智能工廠框架下的MES系統(tǒng)構建與應用

王錦程 謝蕾 李欣冀 趙振杰

本文基于研究所近年來形成的智能工廠體系，重點介紹了該體系中MES系統(tǒng)的構建與應用情況。

一、引言

研究所主要以飛行器的設計為主，產品的設計和少部分零部件由北京總部完成，部分產品及器件的供應則由全國各地的配套廠商完成，產品測試及總裝則是在研究所的外協(xié)配套工廠開展，在形成了跨區(qū)域的全國協(xié)同研制體系的同時，也表現出了生產環(huán)節(jié)對外協(xié)廠商的依賴性。與此同時，外協(xié)廠商的地域分布及研制產品的特性等因素，也導致研究所無法通過一體化信息網絡進行全局協(xié)同管理。近年來，在市場競爭環(huán)境日益嚴峻的形勢下，外協(xié)質量難以有效保證，外協(xié)信息溝通效率不高且響應不迅速等問題成為了制約研究所快速提升競爭力的重要因素，大力提升自身的制造生產水平的成為了迫在眉睫的問題。而研究所傳統(tǒng)的產品生產模式主要依靠員工手工操作設備與填寫紙質記錄單來完成，生產過程與進度管理則主要依靠調度人員的現場管理經驗，生產過程及其數據、產品履歷和產品質量信息等均無法進行有效的追溯。基于這種現狀，研究所組織團隊對生產現狀進行分析、調研并論證智能工廠架構，規(guī)劃相應的實施途徑，形成了以MES系統(tǒng)為核心的智能工廠建設思路。MES系統(tǒng)（制造執(zhí)行系統(tǒng)）旨在建立與車間設備的連接，采集與分析制造過程的數據以供最佳的生產流程控制與可視化。該概念于20世紀90年代提出，優(yōu)勢在于它是車間和管理之間的接口，通過信息集成實現生產和業(yè)務的信息傳遞及對生產過程的優(yōu)化。MES系統(tǒng)的應用改變了傳統(tǒng)依據紙質材料指導生產、采用紙質文件進行人工作業(yè)流轉的生產模式，將生產制造過程從線下離散管理轉變?yōu)樵诰€集成式統(tǒng)一管理。

2015年，研究所基于對設計環(huán)節(jié)的數據特征、生產環(huán)節(jié)的產品生產過程、產品數據以及管理規(guī)范等內容的梳理構建了MES系統(tǒng)，并應用在了產品生產中。在MES系統(tǒng)的幫助下，生產過程得到了有效的管控，訂單、任務、設備、人員與物資等信息條例清晰，工作安排也能根據任務緊急情況進行及時的調優(yōu)，極大的提升了產品交付的效率與產品質量。2016年，采用MES系統(tǒng)管理的車間因其全面的信息化與高效的自動化等特色，獲批全國五星級生產現場;且其合理調配資源完成的“天鴿”飛行器成功完成長征七號運載火箭首飛搭載任務，取得了滿意效果。

二、以MES為核心的智能工廠框架

在國際金融危機之后，歐美等國紛紛推出“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，力圖搶占新時代國際競爭的制高點。而隨著德國“工業(yè)4.0”，美國“工業(yè)互聯網”，“中國制造2025”等戰(zhàn)略的相繼提出，制造業(yè)的地位也越來越凸顯，成為了當前大國、大企業(yè)提升核心競爭力的必由之路。用戶使用的是產品，產品來源于制造，因而面向制造的研發(fā)成為了當前研究所產品研制理念的轉型方針。從構建以MES為核心的智能工廠，再到由智能工廠驅動的智能制造體系，是研究所未來戰(zhàn)略部署的主要方向。研究所智能工廠框架如圖l所示。

以MES系統(tǒng)為核心，將研究所現有的綜合財經管控系統(tǒng)、PLM系統(tǒng)、物資采購系統(tǒng)、質量管理系統(tǒng)及生產過程與售后保障系統(tǒng)進行融合與銜接，為所級、部門級領導提供從產品設計到生產，再到維修保障的全生命周期基于綜合數據的分析、建議與可視化條件，為領導的決策提供數據支持。具體包含三個方面的內容。

（1）生產制造：依據產品研制計劃MES系統(tǒng)細化計劃并分配到具體設備或操作人員，結合詳細的工作排布，實時監(jiān)督生產進程及異常情況的發(fā)生，并采取預置策略進行動態(tài)調優(yōu)，提高生產現場的執(zhí)行效率。

（2）供應鏈：完善采購與制造物流體系，提高外購件、自制件及外協(xié)材料、物料到達生產現場的準確性，并對扣料、在制品及成品等進行精細化管控，提供數據支持的生產預判和缺料預警功能，提高物資供應的運轉效率。

（3）工程技術：面向制造的研制過程中，產品的設計是圍繞最終的產品開展，從EBOM、SBOM、PBOM再到MBOM，圍繞產品設計、性能仿真、設計工藝協(xié)同、工藝制造的協(xié)同及裝配仿真，調優(yōu)用戶的使用體驗與功能指標的均衡性。并在這一系列BOM傳遞過程中，建立產品的履歷臺帳，為最終交付用戶及后續(xù)保障提供數據支撐。

在智能制造時代，制造是產品研制的核心，MES不再只是連接ERP與車間現場設備的中間層級，而成為了智能工廠框架三個主線的關鍵點，是實現智能生產的核心環(huán)節(jié)。

三、MES系統(tǒng)的構建與應用

結合研究所當前產品的研制現狀，梳理了產品生產的主要過程，并與MES的功能進行了對應，如圖2所示。并基于產品生產過程，形成了MES系統(tǒng)的功能框架體系，如圖3所示。MES系統(tǒng)的功能框架分為資源層、服務處、功能層和展示層。其中資源層主要為支撐系統(tǒng)運行的底層軟硬件設施，如服務器、數據庫等;服務層主要包括操作系統(tǒng)層面及軟件底層提供的系統(tǒng)全局功能，如日志、權限、角色及接口等;功能層是MES系統(tǒng)的核心，包括了以BOM管理、生產計劃管理、開工報工管理等為代表的十多向主要功能;展示層主要為領導、管理人員及操作工人提供查看、操作系統(tǒng)的界面。

1、MES構建過程

以MES系統(tǒng)功能框架為基礎，研究所啟動了軟件系統(tǒng)的構建工作，主要過程包括需求分析與方案設計、二次開發(fā)與功能測試，綜合聯調與用戶測試及應用完善與總結驗收四個階段的工作，具體如下。

（1）需求分析與方案設。對研究所生產車間的工藝、生產、物料、檢驗等業(yè)務進行業(yè)務調研，并結合業(yè)務調研工作開展需求分析，經過內外部專家評審，形成調研與需求分析報告。在調研與分析報告的基礎上，開展系統(tǒng)構建的方案設計工作，并同時搭建原型系統(tǒng)對部分功能進行預配置，驗證其設計方案與實際需求場景的匹配程度。經過方案細化、原型實現、功能確認等多次迭代，最終完成設計方案報告，經過內外部專家的綜合評審，形成指導系統(tǒng)建設的建設方案。

（2）二次開發(fā)與功能測試?；谠O計方案開展部分功能的二次開發(fā)工作，主要包括數據和流程的動態(tài)建模、用戶使用界面的個性化配置及底層相關功能邏輯的開發(fā)實現等。在二次開發(fā)的過程中，同步編寫測試大綱，準備相關的基礎測試數據，實現開發(fā)、測試、調優(yōu)以及完善的流水線迭代作業(yè)，提高功能開發(fā)的效率。功能開發(fā)與測試完備后，開展系統(tǒng)級全局功能的綜合功能測試，解決功能交互時出現的問題，并形成二次開發(fā)與測試報告，作為后續(xù)工作的參考。

（3）綜合聯調與用戶測試?；诠δ軠y試滿足要求的結果，開展系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同聯調及終端控制設備的綜合調試工作，確保時序工步、通信接口與控制精度等達到使用要求，對服務端的響應性和客戶端的操作性進行綜合測試，確保系統(tǒng)滿足并發(fā)訪問壓力、數據傳輸時延、前后臺同異步處理一致性等方面滿足使用要求。完成綜合調試工作后，開展系統(tǒng)使用培訓，并在培訓的過程中結合系統(tǒng)的模擬使用工作，經一至三個月的模擬試運行，檢查功能、性能的指標符合度，在完善測試中出現問題的同時，形成綜合測試報告。

（4）應用完善與總結驗收?；谠囘\行正常且主要問題得到有效解決的結果，開展正式系統(tǒng)的部署、系統(tǒng)配置信息的遷移及正式數據上線運行等工作。正式運行中實際遇到的情況會比測試運行復雜，需對正式運行中出現的問題進行記錄、處理與完善，對于研究所來說，在系統(tǒng)正式運行一個月后，認定系統(tǒng)滿足使用要求，達到了建設的目標，進行了總結驗收。

2、MES主要功能

研究所對生產過程及其對應實現的功能進行了細分，功能之間的關聯關系與交互參數通過詳細業(yè)務流程進行了描述，確保了功能的模塊化與接口關系的規(guī)范化，同時細分的功能又能在后期調整中靈活的增加與修改，提升了系統(tǒng)整體的敏捷性。MES系統(tǒng)功能眾多，部分主要功能包括生產策劃、產品投產、BOM、任務管理質量控制、外協(xié)管理、可視化與移動端的應用等，具體如下。

（1）生產策劃管理。生產策劃是按生產計劃安排，定期向生產執(zhí)行部門下達生產指令的過程，實現了生產計劃的定期編制、動態(tài)更新和網絡化發(fā)布及投產流程電子化等功能，提高了生產計劃制定/發(fā)布、產品投產的規(guī)范性和業(yè)務效率。

（2） BOM管理。BOM是零件加工、產品組裝的依據，是生產任務的明細組成實體，為生產整個業(yè)務的開展提供數據來源和支持。合理的BOM結構能夠降低生產規(guī)劃復雜度，細分大型產品的組成結構，優(yōu)化產品生產的調配策略。

（3）產品投產管理。產品投產是指將生產執(zhí)行部門下達的生產訂單轉化為任務的過程，結合訂單類型、投產與生產計劃以及制造BOM不同，可分為成套投產和零星投產。成套投產建立了與生產計劃的關聯關系，已投產的項目不再重復投產，但可以更改完成日期。零星投產是對成套投產中的遺漏項、報廢項以及臨時項投產，投產流程不依賴于生產計劃和制造BOM。

（4）生產過程質量控。質量控制包括外購、外協(xié)件質量控制，工序質量控制，產品質量控制三個方面。例如，外購物資或外協(xié)件需通過物資檢驗流程審批通過后才能辦理入庫;強制檢驗點的工序完工需會自動進入檢驗員的檢驗環(huán)節(jié)，普通工序的完工則會流轉至工人自檢環(huán)節(jié);而產品所有工序完成，則會進入完工流程，經過檢驗后方能成為完工產品。

（5）生產看板和監(jiān)控。通過對于產品生產進度的圖示化顯示，以及產品關聯的生產任務進度、生產計劃進度和工序進度的逐級細化顯示，為領導和各級管理人員提供實時了解現場生產狀態(tài)，識別節(jié)拍瓶頸的直觀依據。例如，計劃調度人員可通過“生產進度圖”跟蹤所有工作訂單的工序計劃進度信息，計劃管理人員可通過“現場計劃關鍵要素表”掌握全年交付數量、當前應交數量當前入庫總數的信息等。

（6）外協(xié)供應商管理。外協(xié)業(yè)務管理是從外協(xié)計劃生成、協(xié)議簽訂、協(xié)議內容執(zhí)行、進度監(jiān)控到最終外協(xié)產品交付入庫及外協(xié)單位售后維護的全業(yè)務過程管理。其中還包括外協(xié)過程中的質量管理（如技術問題處理、檢驗、返修與報廢等），以及對外協(xié)業(yè)務數據進行的統(tǒng)計分析和基于分析結果進行的外協(xié)業(yè)務管理改進。

（7）移動端的擴展應用。通過將現有制造執(zhí)行管理系統(tǒng)的應用延伸至移動端，解決部分外協(xié)場所網絡無法連通、產品離線檢驗等問題，實現生產過程中的數據采集、過程控制、動態(tài)分析、作業(yè)指導、產品追溯、質量監(jiān)控以及過程預警等功能，提高生產管理人員、技術人員、外場操作人員的執(zhí)行效率，減少紙質文件傳遞。

3、MES系統(tǒng)的應用

MES系統(tǒng)功能貫穿了研究所產品生產從前期工藝技術準備到最后成品入庫的全業(yè)務過程，提供了便利和高效的信息化解決方案。研究所MES系統(tǒng)上線運行以來，先后完成了十余類，三百余件產品基于BOM結構的產品生產，承擔了部分小型飛行器的總裝總測工作，為飛行器的綜合驗證及產品發(fā)布做出了重要貢獻，并以此為基礎，形成了相應BOM結構、工藝文件等編制與管理規(guī)范，指導后續(xù)新類型、新產品和新生產線的工作開展。

四、結語

智能制造已逐步成為時代的主題，掌握了先進制造方式，就具備了將客戶的個性化需求變?yōu)楫a品的能力。隨著市場競爭越來越激烈，以研發(fā)設計為核心技術的研究所在競爭中越來越不占優(yōu)勢，建立自身的生產車間，是研究所突破現有局勢的必由之路。本文介紹了研究所面臨市場競爭壓力的情況下開展的以MES為切入點的智能制造戰(zhàn)略轉型，介紹了MES系統(tǒng)的構建與應用情況。研究所通過以MES為核心構建了生產能力，并借助自身研發(fā)設計的優(yōu)勢，以面向制造的研發(fā)開發(fā)產品，生產的產品成功的在市場考驗中站穩(wěn)了腳步，且部分產品已經用在了飛行器產品中，經過了各類地面與飛行試驗的考驗，取得了滿意效果。