“智能制造”背景下MES系统应用开发的研究——以锂电制造业为例

黄 鑫 李 茹

（天津职业大学，天津 300410）

近年来，智能制造已经成为全球新一轮工业革命的核心驱动力，也是《中国制造2025》的制高点、突破口和主攻方向。数字化车间、智能工厂作为智能制造重要的实践领域，已经成为现代先进制造企业转型建设的趋势。MES 系统即制造执行系统（Manufacturing Execution System），是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。它通过数字化生产过程控制，借助自动化和智能化技术手段，以最终实现车间制造的智能化、生产过程的透明化、制造装备的数控化和生产信息的集成化。由于MES 系统与制造企业的业务联系紧密，处于智能制造建设的底层，所以可谓是智能制造建设的“最后一公里”工程。

一、国内制造业MES系统的现状

目前中国大部分制造企业还过度依赖人力进行生产，生产现场的信息化、自动化条件还很薄弱，面对以人工作业为主要生产手段的企业，MES系统很难发挥效力。系统如果不能直接实现对生产设备、生产调度系统的直接自动控制，那MES系统的核心价值将不能体现，并与其他的追溯系统、资源计划系统将无异。

另一方面，我国目前具备一定自动化基础的制造企业，现普遍的信息化建设层次还在车间层控制系统 （Shop Floor Control System，SFC） 和ERP管理系统两个方面。且SFC的建设主要是基于装备制造生产厂家生产的机床等设备所需具备的网络化、数字化，甚至智能化功能，而不是主要基于企业自身的生产和管理需要开发的订制化系统。这些基于生产作业处理的子系统和基于实时操作的工厂子系统，集成度较差、相容性较低。

在汽车零件、制药行业及电子零组件等高科技产业中，由于制造现场流程复杂，分批、并批、跳批、外包、插单、抽单等异常生产状况极为频繁，使得传统上以财务、会计为出发点的ERP 系统中制造相关模块难以胜任，于是从工厂营运层考量的专用型制造执行系统在这些领域首先应用而生。

随着我国制造企业高度集成化、自动化、柔性化、智能化的发展需求，促使对应的软件系统亟需以新一代MES 系统为核心，建立企业过程化、敏捷化、级别化的制造协同管理平台，使企业的生产经营和管理实现同步化和最优化。

二、锂电制造业MES系统的方案设计

由于锂电动力电池作为新能源汽车上的核心部件，产品的品质和可靠性十分重要。近些年锂电制造的工艺技术不断提高，对生产的自动化和信息化管理水平要求越来越高。不少锂电制造企业已经具备或正在实施一些独立的管理信息系统：OA，HR，MRP，PDM，CRM和DSS等，但这些业务模块间处于孤岛状态，甚至不是同一厂商提供的。锂电制造企业的MES 系统开发需要采用信息化技术和集成理念，将生产现场原有各个环节使用的孤立软件系统有机融合。实现从生产计划的执行、生产过程的追溯、设备的正常高效使用、产品质量数据采集及分析等多个方面，对生产现场进行集成管理。

1.整体架构设计

从MES 系统所处的层次来说，它应处于企业计划层与控制层之间的执行层，上连ERP 系统、CRM 系统，下连DCS、FCS、PLC 等系统，是企业资源计划系统和设备控制系统之间的桥梁和纽带。MES 系统应成为制造管理核心，灵活接驳各种软硬件设备和平台，形成企业的制造控制和数据交互中心，使制造企业实现大规模自动化、智能化、无人化生产并获得最优的成本、品质和交期成果。

从MES 系统的功能定义来说，由于锂电池的制造工艺主要包括电芯的生产、电池装配、化成生产、OCV 检测、过程仓储物流等一系列复杂流程。对应的MES 系统的构建必须基于锂离子动力电池整个生产流程，并要作为中间件将各种业务相关的异构系统，如企业资源管理（SAP）、物流管理系统(LMS)、仓储管理系统（WMS）、产品生命周期管理（PLM）、能源环境管理系统等连接起来，从而实现锂电制造整个流程的可视化、数字化和可控化。所设计的锂电制造业MES 系统的总体架构如下图1所示：

图1 锂电制造业MES系统设计的总体架构

2.开发技术设计

本文设计开发的MES 系统采用企业应用集成技术（EAI），通过数据可视化（BI）、关连式数据库（RDBMS）、轻量目录访问协议（Lightweight Directory Access Protocol， LDAP）、 开 放 式 架 构（Open Platform）、Web服务等相关技术，将各类进程、软件、标准和硬件联合起来。实现界面集成、业务过程集成、数据集成、平台集成四个方面的集成系统。

(1)应用数据可视化BI 和门户技术，把用户界面作为公共的集成点，把原有零散的系统界面（PP 生产计划、MRP 物料计划、MDM 主数据管理等）集中在一个新的保留浏览器的界面之中，实现应用用户界面统一的接入与安全机制。

(2)应用关连式数据库RDBMS 对相关数据进行标识并编成目录，确定元数据模型，实现所有数据在数据库系统中的分布与共享，以及异构的数据源之间数据层的直接整合。

(3)应用LDAP技术定义、授权和管理各种业务系统的信息，实现包括业务管理、进程模拟以及综合任务、流程、组织和进出信息工作流等业务过程的全集成。

(4)采用开放式架构设计整个系统，构建与现有应用（包括化成管理系统FMS、仓储物流系统WMS、生产制造业系统SPC）相兼容的系统，另一方面对现有资源进行重构以满足新的信息系统需求，从而实现系统从底层结构、软件、硬件和异构网络的整体平台集成。

三、锂电制造业MES系统的功能实现

本文以国内多家锂离子动力电池企业开发的制造执行系统（MES）为例，来阐述锂电制造业MES系统的主要通用功能的实现。

1.计划/工单管理(APS)

计划/工单管理(APS)模块通过EAI 接口，接收物流管理系统LMS 传递过来的由上层企业资源计划SAP(ERP)下达的订单信息(P/O)，根据用户给定的规则进行计划排产，自动生成计划工单W/O；订单生产期间，MES通过对生产线上的设备状态和任务的执行情况等进行监控和调度，实现“生产实绩反馈”，将各层次管理操作人员关心的报表数据以图形化的界面展示出来。其功能原理如下图2所示：

图2 计划/工单管理模块功能原理图

2.产线及批次管理

以某能源工厂的典型动力电池生产线为例，可将生产线分成四大工程：电极、装配、化成、模组，其Line 信息化运营需具备生产管理、批次管理、包装实绩、入库实绩、异常保留品管理功能。

(1)生产管理：管理指定工序和当前产线所有设备的启停、生产、原材料投入、关键参数，实现生产状态、设备状态、环境监控、原材料消耗、实时产量、直通率、能源消耗等生产信息的监控统计，便于生产管理人员及时了解生产现场的情况。

(2)批次管理：批次的生成、shift、关闭及合并，支持手动操作，实现柔性生产。

(3)包装实绩：提供标准的包装功能，支持成品的装包与拆包功能，支持多层包装。

(4)入库实绩：提供仓储管理功能，实现成品入库管理。

(5)异常保留品管理：记录异常产品编号，包括种类、异常原因、时间等信息，禁止异常保留品继续上线生产，作相应的权限管理。

3.追溯管理

模块监视产品在任意时刻的位置和状态，收集和记录产品或物料加工工序、加工结果的数据，形成每个物料或产品可追溯性记录，以便在必要时，企业向客户证实产品的质量、追溯问题的根源或评估问题的严重程度等。系统的追溯管理模块主要包括：产品追溯查询、物料追溯查询、批次追溯查询、计量装置不合格追溯查询、生产计划追溯查询、在制品追溯查询、设备使用追溯查询、生产实时产能追溯查询。具体该模块的内容如下图3所示：

图3 产品追溯查询模块示意图

4.品质管理

基于TQM 全面质量管理的思想，该模块实现对从供应商、原料到售后服务的整个产品的生产和生命周期进行质量记录和分析，并在生产过程控制的基础上对生产过程中的质量问题进行严格控制，能有效地防止不良品外流，降低不良品率。主要包括如下几个子项：

（1）基础数据维护（质量建模过程）：质量标准维护、品质数据维护、检验项目维护、抽样水准、抽样计划、抽样方案。

（2）质量检验：IQC、PQC、OQC、质量异常处理等汇总看板。

（3）质检过程：主要由系统设备完成，如需人工则由系统SOP 引导，用电子检测设备完成，实时记录。

（4）质量分析看板：可视化分析、追溯、查询功能看板。

（5）质量改进：对质量改进工作进行记录、跟踪、监控、反馈等。

5.Recipe管理

由于锂离子动力电池制造工艺中存在产品种类繁多、材料性态不一、生产工程的复杂、性能要求较高、技术和产品更新较快的特点，制程整合工程师就需要频繁通过MES 系统改动制程信息。这就需要一个Recipe 管理模块，实现动态生成和更新制程信息，具有Recipe 生成报表功能和签核功能，便于管控产线各工段制程的变更情况，从而满足多元化产品需求、降低人为失误造成的报废率。针对上述需求，Recipe管理模块开发的主要功能如下：

（1）发布与签核：登录新的Recipe 或变更原有Recipe，自动按照客户配置好的组织结构和审批流程推送给相关人员进行审批，完成后自动变更版本并发布。

（2）查询与删除：按照文件名称、文件编号、编辑者、创建日期等进行查询与删除操作，Recipe 删除时系统记录操作人员ID、操作时间、文件名称等信息。

（3）下载、上传、对比：现场设备开机时首先对当前设备的Recipe版本进行检查，自动比对并从MES下载最新版本Recipe，同时系统准许现场人员录入并上传相关标准区间参数，并作相关履历记录。

（4）权限和设备管理：对不同用户和权限创建对应的用户和管理组并赋予相应的权限，登记并维护全部设备清单并和相应的Recipe建立关联配置。

（5）信息记录和历史管理：当授权人员修改设备工艺参数时，设备自动向MES 系统传送相关变更履历，包含设备编号、操作者、操作时间、操作项目变更前后值等信息并作相应记录。

6.化成管理（FMS）

锂电池化成管理系统（Formation Management System）从锂电池特性和生产工作一致性出发，通过对各化成设备和过程进行实时状态监控、数据管理和预警保护等，智能化管控整个产线电池化成过程。提高系统可靠性、稳定性和更精确的控制检测，满足高性能电池大规模生产的需求。化成管理（FMS）模块的主要功能如下，功能示意图如图4所示：

图4 化成管理模块功能示意图

（1）设备状态：对实时采集的化成设备状态信息进行数据分析后，实时显示当前时刻所进行的工作状态以及工作内容，如：化成工作到某个步次，正在进行第几个循环工作等。

（2）生产监控：主要收集过程数据，并图示化展示化成充放电过程中的实时数据；其他机械动作的实时信号反馈，以及异常的及时报警工作。

（3）工程设定：对不同型号电芯的化成具体内容的设计与建模，对化成过程中的不同级别保护工作参数的设定，以保证安全化成工作；对异常工作的直接筛选，及对异常点位的统计，为设备维保提供方向。

（4）数据管理：对化成历史数据的历史查询，保证追溯的完整性，异常信息的汇总对生产改进进行指导工作。

7.设备管理

在整个MES 系统中设备管理是非常重要的一个功能模块，对产线设备从采购、档案、运行、点检、故障报警、维修等整个生命周期进行无缝管理，完整追溯和该设备相关的事件，实现对整个电池生产线设备的运转状况，设备综合效能OEE 和设备稼动率，设备可靠性等进行全面分析和管理。MES系统中设备管理的核心功能如下：

（1）设备台账管理：建立设备型号、制造商、购置和启用日期、部件参数、库存、总帐等基本档案，并可查询包括设备原值变动、部门转移、安装位置调整等变动业务。

（2）设备状态监控管理：通过各类现场总线服务接口，对作业层设备进行运行状态采集、数据处理，将采集到的信息生成电子报表进行实时展现。

（3）设备点检管理：建立设备点检卡、点检计划，按照计划执行点检作业，点检数据实时回传、存储、分析、报警，生成点检记录和报表。

（4）设备维修管理：提供完整的设备维修业务流，从维修开始建立维修工单并完成工单审核，使用终端设备对维修工时、维修点、工作量等记录并回传至服务端，生成设备维修报表。

（5）设备备件管理：备件基本信息记录、信息管理、出入库管理、库存管理等功能，对备件进行计划、生产、订货、供应、储备的组织及管理。

（6）设备KPI 统计分析：设计设备关键业绩指标KPI（如OEE、MTBF、MTTR、设备故障TOP等），根据设备运行数据进行科学的数据分析，输出多维度的分析报表/图表，用于上层ERP 进行决策分析。

四、结语

MES 系统已成为我国智能制造行业中不可缺少的核心技术，实践证明，企业使用MES 后可以缩短生产周期、减少在制品（WIP）、增强准时交货能力、改善产品质量，进而降低生产成本、增加总生产盈余，帮助制造企业生产车间提高工厂操作的一致性、敏捷性与正确性，对于企业精益化生产的实现有重大的意义。