制造執(zhí)行系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)試制中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

王連驍，張兆明，邢正雙

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海市汽車動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

0 引言

當(dāng)前信息化與工業(yè)化深度融合，制造業(yè)結(jié)構(gòu)深入調(diào)整，質(zhì)量品牌建設(shè)不斷加強(qiáng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作中引入制造執(zhí)行系統(tǒng)的相關(guān)功能，可以使研發(fā)手段更加智能，業(yè)務(wù)過程更加高效，不斷提升項(xiàng)目開發(fā)的工作效率，建立起快速、智制、數(shù)字化等相應(yīng)試制能力；同時(shí)提高上下游工作效率，降低項(xiàng)目開發(fā)的時(shí)間和成本，改善內(nèi)部客戶體驗(yàn)，快速響應(yīng)日益增多的研發(fā)車型對試制工作的要求。

1990年11月美國咨詢調(diào)查公司AMR（Advanced Manufacturing Research）提出制造執(zhí)行系統(tǒng) （Manufacturing Execution System，MES） 的概念[1]。MES是面向車間層的管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)，可使車間上層計(jì)劃管理系統(tǒng)和底層控制系統(tǒng)之間的信息孤島有效聯(lián)系起來，從而彌補(bǔ)計(jì)劃層和控制層之間的空隙，保證信息流在企業(yè)中的連續(xù)性[2]。

MES系統(tǒng)與企業(yè)的生產(chǎn)流程、資源調(diào)度和管理、設(shè)備協(xié)作、生產(chǎn)計(jì)劃流程等都有非常密切的聯(lián)系，當(dāng)前正較為廣泛地應(yīng)用于各類制造型企業(yè)。

1 MES系統(tǒng)簡介

1.1 MES系統(tǒng)基本概念

MES系統(tǒng)作為表示特定功能集成的產(chǎn)品，在國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)MESA（Manufacturing Execution Systems Association）的白皮書中定義為：MES制造執(zhí)行系統(tǒng)通過對信息進(jìn)行傳遞，使得從下單到完成品間的生產(chǎn)過程能夠透明化。另外，MES能夠?qū)ιa(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及事件進(jìn)行及時(shí)地響應(yīng)及反饋，為生產(chǎn)提供正確的引導(dǎo)。MES還可以針對條件變化而做出立即快速的反應(yīng)，可減少無附加價(jià)值的活動(dòng)，達(dá)到更有效的生產(chǎn)作業(yè)及流程。它為企業(yè)與供應(yīng)商之間的雙向溝通提供了所需的生產(chǎn)信息，為設(shè)備的回收率，準(zhǔn)時(shí)交貨率、庫存周轉(zhuǎn)率、邊際貢獻(xiàn)、現(xiàn)金流量績效等作出了巨大的貢獻(xiàn)[3]。

1.2 MES系統(tǒng)基本功能介紹

MES系統(tǒng)主要包含生產(chǎn)管理、工藝管理、過程管理和質(zhì)量管理四大功能。根據(jù)國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)MESA的定義，MES模塊功能有資源管理，現(xiàn)場排程，現(xiàn)場派工，文件管制，現(xiàn)場資料收集，人員管理，質(zhì)量管理，制造管理，維護(hù)管理，產(chǎn)品追蹤與履歷，及績效分析[4]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作特點(diǎn)及業(yè)務(wù)流程分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作特點(diǎn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程中，樣機(jī)試制是其中的重要環(huán)節(jié)。試制要考核新產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，考驗(yàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能，驗(yàn)證和修改設(shè)計(jì)圖紙，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)基本定型；同時(shí)也要驗(yàn)證產(chǎn)品工藝性，審查主要工藝[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作具有下列特點(diǎn)。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作具有多品種、小批量的特點(diǎn)，并且多批次交叉，多約束關(guān)聯(lián)，需要較長的技術(shù)準(zhǔn)備周期，組織生產(chǎn)管理難度較大，工作依賴于工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，并且對一線操作者技能的要求較高。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)試制對質(zhì)量管控要求較高，存在每道工序都需要檢驗(yàn)的情況。進(jìn)行質(zhì)量管控所需的周期較長，需要記錄管理的信息較多，并且信息會(huì)分散地保存在不同的人員手里。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作需要單位內(nèi)部外部長期且頻繁地進(jìn)行交互，管理和協(xié)調(diào)的難度較大；同時(shí)，工程任務(wù)優(yōu)先級動(dòng)態(tài)變化且不斷更改，不可控的因素較多。由于業(yè)務(wù)的多樣性和復(fù)雜性，也往往造成一線操作人員的工作負(fù)荷和設(shè)備負(fù)荷不平衡的問題。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作的特點(diǎn)，當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的試制工作基本都采用傳統(tǒng)的管理模式，即通過人工管理來組織開展相關(guān)工作。因而在能力建設(shè)、質(zhì)量提升等方面有很大的發(fā)展空間。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)試制業(yè)務(wù)流程

發(fā)動(dòng)機(jī)的試制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要周密的計(jì)劃和嚴(yán)格的執(zhí)行來保證設(shè)計(jì)、加工、試驗(yàn)的進(jìn)度和質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)的試制流程包括試制計(jì)劃、倉儲(chǔ)管理、樣件改制、樣件測量、樣機(jī)裝配、樣機(jī)解析等方面，如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試制流程

3 發(fā)動(dòng)機(jī)試制過程MES系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 MES系統(tǒng)需求分析

在研發(fā)階段，因是單件小批量的生產(chǎn)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)的試制生產(chǎn)管理過程較為復(fù)雜，管理難度大。因此，要求MES系統(tǒng)能夠?qū)θ蝿?wù)的執(zhí)行和節(jié)點(diǎn)的跟蹤進(jìn)行綜合管控和優(yōu)化，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，以有效提升生產(chǎn)效率。在智能制造自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，對發(fā)動(dòng)機(jī)試制MES系統(tǒng)的具體需求如下。

（1）實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試制全過程的狀態(tài)監(jiān)控，提升信息傳遞的效率。

（2）實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)全生命周期的跟蹤，建立發(fā)動(dòng)機(jī)信息檔案。

（3）規(guī)范管理發(fā)動(dòng)機(jī)試制流程，優(yōu)化內(nèi)部管理，消除作業(yè)瓶頸。

（4）建立完善的質(zhì)量管理體系，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量信息的高效統(tǒng)計(jì)分析。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

MES系統(tǒng)從原材料采購到成品入庫的生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、控制和監(jiān)控的全過程，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)控制、產(chǎn)品追蹤追溯、生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與處理等功能[6]。

基于上述對MES系統(tǒng)需求分析，結(jié)合MES系統(tǒng)的基本功能，設(shè)計(jì)開發(fā)針對發(fā)動(dòng)機(jī)試制的MES系統(tǒng)，包括對試制過程的信息傳遞，數(shù)據(jù)收集，分析處理等方面進(jìn)行集成開發(fā)，建立計(jì)劃管理，倉儲(chǔ)管理，現(xiàn)場質(zhì)量，試制過程，解析評價(jià)等主要功能模塊，如圖2所示。

圖2 MES系統(tǒng)功能框架圖

各主要功能模塊作用如下。

（1）倉儲(chǔ)管理功能。其主要負(fù)責(zé)管理和維護(hù)物料信息。零件審核通過后生成零件標(biāo)簽，掃描零件標(biāo)簽完成零件入庫操作。根據(jù)試制計(jì)劃，產(chǎn)品BOM生成物料清單。根據(jù)物料清單，拿出零件并掃描零件標(biāo)簽完成出庫操作。

（2）計(jì)劃管理功能。其主要負(fù)責(zé)試制計(jì)劃的發(fā)布和跟蹤。根據(jù)生產(chǎn)訂單，物料計(jì)劃等編制試制計(jì)劃，并對試制過程進(jìn)行跟蹤，對偏離試制計(jì)劃的情況進(jìn)行預(yù)警和管控。

（3）現(xiàn)場質(zhì)量控制。其主要負(fù)責(zé)對試制過程中質(zhì)量檢測和跟蹤。根據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程中的質(zhì)檢信息。若零件出現(xiàn)質(zhì)量問題，系統(tǒng)可以追溯質(zhì)量問題到源頭，進(jìn)而分析問題產(chǎn)生的原因。

（4）試制過程管理。其主要負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)試制過程中的現(xiàn)場調(diào)度，工藝指導(dǎo)，生產(chǎn)防錯(cuò)，并記錄相關(guān)生產(chǎn)信息。

（5）解析評價(jià)功能。其主要負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)束后的拆解工作，記錄相關(guān)信息并進(jìn)行評價(jià)反饋。

（6）報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能。其主要負(fù)責(zé)采集相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便為發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作提供決策支持。

（7）設(shè)備管理功能。其主要負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作中相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和維護(hù)保養(yǎng)。

（8）生產(chǎn)安東 （Andon）功能。其主要負(fù)責(zé)快速響應(yīng)試制工作中出現(xiàn)的異常情況。Andon系統(tǒng)作為生產(chǎn)制造管理過程中的一個(gè)重要工具，主要負(fù)責(zé)將制造過程中的缺陷信息在最短的時(shí)間傳遞出去，使問題能夠快速解決，從而提高生產(chǎn)制造的質(zhì)量和效率。

（9）信息查詢功能。其主要負(fù)責(zé)提供用戶所需的試制相關(guān)信息。

3.3 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作特點(diǎn)，MES系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足以下幾個(gè)條件。

（1）MES系統(tǒng)能采用分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

（2）MES系統(tǒng)能與工廠、企業(yè)的其它信息系統(tǒng)互聯(lián)，共同提供高效的信息管理與計(jì)劃功能。

（3）MES系統(tǒng)能以生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息為核心，為企業(yè)各項(xiàng)決策提供直觀信息[7]。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試制業(yè)務(wù)流程，為滿足上述功能需求，設(shè)計(jì)了MES系統(tǒng)整個(gè)體系架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 MES系統(tǒng)體系架構(gòu)

3.4 系統(tǒng)功能應(yīng)用示例

3.4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)試制工藝控制

在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)中，需要不斷進(jìn)行工藝研究，以提高新產(chǎn)品的工藝可行性，因此產(chǎn)品工藝要求應(yīng)當(dāng)根據(jù)工藝評審不斷更新。傳統(tǒng)目視化看板所能覆蓋的工藝步驟極為有限，且在試制工作中，同一工位需要進(jìn)行多道工序且由同一人員進(jìn)行操作，大量工藝步驟缺乏可視化指導(dǎo)，往往依賴于操作人員的技能水平，容易導(dǎo)致后期出現(xiàn)不必要的返修工作。

通過使用MES系統(tǒng)，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同用途，選取不同的工藝要求，為柔性生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的工藝指導(dǎo)。以某發(fā)動(dòng)機(jī)試制工藝要求為例，說明MES系統(tǒng)界面情況，如圖4所示。

圖4 MES系統(tǒng)界面示例：裝配工藝要求

新的試制任務(wù)下達(dá)后，通過掃描任務(wù)單條碼，獲取當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)信息，工位顯示器自動(dòng)顯示當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的加工工藝，操作人員可以按照顯示的工藝路線進(jìn)行操作。對于關(guān)鍵步驟及特殊要求，操作人員需要在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行確認(rèn)后再進(jìn)行后續(xù)操作。對于試制過程中出現(xiàn)的工藝問題，可以隨時(shí)通過系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。

3.4.2 試制過程數(shù)據(jù)信息采集

在發(fā)動(dòng)機(jī)試制過程中，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的檔案進(jìn)行跟蹤記錄。在傳統(tǒng)的工作模式下，大量的數(shù)據(jù)需要通過手工記錄，而記錄測量過程數(shù)據(jù)會(huì)對試制工作的效率產(chǎn)生一定影響，并且數(shù)據(jù)信息多次傳遞容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，也造成后期追溯利用的困難。

應(yīng)用MES系統(tǒng)以后，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)試制過程中產(chǎn)生的信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。通過條碼管理采集和整理零件組成信息、發(fā)動(dòng)機(jī)流轉(zhuǎn)信息、試制人員信息等；通過PLC接口采集設(shè)備加工參數(shù)信息，如零件裝配扭矩等；通過操作人員在系統(tǒng)內(nèi)填寫的方式記錄測量信息。系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)相關(guān)參數(shù)的參考范圍，如果數(shù)據(jù)超出范圍，系統(tǒng)就自動(dòng)報(bào)警進(jìn)行提醒。

3.4.3 試制過程防錯(cuò)技術(shù)應(yīng)用

在試制過程中，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低復(fù)雜操作給操作人員帶來的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作壓力，研究應(yīng)用防錯(cuò)技術(shù)是必不可少的工作要求。

應(yīng)用MES系統(tǒng)，可以將手工操作中的防錯(cuò)步驟通過系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，極大地提升試制工作的效率，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）條碼管理防錯(cuò)。對于關(guān)鍵零件，需要掃描條碼進(jìn)行綁定后方可進(jìn)行裝配，避免出現(xiàn)混裝，誤裝的情況發(fā)生。

（2）擰緊程序防錯(cuò)。在發(fā)動(dòng)機(jī)的試制生產(chǎn)中，緊固件的擰緊占據(jù)了裝配線的大部分工藝，擰緊的質(zhì)量直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。應(yīng)用MES系統(tǒng)收集擰緊后的合格信號(hào)。當(dāng)電動(dòng)擰緊設(shè)備達(dá)到目標(biāo)扭矩后，會(huì)發(fā)送擰緊合格信號(hào)至MES系統(tǒng)，如出現(xiàn)漏擰緊或扭矩不符合要求時(shí)，MES系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

（3）過程順序標(biāo)準(zhǔn)化。在試制過程中，操作需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)順序進(jìn)行，如果出現(xiàn)工序遺漏或者工序顛倒，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。

（4）在線監(jiān)測。利用系統(tǒng)里預(yù)先設(shè)定的參數(shù)范圍進(jìn)行在線監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)尺寸、扭矩等測量出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

（5）頻次管理。在發(fā)動(dòng)機(jī)的試制中，部分零件有使用頻次的要求。在程序中設(shè)定裝配計(jì)數(shù)，在達(dá)到設(shè)定頻次后，設(shè)備發(fā)出提醒并自動(dòng)中斷操作。

4 MES系統(tǒng)實(shí)施方法

為使MES系統(tǒng)在實(shí)施過程中更加簡單、快速、有效，系統(tǒng)實(shí)施方和用戶方需要進(jìn)行有效的溝通和交流，明確每一階段需要達(dá)成的目標(biāo)和所承擔(dān)的工作。MES的典型實(shí)施階段和交付物如下。

（1）項(xiàng)目準(zhǔn)備和啟動(dòng)。在項(xiàng)目準(zhǔn)備階段，主要的目標(biāo)是組建專業(yè)團(tuán)隊(duì)，收集項(xiàng)目需求，制定詳細(xì)的實(shí)施計(jì)劃。階段性的交付物為：項(xiàng)目組織架構(gòu)及職責(zé)、項(xiàng)目調(diào)研報(bào)告、項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃及方案。

（2）業(yè)務(wù)藍(lán)圖設(shè)計(jì)。在業(yè)務(wù)藍(lán)圖設(shè)計(jì)階段，主要的目標(biāo)是梳理業(yè)務(wù)流程，總結(jié)功能需求，劃定功能范圍。階段性的交付物為：項(xiàng)目實(shí)施方案、業(yè)務(wù)藍(lán)圖確認(rèn)書。

（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段，主要的目標(biāo)是將業(yè)務(wù)藍(lán)圖設(shè)計(jì)階段定義的業(yè)務(wù)功能需求予以實(shí)現(xiàn)，完成系統(tǒng)開發(fā)，進(jìn)行軟硬件調(diào)試準(zhǔn)備并完成部署安裝工作。階段性的交付物為：系統(tǒng)軟硬件、系統(tǒng)檢驗(yàn)測試報(bào)告、系統(tǒng)配置手冊。

（4）驗(yàn)收交付。在驗(yàn)收交付階段，主要的目標(biāo)為系統(tǒng)交付使用，項(xiàng)目驗(yàn)收確認(rèn)，使用人員培訓(xùn)。階段性的交付物為：項(xiàng)目驗(yàn)收報(bào)告、項(xiàng)目驗(yàn)收確認(rèn)書、系統(tǒng)使用說明書、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)手冊。

在項(xiàng)目驗(yàn)收結(jié)束后，系統(tǒng)實(shí)施方和用戶方還應(yīng)根據(jù)使用情況不斷優(yōu)化完善。

5 MES系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢分析

新一代的MES系統(tǒng)，將不再是以往單一車間的執(zhí)行系統(tǒng)，而會(huì)呈現(xiàn)出與物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)分析等新興技術(shù)深度融合的特點(diǎn)，研究和應(yīng)用的深度和廣度都將得到更大的發(fā)展。既有多源信息融合及復(fù)雜信息快速處理能力，又能做到集成范圍更廣，可覆蓋整個(gè)企業(yè)業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)MES軟件系統(tǒng)可開放、可配置、易維護(hù)，最終成為生產(chǎn)過程中必不可少的工具。

6 結(jié)束語

MES系統(tǒng)是面向于生產(chǎn)車間這一制造業(yè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)的信息管理系統(tǒng)，是現(xiàn)代企業(yè)信息化的重要構(gòu)成部分，是制造業(yè)改善車間管理結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)市場競爭力的必然選擇[8]。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)試制品種和數(shù)量的增加，需要加強(qiáng)對發(fā)動(dòng)機(jī)試制過程的管理，MES系統(tǒng)在其中起到了舉足輕重的作用。通過了解MES系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，把握它的發(fā)展趨勢，對于我國在發(fā)動(dòng)機(jī)試制工作中研究和實(shí)施MES系統(tǒng)具有深刻而廣泛的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。