面向离散型企业的MES技术研究

朱丽娜，许春停

制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)能通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理，当车间里面有实时事件发生时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。近10年来，MES技术已经在石油、化工、能源、食品和造纸等行业得到了广泛的实施和应用，国内许多企业也逐渐开始采用这项技术来增强自身的核心竞争力［1－2］。然而在 MES系统建设方面，国内目前大多企业仍然侧重于MES的软件开发及其建模，主要停留在思想、内涵及体系结构方面的研究上，应用系统开发一般局限于单一功能，在技术深度与应用广度上都存在差距。本文结合中国电子科技集团公司第38研究所(以下简称中国电科38所)在精密加工车间实施MES的过程，分析并解决MES实施过程中关键技术及难点问题，开发了集工艺过程全流程追踪和质量控制等多功能集成于一体的MES系统，达到了预期目标，对提高企业信息化管理水平具有重要意义。

1 MES系统应用背景

中国电科38所主要从事电子装备研制与生产，是典型的离散型企业，具有科研与生产一体化特征，生产模式为多品种、小批量生产，在研产品生产、试制产品生产、小批量投产产品生产同时进行，生产计划会经常改变和调整［3］。由于离散型企业的上述特点，增加了企业在生产、物流和质量等方面的管理难度，大大降低了企业的生产效率和产品的质量。中国电科38所目前已经运用多种信息化系统OA、PDM、CAPP等来解决工作中的问题，并发挥了重要作用，但生产现场的管理还处于人工管理的状态，缺少信息化平台支撑，导致浪费大量人力物力。生产现场主要存在以下几方面薄弱环节:

a.无法及时了解生产过程情况，对生产进度缺乏准确及时的数据，缺少有效的统计和考核手段。

b.加急计划多，对原有生产安排的冲击较大，缺少有效的方法和手段来对生产资源进行重新合理安排。

c.工艺信息的变更迫使正在加工的零件重新制订加工计划，影响后续工序和其他零件的加工生产。

d.制造设备与工具未实施信息化管理，设备加工情况监控不到位，缺少设备运行状态信息，设备有效利用率较低。

e.型号和零件种类较多，实时状态靠人工现场查看，无法及时了解产能情况，人工管理效率无法满足生产计划进度要求，遗漏生产任务情况时有发生。

f.生产实时状况、人员状况以及设备的运行参数和性能指标缺乏有效的监控与科学化管理。

g.工时信息依靠人工统计，既浪费人力物力，又时有错误发生。

h.质量信息依靠纸质方式统计，质量信息不能快速统计来指导生产。

i.手工填写报表，不能及时统计各种信息来指导生产。

总之，企业生产现场的计划准确性、实时性比较差，影响企业对生产的快速反应能力。对车间中大量的不确定因素，缺乏科学决策方法，缺乏系统间的有效集成，使得各个方面的信息系统成为一个孤岛，信息无法传递。

2 MES系统总体方案研究

MES系统是面向车间层次的管理信息系统，在上层资源计划管理系统(Enterprise Resource Planning，ERP)与下层工业控制执行系统(Process Control System，PCS)之间架起了一座桥梁，图1所示为MES在企业信息集成体系中的关系。系统总体方案设计思路是:应用面向生产过程的设计理念，以生产信息基础库/数据库为核心，采用B/S模式的Web－Service技术的3层结构模型，与企业原有产品数据管理系统(Product Date Management，PDM)、工艺数据管理系统(Computer Aided Process Planning，CAPP)、制造信息系统(Manufacturer Information System，MIS)、车间分布式数字控制系统(Direct Numerical Control，DNC)和物流系统(LogisticsSystem，LS)等相集成，获得生产计划信息、产品数据、生产工艺信息和物流信息等，将生产计划和车间作业现场控制联系起来，从而可弥补计划层与控制层之间的空隙，实现企业连续的信息流，提高企业的敏捷性［4］。

图1 MES在企业信息集成体系中的关系

2.1 功能结构规划

系统功能结构规划以数控增效、提高产能为出发点，实现生产现场计划、机床、刀具、质量等数据的全面集成，建立完善的生产管理数据体系，图2所示为MES系统功能规划。中国电科38所的MES系统是在标准MES业务组件基础上，针对离散型企业的典型需求，实现工艺过程全流程追踪、机床监控、计划排产、计划管理、车间管理、库房管理、检验管理、外协管理、决策支持与分析和数据集成等功能。

图2 MES系统功能规划

2.2 数据流程设计

数据流程设计的目标是在设计任务进入系统，到设计结果输出的整个过程中，信息、数据流通始终保持畅通，图3所示为MES系统工作数据流程图。MES系统通过与企业现有的MIS、PDM、CAPP、DNC和LS等基础数据的集成，提取产品BOM、三维图形、工序、工时、程序、刀具及投产令号信息等，实现图形化高级计划与排产，并对工作现场数据、机床运行状态、刀具库存、质量状态实时采集、监控，为计划调度、质量控制提供决策支持与分析。

图3 MES系统工作数据流程

2.3 关键技术分析

2.3.1 集成技术

基于信息共享的PDM/CAPP/MIS/DNC/LS/MES的集成是企业实施的重点。通过开放MES的数据结构，开发数据接口程序，在 PDM/CAPP/MIS/LS/DNC系统数据保存时，数据库自动调用触发器，实时在MES数据库中创建生产任务，实现动态设计数据，快速响应工艺变更，全流程跟踪生产计划执行，实时采集现场数据，以及产品模型数据、工艺数据、生产过程数据和质量数据的动态共享和联动，从而实现信息化系统上下游的衔接。

2.3.2 离散排产技术

遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择及遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是基于“适者生存”的一种高度并行、随机和自适应优化算法，具有很高的灵活性和并行处理能力等特点［5］。系统中采用遗传算法，将影响离散型企业计划排产的关键因素(如:产品的BOM关系、同一整件中的长短工序、每个零件的计划节点、不同工序的定额工时与实际加工用时之间的关系系数、同一零件不同工序之间的离散度、产品优先级、每个工序的产能、紧急插单等排产因素)及其内在逻辑关系参数化为排产基础数据，实现自动排产。自动排产结果如图4所示，图中显示了每台机床承担的任务情况及相应任务完成情况。

2.3.3 工艺过程全流程追踪技术

图4 自动排产结果

工艺过程全流程追踪技术是通过与CAPP系统集成工艺过程的方法实现，零部件经过计划排产后，MES根据工艺过程自动传递到规定的班组，然后由班组长登录系统后对任务进行分配，员工采用条码扫描方式登录系统，通过触发方式实现制造状态的信息获取。工艺过程全流程追踪实现了所有产品从工艺设计结束到制造信息系统下达生产计划的任务派送以及计划人员的直接派工，提高了班组对未来任务的预判，做到了项目经理和计划人员“足不出户”就能对现场工作进行掌控，增强了产品后续质量的历史追踪，并为产品全生命周期管理提供了良好的数据支撑，改变了员工工时分配的纸质化管理，为车间基础数据的统计提供了信息化手段。这样就提高了工作效率、准确度，降低了劳动力成本。工艺过程全流程追踪技术实现的详细流程如图5所示。

3 应用系统实践

图5 工艺过程全流程追踪流程图

通过对精密加工车间MES实际需求分析，结合离散型企业特点，完成了MES功能结构规划和数据流程设计，解决了开发过程中集成技术、离散排产技术和工艺过程全流程追踪技术等关键技术，建成了一套可行的MES系统。通过MES工艺流程管理及质量追溯系统解决方案的实施，大大提高了生产效率，减少了外协工作量，提高了产品的质量和稳定性。通过全流程质量追溯的实施，提高了产品的质量和稳定性。通过全流程查询系统的实施，提高了领导层对项目总体计划的全局掌控和决策的科学性、可行性。截至目前，在中国电科38所该系统已有涉及5个产品6 000多个零件运行成功。通过测试，系统排产计划履约率达到80%，数据录入和统计时间缩短50%，问题的追溯率提高到90%，设备的利用率提高10%，为产品的质量统计、全生命周期管理提供了数据支撑。

4 结束语

面对电子整机产品快速发展、多品种小批量生产模式的行业背景，本文开展了以数控增效、提高产能为出发点，以“产品过程控制”为核心的MES系统应用技术研究。系统成功实现与企业现有MIS、PDM、CAPP、DNC 和 LS的集成，改善了企业信息化集成制造水平。系统应用后，设备利用率、车间的生产能力、产品的质量都得到了提高，并为提高后续产品计划安排的科学性和可行性及后续车间实现无图化打下了坚实的基础。

［1］ 黄宋魏，王波，和丽芳.选矿厂MES的设计［J］.有色金属，2011(S1):244－249.

［2］ 刘佩欣，祝威.浅谈制造执行系统(MES)在煤化工行业中的应用探讨［J］.神华科技，2011，9(5):70－73.

［3］ 刁树民，金喜波，杨明远，等.离散型制造业应用MES系统模型设计［J］.佳木斯大学学报，2009，27(2):223 －225.

［4］ 许春停，朱春临，张冲，等.离散型制造车间MES的研究及实现［J］.航空制造技术，2012(11):86－89.

［5］ 姚丽丽，史海波，刘昶，等.烟草排产中嵌入规则的遗传算法应用研究［J］.制造业自动化，2011，33(4):89－93.