一些自動化程度較高的連續(xù)型生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)達(dá)到了管控一體化的水平，實現(xiàn)了無紙化生產(chǎn)，而離散型生產(chǎn)企業(yè)由于管理的復(fù)雜性、工藝和自動化水平的限制，距離無紙化生產(chǎn)有很大的差距。隨著數(shù)字化設(shè)計和制造水平的提升，在離散型車間實現(xiàn)無紙化工藝也逐漸成為可能，國外的一些離散型車間已經(jīng)在局部實現(xiàn)了無紙化生產(chǎn)。這種無紙化生產(chǎn)的趨勢也使得MES發(fā)生著改變，本文在下面將就離散型車間的無紙化MES給出一些最新的研究成果。
無紙化生產(chǎn)是一種新的生產(chǎn)模式
連續(xù)型生產(chǎn)實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)主要是依賴自動化的流水線；離散型生產(chǎn)實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)主要是依賴工人，需要工人能夠在無紙化環(huán)境中順利工作，其難度要大得多。在這種模式下，勢必需要改變工人在車間生產(chǎn)中的角色：工人是車間中唯一增值活動(即生產(chǎn))的主體，這點與醫(yī)院的外科大夫是相似的；增值最大化的結(jié)果是將大部分的生產(chǎn)管理者都逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)輔助人員，這點與醫(yī)院的護(hù)士是相似的。
無紙化生產(chǎn)不僅是消除了“紙”，更重要的是形成了一種新的生產(chǎn)模式(角色和工作方式的轉(zhuǎn)變)。國外無紙化工作者說的“讓工人多擰幾下扳手，少錄一些數(shù)據(jù)”就十分形象的表達(dá)出了無紙化生產(chǎn)帶來的變化。
無紙化生產(chǎn)正在改變MES的概念
一般認(rèn)為MES是位于上層計劃管理系統(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)，為操作人員、管理人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源(人、設(shè)備、物料、客戶需求等方面)的當(dāng)前狀態(tài)的信息。
隨著數(shù)字化設(shè)計和制造的發(fā)展，需要以更加全局的眼光來看待MES，未來的MES除了是打通ERP層和控制系統(tǒng)層的關(guān)鍵環(huán)節(jié)外。還是將設(shè)計和工藝數(shù)據(jù)流應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)，實現(xiàn)無紙化工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
美國著名制造咨詢公司ARC提出：真正的產(chǎn)品生命周期管理從設(shè)計完成后才開始。ARC將產(chǎn)品生命周期管理的線性過程發(fā)展成為與ERP，CRM，MES，CAPA，MRO等系統(tǒng)相互交聯(lián)的平面結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
圖1 產(chǎn)品周期擴(kuò)展到設(shè)計和工程之外
制造在PLM應(yīng)用中定位的變化，改變了PLM應(yīng)用所關(guān)注的不僅僅是單純提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)的PDM與ERP的集成，而促成了更有機(jī)的PLM與MES的集成。
如圖2所示，制造活動同時存在于價值鏈和生命周期鏈條的交叉點上，其中前者是傳統(tǒng)MES的需求，后者是無紙化MES的新需求。考慮到同一個制造現(xiàn)場只能有一個執(zhí)行管理系統(tǒng)，因此現(xiàn)有的MES概念勢必需要擴(kuò)大。
圖2 制造處于企業(yè)價值鏈和產(chǎn)品生命周期過程交叉的十字路口
MES的信息集成對于企業(yè)的信息集成是具有決定性的�！凹垺笔切畔⒔换サ淖顐鹘y(tǒng)媒介，也是各孤島信息系統(tǒng)之間交換信息的主要途徑，因此可以認(rèn)為，無紙化MES不僅意味著生產(chǎn)模式的根本變革，還體現(xiàn)了整個企業(yè)信息系統(tǒng)集成的最高水平。
目前，Dasssault旗下的InterCIM在波音和巴西航空，SAP旗下的Visiprise在洛克希德·馬丁，都已經(jīng)按照這種思路實施了新一代的航空MES，在某些車間實現(xiàn)了現(xiàn)場可視化工藝，取得了不錯的應(yīng)用效果。
無紙化MES的功能框架
提出無紙化MES功能框架(圖3)，將無紙化MES劃分為9部分：車間計劃管理、生產(chǎn)準(zhǔn)備管理、工人現(xiàn)場作業(yè)管理、設(shè)備運行管理、質(zhì)量作業(yè)管理、可視化看板管理、工時管理、生產(chǎn)履歷管理和例外管理。
圖3 無紙化MES功能框架
從設(shè)計上看，該無紙化MES功能框架做出了如下考慮：
(1)突出了工人門戶的地位。工人門戶不僅能夠顯示可視化工藝，更重要的是使得工人能夠在門戶上獲得所有需要的信息，避免工人登陸不同系統(tǒng)查找信息。工人門戶使信息能夠自動推送到工人的面前，讓工人能夠快速的工作和記錄，從而帶來了無紙化生產(chǎn)環(huán)境下的新生產(chǎn)模式。
(2)提出了PDM與CAPP一體化的要求。無紙化生產(chǎn)模式下，工人在工人門戶上使用的電子工作指導(dǎo)書(EWI)是集為作業(yè)指令、工藝規(guī)程、圖紙和模型一體的數(shù)據(jù)包(EWI的概念由ISA95提出)，這種需求極大地推動了PDM與CAPP一體化。在PDM與CAPP一體化尚不成熟的情況下，MES與CAPP一體化也成為一種過渡情況下的選擇，如visiprise在洛克希德·馬丁公司實施的MES中就包括CAPP的模塊。
(3)提高了現(xiàn)場采集的效率，擴(kuò)大了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的信息量。MES在現(xiàn)場不僅扮演報開完工的作用，還需要按照EWI的要求記錄制造過程的各類相關(guān)信息：制造環(huán)境及其相關(guān)參數(shù)、所用工具工裝和設(shè)備運行狀態(tài)、原材料毛坯的來源和質(zhì)量信息、裝入件的批次和質(zhì)量信息、檢驗檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，以及對不合格品的處理信息，從而獲得完整生產(chǎn)過程履歷。
(4)現(xiàn)場例外管理，尤其是工藝方面的現(xiàn)場例外管理顯得尤其突出。為提高生產(chǎn)效率，對工藝超越和臨時工藝等，往往由工藝人員直接在生產(chǎn)現(xiàn)場完成，在無紙化后這些信息需要在MES中進(jìn)行現(xiàn)場編輯、修改和版本的管理，并能與PDM，CAPP的工藝數(shù)據(jù)對應(yīng)起來。在工程實施中，對于某些使用非結(jié)構(gòu)化CAPP的離散車間，甚至可以效仿SAP，visiprise的做法，將傳統(tǒng)CAPP中的工藝編制功能也暫時納入MES中。
(5)突出了生產(chǎn)準(zhǔn)備的地位。將生產(chǎn)準(zhǔn)備分為企業(yè)級配送和現(xiàn)場級配送兩個層次，其中由MES負(fù)責(zé)后者�，F(xiàn)場級配送強(qiáng)調(diào)中短周期的生產(chǎn)準(zhǔn)備，致力于達(dá)到JIT式的配送效果，從而使得工人能夠充分適應(yīng)無紙化生產(chǎn)下的“外科大夫”角色，將更多的精力直接投入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。
(6)更加強(qiáng)調(diào)了各類生產(chǎn)要素和業(yè)務(wù)活動的集成。無紙化生產(chǎn)環(huán)境下使人與人的工作變得更加緊密，現(xiàn)場生產(chǎn)所有需要的信息都需要也只能在計算機(jī)里進(jìn)行管理．大大提高了信息集成的要求。
無紙化MES各部分具體功能：
(1)車間計劃管理：接收ERP下達(dá)的車間訂單，將其分解為工序作業(yè)計劃，將作業(yè)任務(wù)派工到現(xiàn)場。這是傳統(tǒng)MES應(yīng)當(dāng)具備的功能。
(2)生產(chǎn)準(zhǔn)備管理：對工裝工具、車間二級庫存和在制品進(jìn)行管理，根據(jù)工序作業(yè)計劃和派工的要求，將這些生產(chǎn)資源配送到現(xiàn)場。
(3)工人現(xiàn)場作業(yè)管理：圍繞著工人門戶開展現(xiàn)場作業(yè)，工人在工人門戶上接收工作指導(dǎo)書，報工序開完工，填寫加工和檢測記錄。從國外無紙化生產(chǎn)的應(yīng)用來看，工人門戶和電子工作指導(dǎo)書是離散車間實現(xiàn)無紙化MES的最關(guān)鍵因素。
(4)設(shè)備運行管理：管理設(shè)備維修和保養(yǎng)過程，完整記錄設(shè)備運行狀態(tài)，掌握設(shè)備可用性以支持排產(chǎn)。
(5)質(zhì)量作業(yè)管理：管理現(xiàn)場檢驗過程，檢驗數(shù)據(jù)的采集，以及不合格品處理過程。
(6)可視化看板管理：用于生產(chǎn)現(xiàn)場的各類大屏幕看板，以及為管理提供可視化查詢功能。
(7)工時管理：管理定額工時和工人的實際加工工時，以及工時報表的自動生成。其中，工時數(shù)據(jù)的采集有現(xiàn)場作業(yè)模塊完成，工時數(shù)據(jù)的確認(rèn)由質(zhì)量作業(yè)模塊完成。
(8)生產(chǎn)履歷管理：在上述模塊的支持下，形成加工過程“人機(jī)料法環(huán)”的完整履歷。
(9)例外管理：處理各類例外事件，及其對生產(chǎn)計劃造成的影響，提高系統(tǒng)對生產(chǎn)例外事件的適應(yīng)能力和處理能力。
無紙化MES的實施不單純是一個軟件系統(tǒng)的實施，還需要包括工藝和硬件水平的提升作為基礎(chǔ)，有時候一種新的產(chǎn)品型號就代表著一種全新的設(shè)計和制造模式。因此，建設(shè)無紙化MES需要考慮不同產(chǎn)品型號和不同應(yīng)用階段的問題。
車間一般存在多型號的產(chǎn)品混線生產(chǎn)，使用同一套MES適應(yīng)不同成熟度的數(shù)據(jù)成為必然的選擇，尤其是現(xiàn)場使用的工作門戶需要接收不同產(chǎn)品的工作指導(dǎo)書。因此，在無紙化MES的設(shè)計中，需要特別強(qiáng)調(diào)工人門戶和工作指導(dǎo)書的標(biāo)準(zhǔn)化，提高工人門戶的功能柔性和可配置性。
無紙化MES的關(guān)鍵技術(shù)分析
無紙化MES的實現(xiàn)不僅需要管理模式的改變，還需要許多軟硬件技術(shù)作為支持：
(1)生產(chǎn)現(xiàn)場終端技術(shù)。
生產(chǎn)現(xiàn)場終端用于顯示工作指令和工作指導(dǎo)書，操作者可以在終端上察看工作任務(wù)、報開工和完工；如果條件具備，還可以在終端上察看圖紙、工藝規(guī)程和數(shù)字化模型。
國外的相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)表明便攜式的無線終端或離線終端的使用正在成為MES應(yīng)用的重要方向(圖4)。
圖4 國外MES使用的便捷式無限終端
尤其是符合航空軍工生產(chǎn)保密安全要求的、具有無線加密傳輸功能的終端技術(shù)將成為航空MES的關(guān)鍵技術(shù)。無紙化車間的現(xiàn)場終端配置數(shù)量應(yīng)該能夠滿足無紙化生產(chǎn)的需要，原則上應(yīng)當(dāng)做到一臺設(shè)備或者一個操作者配置一個終端。
(2)物流標(biāo)識技術(shù)。
MES強(qiáng)調(diào)對物流的控制，準(zhǔn)確和快速的物流管理往往都需要采用標(biāo)識技術(shù)，包括：條碼、RFID等。物流標(biāo)識技術(shù)的應(yīng)用在元紙化的情況下又顯得更為迫切。
目前，微型化的激光標(biāo)刻二維碼(如圖5所示)、抗金屬干擾和腐蝕的可粘貼式RFID都是能夠適應(yīng)于離散制造需要的標(biāo)識技術(shù)，相關(guān)的國軍標(biāo)也正在預(yù)研中。
圖5 微型化的激光標(biāo)刻二維碼
(3)自動化數(shù)據(jù)采集技術(shù)。
連續(xù)型制造企業(yè)的MES一般都強(qiáng)調(diào)管控一體化的應(yīng)用效果。離散型制造企業(yè)的MES由于缺乏足夠的自動化集成手段，往往很難達(dá)到管控一體化的程度，但是管控一體化始終是離散型制造企業(yè)MES的發(fā)展方向，也是無紙化MES發(fā)展的必然方向。離散型制造企業(yè)要實現(xiàn)管控一體化，最重要的就是要有自動化數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為支撐。
當(dāng)前比較具備可行性的自動化數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括：數(shù)控設(shè)備運行數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)、爐溫控制系統(tǒng)自動數(shù)據(jù)采集技術(shù)、測量系統(tǒng)自動數(shù)據(jù)采集技術(shù)等。
(4)人機(jī)交互技術(shù)。
MES管理制造的執(zhí)行過程，制造的執(zhí)行過程是充滿變化和例外的，該問題在失去紙作為記錄載體的情況下尤其突出。這也是人機(jī)交互技術(shù)對于無紙化MES非常重要的原因。
人機(jī)交互技術(shù)一般需要物流標(biāo)識技術(shù)和自動化數(shù)據(jù)采集技術(shù)(尤其是測試數(shù)據(jù)自動采集)作為支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)對選取錯誤批次序列號的零組件進(jìn)行提示，對BOM和工藝補(bǔ)充文件的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行驗證和報警，對測量結(jié)果進(jìn)行自動打包和分析。國外的電子裝配MES中已經(jīng)有了人機(jī)交互的工程應(yīng)用，如圖6所示。
圖6 國外MES的人機(jī)交互式應(yīng)用
工程驗證
在某大型航空制造企業(yè)，根據(jù)本文提出的無紙化MES功能框架，進(jìn)行了無紙化MES系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和實施，完全取消了裝配指令(AO)等紙制現(xiàn)場文檔，取得了較好的應(yīng)用效果。
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本文標(biāo)題：面向離散型車間的無紙化MES研究
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