制造業(yè)從傳統(tǒng)上分為兩大類，一類是以流程制造方式為主的集約型制造業(yè)，另一類則是以零星生產方式為主的離散型制造業(yè)。離散型企業(yè)典型特點是品種多、批量小、生產周期短、產品質量要求高。
機械制造企業(yè)作為實現產品集成的前端，在實現產品周期上起著決定作用。機械加工企業(yè)涉及設備多、人員多、零件加工流程復雜、工時結算復雜等特點，信息化建設一直是一個難點，因此信息化水平相對較低。MES作為企業(yè)計劃和車間作業(yè)現場聯系的紐帶，實現企業(yè)連續(xù)的信息流和提高企業(yè)的敏捷性。現代制造企業(yè)不僅需要實用的計劃系統(tǒng)，而且更需要使計劃落實到實處的MES。
本文結合華東電子工程研究所在機械加工車間實施MES的過程，分析MES建設的難點問題及解決辦法，建設內容及達到的效果，對離散型制造企業(yè)MES的建設提供有力借鑒，對提高相關企業(yè)實現信息化管理的信心具有重要意義。
1 MES建設的系統(tǒng)功能
1.1 離散型企業(yè)MES現狀
MES的開發(fā)與使用是兩個獨立的個體，兩者之間有一定的“代溝”。集約型企業(yè)的MES流程開發(fā)特點相近，在煙草、化工、食品等行業(yè)MES使用相對成熟。離散制造業(yè)企業(yè)經營管理模式不盡相同，規(guī)模相對較小，MES軟件開發(fā)要結合企業(yè)管理。目前離散型企業(yè)使用的MES功能大多功能單一，系統(tǒng)集成性差。離散型企業(yè)的MES一般都是按照企業(yè)自身定制的系統(tǒng)，因此離散型MES的可推廣性比集約型MES要差，特別是在產品的制造環(huán)節(jié)，離散型企業(yè)應用MES在實現任務分解、排產、制品追蹤、檢驗、成本核算、產能統(tǒng)計等方面比集約型制造企業(yè)復雜的多。
1.2 成為信息孤島的紐帶
在研發(fā)MES前，華東電子工程研究所已完成多個信息化系統(tǒng)的建設，制造信息系統(tǒng)(Manufacturer Information System，MIS)實現產品計劃投產，產品數據管理(Product Date Management，PDM)系統(tǒng)實現產品的數據管理，物流系統(tǒng)(Logistics System，LS)實現原材料、半成品及成品物料管理，車間分布式數字控制(Direct Numerical Control，DNC)系統(tǒng)實現數控機床程序的遠程控制及管理，工藝數據管理系統(tǒng)(Computer Aided Process Planning，CAPP)實現工藝設計、審批、存貯的網絡化等信息化系統(tǒng)。但是隨著信息化建設的深入，部分系統(tǒng)之間存在著信息不能共享的問題，例如制造信息系統(tǒng)的產品計劃不能直接反饋到車間及產品零部件生產過程中，CAPP系統(tǒng)的制造BOM與PDM系統(tǒng)的設計BOM沒有集成，CAPP系統(tǒng)的設計原材料沒有與物流系統(tǒng)集成等，信息孤島現象越來越明顯。為實現企業(yè)至上而下的信息暢通，通過MES實現信息化系統(tǒng)上下游的銜接，把企業(yè)計劃與車間作業(yè)現場聯系起來。MES是頂層計劃的延伸及紐帶，為了達到信息共享，MES與多個系統(tǒng)的集成內容見表1。
表1 MES集成信息表
1.3 解決加工現場的“黑箱”
目前車間生產管理人員無法通過信息化平臺及時掌握生產過程的情況，對車間生產進度無法了解，缺乏有效的數據支撐統(tǒng)計和考核手段；生產管理人員很難準確根據自身的產能對某一個產品的生產周期給出合理的預測，并且不能提前核算目前的投產任務是否超出了自身產能及超出多少需要外協；制造設備缺乏信息化管理，加工設備的有效利用率無法統(tǒng)計；生產實時狀況是一個“黑箱”，人工管理的有效程度基本飽和，遺漏生產任務的情況時有發(fā)生，部件往往因缺少裝配元素而耽誤整個生產計劃。因此，如何優(yōu)化生產現場的管理、提高生產的效率、并達到生產現場的有效控制成為制造車間日益需要解決的問題。
為解決生產現場的“黑箱”，系統(tǒng)進行以下幾個方面的建設：零部件計劃排產、生產現場管理、零部件質量檢驗、刀量具管理、機床狀態(tài)監(jiān)控、零部件外協管理。系統(tǒng)建成后解決生產計劃不科學、產品壽命無追蹤、工量具使用無記錄、機床狀態(tài)不明了的“黑箱”狀態(tài)。
2 MES系統(tǒng)部署及主要建設內容
2.1 MES的系統(tǒng)部署
MES系統(tǒng)服務器的數據服務器是為實現整個系統(tǒng)的數據庫構建的；而應用服務器是為實現外部系統(tǒng)集成數據同步、機床狀態(tài)監(jiān)控的數據管理、支撐系統(tǒng)中B/S構架的模塊功能構建的。系統(tǒng)部署如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)部署
2.2 系統(tǒng)建設的主要內容
計劃排產，以制造信息系統(tǒng)的產品計劃節(jié)點為依據，參照定額工時及各個工種的產能，實現生產零件的自動排產；對于批次較多的零部件可以分批次排產，并支持緊急插單功能；通過圖形化排產圖表隨時查看任務的完成情況。
計劃調度，對投產計劃進行分解生成作業(yè)計劃明細，同時生成作業(yè)計劃及投產前的準備計劃，包括材料需求清單、工裝及刀具準備清單等。計劃根據當前車間資源情況進行計劃下達或外協分派。
機床數據采集，通過提取每臺機床的運行狀態(tài)，可以準確測出每臺設備的開機時間、有效加工時間、空載時間、停機時間、故障時間和維修時間等；建立設備檔案，可建立設備開動率和設備完好率、設備使用效率等信息檔案。
質量檢驗，記錄零部件的質量信息以及質量問題解決流程，以及質量結果分類統(tǒng)計。
刀量具管理，實現提前根據DNC程序刀具清單配備刀具及夾具，以及刀量具的追逐、預警等功能。決策分析功能，通過系統(tǒng)建立零部整件完整的質量信息、產品計劃完成信息、生產車間生產任務信息，為管理者決策提供有力的根據。
3 MES關鍵問題解決
系統(tǒng)的部署及建設內容從總體上解決了需求問題，但能否解決系統(tǒng)建設的關鍵問題是關系系統(tǒng)建設成敗的關鍵。經過分析國內外MES系統(tǒng)的使用情況，并結合使用對象特點，總結出系統(tǒng)建設中需解決的關鍵問題有3個方面。
3.1 MES建設的選型
目前國內MES系統(tǒng)很多，成熟度良莠不齊，MES包含的建設內容各不相同。解決車間問題的側重點也不相同，因此如何研發(fā)適合本單位的MES成為解決問題的關鍵所在。
對于離散型企業(yè)大多處在應用MES的部分單一功能，多功能的MES使用成功率很低，并且與其他系統(tǒng)的集成也相對較差。華東電子工程研究所屬典型的多品種、小批量的離散型企業(yè)。目前市場上沒有一款滿足需求的MES系統(tǒng)。因為獨自開發(fā)MES的周期太長，最終采用聯合開發(fā)的建設方式，系統(tǒng)構架雙方共同完成，系統(tǒng)功能闡述由被實施方完成，系統(tǒng)功能的實現由實施方負責，為便于系統(tǒng)以后接口的變更及擴展，系統(tǒng)集成由雙方共同完成。通過采用聯合開發(fā)的方式，解決了MES“水土不服”問題。
3.2 現場信息的采集
生產現場信息采集方式是車問信息化建設的“瓶頸”，目前解決生產現場信息采集的方式主要有條碼掃描和射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)。由于機械加工生產車間現場的環(huán)境所限，導致生產現場的實物(零件、圖紙及工藝等)很難保證潔凈，在采用接觸式讀取技術時就會導致信息讀取不出，因此要使用的技術必須防止讀取污染。
如使用條碼掃描讀取技術，必須解決現場條碼污染問題。在實際使用時，如果單獨打印防污染條碼，然后粘貼在圖紙或生產工藝上，由于每天投產圖紙較多，工作量大增，不符合信息化發(fā)展的初衷；如果直接打印在圖紙或工藝上，然后對圖紙或工藝進行過塑防污，同樣帶來工作量大增并造成“白色污染”問題。
如使用RFID技術，雖然可以解決條碼污染問題，但硬件投入及信息的對應也造成投入大增，每次生產任務的唯一性導致射頻編碼不能重復使用也造成成本增加。
為解決以上問題，并能發(fā)揮條碼掃描的優(yōu)勢，采用在零部件經過計劃排產后，根據CAPP設計的工藝流程自動流轉到下道工序，然后由班組長登陸系統(tǒng)后對任務進行分配(分配到具體設備及人員)。員工采用條碼掃描本人工作證方式實現系統(tǒng)登陸，通過在系統(tǒng)中點擊任務開始、任務結束的方式來實現制造過程信息的獲取，避免紙質條形碼受污染后信息獲取困難問題。
3.3 生產排產實現方法
生產MES的計劃排產，從ERP(EntERPrise Resources Planning，企業(yè)資源管理)或其他計劃系統(tǒng)讀取產品計劃，多數企業(yè)面臨由于長期的計劃積累，計劃系統(tǒng)內存在海量產品數據，系統(tǒng)集成后需開發(fā)實用的篩選方法，數據可根據時間、產品型號、制造方式等對系統(tǒng)信息進行篩選；通過與物流系統(tǒng)的數據集成，在排產前對庫房是否有原材料進行判斷；滿足條件后運用排產規(guī)則對符合要求的零部件進行排產。計劃排產實現的詳細流程見圖2。
圖2 計劃排產實現流程圖
4 建設MES的成效
經過MES系統(tǒng)的實施，實現了產品零部件的計劃排產、全流程追逐；產品質量、機床狀態(tài)、刀量具管理實現了信息化管理。零部件的全流程追溯的實現，提高了產品零部件按計劃完成的比率；機床狀態(tài)監(jiān)控及質量信息化管理，增加了員工工作的責任心，產品合格率得到了提升。決策支持功能，提高了車間管理者對車間資源使用情況、任務飽和度、項目計劃的掌控，為決策的科學性和可行性提供了堅實的基礎。
但系統(tǒng)在使用過程中也暴露了很多問題。由于系統(tǒng)功能的實現內容較多，建設主次層次不清晰，導致MES系統(tǒng)在實際使用時出現了不少問題。如：在零部件較多時計劃排產速度跟不上車間工作節(jié)奏，目前只能做到重點產品的計劃排產；由于車間加急任務多，插單后對原有計劃排產造成的沖擊很難評估；由于系統(tǒng)覆蓋面廣，使用該系統(tǒng)的人員信息化水平參差不齊，因此在系統(tǒng)的方案階段就盡量簡化人員對系統(tǒng)的操作，開發(fā)的系統(tǒng)流程應簡單易用。這些問題為后續(xù)系統(tǒng)的優(yōu)化指明了方向。
5 總結
通過調研當前MES實際使用情況，立足機械加工車間的實際需要，通過提出建設目標、建設內容，最后對建設過程中的關鍵問題進行分析解決。建設了一套可行的MES系統(tǒng)，平問基本實現信息化。通過MES排產重點產品計劃得到保障，零部件加工狀態(tài)、完成時間、操作者及設備信息、質量狀況信息可隨時查看，外協任務審批網絡化，車間實現任意時間內產能統(tǒng)計、人員工時結算等信息化管理。
經過系統(tǒng)實施，設備利用率、車間的生產能力、產品的質量得到提高，并為提高后續(xù)產品計劃安排的科學性和可行性及后續(xù)車間建立無圖化打下堅實的基礎。
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本文標題：離散型制造車間MES的研究及實現
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