車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)是美國管理界20世紀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MESA組織(MES國際聯(lián)合會)對MES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)品并進行了大量應(yīng)用，如西門子、明基等公司均開發(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)成功地在航空航天、電子等軍工制造單位進行了工程化應(yīng)用。
MES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，單純地依靠增加機床設(shè)備、擴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)所廣泛認同——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。
北京星航機電裝備有限公司(以下簡稱“星航公司”)雖然在信息化建設(shè)方面有了一定的基礎(chǔ)，并已成功實施了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，在中間的車間級執(zhí)行層面上仍是一片空白。
企業(yè)目前面臨以下問題：
(1)如何提升排產(chǎn)速度與靈活性，優(yōu)化調(diào)度和生產(chǎn)活動，以應(yīng)對有限的任務(wù)完工期限，以及人員、設(shè)備、任務(wù)的不斷變化。
(2)如何實現(xiàn)制造過程的可追溯，對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行記錄，了解產(chǎn)品使用的原材料情況和生產(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。
(3)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)度情況和報警等信息內(nèi)容。
(4)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，從而為領(lǐng)導(dǎo)提供成本計算、質(zhì)量分析和生產(chǎn)能力的決策支持。
KMMES便是實現(xiàn)這些要求的有效手段。
MES的解決方案
由圖1可以清晰地看出KMMES六大功能的管理與應(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)計分析與決策支持。下面重點說明KMMES的六大亮點，為企業(yè)面臨的急需問題提供有效的解決方案。
圖1 KMMES的功能模型圖
1 基于有限能力的計劃排產(chǎn)
KMMES系統(tǒng)計劃排產(chǎn)功能的實現(xiàn)需具備以下因素：通過生產(chǎn)日歷提取人員、設(shè)備信息建立資源能力模型；通過標準工時和加工工時數(shù)據(jù)的采集評估排產(chǎn)工時；通過與ERP、PDM集成提取制造零件的工序，并評估物料、工藝、NC程序等生產(chǎn)準備因素是否滿足排產(chǎn)條件(圖2)。
圖2 計劃排產(chǎn)流程圖
計劃調(diào)度員通過接收ERP系統(tǒng)的車間計劃，以月計劃粗略排產(chǎn)，以周計劃精準排產(chǎn)，2。3天進行局部調(diào)整的方式運行。插單處理是通過排產(chǎn)后設(shè)備負荷率情況盡量以人工調(diào)度為主，以插單系統(tǒng)排產(chǎn)為輔的方式運行。
KMMES計劃排產(chǎn)的應(yīng)用后，為計劃制定和執(zhí)行提供了科學(xué)依據(jù)，能夠大大提高加工任務(wù)的準時交貨率，減少機床的停機和等待時間，縮短生產(chǎn)過程時間，提高調(diào)度的有效性和及時性，并且不斷提升了車間實做工時信息的準確率，便于成本核算和績效考核。
2 基于作業(yè)執(zhí)行過程的可追溯管理
作業(yè)執(zhí)行過程管理是MES的核心部分，因此作業(yè)執(zhí)行管理流程會直接或間接地影響著產(chǎn)品的生產(chǎn)、監(jiān)督、監(jiān)控和質(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)，不斷地優(yōu)化作業(yè)執(zhí)行管理流程是非常必要的。星航公司數(shù)控車間的作業(yè)執(zhí)行管理工作流程如圖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、工藝、質(zhì)量等技術(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，檢驗員確認后匯報給ERP系統(tǒng)。
KMMES作業(yè)執(zhí)行過程管理的應(yīng)用，實現(xiàn)了工序級加工情況的可追溯管理，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)量問題分析和責(zé)任追究提供證據(jù)支持。
3 基于監(jiān)控平臺的可視化管理
KMMES的監(jiān)控平臺，由兩部分組成：一部分是為車間管理人員服務(wù)的車間生產(chǎn)監(jiān)控模塊，利用車間LED大屏幕和觸摸屏屏保來展示。
通過三維／二維圖形化顯示進行直觀的、實時的生產(chǎn)過程的重現(xiàn)(圖4是KMMES系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控三維顯示模塊)；通過計劃執(zhí)行看板使管理人員及時地了解設(shè)備的加工情況、計劃的執(zhí)行情況、生產(chǎn)資源的調(diào)度情況和報警信息等實際狀況；通過車間通知模塊顯示車間最新通知、通報和宣傳標語。第二部分是為車間維護人員服務(wù)的報警監(jiān)控。對于啟動KMMES報警事件流程的報警信息第一時間通過系統(tǒng)郵件發(fā)送到相關(guān)維護人員，從而進行有效、迅速的響應(yīng)，及時處理現(xiàn)場發(fā)生的各種事件，以保證整個生產(chǎn)車間的正常運行。
圖4 KMMES系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控三維顯示模塊
4 強大的統(tǒng)計分析
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、餅狀圖和柱狀圖等數(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)計檢驗開始和任務(wù)統(tǒng)計。星航公司的KMMES還提供了靈活的報表定制功能，系統(tǒng)用戶可以通過簡單的設(shè)置新增所需的統(tǒng)計內(nèi)容、顯示格式等。
網(wǎng)上調(diào)度會是星航公司KMMES統(tǒng)計查詢模塊的一大亮點功能模塊。在同一界面中按照月、周、日3類時間以表格的形式顯示各個班組總計劃數(shù)、已完計劃數(shù)、未完計劃數(shù)、工序完成率等，通過鉆取表格中的數(shù)據(jù)可以進一步查詢相應(yīng)的計劃、工序，再通過這些計劃可以鉆取查詢相應(yīng)的物料、刀具、工裝等生產(chǎn)準備情況，方便簡單地操作為車間領(lǐng)導(dǎo)會議講評和決策分析提供數(shù)據(jù)支持，大大地提升了車間基礎(chǔ)執(zhí)行層的管理能力。
5 全面的系統(tǒng)集成
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是運行MES的前提。按照星航公司的實際管理對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)和其分配信息進行管理，使MES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，獲取生產(chǎn)計劃、工具／工裝等物料信息、標準工時等基礎(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，獲取人員工種、班組、狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)；通過與DNC／MDC系統(tǒng)集成，獲取機床設(shè)備的動態(tài)信息等等。
6 條碼技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用
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)對這些信息進行規(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，星航公司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)輸人輸出端，極大地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，真正地實現(xiàn)了自動化的信息化。
MES的效益分析
通過MES工程化應(yīng)用，為星航公司數(shù)控車間生產(chǎn)制造帶來了巨大的社會與經(jīng)濟效益。
(1)管理水平帶動生產(chǎn)效率共同提高。通過KMMES的實施，降低了數(shù)控車問生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，具體表現(xiàn)在典型型號產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中設(shè)備綜合利用效率提高了14．1％，通過單元化流水作業(yè)方式，典型關(guān)重件／瓶頸零件制造周期縮短了28．6％。
(2)排產(chǎn)效率和精準性得到了大幅提高。實施KMMES前人工計劃排產(chǎn)時間粗略，不利于提高制造效率，特別是對于臨時插單的任務(wù)，一般是由計劃調(diào)度員和設(shè)備操作者商定完成時間；實施后通過高級排產(chǎn)，結(jié)合設(shè)備負荷率，可以精準的調(diào)整出排產(chǎn)計劃。排產(chǎn)花費時間只需實施前30％左右。由于實施KMMES后的排產(chǎn)結(jié)果更加合理，瓶頸設(shè)備的任務(wù)堆積情況大為減輕。
(3)生產(chǎn)任務(wù)的準備周期大幅減少。KMMES在生產(chǎn)準備階段的應(yīng)用和現(xiàn)場監(jiān)控看板功能的實施，生產(chǎn)所需的各項生產(chǎn)資源由系統(tǒng)根據(jù)計劃自動生成，負責(zé)生產(chǎn)準備的工作人員可以快速有序的安排準備工作，與實施前相比，任務(wù)準備時間減少了40％，停機待料的情況比實施前減少了75％。并且通過現(xiàn)場監(jiān)控使車問各種異常和報警事件能得到迅速反應(yīng)和處理，車間任務(wù)因各種異常而中斷的情況比以前大為減少。
MES的發(fā)展目標
星航公司在實施MES之初確立了MES“五步走”的發(fā)展目標。2010年星航公司根據(jù)批復(fù)的MES項目可行性研究報告，開始調(diào)研、討論、論證，再到技改項目申報、審批，招標、項目實施經(jīng)歷了1年半時間，基本完成了規(guī)范原始數(shù)據(jù)、信息化排產(chǎn)、細化過程流程，建立了強大的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)，加強了車間生產(chǎn)過程的控制，完成了星航公司MES發(fā)展目標的第一步。
第二步，通過優(yōu)化生產(chǎn)過程流程，引進先進科學(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，進而推動車間綜合管理的全面優(yōu)化。
第五步，邁向MES的終極目標，管理層結(jié)合MES(代表著是車間的實力與能力)進行車間的決策和未來規(guī)劃。
結(jié)束語
星航公司KMMES的建設(shè)基本覆蓋了數(shù)控銑床、普通銑床、數(shù)控車床、普通車床、線切割、鏜床、刨床、磨床及鉗工設(shè)備等近百臺機加設(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，推進了數(shù)控車間生產(chǎn)管理的數(shù)字化進程。
MES發(fā)展之路還需要一個很長的過程進行探索與創(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)驗向星航公司其他專業(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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