制造执行系统在发动机试制中的应用及发展趋势

2019-01-10王连骁张兆明邢正双

柴油机设计与制造 2018年4期

王连骁，张兆明，邢正双

（上海汽车集团股份有限公司，上海市汽车动力总成重点实验室，上海201804）

0 引言

当前信息化与工业化深度融合，制造业结构深入调整，质量品牌建设不断加强。在发动机试制工作中引入制造执行系统的相关功能，可以使研发手段更加智能，业务过程更加高效，不断提升项目开发的工作效率，建立起快速、智制、数字化等相应试制能力；同时提高上下游工作效率，降低项目开发的时间和成本，改善内部客户体验，快速响应日益增多的研发车型对试制工作的要求。

1990年11月美国咨询调查公司AMR（Advanced Manufacturing Research）提出制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的概念[1]。MES是面向车间层的管理技术与实时信息系统，可使车间上层计划管理系统和底层控制系统之间的信息孤岛有效联系起来，从而弥补计划层和控制层之间的空隙，保证信息流在企业中的连续性[2]。

MES系统与企业的生产流程、资源调度和管理、设备协作、生产计划流程等都有非常密切的联系，当前正较为广泛地应用于各类制造型企业。

1 MES系统简介

1.1 MES系统基本概念

MES系统作为表示特定功能集成的产品，在国际制造执行系统协会MESA（Manufacturing Execution Systems Association）的白皮书中定义为：MES制造执行系统通过对信息进行传递，使得从下单到完成品间的生产过程能够透明化。另外，MES能够对生产活动产生的数据及事件进行及时地响应及反馈，为生产提供正确的引导。MES还可以针对条件变化而做出立即快速的反应，可减少无附加价值的活动，达到更有效的生产作业及流程。它为企业与供应商之间的双向沟通提供了所需的生产信息，为设备的回收率，准时交货率、库存周转率、边际贡献、现金流量绩效等作出了巨大的贡献[3]。

1.2 MES系统基本功能介绍

MES系统主要包含生产管理、工艺管理、过程管理和质量管理四大功能。根据国际制造执行系统协会MESA的定义，MES模块功能有资源管理，现场排程，现场派工，文件管制，现场资料收集，人员管理，质量管理，制造管理，维护管理，产品追踪与履历，及绩效分析[4]。

2 发动机试制工作特点及业务流程分析

2.1 发动机试制工作特点

在发动机的研发过程中，样机试制是其中的重要环节。试制要考核新产品设计质量，考验产品结构、性能，验证和修改设计图纸，使产品设计基本定型；同时也要验证产品工艺性，审查主要工艺[5]。发动机试制工作具有下列特点。

（1）发动机试制工作具有多品种、小批量的特点，并且多批次交叉，多约束关联，需要较长的技术准备周期，组织生产管理难度较大，工作依赖于工程技术人员的经验，并且对一线操作者技能的要求较高。

（2）发动机试制对质量管控要求较高，存在每道工序都需要检验的情况。进行质量管控所需的周期较长，需要记录管理的信息较多，并且信息会分散地保存在不同的人员手里。

（3）发动机试制工作需要单位内部外部长期且频繁地进行交互，管理和协调的难度较大；同时，工程任务优先级动态变化且不断更改，不可控的因素较多。由于业务的多样性和复杂性，也往往造成一线操作人员的工作负荷和设备负荷不平衡的问题。

由于发动机试制工作的特点，当前发动机的试制工作基本都采用传统的管理模式，即通过人工管理来组织开展相关工作。因而在能力建设、质量提升等方面有很大的发展空间。

2.2 发动机试制业务流程

发动机的试制是一项复杂的系统工程，需要周密的计划和严格的执行来保证设计、加工、试验的进度和质量。发动机的试制流程包括试制计划、仓储管理、样件改制、样件测量、样机装配、样机解析等方面，如图1所示。

图1 发动机试制流程

3 发动机试制过程MES系统总体设计

3.1 MES系统需求分析

在研发阶段，因是单件小批量的生产模式，发动机的试制生产管理过程较为复杂，管理难度大。因此，要求MES系统能够对任务的执行和节点的跟踪进行综合管控和优化，对数据进行采集和分析，以有效提升生产效率。在智能制造自动化、智能化、网络化的基础上，对发动机试制MES系统的具体需求如下。

（1）实现发动机试制全过程的状态监控，提升信息传递的效率。

（2）实现发动机样机全生命周期的跟踪，建立发动机信息档案。

（3）规范管理发动机试制流程，优化内部管理，消除作业瓶颈。

（4）建立完善的质量管理体系，实现质量信息的高效统计分析。

3.2 系统功能模块设计

MES系统从原材料采购到成品入库的生产过程进行实时数据采集、控制和监控的全过程，实现对生产控制、产品追踪追溯、生产实时数据传输与处理等功能[6]。

基于上述对MES系统需求分析，结合MES系统的基本功能，设计开发针对发动机试制的MES系统，包括对试制过程的信息传递，数据收集，分析处理等方面进行集成开发，建立计划管理，仓储管理，现场质量，试制过程，解析评价等主要功能模块，如图2所示。

图2 MES系统功能框架图

各主要功能模块作用如下。

（1）仓储管理功能。其主要负责管理和维护物料信息。零件审核通过后生成零件标签，扫描零件标签完成零件入库操作。根据试制计划，产品BOM生成物料清单。根据物料清单，拿出零件并扫描零件标签完成出库操作。

（2）计划管理功能。其主要负责试制计划的发布和跟踪。根据生产订单，物料计划等编制试制计划，并对试制过程进行跟踪，对偏离试制计划的情况进行预警和管控。

（3）现场质量控制。其主要负责对试制过程中质量检测和跟踪。根据质量标准体系，实时监控生产过程中的质检信息。若零件出现质量问题，系统可以追溯质量问题到源头，进而分析问题产生的原因。

（4）试制过程管理。其主要负责发动机试制过程中的现场调度，工艺指导，生产防错，并记录相关生产信息。

（5）解析评价功能。其主要负责发动机试验结束后的拆解工作，记录相关信息并进行评价反馈。

（6）报表统计功能。其主要负责采集相关生产数据，以便为发动机研发工作提供决策支持。

（7）设备管理功能。其主要负责发动机试制工作中相关设备的状态监控和维护保养。

（8）生产安东（Andon）功能。其主要负责快速响应试制工作中出现的异常情况。Andon系统作为生产制造管理过程中的一个重要工具，主要负责将制造过程中的缺陷信息在最短的时间传递出去，使问题能够快速解决，从而提高生产制造的质量和效率。

（9）信息查询功能。其主要负责提供用户所需的试制相关信息。

3.3 系统体系架构设计

根据发动机试制工作特点，MES系统体系架构设计必须满足以下几个条件。

（1）MES系统能采用分布式计算机系统。

（2）MES系统能与工厂、企业的其它信息系统互联，共同提供高效的信息管理与计划功能。

（3）MES系统能以生产实时信息为核心，为企业各项决策提供直观信息[7]。

根据发动机试制业务流程，为满足上述功能需求，设计了MES系统整个体系架构，如图3所示。

图3 MES系统体系架构

3.4 系统功能应用示例

3.4.1 发动机试制工艺控制

在发动机的设计研发中，需要不断进行工艺研究，以提高新产品的工艺可行性，因此产品工艺要求应当根据工艺评审不断更新。传统目视化看板所能覆盖的工艺步骤极为有限，且在试制工作中，同一工位需要进行多道工序且由同一人员进行操作，大量工艺步骤缺乏可视化指导，往往依赖于操作人员的技能水平，容易导致后期出现不必要的返修工作。

通过使用MES系统，可以根据发动机的不同用途，选取不同的工艺要求，为柔性生产提供精准的工艺指导。以某发动机试制工艺要求为例，说明MES系统界面情况，如图4所示。

图4 MES系统界面示例：装配工艺要求

新的试制任务下达后，通过扫描任务单条码，获取当前发动机信息，工位显示器自动显示当前发动机的加工工艺，操作人员可以按照显示的工艺路线进行操作。对于关键步骤及特殊要求，操作人员需要在系统内进行确认后再进行后续操作。对于试制过程中出现的工艺问题，可以随时通过系统进行报警。

3.4.2 试制过程数据信息采集

在发动机试制过程中，需要对发动机全生命周期的档案进行跟踪记录。在传统的工作模式下，大量的数据需要通过手工记录，而记录测量过程数据会对试制工作的效率产生一定影响，并且数据信息多次传递容易出现错误，也造成后期追溯利用的困难。

应用MES系统以后，可以将发动机试制过程中产生的信息进行统一管理。通过条码管理采集和整理零件组成信息、发动机流转信息、试制人员信息等；通过PLC接口采集设备加工参数信息，如零件装配扭矩等；通过操作人员在系统内填写的方式记录测量信息。系统内预设相关参数的参考范围，如果数据超出范围，系统就自动报警进行提醒。

3.4.3 试制过程防错技术应用

在试制过程中，为提高产品质量，降低复杂操作给操作人员带来的劳动强度和工作压力，研究应用防错技术是必不可少的工作要求。

应用MES系统，可以将手工操作中的防错步骤通过系统得以实现，极大地提升试制工作的效率，主要体现在以下几个方面。

（1）条码管理防错。对于关键零件，需要扫描条码进行绑定后方可进行装配，避免出现混装，误装的情况发生。

（2）拧紧程序防错。在发动机的试制生产中，紧固件的拧紧占据了装配线的大部分工艺，拧紧的质量直接影响着发动机的性能。应用MES系统收集拧紧后的合格信号。当电动拧紧设备达到目标扭矩后，会发送拧紧合格信号至MES系统，如出现漏拧紧或扭矩不符合要求时，MES系统会自动报警。

（3）过程顺序标准化。在试制过程中，操作需要严格按照标准顺序进行，如果出现工序遗漏或者工序颠倒，系统就会自动进行报警。

（4）在线监测。利用系统里预先设定的参数范围进行在线监测，一旦发现尺寸、扭矩等测量出现异常，系统就会自动报警。

（5）频次管理。在发动机的试制中，部分零件有使用频次的要求。在程序中设定装配计数，在达到设定频次后，设备发出提醒并自动中断操作。

4 MES系统实施方法

为使MES系统在实施过程中更加简单、快速、有效，系统实施方和用户方需要进行有效的沟通和交流，明确每一阶段需要达成的目标和所承担的工作。MES的典型实施阶段和交付物如下。

（1）项目准备和启动。在项目准备阶段，主要的目标是组建专业团队，收集项目需求，制定详细的实施计划。阶段性的交付物为：项目组织架构及职责、项目调研报告、项目实施计划及方案。

（2）业务蓝图设计。在业务蓝图设计阶段，主要的目标是梳理业务流程，总结功能需求，划定功能范围。阶段性的交付物为：项目实施方案、业务蓝图确认书。

（3）系统实现。在系统实现阶段，主要的目标是将业务蓝图设计阶段定义的业务功能需求予以实现，完成系统开发，进行软硬件调试准备并完成部署安装工作。阶段性的交付物为：系统软硬件、系统检验测试报告、系统配置手册。

（4）验收交付。在验收交付阶段，主要的目标为系统交付使用，项目验收确认，使用人员培训。阶段性的交付物为：项目验收报告、项目验收确认书、系统使用说明书、系统运行维护手册。

在项目验收结束后，系统实施方和用户方还应根据使用情况不断优化完善。

5 MES系统未来发展趋势分析

新一代的MES系统，将不再是以往单一车间的执行系统，而会呈现出与物联网，大数据分析等新兴技术深度融合的特点，研究和应用的深度和广度都将得到更大的发展。既有多源信息融合及复杂信息快速处理能力，又能做到集成范围更广，可覆盖整个企业业务流程，实现MES软件系统可开放、可配置、易维护，最终成为生产过程中必不可少的工具。