面向單件小批機加生產(chǎn)的制造執(zhí)行系統(tǒng)功能及實施方法

黃 明，夏 平，周琪森，白 翱

（中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，綿陽 621900）

0 引言

智能化是先進制造技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢，車間生產(chǎn)過程的智能化是提升生產(chǎn)過程效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)過程成本的重要實現(xiàn)途徑之一。在工業(yè)4.0的發(fā)展浪潮中，制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）是面向車間業(yè)務(wù)過程層的管理信息系統(tǒng)[1]，也是構(gòu)建智能化制造車間的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)和應(yīng)用平臺。制造執(zhí)行系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)車間生產(chǎn)全流程的信息化集中管控，而且通過對生產(chǎn)過程中不同階段現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和分析，提供對應(yīng)的決策支持和輔助分析，促進制造過程的優(yōu)化。國內(nèi)外對MES系統(tǒng)已有大量的研究工作，美國國家工業(yè)信息框架協(xié)議提出了SMART的研究計劃，以發(fā)展一種針對MES系統(tǒng)的信息框架[2]；日本制造科學(xué)與技術(shù)中心結(jié)合離散生產(chǎn)過程的特點，提出了開放式制造執(zhí)行系統(tǒng)（OpenMES）的框架[3]；曹江輝等提出了基于 CORBA的制造執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)方法[4]；王琦峰等提出了一種面向服務(wù)的離散車間可重構(gòu)制造執(zhí)行系統(tǒng)[5]；黃剛等設(shè)計了一種新的可適應(yīng)性制造執(zhí)行系統(tǒng)框架[6]。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，催生出U-制造[7]、制造物聯(lián)[8]等新的制造模式，將為制造執(zhí)行系統(tǒng)注入新的驅(qū)動力和發(fā)展機遇。例如西北工業(yè)大學(xué)的張映鋒教授提出了基于物聯(lián)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)，提出了一套基于物聯(lián)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)體系和實現(xiàn)框架，具體包括基于傳感網(wǎng)的制造資源物物互感技術(shù)、制造執(zhí)行過程多源信息的主動感知與增值技術(shù)、制造執(zhí)行過程動態(tài)優(yōu)化技術(shù)、生產(chǎn)過程質(zhì)量信息傳感/監(jiān)控和全程追溯技術(shù)等[8]。

具體到工程實踐上，制造執(zhí)行系統(tǒng)的建設(shè)、實施和具體的制造行業(yè)、生產(chǎn)模式、產(chǎn)品特點密不可分，在我國，流程行業(yè)（石化、鋼鐵等）的制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用在國家的支持和行業(yè)需求牽引下，普及相對較早，而且應(yīng)用效果也較為良好。而在離散制造行業(yè)，制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用效果參差不齊，其應(yīng)用的深度、廣度、覆蓋范圍仍然有較大的提升空間。單件小批量生產(chǎn)模式較多存在于我國高端定制型裝備制造業(yè)、國防軍工行業(yè)，一般根據(jù)客戶的個性化、定制化需求進行產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)和交付，屬于典型的ETO（Engineering-To-Order，面向訂單設(shè)計）模式，單件小批生產(chǎn)過程管理較為復(fù)雜，管理難度大，應(yīng)用制造執(zhí)行系統(tǒng)后對生產(chǎn)效率的提升作用明顯，其關(guān)鍵點是實現(xiàn)生產(chǎn)計劃多級分解下情況任務(wù)執(zhí)行節(jié)點的跟蹤和綜合管控和優(yōu)化，并實現(xiàn)對關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和分析出來。本文結(jié)合筆者項目組的實踐情況，以單件小批機加生產(chǎn)為研究對象，總結(jié)和歸納制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能模型和實施方法，以期對制造執(zhí)行系統(tǒng)在單件小批生產(chǎn)過程及相關(guān)離散行業(yè)中的建設(shè)、實施和應(yīng)用推廣有所幫助。

1 生產(chǎn)特點及業(yè)務(wù)流程分析

1.1 單件小批機加生產(chǎn)特點

機械加工生產(chǎn)屬于典型的Job Shop型生產(chǎn)，在高端裝備制造業(yè)、國防軍工行業(yè)中具有重要的地位，機械生產(chǎn)過程一般是將毛坯通過若干物理、化學(xué)過程，使之成為具有一定形狀特征和功能、性能特性的制造過程，屬于是“減材制造過程”。機械加工生產(chǎn)過程具有如下一些業(yè)務(wù)流程和管理模式方面的特點：

1）一般按照“車間-班組-個人”的三級管理架構(gòu)方式來組織生產(chǎn)，典型的班組包括計調(diào)組、技術(shù)組、加工班組、資源組等，涉及的人員角色包括車間領(lǐng)導(dǎo)、計調(diào)員、技術(shù)員/工藝員、班組長、操作者、庫管員、質(zhì)量檢驗員（一般由檢驗部門派駐到車間現(xiàn)場）等。

2）為保證制造系統(tǒng)的柔性，一般采用按照機群式布局方式，即將相同工種的加工設(shè)備放置在一起組成加工單元或加工班組，以此應(yīng)對任務(wù)的多樣性和復(fù)雜性，部分設(shè)備的“瓶頸”現(xiàn)象較為突出，班組之間、設(shè)備之間負荷不均衡的問題普遍存在。

3）車間的零件外協(xié)、工序外協(xié)現(xiàn)象較為普遍，由于零件加工過程中不可避免涉及到熱處理、表面處理等工種，因此機加部門需要頻繁與外協(xié)單位進行交互，對外協(xié)的管控難度較大，不可控因素較多。

4）研制、批產(chǎn)混線，存在多批次交叉、多約束關(guān)聯(lián)問題，技術(shù)準(zhǔn)備周期長，生產(chǎn)組織管理較為復(fù)雜，在多品種小批量混線制造模式下，進行合理的計劃安排或現(xiàn)場調(diào)度難度較大，更多依賴調(diào)度員的經(jīng)驗來組織生產(chǎn)，同時對一線操作者技能的依賴性較強。

5）對質(zhì)量要求比較高，質(zhì)量處理時間較長，存在每道工序都需要檢驗的情況，且車間異常情況多，材料問題、工裝問題、設(shè)備問題、人員問題、工藝問題等隨機發(fā)生，對正常生產(chǎn)的干擾較大，插單問題較為普遍，任務(wù)優(yōu)先級動態(tài)變化、不斷更改。

1.2 業(yè)務(wù)流程分析

機械加工生產(chǎn)一般按照“計劃→調(diào)度→班組長→操作者→檢驗員”的主線進行生產(chǎn)組織和過程執(zhí)行，基本業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 機械加工生產(chǎn)過程業(yè)務(wù)流程

如圖1所示，計劃員首先從上層ERP系統(tǒng)中接收生產(chǎn)任務(wù)，結(jié)合本車間生產(chǎn)進度情況和任務(wù)負荷情況制定車間生產(chǎn)計劃，將生產(chǎn)計劃轉(zhuǎn)換為派工計劃（工序生產(chǎn)任務(wù)），通過調(diào)度員將工序生產(chǎn)任務(wù)投產(chǎn)分發(fā)給不同的班組，班組長再分發(fā)給操作者，操作者完工后提交工序檢驗，以此類推，完成整個生產(chǎn)計劃并完成成品入庫或發(fā)運貨。在任務(wù)執(zhí)行過程，庫管員根據(jù)制造需求清單提供材料、工裝、刀具等實物，保證整個生產(chǎn)的順序進行。在上述業(yè)務(wù)流程中，制造執(zhí)行系統(tǒng)的管控重點為車間中某個具體的零部件生產(chǎn)計劃，上接ERP系統(tǒng)中下達的訂單任務(wù)，下接設(shè)備DNC層的工序級加工任務(wù)，最終實現(xiàn)從任務(wù)下發(fā)到任務(wù)完工的全流程信息化管理。

2 用戶角色、功能及系統(tǒng)集成

在分析上述業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，下面分析具體的用戶崗位及角色，進而確定制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能模型。

2.1 用戶崗位及角色分析

表1中的崗位角色主要分為三大類：1）第一類側(cè)重于生產(chǎn)準(zhǔn)備（包括技術(shù)準(zhǔn)備和計劃準(zhǔn)備），具體包括計劃員、調(diào)度員、工藝組長、工藝員、定額員等；2）第二類側(cè)重于現(xiàn)場管理（任務(wù)流轉(zhuǎn)、任務(wù)執(zhí)行、資源保障），具體包括調(diào)度員、班組長、組員（操作者）、庫房管理員、現(xiàn)場工程師（資源管理員）、質(zhì)量檢驗員；3）第三類側(cè)重于任務(wù)監(jiān)控和統(tǒng)計分析，具體包括車間主任、計劃員等。根據(jù)用戶崗位角色和功能需求，參考ISO和IEC提出的ISO/IEC 62264標(biāo)準(zhǔn)（等同于我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20720），下面提出單件小批機加型制造執(zhí)行系統(tǒng)功能模型。

表1 機械加工車間典型用戶崗位

2.2 系統(tǒng)功能

單件小批機加型制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能列表如圖2所示。

圖2 制造執(zhí)行系統(tǒng)功能列表

1）任務(wù)管理：接收/自建生產(chǎn)任務(wù)；提出任務(wù)調(diào)整申請；進行任務(wù)完工申報；任務(wù)進度監(jiān)控。

2）生產(chǎn)準(zhǔn)備：制定零件生產(chǎn)計劃；導(dǎo)入工藝路線；工時定額管理；制定批次作業(yè)計劃；制定/打印工序流轉(zhuǎn)卡；計算機輔助排產(chǎn)。

3）現(xiàn)場管理：任務(wù)投產(chǎn)分發(fā)；現(xiàn)場調(diào)度；班組管理（含班組任務(wù)接收、班組任務(wù)分配、個人工作中心、數(shù)控程序管理、任務(wù)送檢、生產(chǎn)信息瀏覽（包括任務(wù)通知書、工藝規(guī)程、圖紙模型、任務(wù)派工單、指令卡等）、工時調(diào)整申請）、檢驗信息錄入、不合格品管理、異常問題反饋與處理等。

4）完工管理：包括半成品完工管理、成品完工管理。

5）庫存管理：成品/半成品出入庫管理、資源出入庫管理、庫存盤點。

6）資源管理：材料管理、設(shè)備管理、刀具管理、工裝管理等。

7）信息查詢：任務(wù)/計劃/工時/進度/人員負荷/質(zhì)量/設(shè)備等相關(guān)信息的綜合查詢和統(tǒng)計分析。

8）電子看板：包括車間級電子看板、班組級電子看板、個人可視化終端等。

9）系統(tǒng)集成：與ERP/PDM/CAPP/DNC/DCS等系統(tǒng)進行集成和信息交互。

2.3 集成關(guān)系

制造企業(yè)涉及的信息化系統(tǒng)較多，為確保制造執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用效果，需要實現(xiàn)與已有信息化系統(tǒng)的集成，典型的集成模式及系統(tǒng)間信息交互關(guān)系如圖3所示。

圖3 制造執(zhí)行系統(tǒng)與外部系統(tǒng)間集成關(guān)系

3 實施方法

制造執(zhí)行的實施仍然需要遵循“總體規(guī)劃、邊干邊用、小步快跑、重在實效、控制風(fēng)險”的方法和原則進行系統(tǒng)實施。在MES系統(tǒng)實施的全生命周期內(nèi)，需要明確每一階段的交付物和主要產(chǎn)出，確保系統(tǒng)實施質(zhì)量，并有效管控進度，控制實施風(fēng)險。交付物也是系統(tǒng)實施方和用戶方有效溝通和交流的載體，便于雙方達成一致，在關(guān)鍵問題上達成共識。制造執(zhí)行系統(tǒng)的典型實施階段和相關(guān)交付物如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實施階段及交付物

在MES系統(tǒng)開發(fā)完畢并測試通過后，建議按照以下步驟逐漸導(dǎo)入并交付給車間使用，包括：系統(tǒng)培訓(xùn)、試運行、正式上線和優(yōu)化完善。

圖5 MES系統(tǒng)導(dǎo)入步驟

圖6 制造執(zhí)行系統(tǒng)界面（生產(chǎn)任務(wù)跟蹤）

在制造執(zhí)行系統(tǒng)實施過程中，還應(yīng)重視以下三項工作：

1）通過對生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程的梳理，和車間一起建立一套更加科學(xué)、有效的生產(chǎn)綜合管理體系，明確車間生產(chǎn)運行流程，建立車間的業(yè)務(wù)模型；

2）分析企業(yè)日常生產(chǎn)所采用的業(yè)務(wù)表單和報表（如生產(chǎn)通知單、生產(chǎn)流程卡、質(zhì)量檢驗記錄、不合格品處理單等），整理相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立車間的數(shù)據(jù)模型；

3）建立項目聯(lián)合實施小組，明確雙方的工作內(nèi)容和重點，明確需求的優(yōu)先級，先關(guān)注核心需求和關(guān)鍵需求，確保系統(tǒng)先跑起來，先解決車間核心生產(chǎn)流程的信息化問題。

4 應(yīng)用案例

結(jié)合某單位機械加工車間的實際需求，應(yīng)用功能模型和實施方法，進行了制造執(zhí)行系統(tǒng)的建設(shè)和實施。系統(tǒng)的應(yīng)用達到了如下效果和目標(biāo)：1）構(gòu)建企業(yè)精益生產(chǎn)實時管控體系和平臺，有效提升計劃安排的快捷性、準(zhǔn)確性和合理性；2）提升制造過程的可視化、透明化程度，實現(xiàn)定量管理、科學(xué)管理，用事實說話；3）提升產(chǎn)品的生產(chǎn)周期控制能力和按期交付能力；4）實現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控，保證產(chǎn)品加工或裝配質(zhì)量。最終實現(xiàn)車間的“精益生產(chǎn)”和“智能管控”。圖6是制造執(zhí)行系統(tǒng)中生產(chǎn)任務(wù)跟蹤的功能界面。

5 結(jié)束語

未來，制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展將呈現(xiàn)如下兩大特點：1）應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)多類現(xiàn)場數(shù)據(jù)（如過程、設(shè)備、資源、人員等數(shù)據(jù)）的實時廣泛采集和分析，從數(shù)據(jù)中發(fā)掘問題并進行改善和改進，促進制造系統(tǒng)和制造過程的優(yōu)化；2）應(yīng)用人工智能、認知計算等技術(shù)，實現(xiàn)智能的生產(chǎn)計劃調(diào)度、智能的物流配送、智能的設(shè)備監(jiān)控，促進現(xiàn)有的制造系統(tǒng)向智能型、智慧型制造系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，最終整體上提升車間制造過程的智能化水平，更好地滿足未來大批量定制、個性化生產(chǎn)環(huán)境下復(fù)雜多變的生產(chǎn)過程精細化、智能化管控要求。

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