1 概述

    制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)是美國管理界在20世紀(jì)90年代提出的新概念，是位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)，是制造系統(tǒng)實現(xiàn)綜合優(yōu)化的一項核心技術(shù)。MES作為當(dāng)前制造業(yè)信息化領(lǐng)域的研究與應(yīng)用熱點，起著信息傳遞與溝通的作用，其重要程度得到了制造企業(yè)越來越多的關(guān)注。

    國外已開發(fā)出成熟的MES產(chǎn)品并進(jìn)行了大量應(yīng)用。如法國達(dá)索、德國西門子等公司均開發(fā)出了自己的MES產(chǎn)品，在應(yīng)用客戶中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。我國在車間制造執(zhí)行系統(tǒng)研究方面也已經(jīng)開展了大量的研究工作，特別是近年來針對軍工企業(yè)機械制造特點開發(fā)了有針對性的MES產(chǎn)品。如武漢開目信息技術(shù)有限公司、北京蘭光創(chuàng)新科技有限公司、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等企業(yè)和高校開發(fā)的MES產(chǎn)品均已成功地在航空、航天、電子等領(lǐng)域的軍工制造單位進(jìn)行了工程化應(yīng)用。

2 典型航天企業(yè)機加車間管理現(xiàn)狀

    隨著近年來航天產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高、交付之間的縮短等情況的逐步增多，客觀上對企業(yè)的快速響應(yīng)制造能力提出了更高的要求，企業(yè)面臨研制與批量生產(chǎn)交叉并舉、加工時間緊、任務(wù)重、生產(chǎn)計劃管理復(fù)雜的嚴(yán)峻局面，給現(xiàn)有的分廠科研生產(chǎn)管理體系帶來了巨大的壓力，主要體現(xiàn)在：

    (1)任務(wù)在一定時間內(nèi)不均衡、設(shè)備間任務(wù)不均衡企業(yè)當(dāng)前任務(wù)量大，同時由于各產(chǎn)品間投產(chǎn)的不均衡性，造成車間加工任務(wù)具有時間上的不均衡性，在一定時間內(nèi)任務(wù)量很大。另外，還存在設(shè)備間任務(wù)的不均衡，設(shè)備存在“忙閑不均”的現(xiàn)象，造成生產(chǎn)過程中資源的臨時性缺乏，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中設(shè)備負(fù)荷不均，使得生產(chǎn)資源很難充分利用。

    (2)生產(chǎn)過程管理有待優(yōu)化

    當(dāng)前，車間生產(chǎn)組織采用手工方式進(jìn)行計劃排產(chǎn)、作業(yè)調(diào)度控制和過程管理，對設(shè)備能力、實做工時、生產(chǎn)準(zhǔn)備等因素的考慮比較粗糙，很難從整體的角度對車間資源進(jìn)行平衡，這在一定程度上降低了計劃的可執(zhí)行性，使得車間資源得不到整體充分利用，只能憑借生產(chǎn)調(diào)度人員的經(jīng)驗組織加班來解決，進(jìn)而造成人力、資源、時間的浪費，影響設(shè)備的綜合效率。

    (3)生產(chǎn)現(xiàn)場信息反饋的及時性不高

    車間的任務(wù)執(zhí)行信息反饋主要依賴調(diào)度人員進(jìn)行統(tǒng)計，由于生產(chǎn)過程中存在很多不確定因素，現(xiàn)場的作業(yè)執(zhí)行與先前的計劃安排經(jīng)常出現(xiàn)較大差距，統(tǒng)計信息不準(zhǔn)和統(tǒng)計信息滯后也就不可避免，這也使得及時掌握所有信息成為較困難的事情，在一定程度影響了生產(chǎn)作業(yè)計劃的制定、調(diào)整，造成生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)實際嚴(yán)重脫節(jié)，影響生產(chǎn)管理部門對任務(wù)執(zhí)行的控制。

    (4)缺乏有效的車間層信息化管理手段

    企業(yè)雖然在信息化建設(shè)方面有了一定的基礎(chǔ)，已成功地實施了MRPⅡ、PDM、質(zhì)量系統(tǒng)等項目，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，使得生產(chǎn)現(xiàn)場物流和質(zhì)量追溯的手段落后，數(shù)控設(shè)備獨立運行，信息采集和集成較為困難。

    通過MES的實施，企業(yè)可以對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，掌握產(chǎn)品生產(chǎn)過程情況(工藝、設(shè)備、質(zhì)量等)，從而可準(zhǔn)確地地預(yù)測產(chǎn)品的交貨期，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，改善物料供應(yīng)；提高生產(chǎn)計劃的靈活性，提高設(shè)備、人員、材料的利用率；面對更加嚴(yán)格的檢驗制度，獲得足夠的制造現(xiàn)場數(shù)據(jù)，列產(chǎn)品的原材料、設(shè)備、工藝、加工時間等進(jìn)行記錄，從而實現(xiàn)產(chǎn)品制造過程的可追溯。

3 面向航天制造企業(yè)的MES結(jié)構(gòu)及功能模塊研究

    面向航天制造企業(yè)的MES，覆蓋機加車間的數(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)備等全部加工資源，以及管理、計劃、調(diào)度、工藝、操作、核算等全部人員，實現(xiàn)車間生產(chǎn)作業(yè)計劃、工序作業(yè)計劃制定、下達(dá)、工序工步級信息反饋等車間生產(chǎn)過程控制；通過應(yīng)用觸摸屏、條碼掃描等方式進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場信息的實時反饋；通過DNC系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)控加工程序的有效管理；通過MDC系統(tǒng)實現(xiàn)對關(guān)鍵重要設(shè)備加工狀態(tài)的監(jiān)控，實現(xiàn)車間生產(chǎn)管理的可視化，制造記錄、工時卡片等紙面文件的電子化，實現(xiàn)與PDM、MRPⅡ等信息系統(tǒng)的集成。

圖1 MES流程圖

    MES的主要功能包括基6出數(shù)據(jù)管理、作業(yè)計劃管理、作業(yè)執(zhí)行管理、生產(chǎn)準(zhǔn)備管理、報警管理、關(guān)鍵重要設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控及統(tǒng)計分析等。

    (1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

    基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是MES運行的前提，為整個系統(tǒng)的運行提供各種資料和數(shù)據(jù)。通過與MRPⅡ系統(tǒng)的集成，獲取MES運行所需的生產(chǎn)計劃、工時定額、工裝工具等基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)；通過與PDM工藝系統(tǒng)集成，獲取系統(tǒng)運行所需的型號產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝數(shù)據(jù)等；建立了設(shè)備信息、資源組信息、生產(chǎn)日歷信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。根據(jù)企業(yè)實際業(yè)務(wù)模式定義數(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，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)。

    (2)作業(yè)計劃管理

    作業(yè)計劃管理模塊實現(xiàn)了基于有限生產(chǎn)能力的計劃排產(chǎn)，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，考慮加工設(shè)備的能力，以及任務(wù)在設(shè)備上的分布時段，可以針對當(dāng)前車間生產(chǎn)任務(wù)和能力的具體情況制訂詳細(xì)的作業(yè)計劃，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。

    (3)作業(yè)執(zhí)行管理

    作業(yè)執(zhí)行管理是MES的核心部分，由計劃調(diào)度員將MES排產(chǎn)后生成的任務(wù)派工到各個班組的班組長，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派工到工人，工人接收到任務(wù)后確定加工開始，加工過程中可以查閱相關(guān)生產(chǎn)信息、技術(shù)文檔，完成后匯報自己的加工完成情況并提交檢驗。檢驗員接收到任務(wù)后，填寫檢驗結(jié)果，如無質(zhì)量問題，MES將檢驗結(jié)果匯報給MRPⅡ系統(tǒng)，如有質(zhì)量問題，MES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MES的檢驗員匯報界面，檢驗員確認(rèn)后，匯報給MRPⅡ系統(tǒng)。

    (4)生產(chǎn)準(zhǔn)備管理

    對生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行計劃排產(chǎn)前，可以進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備評估，針對物料、工裝、工藝文件等進(jìn)行評估，檢查是否具備條件進(jìn)行派工。針對關(guān)鍵重要件生產(chǎn)進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備指令的提前發(fā)布，由計劃排產(chǎn)人員根據(jù)任務(wù)的排產(chǎn)信息給相應(yīng)人員(工藝員、庫管員等)下達(dá)生產(chǎn)準(zhǔn)備指令。領(lǐng)導(dǎo)及生產(chǎn)管理人員可以查看關(guān)鍵重要件任務(wù)的生產(chǎn)準(zhǔn)備情況，系統(tǒng)會在任務(wù)到期前2天發(fā)送預(yù)警指令。

    (5)報警管理

    由于車間實際生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和某些不可預(yù)測的因素，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，會使車間的正常運行受到一定的影響，從而影響生產(chǎn)進(jìn)程。因此，啟動報警時間流程，讓相關(guān)處理人員準(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)車間的正常運行。

    (6)關(guān)鍵重要設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控

    通過遠(yuǎn)程監(jiān)控實現(xiàn)對關(guān)鍵重要數(shù)控設(shè)備加工過程的監(jiān)控，將采集的加工信息傳遞給MES，實現(xiàn)生產(chǎn)指令、零件名稱、實際加工時間、實際加工數(shù)量、機床開始時間、機床結(jié)束時間、有效加工時間、主軸負(fù)荷和故障信息等瀏覽，實現(xiàn)關(guān)鍵重要設(shè)備的實時監(jiān)控信息基于網(wǎng)絡(luò)的共享訪問，提供對設(shè)備加工數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、查詢。

圖2 車間作業(yè)計劃排產(chǎn)流程圖

    (7)統(tǒng)計分析

    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，提供靈活的報表定制功能，生產(chǎn)管理人員可以直接在系統(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，利用統(tǒng)計分析結(jié)果為生產(chǎn)管理層提供決策輔助工具。

4 MES工程化應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究

    (1)基于數(shù)據(jù)中心的多平臺、多層次制造數(shù)據(jù)集成技術(shù)

    基于數(shù)據(jù)中心模式，實現(xiàn)MES與MRPⅡ、PDM、質(zhì)量信息系統(tǒng)、DNC/MDC等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，各系統(tǒng)不直接訪問彼此數(shù)據(jù)信息，而是統(tǒng)一在數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)的同步使用相關(guān)的刷新策略處理，使用數(shù)據(jù)同步服務(wù)對源數(shù)據(jù)進(jìn)行深加工，為了保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確更新到數(shù)據(jù)中心，對于不經(jīng)常處理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用異步方式更新數(shù)據(jù)，對于即時響應(yīng)處理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用同步方式更新數(shù)據(jù)。

    (2)基于有限生產(chǎn)能力的計劃排產(chǎn)技術(shù)

    通過基于有限生產(chǎn)能力的計劃排產(chǎn)技術(shù)，對車間中各工作單元進(jìn)行完全的有限能力的任務(wù)分析，仿真評估計劃的可執(zhí)行性和預(yù)測計劃執(zhí)行的問題，使系統(tǒng)更符合車間批生產(chǎn)與研制混線生產(chǎn)的實際。系統(tǒng)利用用戶選定的排序規(guī)則、任務(wù)的約束條件、任務(wù)的優(yōu)先等級等作為啟發(fā)規(guī)則對任務(wù)進(jìn)行排序，并將排序結(jié)果以直觀的方式(Gantt圖)顯示給用戶。

圖3 作業(yè)執(zhí)行管理工作流程圖

    (3)面向閉環(huán)管理的制造執(zhí)行過程監(jiān)控技術(shù)

    面向閉環(huán)管理的制造執(zhí)行過程監(jiān)控技術(shù)以工藝路線驅(qū)動為核心，實現(xiàn)作業(yè)執(zhí)行過程的全面管理，為不同角色的車間人員提供協(xié)同工作環(huán)境。通過MES，以“計劃排產(chǎn)—生產(chǎn)準(zhǔn)備—派工反饋—生產(chǎn)跟蹤監(jiān)控—現(xiàn)場問題處理—統(tǒng)計分析”為主線，將車間內(nèi)外的主體業(yè)務(wù)完整的串聯(lián)起來。通過現(xiàn)場觸摸屏、條碼掃描等方式，實現(xiàn)制造過程數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)在制品進(jìn)度的實時跟蹤，為系統(tǒng)用戶實時反映包括從生產(chǎn)準(zhǔn)備、零部件加工、完工交付等作業(yè)情況。

5 結(jié)束語

    企業(yè)通過實施MES，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)了機加車間對復(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MRPII、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)，提升了解決問題的能力，推進(jìn)了航天制造企業(yè)典型機加車間生產(chǎn)管理的數(shù)字化進(jìn)程。MES的實施有利于實現(xiàn)車間管理的精益化，擺脫粗放的管理模式，對于企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。

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本文標(biāo)題：航天企業(yè)機加車間MES工程化應(yīng)用研究

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