MES在變壓器制造企業(yè)的應用與研究

謝慶峰+王鋒+丁坤

摘要MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）作為數(shù)字化工廠承上啟下的關鍵系統(tǒng)，成為輸變電企業(yè)近年來重點推進的系統(tǒng)。本文重點對MES在變壓器制造企業(yè)鐵芯片剪切車間應用的一些關鍵技術及經(jīng)驗進行論述，以期對相似行業(yè)提供借鑒。

關鍵詞MES；ERP；過程優(yōu)化；鐵芯片；生產(chǎn)車間

西安西電變壓器有限責任公司專業(yè)從事交、直流輸變電工程用變壓器、電抗器和冶煉、化工工業(yè)、科研等特種變壓器的研發(fā)和制造，是我國超高壓、特高壓變壓器類產(chǎn)品的核心制造企業(yè)，是中國最大的變壓器制造企業(yè)之一。公司在十一五、十二五期間信息化建設得到了長足的進步，先后建設了三維CAD、CAE、CAM、PDM、0A、ERP、HR等軟件和系統(tǒng)，在數(shù)字化研發(fā)與信息化管理方面實現(xiàn)了信息流的全面貫通。但在生產(chǎn)過程中車間接到ERP下達生產(chǎn)計劃指令后，經(jīng)常發(fā)生與計劃偏差的情況（如設備故障、原料不合格等），車間因此會根據(jù)實際情況進行調(diào)整，但是ERP繼續(xù)按照原本的計劃執(zhí)行訂單，導致ERP系統(tǒng)成為“無本之木”。

MES是位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間生產(chǎn)的管理信息系統(tǒng)。它能夠為車間管理人員提供生產(chǎn)計劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源的當前狀態(tài)等信息。制造執(zhí)行系統(tǒng)在企業(yè)計劃管理層與車間底層控制之間架起了一座橋梁，填補了企業(yè)計劃管理層和底層控制之間的“鴻溝”。因此，公司決定在制造車間逐步推廣制造執(zhí)系統(tǒng)。

1MES試點車間選取

沖剪車間是變壓器鐵芯片剪切車間，擔負著變壓器鐵芯加工、并聯(lián)電抗器鐵芯加工及電抗器鐵軛繞制等生產(chǎn)任務，是變壓器生產(chǎn)的主要配套車間，車間包含7條全自動化剪切線，可以充分測試和研究計劃層與控制層數(shù)據(jù)貫通情況。同時沖剪車間物料管理和跟蹤復雜，物料、半成品、成品屬于聚合轉(zhuǎn)換關系，生產(chǎn)靈活機動，管理過程復雜，質(zhì)量活動頻繁，自檢、互檢、專檢、終檢等貫穿整個生產(chǎn)過程，如何有效的控制質(zhì)量活動，如何高效的控制生產(chǎn)活動等都是重點研究的對象。

2模型建立與系統(tǒng)信息流設計

根據(jù)車間的工藝過程及管理特點，同時綜合考慮已有信息系統(tǒng)的接口關系建立系統(tǒng)模型如下：

沖剪車間MES系統(tǒng)按工藝過程規(guī)劃信息流向如下。

1）MES系統(tǒng)接收ERP計劃、訂單、物料等信息；2）根據(jù)ERP下達的生產(chǎn)訂單，MES系統(tǒng)接收PDM系統(tǒng)的圖紙、工藝文件、質(zhì)量要求等數(shù)據(jù)；3）MEG系統(tǒng)套裁套料（加工優(yōu)化）模塊將接收的圖紙信息生成具體的加工任務；4）MES根據(jù)上述的ERP計劃和訂單、物料信息，套裁的加工任務，自動生成車間生產(chǎn)作業(yè)加工計劃（工序級），同時根據(jù)套裁導入的加工任務生成定額工時；5）MEG系統(tǒng)DNC模塊將套裁套料模塊生成的加工任務和工藝程序，自動下發(fā)到生產(chǎn)班組和數(shù)控鐵芯剪切線；6）剪切線工人進行上料、下料操作，并通過條碼、感應設備在MES終端進行開工及報工；7）檢驗人員在MES系統(tǒng)質(zhì)量檢驗模塊中進行工序質(zhì)量控制；8）MES系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中實時向ERP系統(tǒng)反饋生產(chǎn)進度信息；9）MES系統(tǒng)MDC模塊實時采集設備的運行數(shù)據(jù)，進行設備績效統(tǒng)計與分析。

3系統(tǒng)執(zhí)行過程優(yōu)化

在模型建立及數(shù)據(jù)流貫通之后，結合智能制造的特點需要對生產(chǎn)控制過程進行優(yōu)化，全面融入精益生產(chǎn)理念，減少材料浪費，實現(xiàn)設備利用率的最大化，進行車間作業(yè)計劃的系統(tǒng)編制，并與ERP系統(tǒng)進行集成應用，實現(xiàn)管理信息與制造執(zhí)行的有效銜接。合理安排生產(chǎn)，減少瓶頸問題，敏捷響應制造過程中的各類異常，保證生產(chǎn)有序進行，提高整體生產(chǎn)效率。規(guī)范化質(zhì)量檢驗標準和不合格品的處理，更準確的預測質(zhì)量趨勢，有效的控制質(zhì)量缺陷。優(yōu)化后的系統(tǒng)執(zhí)行過程如下圖：

3.1套裁套料

物料如何高效流轉(zhuǎn)和精細化使用，是企業(yè)降低成本和優(yōu)化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。沖剪車間主要物料矽鋼片屬于貴重物資且消耗量極大，所以對物料的管理、追溯、統(tǒng)計等都是MES試點項目的重點。在沖剪車間多工號間相互套料，提高原材料的利用率是減少材料浪費的最直接的辦法，所以MES系統(tǒng)套裁套料模塊重點進行了矽鋼片套裁的算法優(yōu)化，使用模糊算法，為沖剪車間提供3種解決方案，供用戶選擇。在如下計算原則中尋求平衡。

1）產(chǎn)生余料最少（材料節(jié)省但工作效率可能不高）。

2）操作最方便（工作效率較高但產(chǎn)生廢料較多）。

3）大套小（優(yōu)先考慮寬料米數(shù)，后考慮窄料）。

4）米數(shù)相近（多個不同寬度得卷料盡量取長度米數(shù)相近的套裁）。

5）支持裁邊寬度參數(shù)設置。

3.2生產(chǎn)指令下達

車間技術員根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選擇確認某一方案后，系統(tǒng)根據(jù)套裁結果、工藝路線設定以及從ERP系統(tǒng)接收的生產(chǎn)計劃信息，自動進行工序及班組作業(yè)計劃的編排，之后自動向班組下達生產(chǎn)任務，自動計算定額工時，大大縮短了生產(chǎn)準備活動時間，并減輕了生產(chǎn)調(diào)度的壓力和現(xiàn)場人機交互的復雜度，使得MES系統(tǒng)的易用性大幅提高。

3.3虛擬庫

由于生產(chǎn)現(xiàn)場沒有物料、半成品、成品的實體庫。為方便物料流轉(zhuǎn)、物料追溯及條碼編碼，MES系統(tǒng)建立不同的虛擬庫，將不同工序產(chǎn)出的物料根據(jù)生產(chǎn)任務自動劃入虛擬庫中，并采用條碼技術，對不同物料分別編碼，為物料的精細化管理提供可能。原材料、半成品、成品、余料等都有特定的可視化條碼，便于人工識別與目視化管理，避免不同牌號矽鋼片相識性高而發(fā)生誤用的情況。

3.4物料防錯

可視化條碼的人工識別，無法杜絕人為失誤產(chǎn)生的物料誤用，所以MES系統(tǒng)物料防錯功能是必備功能。在MES生產(chǎn)作業(yè)任務開始時，系統(tǒng)已經(jīng)按照工藝的要求生成限制條件，材料廠家、寬度、厚度、牌號等信息在生產(chǎn)開工前都已整合完畢，開工掃碼后會在系統(tǒng)界面提示物料的信息，如果物料規(guī)格不符合工藝要求系統(tǒng)將無法開工。

3.5質(zhì)量檢驗

質(zhì)量檢驗模塊通過過程檢驗、缺陷處理、質(zhì)量統(tǒng)計等對生產(chǎn)全過程進行完整的質(zhì)量管理。在過程中進行實時的質(zhì)量監(jiān)控，并建立質(zhì)量追溯鏈實時分析，減少產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的“質(zhì)量波動”，事先消除質(zhì)量隱患，降低返工和報廢成本。通過對工藝參數(shù)及質(zhì)量活動拆分到所有的工序操作中，同時為了提高質(zhì)量數(shù)據(jù)的真實性，引進了數(shù)字化的測量與檢驗工具，將測試數(shù)據(jù)實時反饋給MES系統(tǒng)與工藝要求進行對比，控制出現(xiàn)質(zhì)量問題無法繼續(xù)，直到將問題處理或移交后才能正常生產(chǎn)，產(chǎn)生了良性互動、嚴格控制的效果。

3.6質(zhì)量統(tǒng)計和追溯

通過對各階段物料的追蹤與記錄，系統(tǒng)對物料如成品、半成品、余料進行掃描操作即可進行雙向追溯。正向可查到材料具體裝配到哪個成品或半成品中，反向可查出產(chǎn)品所用原材料的供貨商、各工序的操作者以及生產(chǎn)線。同時可對質(zhì)量記錄進行分析，以獲取某時段產(chǎn)品質(zhì)量頻次、產(chǎn)品一次通過率、供應商供貨質(zhì)量通過率等指標。對于提高產(chǎn)品質(zhì)量提供重要數(shù)據(jù)支撐。

3.7剪切線控制系統(tǒng)集成及設備管理

通過MES與剪切線控制系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)生產(chǎn)線的狀態(tài)監(jiān)控，并下發(fā)控制指令與加工程序代碼。車間生產(chǎn)線設備信息的采集，可獲取設備的實時運行信息。在計劃排產(chǎn)階段考慮每臺設備的產(chǎn)能、當前負荷、運行狀態(tài)等因素進行模擬排產(chǎn)，同時在車間實際生產(chǎn)過程中考慮設備的維護周期，保養(yǎng)時間等因素對設備進行設備維護管理，對即將到期計劃進行預警，提醒設備管理員安排設備檢修、保養(yǎng)和維護。結合設備運行過程中的設備維修、設備保養(yǎng)、設備檢驗、設備開關機和設備故障等信息，統(tǒng)計設備運行過程的OEE（全局設備效率），設備臺帳和設備的履歷信息，提高設備的利用率和生產(chǎn)效率。

4結論

本文通過對西安西電變壓器有限責任公司沖剪車間MES系統(tǒng)實現(xiàn)的探討，分析了MES系統(tǒng)建設模型建立與數(shù)據(jù)流設計的方法，給出了在變壓器制造行業(yè)鐵芯片剪切車間MES系統(tǒng)建設的主要思路和研究內(nèi)容。該系統(tǒng)已經(jīng)正式上線運行，基本實現(xiàn)了由人工管理向智能化管理的轉(zhuǎn)化以及精益生產(chǎn)的目標，對生產(chǎn)過程中需要的人、機、料、法、環(huán)的合理利用提供了科學、合理、高效的信息化支撐，初步驗證了MES系統(tǒng)在大型離散制造業(yè)中作為上層計劃系統(tǒng)與底層工業(yè)控制系統(tǒng)的橋梁作用，為公司今后其他車間及類似行業(yè)MES系統(tǒng)的建設起到了良好的示范效果。