变速箱装配车间制造执行系统的解决方案

朱 雷，刘鹏飞,陈远方

(机械工业第六设计研究院有限公司 工业与智能中心，河南 郑州 450007)

制造型企业以生产制造为命脉，必然离不开对生产车间的管理。而车间现场是诸多制造因素的汇集地，是企业信息流和物流的交汇点，传统制造模式以纸质单据和线下流程为主进行管理，难以全面、及时地掌握生产信息。制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)作为车间信息的承载者，是企业指令上传下达的信息枢纽[1]。以MES为核心的生产管理信息系统，可用于对各生产流程进行信息化管理，并联通仓储、生产、质量、设备、销售等多个部门，有效增大企业生产资源管理的深度，进而提升企业整体的核心竞争力[2]。因此，推进MES建设是实现制造企业数字化战略转型的必经之路。本文以A公司为例，对MES解决方案进行研究。

1 变速箱装配车间的业务现状

当前,A公司的变速箱装配车间暂无生产过程管控的信息系统，主要以企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)系统[3]进行生产管理，存在管理不细、单品成本高、难以进行过程追溯、订单批量大、生产工艺复杂等问题。显然，这种以ERP和线下纸质单据为主的传统生产管理模式已无法满足现代企业管理的要求，亟需一套信息化系统解决实际管理所遇到的问题。

1.1 基础数据

变速箱装配车间主要通过ERP系统对生产订单进行管理、以TCM(Teamcenter Manufacturing)功能模块进行生产工艺管理，但ERP系统和TCM功能模块的执行维度根本无法细化到车间级。可以认为，当前企业缺少车间级的生产信息系统，导致车间现场的数据管理不透明、车间现场与企业系统的数据存在“两张皮”现象。

1.2 生产计划

当前企业主要以ERP系统进行生产计划的“头”“尾”管理，无法将计划分解、细化到车间级和工位级，且生产车间只能以纸质文档为主对生产计划进行管理，存在计划滞后和过分依赖经验的问题，根本无法实现各工序间的生产协同。

1.3 生产制造

生产现场有离线生产的单机冲压设备，冲压节拍远高于装配生产主线，因此生产现场存在一人多机的多技能操作工位，无法系统地进行人员技能的管理；并且生产进度和生产异常统计以人员反馈为主，很难做到及时响应。

1.4 物料管理

现场冲压工位与装配工位为并行生产形式，零件配送以作业人员被动式到仓储点取料为主，且因大部分零件无条码标识而无法实现生产过程的追溯，生产过程只能依靠人工校验方式，根本无法确保零件安装的正确性及批次信息的准确性。

1.5 质量管理

当前的质量管理主要是生产过程中的检验及返工返修检验，质量信息需通过纸质跟单记录的结果来判定，发现质量问题时需要用电话通知现场评审。这样的信息处理过程必然存在滞后，且对质量数据的分析统计以人工为主，工作量较大，存在受人为影响的因素。

1.6 设备管理

生产车间的设备种类很多，如冲压、装配、锁付、清洗等设备，对设备全生命周期的管理工作量较大，难以有针对性地对设备做预防性维护保养，也无法有针对性地进行备品备件的库存管理与监控。

1.7 安灯管理

生产车间的现场异常情况由生产人员进行管理。生产人员一旦发现异常，就会通过电话来安排维修人员进行解决，但无法对异常情况进行汇总分析，也无法发挥维修知识库的作用。

2 MES解决方案

MES的核心在于其针对生产领域的响应式综合信息处理功能，同时，MES能充分利用信息处理所产生的可能性成果[4]。本文结合变速箱装配车间的核心业务，以精益思想为指导，通过识别装配车间的工艺流程及其关键工序(图1)，调整生产过程的报工节奏、降低MES应用的成本，对车间生产过程的关键要素进行重新定义，以有效协同人、机、料、法、环、测等各生产要素，实现对MES解决方案的应用。

图1 装配车间的工艺流程及其关键工序

2.1 数据一致性解决方案

数据的一致性是企业控制生产过程的关键。它主要指工艺数据、物料数据、订单数据等的一致性。本文以精益思想为指导，对A公司基础数据的界限进行重新规划，以减少数据的重复性录入，保证数据源头的唯一性；主要基于TCM功能模块对工艺路线、工序、工时、工艺文件、生产资源等信息进行维护；让MES通过接口集成应用TCM功能模块内的数据，保证生产现场数据与系统内应用数据的一致性，为实现装配车间生产过程的管控和生产现场作业的指导奠定基础，并规范基础数据的应用流程。解决数据一致性问题的业务流程如图2所示。

图2 解决数据一致性问题的业务流程

2.2 生产制造解决方案

在生产制造解决方案中，MES能通过接口集成从ERP系统获取的变速箱的成品生产订单数据。车间主任收到生产计划后能基于MES按照设定的排序规则，对生产订单进行排序，同时依据产品的物料清单(Bill of Material，BOM)的层级生成半成品订单，并让半成品订单自动匹配与TCM功能模块同步的工艺路线，以自动生成生产工单。班组长在

收到生产工单后对生产工单进行物料齐套性校验；同时，MES能依据校验结果，按照工单对应的工艺路线内工序属性生成工序派工单和物料配送单，并且自动匹配产品的设备加工程序，实现人工作业和设备自动作业的任务下发。基于MES的生产制造精细化管理流程如图3所示。

图3 基于MES的生产制造精细化管理流程

生产制造解决方案能让生产制造过程以MES终端为载体，在系统上实现工位机、扫码枪等智能终端的应用，并且能通过集成电路(Integrated Circuit，IC)卡刷卡登录权限及技能验证的方式,让有关人员用智能终端完成生产任务查看、电子作业指导书查看、叫料、投料、质检、扫码报工、设备报修、保养等作业过程，实现生产计划的精细化管理和生产过程的数字化管控。

2.3 物料管理解决方案

MES、ERP和TCM三大系统的集成应用，能实现以生产计划为载体的物料需求拉动管理，改变车间被动拉料的转运模式。物料需求拉动的流程如图4所示。根据TCM功能模块内的物料属性，可将生产现场的物料分为以标准件为主的库存看板模式和以订单实际需求为主的计划配送模式。考虑到异常情况，MES应具有现场紧急叫料功能。

图4 物料需求拉动的流程

(1) 计划配送是变速箱装配车间的主要物流模式之一，可用于大件、关键件物料的配送。它包括：①根据生产工单在MES内设置物料的配送批次、时间周期、配送时刻等参数，确定每次的配送量以及配送频次，以保证仓库一次配送的物料能够在线边库进行存放且不堆积；②MES根据系统内设置的物料需求规则触发点，将物料需求发布到中间库，同时指导仓储人员按计划进行物料的备料、配送；③MES在成品订单完工后，能自动扣减线边库的库存量，同时将物料消耗信息同步到ERP系统，以实现对物料成本的管控。

(2) 看板配送适用于通用件、标准件等小件的配送。它主要依靠MES内的生产完工单，自动扣减线边库的看板件安全库存。当安全库存到达最小值时，它能自动触发配送需求，将物料需求发布到中间库，并在ERP系统中同步生产调拨单，指导仓库的备料和物料配送，以补货到最大安全库存，从而实现物料的看板拉动，保持生产不断料。

(3) 紧急叫料主要为紧急插单或者针对某个物料产生的紧急叫料需求，按MES内设置的物料需求规则、配送规则产生物料需求任务，同时同步到ERP系统，以指导配送。

2.4 质量管理解决方案

质量管理解决方案能通过MES内维护物料的检测模板确定触发检测任务的时机，将质检数据与生产工单等信息关联起来，实现生产质量的一体化管理以及质量问题的追溯；同时能根据检测结果，向车间和质量管理部门提供分析数据和报表，以便有关部门及时发现潜在的质量问题。质量管理的主要业务流程如图5所示。

图5 质量管理的主要业务流程

2.5 设备管理解决方案

设备维护的作用是记录生产车间的设备维护信息，包括设备的日维护信息、周维护信息和月维护信息等[5]。设备管理主要分为主动式预防和被动式维修，主动式预防包括设备周期性保养和设备日常点检；被动式维修即故障性维修。设备管理解决方案要求针对不同的设备，在MES内设置设备的任务项，实现主动式预防任务的定时触发以及被动式维修任务的手动解决，并形成设备追溯履历，为后续的分析工作提供支撑。

2.6 安灯管理解决方案

安灯是丰田生产模式所谓自动化质量控制方法的一个重要部分，也是精益生产可视化管理的一种重要工具[6]。MES在安灯管理方面的应用主要针对以下四方面：物料异常、质量异常、工艺异常和设备异常。当操作人员在加工过程中发现安排不合理或者有异常时，可以手动触发安灯报警信息，根据MES内的流程配置将异常信息及时通知到人，或者通过集成的数据采集与监控(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系统，实现设备故障的自动报警，以触发安灯流程，对出现的异常进行定责和分析。

3 基于ISA-95的MES应用方案

本文结合精益思想，以ISA-95为技术手段，在变速箱装配车间应用了MES解决方案，形成了以MES为核心的数字化管控平台[7],实现了以下建设目标：①通过对生产过程的实时监控满足生产管理的要求[8]；②通过对生产信息的标准化、细致化采集，建立设备现场层的数据联网采集系统，实现设备数据的互联互通和设备状态的实时监控；③实现生产全过程监控、质量全过程追溯，并通过工厂级可视化看板等方式，提高企业的生产运营管控能力，实现经营与生产决策的科学化，提高生产经营效率和

管理效率；④以MES为依托，实现从生产制造的现场层SCADA系统到执行层MES再到顶层ERP系统的纵向贯通，并实现销售、设计、工艺、采购、计划、生产、财务等业务部门的横向集成。基于ISA-95的MES应用方案的总体架构如图6所示。

图6 基于ISA-95的MES应用方案的总体架构

4 结束语

A公司在建设和实施MES的过程中，逐步完成了以企业自身资源为主的数字化知识体系的建设，培养了一批数字化管理人才，为企业后续数字化建设的拓展实施提供了人才基础和储备。对MES实施经验的总结发现，企业成功的数字化转型离不开以下几点：①一把手工程，从顶层设计开始即制定符合数字化转型的制度体系；②组织赋能，实现各业务部门向数字化、智能化的业务转型；③人员培养，建立以信息技术和生产业务为主的人员培养体系，以支撑企业的数字化转型；④资源统筹，确保数字化转型过程的资源投入。