盛垚

摘要：簡單介紹了制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES）的背景和重要性，結合實例詳細介紹了江南某公司MES的系統(tǒng)架構，主要功能和應用場景，并闡述了通過有效的實施MES，對于車間管理水平提高和制造成本降低帶來的收益，為實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化轉型提供了堅實的基礎。

Abstract： This article briefly introduces the background and importance of Manufacturing Execution System （MES）， and introduces the MES system architecture， main functions and application scenarios of a company in Jiangnan， and explains ?the benefits brought by the improvement of workshop management level and the reduction of manufacturing costs through the effective implementation of MES， which provides a solid foundation for the realization of enterprise digital transformation.

關鍵詞：制造執(zhí)行系統(tǒng);生產(chǎn)管理;MES功能;MES實施

Key words： manufacturing execution system;production management;MES function;MES implementation

中圖分類號：F273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）19-0174-03

0 ?引言

智能制造作為近年制造業(yè)的熱門概念，是制造企業(yè)實現(xiàn)未來經(jīng)營目標的一種重要模式，作為必要的實施途徑——數(shù)字化轉型已經(jīng)被各企業(yè)不斷提上日程。在轉型過程中，生產(chǎn)車間的數(shù)字化和信息化改造又是其中的核心部分。所以，必須有針對性的開發(fā)和實施制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES）以實現(xiàn)這個目標。

20世紀90年代，美國先進制造研究機構（AMR）提出了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）概念與3層企業(yè)集成模型，如圖1所示，即面向客戶的計劃層、面向車間的執(zhí)行層和面向生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場的控制層。將MES定位于計劃層和控制層中間位置的執(zhí)行層，重點解決車間的生產(chǎn)管理問題[1]。MES通過把業(yè)務計劃的指令傳達到生產(chǎn)現(xiàn)場和收集生產(chǎn)過程中大量的實時數(shù)據(jù)并上傳，雙向作用促進生產(chǎn)車間的數(shù)字化轉型以實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

江南某公司屬于汽車零部件生產(chǎn)行業(yè)，主要生產(chǎn)各種類型的火花塞，產(chǎn)品主要針對國內(nèi)各大整車廠和國內(nèi)外售后市場。本文通過案例分析深入探討該公司如何通過應用MES系統(tǒng)，改善生產(chǎn)管理和質量管理的水平，從而提高公司的勞動效率，降低了產(chǎn)品制造成本，實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營目標。

1 ?MES的應用實例

1.1 MES的系統(tǒng)架構

本文介紹的MES系統(tǒng)采用了目前最為流行的B/S（瀏覽器服務器）模式，它是一種三層或多層結構的分布式系統(tǒng)。其基本模型是將用戶界面同信息數(shù)據(jù)和處理系統(tǒng)邏輯分離，并劃分為表示、功能和數(shù)據(jù)三大塊，分別放置在相同或不同的硬件平臺上[2]，如圖2所示。

客戶端即表示層：用戶接口部分，即人機界面，在Web環(huán)境下，客戶端只需安裝標準的瀏覽器就可以運行。

MES服務器即功能層和數(shù)據(jù)層的整合：應用的主體，是MES中核心的業(yè)務。功能層的表現(xiàn)是該服務器專門負責與數(shù)據(jù)庫服務器及網(wǎng)站服務器的連接工作，一方面把客戶端請求通過網(wǎng)站服務器傳給數(shù)據(jù)庫服務器，另一方面將服務器的查詢結果回送給客戶端。數(shù)據(jù)層的表現(xiàn)是由該服務器與數(shù)據(jù)庫服務器共同構成，該服務器通過調用數(shù)據(jù)采集程序，將連接到以太網(wǎng)上的生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)讀取并寫入數(shù)據(jù)庫;同時響應客戶端數(shù)據(jù)請求，并負責管理對數(shù)據(jù)庫的讀寫和維護。

生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)主要分幾種形式上傳到以太網(wǎng)，其一是對于獨立的工控機檢測設備，直接連入以太網(wǎng);其二是PLC的數(shù)據(jù)直接連入以太網(wǎng);其三是產(chǎn)線中的傳感器先連入PLC再通過PLC連入以太網(wǎng);對于無法通過以上三種形式直接連入以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)，將通過現(xiàn)場員工使用客戶端輸入，再通過MES服務器維護進數(shù)據(jù)庫。

1.2 MES的需求功能和實施路線圖

由于TS16949認證體系的實施，要求汽車零部件制造企業(yè)的制造過程實施信息化管理以滿足自身和主機廠客戶對精益生產(chǎn)的需求;同時汽車零部件制造企業(yè)也必須通過信息化的手段提高制造過程的管理水平和降低產(chǎn)品制造成本以適應市場變化。根據(jù)MESA對MES的定義，MES系統(tǒng)的基本功能模塊包括工序詳細調度，資源分配和狀態(tài)管理，生產(chǎn)單元分配，過程管理，人力資源管理，維護管理，質量管理，文檔控制，產(chǎn)品跟蹤和清單管理，性能分析和數(shù)據(jù)采集等[3]。所以企業(yè)必然一方面承擔著需要盡快實施應用MES的壓力，另一方面又無法承受應用MES所有基本功能的時間成本和投資成本。每個企業(yè)根據(jù)自身的業(yè)務實際情況和優(yōu)先級定義，分步開發(fā)和實施不同的MES功能模塊則是這個困局的一個最優(yōu)解方案?；诖私鉀Q方案，江南某公司的MES系統(tǒng)通過結合內(nèi)部需求和實際資源情況，定制化了所需的MES功能，并分步成功實施，如圖3所示。

該公司對MES功能的需求主要分為以下幾個方面：

①車間管理需求：1）車間生產(chǎn)的效率要求：通過電子化的信息傳遞以提高信息傳遞的速度和效率;2）生產(chǎn)管理的實時化透明化要求：需要實時地采集生產(chǎn)過程的相關信息，使現(xiàn)場人員和車間管理者能夠實時、透明地了解生產(chǎn)的實際狀況，以及和目標之間的偏差情況?；诖诵枨?，開發(fā)了以下幾個主要功能模塊：

安燈系統(tǒng)：實時顯示產(chǎn)線的產(chǎn)出和不良品數(shù)據(jù)，并可以進一步詳細到目前產(chǎn)線/工站的狀態(tài)（生產(chǎn)/設備故障/設備換型/質量停機等），不良品分別來自于哪些工站。

數(shù)字化車間管理看板：以可視化圖表的形式，展示產(chǎn)線的節(jié)拍，每小時產(chǎn)出，OEE即設備綜合利用率（日/月/年/自選時段），OEE的損失帕累托圖，針對OEE損失主要項目的改善PDCA等。

自動層級報表：以可視化圖表的形式，展示生產(chǎn)區(qū)域及產(chǎn)線級的報廢率/一次剔除率/產(chǎn)量（日/月/年/自選時段）以及與目標之間的實際偏差情況，報廢率/一次剔除率的帕累托圖等。

②質量管理需求：制造過程質量數(shù)據(jù)主要來自兩個方面，對產(chǎn)品的檢測和對制造過程的監(jiān)控。開展質量管理，就是要用數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)和解決產(chǎn)品質量的問題，用數(shù)據(jù)來反映或描述產(chǎn)品質量的變化規(guī)律，以最大限度地減少生產(chǎn)系統(tǒng)的質量變異，使其生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)，保證符合質量的產(chǎn)品持續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)出。汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)屬于多品種及多種訂單形式的離散制造業(yè)，外部條件是客戶和產(chǎn)品種類數(shù)量大、產(chǎn)品質量信息源頭多、信息變化快。而內(nèi)部環(huán)境又存在傳統(tǒng)質量信息管理混亂、手工方式數(shù)據(jù)采集差錯率高、質量活動執(zhí)行效率低等問題。為系統(tǒng)地解決這些問題并適應市場環(huán)境，取得質量管理的成功，開發(fā)了以下幾個主要功能模塊：

批次追溯管理：當出現(xiàn)成品質量問題時，可以通過成品的批次信息，反查出成品的生產(chǎn)信息，包括班次/員工/過程參數(shù)記錄/產(chǎn)品檢測記錄信息，以及成品的零部件批次信息，從而可以和質量合格的批次快速分類對比可能產(chǎn)生質量問題的原因是生產(chǎn)過程還是零部件。

過程參數(shù)監(jiān)控： MES中包含有大量的制造質量數(shù)據(jù)，為質量分析提供了基礎數(shù)據(jù)來源。利用統(tǒng)計過程控制（Statistical Process Control，SPC） 的方法，將產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)和過程參數(shù)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后，以控制圖的形式將工序質量是否受控的狀態(tài)滾動實時展示，以便現(xiàn)場人員及時發(fā)現(xiàn)，并采取措施做出調整。同時將數(shù)據(jù)和分析結果存入數(shù)據(jù)庫，作為歷史數(shù)據(jù)可以隨時調取，供工程師和生產(chǎn)管理人員參考與進行質量管理決策。

快速反應模塊：QRQC（Quick Response Quality Control，快速反應質量控制）用以快速解決生產(chǎn)現(xiàn)場質量問題。當系統(tǒng)設定需要進行快速反應的報警線被觸發(fā)時，包括特定失效類型的比率過高，關鍵過程參數(shù)超出公差范圍，關鍵產(chǎn)品檢測結果超出控制線等，MES系統(tǒng)會自動開設工單，并向系統(tǒng)里指定的責任人發(fā)送手機短消息/郵件，或者對配有專用手環(huán)的現(xiàn)場人員發(fā)送信息，以提醒相關人員出現(xiàn)了質量偏差，并要求其執(zhí)行快速反應流程。另一方面，當相關人員處理完成后，需要在MES系統(tǒng)中登記存檔并關閉對應的快速反應工單。

圖3的分步實施圖，展示了江南某公司分步實施各功能模塊的過程，歷時約2年的時間。原因是經(jīng)過對過往一些MES系統(tǒng)實施項目的調研后，發(fā)現(xiàn)從經(jīng)濟收益的角度，只有通過對MES高頻次和正確有效的使用，才能讓其中的數(shù)據(jù)和功能真正的發(fā)揮作用，進而幫助提高生產(chǎn)制造水平。而一開始就引入一個擁有非常復雜功能的MES系統(tǒng)，對于MES的使用者（生產(chǎn)現(xiàn)場人員，工程師和管理人員等）而言，由于其學習使用難度較大，從而會產(chǎn)生一部分抗拒心理而不會經(jīng)常使用，最終導致MES系統(tǒng)形同虛設，無法帶來預期的收益。分步實施最大的好處是，每次使用者只會新增使用一部分MES功能模塊，并且是與其當時的需求直接相關，其主動并頻繁使用的內(nèi)部驅動力很大;而通過一段時間的使用，熟練掌握并成為習慣后，再擴展使用新的功能。通過不斷的迭代使用，使用者會熟知熟用MES的所有功能，使用MES也成為了日常工作的一項重要和不可替代的活動，最終實現(xiàn)應用MES的目標。

2 ?MES的應用場景和成果

本文介紹的MES系統(tǒng)在生產(chǎn)區(qū)域的應用主要在以下場景：

2.1 生產(chǎn)線實時參數(shù)監(jiān)控

由于重要的過程參數(shù)，關鍵尺寸測量結果可以實時反應到現(xiàn)場監(jiān)視器上，MES使用人員可以及時發(fā)現(xiàn)異常點和潛在的失效可能，更早的進行預防和快速反應，避免產(chǎn)品出現(xiàn)大量質量問題從而導致產(chǎn)品報廢成本的降低。如圖4所示。除此之外，當出現(xiàn)特殊情況導致工程師無法到現(xiàn)場工作時，也為其可以遠程了解現(xiàn)場問題提供了可行性。

2.2 班組會議和日常管理會議

每班結束和開始的時候，可以通過MES系統(tǒng)，將重要的生產(chǎn)信息，生產(chǎn)指標的完成情況，需要完成的問題點及時展現(xiàn)給班組成員，并記錄需要在日常管理會議上討論解決的問題點。在日常管理會議上，除生產(chǎn)部門外，技術部門，設備部門，質量部門，物流部門一起參加，可以通過對前一天的生產(chǎn)指標回顧，對于記錄問題點的討論，確認當天需要重點關注的措施，以及時完成對偏差的糾正和問題的關閉。如圖5所示。

2.3 過往生產(chǎn)情況的追查

當出現(xiàn)生產(chǎn)質量問題時，通過分析如果是生產(chǎn)制造過程的問題，可以通過產(chǎn)品詳情功能去反查產(chǎn)品的過程參數(shù)和檢測結果信息;如果是零部件的問題，可以通過批次追溯功能去反查產(chǎn)品批次對應的零部件批次信息，通過這些信息和數(shù)據(jù)為進一步了解問題的來源提供了便利和可靠性。

通過MES系統(tǒng)的有效實施和應用，產(chǎn)生非常具體和直觀的收益，具體包括以下幾點：

①現(xiàn)場人員工時的節(jié)約：MES應用之前，生產(chǎn)數(shù)據(jù)（產(chǎn)出數(shù)量，報廢數(shù)量等）需要由現(xiàn)場員工填寫在紙質文檔上，每條生產(chǎn)線每天需要1人花費至少30分鐘的時間;再由數(shù)據(jù)員將紙質文檔上的數(shù)據(jù)填入電子文檔，每條生產(chǎn)線每天需要1人花費至少10分鐘的時間。而在應用之后，由于生產(chǎn)數(shù)據(jù)直接由系統(tǒng)抓取，每天每條生產(chǎn)線就可以節(jié)約40分鐘的工作時間。同時避免了人為填寫錯誤，準確性也得到了提高。

②現(xiàn)場無紙化率的提高：MES應用之前，質量數(shù)據(jù)（過程參數(shù)，產(chǎn)品測量值等）需要由現(xiàn)場員工填寫在記錄本上，每條生產(chǎn)線每月至少需要3本（32頁A4紙/本）。而在應用之后，由于大部分質量數(shù)據(jù)直接由系統(tǒng)抓取，其余部分可以直接填入MES表單，現(xiàn)場員工無需再使用記錄本，從而節(jié)約了大量紙張。

③員工工作效率的提高：MES中的信息極大的提高了透明性和可靠性，從而減少了很多額外的數(shù)據(jù)確認和澄清時間，進而提高了工作效率。比如MES應用前，出現(xiàn)一次質量問題，需要工程師花4-8小時翻查之前的紙質批次信息，質量記錄等;應用之后，時間則縮短到30分鐘以內(nèi)。同理，日常管理會議時間也從超過30分鐘縮短到25分鐘內(nèi)。

④員工工作有效性的提高：MES提供了數(shù)據(jù)的實時性展示，當產(chǎn)品的過程參數(shù)或者產(chǎn)品測量結果出現(xiàn)超出控制線或者變差的趨勢時，現(xiàn)場員工可以及時發(fā)現(xiàn)并快速定位問題的來源，在現(xiàn)場無法解決的時候也可以快速將信息反饋給相應的工程師和生產(chǎn)管理人員，將快速反應成功率從30%大幅提高到80%，并消除了之前因為無法及時發(fā)現(xiàn)或者疏忽快速反應的情況。

⑤經(jīng)濟效益的提升：通過消除現(xiàn)場員工的一些非增值工作，提高工作效率，進而每年提升了勞動生產(chǎn)率約8%;通過數(shù)據(jù)的及時透明的展示，極大降低了出現(xiàn)批量質量事故的風險，并通過快速反應進一步降低了不良率，最終每年減少了產(chǎn)品報廢率約10%。因為分步模塊化的投資，每年的投資成本在當年即可得到回報收益。

3 ?總結

如何更好的實施MES系統(tǒng)，對于提高生產(chǎn)管理的效率和減少運營成本有著非常重要的意義。本文通過對江南某公司的MES系統(tǒng)設計，功能開發(fā)，實施方案和應用的案例介紹和研究，證明了以契合公司需求為目標方向，通過分布實施和場景化應用的MES系統(tǒng)，可以成功的為公司帶來巨大的收益。在此過程中，公司員工不斷的使用MES系統(tǒng)，熟悉和掌握數(shù)字化工具，也為公司進行智能制造轉型提供了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]戚寶運，許自力，毛勤儉.數(shù)字化車間MES系統(tǒng)構建[J].指揮信息系統(tǒng)與技術，2013.

[2]李鑫，夏筱筠，常曉芳.企業(yè)車問生產(chǎn)調度MES系統(tǒng)的設計與研究[J].組合機床與自動化加工技術，2010.

[3]MESA Internationa1.Controls definition&MES to controls data flow possibilities ?[M]. Pittsburgh： MESA International white Paper， 1997.