MES在变压器制造企业的应用与研究

谢庆峰+王锋+丁坤

摘要MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）作为数字化工厂承上启下的关键系统，成为输变电企业近年来重点推进的系统。本文重点对MES在变压器制造企业铁芯片剪切车间应用的一些关键技术及经验进行论述，以期对相似行业提供借鉴。

关键词MES；ERP；过程优化；铁芯片；生产车间

西安西电变压器有限责任公司专业从事交、直流输变电工程用变压器、电抗器和冶炼、化工工业、科研等特种变压器的研发和制造，是我国超高压、特高压变压器类产品的核心制造企业，是中国最大的变压器制造企业之一。公司在十一五、十二五期间信息化建设得到了长足的进步，先后建设了三维CAD、CAE、CAM、PDM、0A、ERP、HR等软件和系统，在数字化研发与信息化管理方面实现了信息流的全面贯通。但在生产过程中车间接到ERP下达生产计划指令后，经常发生与计划偏差的情况（如设备故障、原料不合格等），车间因此会根据实际情况进行调整，但是ERP继续按照原本的计划执行订单，导致ERP系统成为“无本之木”。

MES是位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间生产的管理信息系统。它能够为车间管理人员提供生产计划的执行、跟踪以及所有资源的当前状态等信息。制造执行系统在企业计划管理层与车间底层控制之间架起了一座桥梁，填补了企业计划管理层和底层控制之间的“鸿沟”。因此，公司决定在制造车间逐步推广制造执系统。

1MES试点车间选取

冲剪车间是变压器铁芯片剪切车间，担负着变压器铁芯加工、并联电抗器铁芯加工及电抗器铁轭绕制等生产任务，是变压器生产的主要配套车间，车间包含7条全自动化剪切线，可以充分测试和研究计划层与控制层数据贯通情况。同时冲剪车间物料管理和跟踪复杂，物料、半成品、成品属于聚合转换关系，生产灵活机动，管理过程复杂，质量活动频繁，自检、互检、专检、终检等贯穿整个生产过程，如何有效的控制质量活动，如何高效的控制生产活动等都是重点研究的对象。

2模型建立与系统信息流设计

根据车间的工艺过程及管理特点，同时综合考虑已有信息系统的接口关系建立系统模型如下：

冲剪车间MES系统按工艺过程规划信息流向如下。

1）MES系统接收ERP计划、订单、物料等信息；2）根据ERP下达的生产订单，MES系统接收PDM系统的图纸、工艺文件、质量要求等数据；3）MEG系统套裁套料（加工优化）模块将接收的图纸信息生成具体的加工任务；4）MES根据上述的ERP计划和订单、物料信息，套裁的加工任务，自动生成车间生产作业加工计划（工序级），同时根据套裁导入的加工任务生成定额工时；5）MEG系统DNC模块将套裁套料模块生成的加工任务和工艺程序，自动下发到生产班组和数控铁芯剪切线；6）剪切线工人进行上料、下料操作，并通过条码、感应设备在MES终端进行开工及报工；7）检验人员在MES系统质量检验模块中进行工序质量控制；8）MES系统在生产过程中实时向ERP系统反馈生产进度信息；9）MES系统MDC模块实时采集设备的运行数据，进行设备绩效统计与分析。

3系统执行过程优化

在模型建立及数据流贯通之后，结合智能制造的特点需要对生产控制过程进行优化，全面融入精益生产理念，减少材料浪费，实现设备利用率的最大化，进行车间作业计划的系统编制，并与ERP系统进行集成应用，实现管理信息与制造执行的有效衔接。合理安排生产，减少瓶颈问题，敏捷响应制造过程中的各类异常，保证生产有序进行，提高整体生产效率。规范化质量检验标准和不合格品的处理，更准确的预测质量趋势，有效的控制质量缺陷。优化后的系统执行过程如下图：

3.1套裁套料

物料如何高效流转和精细化使用，是企业降低成本和优化生产的重要环节。冲剪车间主要物料矽钢片属于贵重物资且消耗量极大，所以对物料的管理、追溯、统计等都是MES试点项目的重点。在冲剪车间多工号间相互套料，提高原材料的利用率是减少材料浪费的最直接的办法，所以MES系统套裁套料模块重点进行了矽钢片套裁的算法优化，使用模糊算法，为冲剪车间提供3种解决方案，供用户选择。在如下计算原则中寻求平衡。

1）产生余料最少（材料节省但工作效率可能不高）。

2）操作最方便（工作效率较高但产生废料较多）。

3）大套小（优先考虑宽料米数，后考虑窄料）。

4）米数相近（多个不同宽度得卷料尽量取长度米数相近的套裁）。

5）支持裁边宽度参数设置。

3.2生产指令下达

车间技术员根据现场的实际情况选择确认某一方案后，系统根据套裁结果、工艺路线设定以及从ERP系统接收的生产计划信息，自动进行工序及班组作业计划的编排，之后自动向班组下达生产任务，自动计算定额工时，大大缩短了生产准备活动时间，并减轻了生产调度的压力和现场人机交互的复杂度，使得MES系统的易用性大幅提高。

3.3虚拟库

由于生产现场没有物料、半成品、成品的实体库。为方便物料流转、物料追溯及条码编码，MES系统建立不同的虚拟库，将不同工序产出的物料根据生产任务自动划入虚拟库中，并采用条码技术，对不同物料分别编码，为物料的精细化管理提供可能。原材料、半成品、成品、余料等都有特定的可视化条码，便于人工识别与目视化管理，避免不同牌号矽钢片相识性高而发生误用的情况。

3.4物料防错

可视化条码的人工识别，无法杜绝人为失误产生的物料误用，所以MES系统物料防错功能是必备功能。在MES生产作业任务开始时，系统已经按照工艺的要求生成限制条件，材料厂家、宽度、厚度、牌号等信息在生产开工前都已整合完毕，开工扫码后会在系统界面提示物料的信息，如果物料规格不符合工艺要求系统将无法开工。

3.5质量检验

质量检验模块通过过程检验、缺陷处理、质量统计等对生产全过程进行完整的质量管理。在过程中进行实时的质量监控，并建立质量追溯链实时分析，减少产品生产过程中的“质量波动”，事先消除质量隐患，降低返工和报废成本。通过对工艺参数及质量活动拆分到所有的工序操作中，同时为了提高质量数据的真实性，引进了数字化的测量与检验工具，将测试数据实时反馈给MES系统与工艺要求进行对比，控制出现质量问题无法继续，直到将问题处理或移交后才能正常生产，产生了良性互动、严格控制的效果。

3.6质量统计和追溯

通过对各阶段物料的追踪与记录，系统对物料如成品、半成品、余料进行扫描操作即可进行双向追溯。正向可查到材料具体装配到哪个成品或半成品中，反向可查出产品所用原材料的供货商、各工序的操作者以及生产线。同时可对质量记录进行分析，以获取某时段产品质量频次、产品一次通过率、供应商供货质量通过率等指标。对于提高产品质量提供重要数据支撑。

3.7剪切线控制系统集成及设备管理

通过MES与剪切线控制系统的集成，实现生产线的状态监控，并下发控制指令与加工程序代码。车间生产线设备信息的采集，可获取设备的实时运行信息。在计划排产阶段考虑每台设备的产能、当前负荷、运行状态等因素进行模拟排产，同时在车间实际生产过程中考虑设备的维护周期，保养时间等因素对设备进行设备维护管理，对即将到期计划进行预警，提醒设备管理员安排设备检修、保养和维护。结合设备运行过程中的设备维修、设备保养、设备检验、设备开关机和设备故障等信息，统计设备运行过程的OEE（全局设备效率），设备台帐和设备的履历信息，提高设备的利用率和生产效率。

4结论

本文通过对西安西电变压器有限责任公司冲剪车间MES系统实现的探讨，分析了MES系统建设模型建立与数据流设计的方法，给出了在变压器制造行业铁芯片剪切车间MES系统建设的主要思路和研究内容。该系统已经正式上线运行，基本实现了由人工管理向智能化管理的转化以及精益生产的目标，对生产过程中需要的人、机、料、法、环的合理利用提供了科学、合理、高效的信息化支撑，初步验证了MES系统在大型离散制造业中作为上层计划系统与底层工业控制系统的桥梁作用，为公司今后其他车间及类似行业MES系统的建设起到了良好的示范效果。