品，如武漢開目信息技術(shù)有限責(zé)任公司、北京航空航天大學(xué)、中江聯(lián)合（北京）科技有限公司等，已經(jīng)成功在航空、航天、電子等軍工制造單位進(jìn)行了工程化應(yīng)用。

    北京星航機(jī)電設(shè)備廠通過大量的調(diào)研，系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性和兼容性等指標(biāo)的對比，最終選用了開目公司的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（簡稱KMMES）。

1 KMMES的建設(shè)背景

    近年來，隨著科研生產(chǎn)任務(wù)不斷增加，新產(chǎn)品研制周期和批量生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換周期明顯加快，要求車間大幅度縮短零件工藝技術(shù)準(zhǔn)備周期和零件加工周期，對質(zhì)量控制和成本控制也提出了更高的要求。在生產(chǎn)數(shù)控車間中，單純的依靠增加機(jī)床設(shè)備、擴(kuò)大資源等方式來提高產(chǎn)能已經(jīng)難以滿足新的需求，同時，新的需求帶來了企業(yè)制造管理方方面面的變革，為上至制造企業(yè)、下至制造車間帶來了一系列的挑戰(zhàn)。

    制造信息化走到了今天，制造車間信息化數(shù)字化已為制造企業(yè)所廣泛認(rèn)同。企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)已經(jīng)清醒的認(rèn)識到：制造技術(shù)的領(lǐng)先和制造過程的高效管理是保持可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

    北京星航機(jī)電設(shè)備廠雖然在信息化建設(shè)方面有了一定的基礎(chǔ)，已成功實施了ERP/PDM/質(zhì)量系統(tǒng)項目，但卻僅限于企業(yè)專項業(yè)務(wù)層，而在中間的車間級執(zhí)行層面上卻是一片空白。企業(yè)面臨以下問題：

    ●如何提升排產(chǎn)速度與靈活性，同時優(yōu)化調(diào)度和生產(chǎn)活動，以應(yīng)對任務(wù)完工期限的有限，以及人員、設(shè)備、任務(wù)的不斷變化；

    ●如何實現(xiàn)制造過程的可追溯，對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行記錄，了解產(chǎn)品使用的原材料情況，生產(chǎn)過程情況（工藝、設(shè)備、質(zhì)量等），從而及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題，也為后續(xù)質(zhì)量問題分析提供證據(jù)支持；

    ●如何實時展現(xiàn)生產(chǎn)過程中的設(shè)備加工情況、計劃執(zhí)行情況、生產(chǎn)資源調(diào)度情況、報警等信息內(nèi)容；

    ●如何實現(xiàn)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，設(shè)備的利用率如何，人員的技能水平如何，哪個工序容易產(chǎn)生不合格品等等，從而為領(lǐng)導(dǎo)提供成本計算，質(zhì)量分析，生產(chǎn)能力的決策支持。

    KMMES便是實現(xiàn)這些要求的有效手段。

2 KMMES的解決方案

圖1  KMMES的功能模型圖

    根據(jù)圖1可以清晰的看出KMMES的七大功能管理與應(yīng)用：數(shù)據(jù)資源管理、作業(yè)計劃管理、作業(yè)執(zhí)行管理、報警事件管理、監(jiān)控管理、統(tǒng)計分析、決策支持。下面重點解說一下KMMES的六大亮點，也是為企業(yè)面臨的急需問題提供的解決方案。

    2.1 強(qiáng)大的有限能力排產(chǎn)，為計劃制定和執(zhí)行提供了科學(xué)依據(jù)

圖2 計劃排產(chǎn)流程圖

    KMMES計劃排產(chǎn)是緊密結(jié)合與生產(chǎn)制造有關(guān)的人員、設(shè)備、物料等生產(chǎn)現(xiàn)場的實時情況，對生產(chǎn)計劃進(jìn)行精確的有限能力排產(chǎn)和控制，具體確定每道工序的投入和產(chǎn)出，將工序的投入時間和產(chǎn)出時間精度提高到時、分級，進(jìn)行工序級的生產(chǎn)排產(chǎn)，從而能夠更加緊湊、合理地安排生產(chǎn)任務(wù)，提高排產(chǎn)的效率和準(zhǔn)確性。同時還支持按不同策略進(jìn)行排產(chǎn)的功能，如支持正排、倒排；支持基于優(yōu)先級、交貨期限、最長工序、瓶頸資源等約束的排產(chǎn)；支持鎖定某個已排計劃或某道工序的重新排產(chǎn)等。

    KMMES計劃排產(chǎn)的應(yīng)用，提高了加工任務(wù)的準(zhǔn)時交貨率，減少機(jī)床的停機(jī)和等待時間，縮短了生產(chǎn)過程時間，快速解決了插單的難題，提高了調(diào)度的有效性和及時性，為計劃制定和執(zhí)行提供了科學(xué)依據(jù)，并且不斷提升了車間實做工時信息的準(zhǔn)確率，便于成本核算，績效考核。

    排產(chǎn)完成后系統(tǒng)會自動生成一項項任務(wù)，由調(diào)度人員將其派工給各個班組。為了防止因生產(chǎn)計劃調(diào)整、臨時插單等情況出現(xiàn)而造成任務(wù)混亂、調(diào)整工作量大等問題，車間一般派出3-5天的任務(wù)進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)行。

    通過基于有限生產(chǎn)能力的計劃排產(chǎn)，支持離散、小批量及流水等混合作業(yè)模式，實現(xiàn)了制造資源全過程優(yōu)化配置，并適應(yīng)了復(fù)雜、動態(tài)的航天制造企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，通過有序、協(xié)調(diào)、高效和柔性的作業(yè)排產(chǎn)，設(shè)備資源利用負(fù)荷相對平衡，有效縮短了典型關(guān)重件/瓶頸零件制造周期。

    2.2 詳細(xì)的作業(yè)執(zhí)行過程記錄，實現(xiàn)了產(chǎn)品的可追溯管理，讓管理人員一目了然

    作業(yè)執(zhí)行過程管理是KMMES的核心部分，因此作業(yè)執(zhí)行管理流程會直接或間接的影響著產(chǎn)品的生產(chǎn)、監(jiān)督、監(jiān)控與質(zhì)量的把關(guān)。為確保產(chǎn)品的生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)，不斷的優(yōu)化作業(yè)執(zhí)行管理流程是非常必要的。北京星航機(jī)電設(shè)備廠數(shù)控車間的作業(yè)執(zhí)行管理工作流程見下圖3所示。

圖3 數(shù)控車間作業(yè)執(zhí)行工作流程圖

    數(shù)控車間調(diào)度員首先在KMMES管理平臺上將排產(chǎn)后生成的任務(wù)派工到各個班組的班組長，班組長、工人、檢驗人員在現(xiàn)場觸摸屏上進(jìn)行一系列活動的完成。班組長根據(jù)任務(wù)所在數(shù)控設(shè)備的操作人具體情況進(jìn)行派工到工人，工人接收到任務(wù)后確定加工開始，此時KMMES開始記錄該任務(wù)在當(dāng)前工序的實際加工時間。工人在加工過程中可以查閱相關(guān)的生產(chǎn)信息、技術(shù)文檔，完成后向該工序檢驗匯報自己的加工完成情況。檢驗接收到任務(wù)后，填寫檢驗結(jié)果，對于關(guān)鍵工序需要填寫關(guān)鍵工序尺寸記錄報告。如果無質(zhì)量問題時，KMMES將檢驗結(jié)果匯報給ERP系統(tǒng)，如果有質(zhì)量問題，KMMES 先匯報給質(zhì)量系統(tǒng)，等待質(zhì)量部門處理意見后反饋回KMMES的檢驗員匯報界面，檢驗員確認(rèn)后匯報給ERP系統(tǒng)。

    通過作業(yè)執(zhí)行過程管理將計劃作業(yè)過程詳細(xì)的記錄在系統(tǒng)中，實現(xiàn)了管理人員工序級加工情況的可追溯查詢，從而及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題，也為后續(xù)質(zhì)量問題分析提供證據(jù)支持。

    2.3 強(qiáng)大的監(jiān)控平臺，解決了車間生產(chǎn)管理的可視化和響應(yīng)速度

    通過監(jiān)控管理模塊，來實現(xiàn)車間生產(chǎn)管理的透明化和可視化，能及時準(zhǔn)確地反映生產(chǎn)車間的真實情況，且能夠通過三維\二維圖形、表單等形式進(jìn)行直觀的、歷史的和實時的生產(chǎn)過程的重現(xiàn)，使管理人員及時的了解到設(shè)備加工情況、計劃的執(zhí)行情況、生產(chǎn)資源的調(diào)度情況、報警信息的狀態(tài)情況等實際狀況。

    由于車間實際生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和某些不可預(yù)測性等因素，如設(shè)備故障與檢修、產(chǎn)品質(zhì)量問題、工藝設(shè)計問題等，會使車間的正常運(yùn)行受到一定的影響，從而影響生產(chǎn)進(jìn)程，因此啟動報警事件流程，讓相關(guān)處理人員第一時間準(zhǔn)確、及時地獲取相關(guān)報警事件信息是至關(guān)重要的，從而進(jìn)行有效、迅速的響應(yīng)，及時處理現(xiàn)場發(fā)生的各種事件，對生產(chǎn)現(xiàn)場加以調(diào)整，以保證整個生產(chǎn)車間的正常運(yùn)行。

圖4  KMMES系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控三維顯示模塊

    2.4 強(qiáng)大的統(tǒng)計分析與決策支持，是其他生產(chǎn)系統(tǒng)無法媲美的優(yōu)勢

    在實際生產(chǎn)工作中，車間經(jīng)常需要獲得生產(chǎn)過程中的各類生產(chǎn)情況的匯總報表信息。KMMES統(tǒng)計分析模塊，通過報表、線型圖、餅狀圖、柱狀圖等數(shù)據(jù)的展示手段，實現(xiàn)了人員統(tǒng)計、設(shè)備統(tǒng)計、物料統(tǒng)計、質(zhì)量統(tǒng)計、任務(wù)統(tǒng)計。北京星航機(jī)電設(shè)備廠的KMMES還提供了靈活的報表定制功能，數(shù)控車間的用戶可以直接在系統(tǒng)中通過簡單的設(shè)置新增所需的統(tǒng)計內(nèi)容、顯示格式等。

    決策支持模塊是北京星航機(jī)電設(shè)備廠KMMES正在建設(shè)的模塊，通過基于觸摸屏/條碼的物流標(biāo)識和數(shù)據(jù)采集，實時掌握車間現(xiàn)場的作業(yè)執(zhí)行情況，建立信息齊備的產(chǎn)品生產(chǎn)與質(zhì)量信息檔案，實現(xiàn)產(chǎn)品制造過程可追溯管理，了解異常問題的處理情況，掌握關(guān)重設(shè)備的運(yùn)行狀況和利用率，通過實際加工時間了解人員的技能水平等等。通過這些方式的實現(xiàn)，為車間領(lǐng)導(dǎo)及其他專項應(yīng)用系統(tǒng)提供決策輔助工具，提升車間基礎(chǔ)執(zhí)行層的管理能力，并用技術(shù)手段保存下企業(yè)的核心技術(shù)經(jīng)驗，實現(xiàn)知識的積累。

    2.5 全面的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了開放式集成化的信息流管理

    基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是運(yùn)行KMMES的前提。按照北京星航機(jī)電設(shè)備廠的實際管理對KMMES系統(tǒng)定義數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了對生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對象及車間資源狀態(tài)和其分配信息進(jìn)行管理，從而使KMMES系統(tǒng)能與車間的實際業(yè)務(wù)模式相適應(yīng)，為下一步制定出更加切實可行、執(zhí)行度高的生產(chǎn)計劃打下堅實的基礎(chǔ)。

    不僅如此，實施全面的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了開放式集成化的信息流管理，提升了現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)性能，推進(jìn)了數(shù)控車間生產(chǎn)管理的數(shù)字化。

    通過KMMES工程化應(yīng)用技術(shù)，與ERP、PDM、DNC/MDC等系統(tǒng)有效集成，構(gòu)建了數(shù)字化車間協(xié)同制造平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息集成與共享。通過與ERP系統(tǒng)的集成，獲取了生產(chǎn)計劃、工具/工裝等物料信息、標(biāo)準(zhǔn)工時等基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)；通過與PDM工藝系統(tǒng)集成，獲取了工藝BOM、二維、三維工藝文件、NC程序等基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)；通過與人力資源系統(tǒng)的集成，根據(jù)工種、班組、狀態(tài)建立了KMMES人員數(shù)據(jù)模型；通過與DNC/MDC系統(tǒng)集成，獲取機(jī)床設(shè)備的動態(tài)信息等等。

    2.6 采用條碼技術(shù)，極大的提高KMMES系統(tǒng)應(yīng)用效率，真正實現(xiàn)自動化的信息化

    在生產(chǎn)制造過程中，物料信息和零部件信息是車間數(shù)據(jù)管理的一大難題，為了解決數(shù)據(jù)錄入和數(shù)據(jù)采集這一“瓶頸”問題，企業(yè)對這些信息進(jìn)行了規(guī)范化編碼管理，并引入條碼技術(shù)應(yīng)用于KMMES系統(tǒng)。由于一維碼數(shù)據(jù)容量小、只能包含字母和數(shù)字、容錯能力差等缺點，北京星航機(jī)電設(shè)備廠車間選用了二維條碼技術(shù)。在KMMES系統(tǒng)中應(yīng)用于員工卡、交檢單、轉(zhuǎn)移單等系統(tǒng)輸入輸出端，極大的方便了工人軟件登錄，信息查詢等操作，為車間的物料信息管理和生產(chǎn)制造過程管理提供了有力的技術(shù)支持，對提高KMMES系統(tǒng)的應(yīng)用效率起到了積極作用 ，真正實現(xiàn)自動化的信息化。

3 北京星航機(jī)電設(shè)備廠MES的定位模型

    美國權(quán)威機(jī)構(gòu)現(xiàn)金制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）最先提出了MES的定位模型：“MES是位于上層的計劃管理系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)”。結(jié)合這一理念，北京星航機(jī)電設(shè)備廠根據(jù)自身特點提出建設(shè)MES系統(tǒng)的定位模型是：基于ERP、PDM、質(zhì)量系統(tǒng)等專項業(yè)務(wù)系統(tǒng)與車間制造活動之間的車間管理信息系統(tǒng)。見下圖5所示。

圖5 北京星航機(jī)電設(shè)備廠KMMES的定位模型

    從這個三層定位模型清楚的可以看出，MES是面向制造活動管理的中間執(zhí)行層系統(tǒng)，它作為信息的集線器，專項業(yè)務(wù)系統(tǒng)為MES運(yùn)行提供所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，MES為其他的專項業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)，并且向車間制造活動下達(dá)生產(chǎn)指令進(jìn)行生產(chǎn)流程的過程控制，車間制造活動通過各種接口將生產(chǎn)現(xiàn)場信息傳遞給它。

4 北京星航機(jī)電設(shè)備廠MES的目標(biāo)模型

圖6 北京星航機(jī)電設(shè)備廠MES發(fā)展目標(biāo)模型

    北京星航機(jī)電設(shè)備廠在實施MES之初確立了MES的五步走的發(fā)展目標(biāo)。

    2009年國防科工局下發(fā)《關(guān)于下達(dá)千臺數(shù)控機(jī)床增效工程條件建設(shè)實施方案的通知》，批復(fù)了北京星航機(jī)電設(shè)備廠MES項目可行性研究報告，之后開始調(diào)研、討論、論證到技改項目申報、審批，再到招標(biāo)、項目實施經(jīng)歷了一年半時間，基本完成了規(guī)范原始數(shù)據(jù)、信息化排產(chǎn)、細(xì)化過程流程，建立了強(qiáng)大的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)，加強(qiáng)了車間生產(chǎn)過程的控制，完成了北京星航機(jī)電設(shè)備廠MES發(fā)展目標(biāo)的第一步。

    第二步，通過優(yōu)化生產(chǎn)過程流程，引進(jìn)先進(jìn)科學(xué)的管理制度，來優(yōu)化MES的系統(tǒng)功能，確立和實現(xiàn)MES車間中間執(zhí)行層的價值。

    第三步，通過優(yōu)化MES，加強(qiáng)調(diào)度管理能力，提高調(diào)度車間資源的有效性和響應(yīng)問題的及時性。

    第四步，通過先進(jìn)管理理念和成熟的信息化軟件支持，實現(xiàn)了與生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量系統(tǒng)無縫集成，進(jìn)而推動車間綜合管理的全面優(yōu)化和系統(tǒng)化。

    第五步，邁向 MES的終極目標(biāo)，管理層結(jié)合MES（代表著是車間的實力與能力）進(jìn)行車間的決策和未來規(guī)劃。

5 結(jié)束語

    北京星航機(jī)電設(shè)備廠KMMES的建設(shè)基本覆蓋了數(shù)控加工中心、簡易數(shù)控銑、數(shù)控車、線切割、鏜床、刨床、普通車床、普通銑床、磨床及鉗工設(shè)備等機(jī)加設(shè)備，以及管理、計劃、調(diào)度、工藝、操作、核算等在職人員，完成了從計劃任務(wù)到最終產(chǎn)品的生產(chǎn)活動的全生命周期管理與監(jiān)控，實現(xiàn)了數(shù)控車間對復(fù)雜產(chǎn)品的資源管理、數(shù)據(jù)管理、作業(yè)計劃、工藝設(shè)計、執(zhí)行控制和質(zhì)量管理等核心業(yè)務(wù)過程的閉環(huán)管理模式，同時通過與ERP、PDM、質(zhì)量等信息系統(tǒng)的有效集成，將當(dāng)前精確的數(shù)據(jù)及時傳遞并分散到各個相關(guān)流程部門處理，引導(dǎo)、響應(yīng)和報告車間的生產(chǎn)動態(tài)，大大提升了解決問題的能力，推進(jìn)了數(shù)控車間生產(chǎn)管理的數(shù)字化進(jìn)程。

    我廠MES發(fā)展之路還需要一個很長的過程進(jìn)行探索與創(chuàng)新，我們將一步一個腳印，努力打造信息化數(shù)控車間，并將此經(jīng)驗向北京星航機(jī)電設(shè)備廠全廠其他專業(yè)車間推廣，為全面建設(shè)具有核心競爭力的航天裝備企業(yè)奠定堅實的基礎(chǔ)。

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本文標(biāo)題：借力KMMES，打造信息化數(shù)控車間

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