离散制造业机床小件MES 系统设计与应用

高瑜雄， 姜 亮， 龙忠琳， 叶雪茹

（中国机械总院集团云南分院有限公司＜云南省机电一体化应用技术重点实验室＞云南 昆明 650000）

0 引言

制造业是国民经济的主体， 随着全球经济一体化发展和工业信息化推进，制造业成为我国经济“创新驱动、转型升级”的主战场。 “中国制造2025”强国战略的提出标志着我国由制造大国向制造强国的转变。

制造执行系统 （Manufacturing Execution System，MES）作为目前应用广泛的车间管理系统，它不仅有效指导车间生产运行过程， 而且在企业和供应链间以双向交互的形式提供生产活动的基础信息。 目前国内的中小型机床制造企业，信息化程度相对落后。有的企业还在使用人工记录纸质单据的形式在运作。 机床制造企业使用的MES 系统，大多是针对机床大件加工而设计。 机床大件，一般都会有条码、二维码或者钢印号标志，以单个零件的加工方式运作。 而机床上“体积小而且价格低”的零部件（后面称之为“机床小件”），不方便打上钢印号、条码、二维码等， 或者标号成本极高， 一般都是以批量的方式运作。 本文将重点针对“机床小件MES 系统”做研究设计。

1990 年11 月， 美国先进制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）就提出了MES（制造执行系统）概念。 1997 年，MESA 提出的MES 功能组件和集成模型，包括11 个功能，同时规定，只要具备11 个功能之中的某一个或几个，也属MES 系列的单一功能产品。2004年，MESA 提出了协同MES 体系结构（c-MES）。

20 世纪90 年代初期， 中国就开始对MES 以及ERP的跟踪研究、宣传或试点，而且曾经提出了“管控一体化”“人、财、物、产、供、销”等颇具中国特色的CIMS、MES、ERP、SCM 等概念，只是总结、归纳、宣传、坚持或者提炼、提升不够，发展势头不快。

国内最早的MES 是20 世纪80 年代宝钢建设初期从SIEMENS 公司引进的。 中国工业信息化基本上是沿着西方工业国家的轨迹前进，只是慢半拍而已。几乎绝大多数大学和工业自动化研究单位，甚至于国家、省、市级政府主管部门都开始跟踪、研究MES。 从中央到地方，从学会到协会，从IT 公司到制造生产厂，从综合网站到专业网站，从综合大学到专科院校，都卷入了MES 热潮之中。

从行业角度看，国内的MES 系统主要在流程行业等少数领域应用较为成熟，而在离散型制造领域，无论从成功案例的数量还是案例的规模上来看都有较大差距。MES 系统在离散制造业的发展， 往往表现为真正用得好的不多。

1 需求分析

机床小件的特点：种类繁多、价格低廉、生产繁杂。因为利润少，大部分机床企业不愿意自己生产，但是小件又是机床生产装配必不可少的零部件。 比如：滑块顶块、丝杆隔套、丝杆托架、导向杆固定板等等，如图1 所示。

图1 有代表性的小件

机加工车间普遍环境不太适合摆放电脑等固定终端。 在手机等移动终端普及、5G 网络应用成熟的条件下，面向用户的移动终端App 已逐渐成为最优选择。 市面上机床小件MES 系统目前还比较少，很多生产机床小件的中小型企业，还在使用手工记录工艺流转单的方式管理。因为机床小件的特点， 企业一般是通过计件方式进行工资核算。工人每天填写工艺流转单上报，统计员通过统计流转信息，物料信息，工艺工序价格等信息来统计工资。在应用企业，当工人数量达到百人左右时，管理库存、计划任务、统计工时工资的工作将非常繁重。统计员每天收集纸质流转单据生产信息， 把信息再录入到Excel 等工具中进行处理统计，费时费力还非常容易出错。工艺卡信息、工序信息通过人工来管理，时间久了经常出现错乱、信息不统一等等情况。 工人对自己的工资有疑问时查询也非常麻烦。

纸质文档经过多年积累，管理难度较大，产品出现问题很难追溯，需要翻阅大量的纸质文档。使用计算机代替人工作业可以避免上面的问题和困扰。 通过调研整理出如下关键需求：

（1）计划任务管理：根据顾客订单信息、备货计划、现有库存信息、在制品信息、BOM 信息，通过MRP 算法生成采购计划、生产计划、委外加工计划。

（2）生产执行管理：依据企业现有业务流程，将生产计划下发到指定工段，作业人员领取生产任务，完成工序作业后，在系统上做工序完工确认信息。然后质量检验合格入库。

（3）仓库管理：主要有仓库入库、出库管理、库存信息管理、盘盈亏库存调账管理。 库存管理不是MES 系统的核心模块， 本次设计只做简单的总库存的SUMMARY 记录管理，不做明细库存。

（4）计件工时工资：企业使用纸质工艺流转单记录上报完工量，统计员通过上报信息统计计算工资。工作量特别庞大，容易出错，经常出现工人对工资有异议，再次排查上报单据信息特别困难，这也是小件系统的一个痛点。

（5）工艺工序管理：工艺工序是生产执行的核心，工序的价格、版本信息也是工时工资统计的关键信息。

（6）容错性考虑：工人文化水平参差不齐，经常会填写错误信息。本次设计主要针对两个点进行设计：工艺工序价格容错调整；工序确认容错调整。

2 系统设计

传统车间管理系统软件一般运行于PC 端， 但是由于工业现场环境恶劣、空间限制、线路安全等因素，增加了车间管理的难度。 随着网络技术和智能移动终端的不断发展，管理软件移动化逐渐成为车间管理系统未来的发展方向。对此，本次系统设计基于H5 混合开发平台，一次开发，适用IOS 和android 系统。采用BS 模式，结合MES 系统的功能模块，设计并开发一套具有远程监控和现场管理功能的移动管理系统，管理客户从移动终端下单到产品生产完成的整个过程， 期望能够对整个生产过程进行实时管理以及优化生产流程，从而实现灵活生产、移动办公，满足制造过程中产品数据的跟踪和监控方面的个性化需求。

2.1 架构设计

2.1.1 系统部署方式

系统选择云服务器部署。降低部署成本，无需购买相关硬件设备；降低人员技能要求，降低人力成本；降低安全管理费用；降低维护成本；降低企业的管理维护风险；访问灵活； 可以利用云服务弹性伸缩能力灵活满足实际资源需求，提升了系统稳定性。

2.1.2 缓存架构选型

Redis 缓存。 在高并发的业务场景下，数据库大多数情况下都是用户并发访问最薄弱的环节。 所以系统使用Redis 做缓存操作，让请求先访问到Redis ，而不是直接访问MySQL 等数据库。 这样可以大大缓解数据库的压力。

2.1.3 数据库选型

MySQL 数据库。 MySQL 是一个关系型数据库管理系统，属于Oracle 旗下产品。 MySQL 是最流行的关系型数据库管理系统之一，在WEB 应用方面，MySQL 是最好的应用软件之一。 MySQL 将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，这样就增加了速度并提高了灵活性。 MySQL 所使用的SQL 语言是用于访问数据库的最常用标准化语言。MySQL 由于其体积小、速度快、扩展性强、总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点，一般中小型和大型网站的开发都选择MySQL 作为系统数据库。

2.2 系统总体模块设计

经过机床企业， 小件生产业务的调研， 整理业务流程，如图2 所示。

图2 系统业务流程

系统总体分为六大模块：基本信息管理，工艺工序管理，计划任务管理，生产执行管理，库存管理，工时工资核算管理，如图3 所示。

图3 系统模块图

2.3 基础信息模块

一般的制造型企业，都是以公司、工厂、工段、班组设立组织结构，部分企业在工段上面加了一层加工中心。要管理库存，需要仓库基本信息，物料基本信息和物料分类信息。 所以基础信息模块功能设计如图4 所示。

图4 基本资料模块

2.4 工艺工序管理模块

机床制造，需要对零部件进行加工，装配，所以加工和装配的产品对应的工艺工序信息需要管理。 为了提高复用性，减少工作量，设置了标准工序管理，标准工序提供给所有工艺卡使用。 产品的尺寸大小，功能不同，所需的材料不同，加工工序不同，所以需要加上版本控制。 工序不同，加工的成本有差异，工价也会有差异。 这里设置版本信息，是核算工时工资和成本信息的关键点。

依据不同工种，把工序类型定义如图5 所示。

图5 工序类型设定

2.5 计划任务管理模块

MRP 是企业制作生产计划的核心， 一般在ERP 实现， 因为此次调研的企业ERP 系统尚未建设， 所以把MRP 在MES 系统中做了简单实现，来制作生产计划。 企业根据客户订单量、BOM 信息、现有库存、生产中库存，通过MRP 算法，计算出采购计划、生产计划、委外计划等信息。 MRP 计算通过系统定时任务完成，最终产生生产计划。 生产管理人员核对生产计划无误，下达生产计划，产生任务信息。 然后工人领取任务进行作业。 MRP 逻辑关系如图6 所示。

图6 MRP 计算的核心内容

2.6 生产执行模块

工序确认，主体流程是工人领取任务，同时领取毛坯材料，按照工序作业。 作业完成在系统上做确认，机床小件一般是批量作业。 其中作业也分顺序作业和非顺序作业两种，此信息是在工艺卡上标志判断的。工序确认的时候，系统做重复检查、顺序检查，同时记录流转单确认日志。工序确认日志是工时工资统计的核心信息，记录了工序信息和版本信息。

生产任务转移，如果工人领取的生产任务，不能及时完成，可以转移给其他工位的工人协助加工，增加了系统业务的灵活性。入库检验，除了工序过程中的自检互检，在所有工序完成时也会有入库前的最后一道检验工序 （专检）。 检验完成即可入库。 工序确认的逻辑如图7 所示。

图7 工序确认逻辑

2.7 库存管理模块

在制造企业的信息化建设中， 库存管理是十分重要的一环。 随着工业4.0 的不断发展，市场对仓库现场管理的透明化有了更高的要求， 库存管理也越来越受企业重视。库存管理得当，能提高库存周转率，减少库存积压，同时库存有了预警，可以防止库存断档。此次系统管控了毛坯和成品两大类的物料，毛坯采购入库，在领取任务的同时进行毛坯领用出库。成品在检验入库的时候产生库存，发货的时候库存扣减。盘盈亏功能，是用于简单的调整库存使用。在盘点或者平时业务异常的时候，进行库存调账使用。库存变化同时会产生库存交易信息，仓库管理员可以通过此功能追踪库存的变化信息。

2.8 工时工资成本核算

工时工资统计，系统通过任务信息，流转单，检验入库信息，人员信息，工序价格信息，物料基本信息的关联，统计出工时工资信息。再通过材料成本和人力成本，核算公司的成本。 工资核算的数据流关系如图8 所示。

图8 工资核算数据流

3 功能实现及成果展示

（1）数据库表设计，基本思路就是按照上面内容描述的思想进行设计。下面列出部分数据库表设计信息，如图9 所示。

图9 主要数据表

（2）根据功能类型，部分系统菜单设计，如图10 所示。

图10 部分系统菜单

4 结束语

制造执行系统不仅是制造企业进行生产过程管理的重要手段， 还有更多的功能延伸需要我们不断探索和尝试。 本文结合了笔者在制造业进行MES 基础研究和应用实施经验，设计出此套适合机床小件制造企业的MES 系统。 通过在某机床小件制造企业的MES 项目实施运行，此系统操作使用简单，基本满足了企业的业务需求，并取得了良好的应用和示范效果。通过此系统实施，对企业的生产管理流程起到了规范和优化的作用， 降低了管理部门业务人员的重复性劳动，提升创造性劳动，降低了企业的管理成本，解决了企业工时工资统计困难、工艺工序信息管理、质量追溯难等多个痛点。