面向离散型生产模式的MES系统研究

2022-10-26黄小桐

新技术新工艺 2022年9期

黄小桐

(中国地质大学(北京) 经济管理学院，北京 100083)

传统的制造型企业从生产的批量、生产重复性和稳定性角度，将生产类型分为大批量生产、批量生产、多品种小批量生产、单件生产等。航天企业属于典型的面向订单(Make To Order，MTO)制造型企业，产品品种多，批量小，具有试制产品与定型产品共线生产、设计研发与生产同步进行的特点[1]。近年来，随着我国航天事业的快速发展，航天新研产品种类和定型产品批产任务均大幅增加，对企业的订单交付能力提出了更高的要求，传统的依靠表单的生产管理方式已经不能适应当前任务需求，亟需借助生产管理信息系统等先进的数字化手段来提升生产效率和质量管控能力[2-3]。因此，构建一种适合航天企业生产车间特点的生产过程管理系统，是航天企业迫切需要解决的问题[4]。

制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)是面向车间的生产管理系统，位于企业计划层和控制层之间的执行层(见图1)[5]。从底层控制系统采集与生产有关的实时数据，通过数据采集终端传输到系统中，并进行车间生产作业的计划排产、过程管理、设备监控、资源配置的优化等工作，为生产管理者提供及时的生产制造活动信息，是生产管理数字化和自动化的主要手段，可最大限度地提高企业的柔性化生产制造能力。本文以某航天企业生产车间为例，探索MES系统在离散型生产模式下的应用。

图1 3层企业集成模型

1 离散型生产车间特点

通过调研，梳理目前该企业生产流程各个环节，该企业加工车间属于典型的小型离散型生产车间，具备如下生产特点[6-7]。

1)产品种类多，专线和混线生产并存。

航天产品种类多，批量小或单件生产，在线定型产品批量加工和新研产品单件试制同时存在，受生产资源的限制，经常需要混线生产，这会导致生产资源冲突，车间的调度工作变得异常复杂。从加工过程来说，离散型制造企业的工艺过程非常复杂，有时并联加工，有时串联加工，一旦其中一道工序出现问题，就会导致后面所有工序都无法进行。

2)依靠手工排程，计划执行准确率低。

在生产计划方面，主要依靠调度员的经验制定生产作业计划，排程工具主要为纸质或Excel表单，当在线并行任务量大时，人工排程无法实现大数据量工单的计算，实现平衡设备产能和工期。尤其当产品工艺路线复杂并且插单任务多时，人工排程的不足更加凸显。计划存在偏离时，需不断调整生产计划，生产计划的执行准确性很低，无法起到对生产的指导作用。

3)生产过程各类信息无法及时传递和获取。

由于车间没有生产信息管理系统，在线订单进度、生产文件准备、计划编制、工序派工、车间计划执行、物料流转情况、产品检验情况、产品质量信息等多种信息无法及时获取。当生产调度人员想要了解在线订单当前状态时，只能通过各个工位的台账信息逐一查看。信息获取滞后，导致当生产计划偏离时，不能及时处理和调整。

4)生产数据统计滞后及管理不易。

航天制造企业由于其生产的特殊性，生产制造过程会产生大量数据，如：原材料批次信息、加工人员信息、关键工序实测数据、检验信息等，这些数据必须记录和可追溯。但这些数据都存在于纸质载体上，数据保存和统计汇总存在困难。而不同类别的数据又由不同的归口部门管理，未能集中统一管理，增加了管理上的难度。

5)生产资料未实现无纸化。

生产过程所需的图样文件、工艺文件、质量过程记录卡、关键工序控制卡、检测数据记录表、不合格品审理单等，这些与生产过程相关的数据都记录在纸质文件上，生产过程中容易损坏和丢失，为后期质量追溯带来困难。

2 需求分析

2.1 系统接口分析

某航天企业自开展信息化建设以来，已经陆续完成了企业资源管理系统ERP、产品主数据管理系统MDM、产品全生命周期管理系统TC、客户关系管理系统CRM、质量管理系统QMIS等系统建设，在设计制造一体化平台中，只有制造执行系统MES仍然处于空白，无法形成数据闭环(见图2)。因此，在建设MES系统中，必须实现与已有系统的接口开发，打通整个信息流，实现生产过程数据的有效传递。

图2 目前企业信息系统现状

2.2 业务流程分析

通过对该企业目前研发生产模式进行分析，结合已有的信息系统，梳理出如下产品研发生产业务流程(见图3)。

1)型号主管部门使用项目管理系统下发型号计划。

2)研制中心设计人员生成设计图样、元件表、材料清单形成EBOM；工艺人员编制工艺信息，形成PBOM。

3)ERP系统在接收到型号订单信息，经过MRP运算，生成采购计划和生产计划；其中生产计划转化为生产订单，推送给MES系统。

4)生产车间接收生产订单后，进行生产准备工作，包括工艺路线配置、工时维护、订单排程等工作，然后将订单下达至生产线。

5)生产调度依据排程要求进行派工，车间工人领取加工任务后，发起开工指令，执行生产加工过程。在生产加工过程中，对生产过程数据进行在线采集和电子数据包的填写，实现生产过程数据的实时记录。

6)车间工人完成加工后，进行完工操作，并将加工产品移交到检验部门进行检验。对于检验合格的产品，转至下道工序加工。对于检验不合格的产品，需发起不合格审理流程，进行不合格处理。

7)所有工序完工后，产品交半成品检验，检验合格后，MES系统向ERP报工，产品入半成品库。

图3 产品研发生产业务流程

3 系统模块设计

在业务流程分析基础上，开展MES系统功能模块规划，MES系统功能模块主要包含基础数据管理、生产准备、生产执行、统计分析、刀具管理、系统管理6大功能模块，图4所示为系统功能架构。下述将针对前4个重点功能模块开展论述。

图4 系统功能架构

3.1 基础数据管理

基础数据负责为系统运行提供有效、可靠、统一和规范的基础数据支持[8]。基础数据管理包括人员管理、设备资源管理、工艺字典管理、BOM管理及外协单位管理等功能，其中BOM管理是核心。BOM管理是承载上游TC系统物料工艺信息的基础功能，提供工期、工时等生产基础信息的维护拓展工作。BOM的工艺结构为空间节点、工序层级结构，空间节点构成主工艺路线，各个空间节点下包含多个工序，构成子工艺路线。系统支持多工艺路线，以适应不同的生产要求，图5所示为产品工艺BOM系统界面。

图5 产品工艺BOM

3.2 生产准备

生产准备是生产执行的前提，包括订单管理、订单排产、领料管理、工艺变更、订单分批等功能，其中订单排产和订单分批是其核心功能。订单排产功能主要应用于车间级订单的小颗粒度排产。系统接收任务订单后即可进行计划排产，系统依据BOM中维护的工期工时数据计算订单的预计完成时间。通过比较ERP下达的需求时间与预计完成时间计算浮时，如果浮时为负，则表示任务超期，浮时为正则表示可提前完成。系统为计划调度提供自动排程和手动排程2种排产手段，先通过自动排程产生一个初版作业计划，然后采用手动排程来对初版作业计划进行实时修改，车间实际生产由修改后的作业计划来指导[9]。

3.3 生产执行

生产执行模块主要实现对生产执行过程的管理，记录每一步工序级的生产过程，包括订单派工、扫码执行、参数监测、报工管理、检验管理、质量审理、入库管理等功能。

订单流转过程中系统支持扫码流转，操作人员扫描订单二维码后，系统自动查询该二维码对应的订单数据，并在界面提示任务状态等相关信息，以不同的颜色标识订单的不同状态，直观展示订单进度。其流转流程如图6所示。

图6 扫码执行工作流程

在扫码执行过程中，操作工人依靠工人操作界面完成作业操作。工人操作界面如图7所示，操作界面包括扫码区、个人已接收任务列表区、工艺文件清单列表区、已完成工时展示区、订单进度展示区。任务列表区通过不同的状态灯展示了相应任务的进展状态。点击任务名称可进入数据包填写页面，填写生产过程要求记录的数据。

图7 工人操作界面

生产过程数据和产品检测数据的准确完整记录是实现质量追溯的前提，数据采集功能实现对操作工人和检验人员在生产、检验过程产生的数据进行采集[10-11]。系统支持电子录入式采集、自动化检验设备采集以及加工设备信息采集等3种采集方式。数据采集与校验如图8所示，系统数据模板内置了数据合格判据，若采集数据数值不满足合格范围，则系统自动进行提示预警。

图8 数据采集与校验

订单加工完成后，MES系统对订单信息进行归档，由于ERP系统已先期建设，MES提供标准订单入库接口，将生产完成的订单信息推送至ERP进行入库处理。入库同时，生成装机清单、研制总结报告等文件，用于质量归档。另外，系统通过与TC系统集成，将生产过程中产生的质量审理单据推送给产品设计师，提升产品升级改进迭代效率。

3.4 统计分析

统计模块用以对生产过程数据进行统计分析，以进行绩效考核和生产决策。统计分析模块包括工人绩效统计、订单统计、KPI绩效统计等功能。工人绩效统计以工人为维度，统计个人生产绩效，作为绩效考核的依据，统计项目包括工时完成数量、订单完成率、产品合格率等。订单统计以多维度对在线订单和已完成订单进行统计，并以可视化图表形式展示，方便车间管理人员进行生产决策(见图9)。KPI绩效统计以车间维度，对车间的订单按时完成率、产品合格率进行统计，并按单位绩效考核规格进行量化评分。

图9 订单统计分析

4 MES系统关键技术

4.1 订单分批技术

在实际生产过程中，因设备、人员、备料情况等环境因素，无法满足订单的投产总数量同时在线生产。针对这种生产场景，订单分批是必不可少的一种处理方式。订单分批将一个主订单拆分成2个及以上子订单，子订单继承分批节点前所有主订单的生产信息，方便后续进行信息追溯。

目前，根据订单分批结果实时性的不同，可将分批方法大致分为均等分批、一致分批和可变分批等3种。其中，均等分批和一致分批都是在分批完成后不改变后续各道工序的分批方案，具体指每道工序均要保持相同的分批方案进行加工；可变分批是指工件在加工过程中可根据每道工序的加工情况的不同选择合适的分批方案进行加工，导致不同工序的分批方案不同。均等分批是将同一型号工件分为等量工件数量的多个子批，一致分批是将同一型号工件分为不等量工件数量的多个子批。图10所示为工件分批加工流程图。

均等分批虽然结构简单，但其调度优化性能差；可变分批虽在车间调度优化性能十分出色，但其操作难度极大。一致分批相较于可变分批相对简单很多，且在优化加工时间、成本等方面比均等分批更优，因此选取一致分批作为实际车间分批调度应用更加适合。其一致分批方法具体步骤如下。

Step1：初始化参数i=1，m=0，j=1。

图10 工件分批加工流程

Step2：选取当前订单型号Ji进行分批，对应该型号的订单数量Ni。

Step3：随机生成当前订单型号Ji的批次数pi，且满足0

Step4：随机生成第一个子批订单数量Nj，且满足0

Step5：令m=m+Nj，若m+pi-j>Ni，则m=m-Nj，返回到Step4；若m+pi-j≤Ni，则进入Step6。

Step7：若未输出所有型号订单的分批数和各子批的订单数量，则令i=i+1，初始化m=0，j=1，返回到Step2；反之，输出分批结果，结束。

其一致分批流程图如图11所示。

图11 订单分批加工流程

上述分批方法可以根据复杂多变的加工情况随机分得大量批次结果，接着通过寻优算法从中得到最佳的分批结果，将其最佳批次划分结果安排到具体加工机器上进行加工，可得到最佳的调度方案。

4.2 质量预测技术

生产执行过程中的参数监测是针对实际生产中关键工艺的工艺参数监测，关键工艺是加工产品关键质量特性的工艺，而关键质量特征则是影响产品整体质量水平的重要因素，因为在实际生产中存在着类似设备老化、人员失误等各种因素，导致关键工艺参数设置出现了偏差，导致生产出产品的关键质量特性出现波动，进而导致产品整体质量水平出现波动，所以检验人员利用生产现场的数据采集设备，针对关键工艺设置监测点，将实际生产时的关键工艺参数读取并记录，代替传统的纸质记录参数，在看板进行可视化，一旦关键工艺参数发生异常波动，可以直接进行调整，并且便于后续根据质量审查结果进行调整和优化。

质量预测即MES系统利用FP-growth算法输出每道工序的工艺参数与其加工出的质量特征之间的关联关系，通过在生产执行模块对关键工艺的实时参数监测，从而预测出该工序加工出的质量特性是否合格，如果不合格，可以直接调整对应工序的工艺参数，直至加工的质量特性符合要求，接着MES系统将每道关键工艺预测出的质量特性数据输入统计过程控制(Statistical Process Control，SPC)模块，计算出工序过程能力指数要求，针对工序种类不同，分别利用X-Bar图、U图和P图等3种控制图在过程能力看板中可视化出来，并且能够提供给工程师审阅，当控制图出现异常时，立即产生预警信号，进行异常原因分析。其质量分析与预测流程图如图12所示。

图12 质量预测

其中针对每道关键工艺Qi，首先基于历史制造数据集，将工艺Qi中每个工艺参数作为输入设为Xi，输出的关键质量特性设为Y，计算输入与输出之间的支持度S与置信度C：

(1)

(2)

式中，S是支持度，代表在事件N中，项集{X,Y}同时出现的概率；C代表置信度。

为了输出每道关键工艺的关联规则ωi，具体的算法流程如下。

Step1：扫描2次关键工艺的历史制造数据集，计算支持度，剔除小于最小支持度的工艺参数，形成质量影响因素项头表和FP树数据库。

Step2：根据项头表和FP树数据库，通过节点链表，插入到FP树中，找到对应质量数据的条件模式基，得到频繁项集。

Step3：首先依据频繁项集，根据置信度计算公式，输出工艺参数与质量特性之间的关联规则。

然后将每道关键工艺Qi根据各自的关联规则ωi预测的质量特性数据Y输入到SPC模块，计算过程能力指数Cpk：

(3)

最后根据工序的不同，将过程能力指数通过X-Bar图、U图和P图等3种控制图在看板进行可视化。

5 系统开发与实现

现行的管理系统架构有C/S和B/S两种。C/S架构由客户机和服务器两部分组成，而B/S结构是基于web方式的一种架构模式，在MES工作站上只要安装标准的浏览器即可访问服务器，系统更新时也只需要更新服务器程序即可，因此B/S架构模式更适合于离散车间MES系统。

MES系统采用Java EE技术平台，开发语言是Java，具有开源、跨平台、简单简洁等优点。数据库采用Oracle数据库。采用ESB企业服务总线，实现各业务系统间数据的高效交互。系统采用分布式架构设计，技术能力开放，易扩展，可满足各类通信协议。支持关系型、非关系型数据存储，业务数据和应用数据独立存储，归档数据定期迁移。提供多种基础模块服务，通过标准HTTP协议通信，单独授权方式解耦。前后端独立划分，异步加载数据。包含三员管理、运维监控和日志审计等功能满足军工安全要求。系统技术架构如图13所示。