MES系统在离散制造业的实施与应用

MES系统在离散制造业的实施与应用

孙永政1 杨志同2戚震宇3董子敬4

济柴动力有限公司，济南 250306

摘要：“互联网+”时代，装备制造企业制造执行环节信息化已经成为提高生产经营管理水平，提高市场应变能力及竞争力不可或缺的重要手段和工具。MES系统（制造执行系统）是位于企业上层企业资源计划ERP和底层设备自动控制系统PCS之间，面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。通过MES系统项目实施，可以满足企业生产过程精细化管理的需要，为企业提供作业分配、工序调度、质量控制、设备监控、绩效统计等功能，实现生产数据实时采集及信息共享，优化生产过程管理，降低生产运行成本，实现生产过程的全面信息化。

关键字；MES；计划；辅助派工；生产跟踪；排产

1 引言

MES系统(制造执行系统)位于企业上层企业资源计划ERP和底层设备自动控制系统PCS之间，是面向车间层的生产管理技术与实时信息系统[1]。通过MES实现产品和组件生产数据收集与跟踪，作业人员管理，生产状态实时监控与质量控制，从而加强ERP系统计划的执行能力，让生产指令在车间现场有效执行，并实现低成本、可视化管理[2]。

当前，国内流程型制造业MES系统实施有很多成功案例，而离散型MES系统在软件产品、应用深度和广度方面与流程行业相比都有很大差距。因此，离散型MES系统的实施与应用成为离散型企业信息化管理的一个重要课题。笔者作为石油动力装备制造大型骨干企业的信息管理者，在多年工作实践中对此有深切体会，并愿意就此抛砖引玉，与国内同行讨论MES系统在离散制造业的实施与应用。

2 现状与特点

中国石油集团济柴动力有限公司（以下简称济柴）是中国石油天然气集团公司下属的唯一中大功率内燃机制造企业，始建于1920年，是我国最早生产柴油机的厂家之一。济柴是典型的离散型装备制造企业，其原有现状及特点如下：

现有管理模式是订单拉动生产管理模式，为保证及

时供货，采用按单生产与预投相结合的方法，机加工生产按预测推式投放，总装按订单拉式生产，生产管理部门无法及时了解生产现场进度。生产管理部门根据销售订单和预投计划制定生产计划，生产分厂接到生产部门下达的月度排产计划制定投料计划，确定自制计划和采购计划，生产现场的派工和过程控制通过人工调度,主要通过“巡逻”方式，掌握现场信息。产品质量检验数据通过手工录入，纸质文档记录，不便于保存和查询。

济柴是典型的离散型制造企业，产品具有多品种、

小批量特点。济柴现有150余种常用机型、加上各种变型机产品种类达上千种，因客户个性化需求较多，小批量生产情况较普遍。此外，产品加工周长、工艺复杂，比如其关键零部件曲轴的工艺过程为：领料—粗加工（外协）—热处理调质—半精加工—热处理去应力退火—精加工—热处理渗氮—超精加工表面光洁度，加工周期经过3个月五十多道工序。

3、 生产配送要求准确供货，因外购件所占比重大，要求各生产部门按总装计划准时配送，始终保持在制产品有一定规模数量，根据市场情况进行调整，工序短原料储备，工序长在线产品储备，比例为1：3。

3 实施目标

通过MES系统的实施，达到提升生产运行管理的数字化、精细化水平，提高产品质量和生产效率[3]，降低生产成本，为企业提高市场竞争力提供有效支撑，具体目标包括以下几点：

3.1、提高济柴的基础生产过程数据和质检数据的集成度，实现各类生产数据实时采集及信息共享，加强对整个生产执行过程的监督和控制，提高生产的稳定性，降低生产成本，减少质量浪费；

3.2、提高济柴的生产管理水平，改善生产管理模式，用计算机自动生成、打印报表替代手工填写报表，用各种电子日志取代各种手工填写的日志；

3.3、通过系统化的规划分析和普及信息系统相关知识，使济柴全体员工认识到，企业的管理、决策和信息化建设与每个人都息息相关，信息化建设必须以统一的平台为基础进行信息的集成、共享、应用，摒弃“信息孤岛”式的信息化系统。

4 功能设计与系统实现

济柴MES系统成功运行主要实施了硬件改造升级和软件功能设计两大部分：

4.1、硬件改造方面

在机加分厂、总装分厂、热处理分厂现场布置工业一体机及扫描设备，并且给操作工配备了条码扫描设备，方便操作工操作，在生产现场实现无线网络全覆盖，方便一体机读取数据库数据，并在机加分厂安置大屏幕可以现场展示生产进度。

4.2、软件设计及实施

济柴MES系统选用GE的现场数据采集软件CIM、作业计划管理软件Proficy Scheduler、工厂建模软件PA，作为系统功能设计及实现的软件，数据库采用SQL2008。

4.2.1系统功能设计

结合济柴生产现状与特点，济柴MES系统分为四层共9个模块(如图1所示)。其中基础应用层包括：基础信息管理与系统集成、数据采集与现场监控；业务执行层包括：设备运行监控管理、文档管理、生产跟踪管理、质量控制；业务计划层包括：作业计划管理、生产调度管理；管理层包括：绩效统计与分析。

4.2.2、系统实现

济柴MES系统实施主要分为四个方面：生产管理与绩效分析、作业计划、生产调度/派工、生产执行与物料跟踪（如下图所示），MES系统通过Scheduler从ERP获取生产订单或手工导入生产订单，在系统中合并订单，只记录该物料的数量，在系统中查询该物料的可派数量、未完工数、代加工数、设备占用状态、为派工操作者等信息，根据各种信息辅助班组长进行派工，在生产现场操作工根据系统派工单，用扫描枪扫描零件条码开始生产，该工序生产结束报工，通过条码扫描的方式实现各个工序的物料跟踪，并且还能查询设备状态、工单状态、完工情况、在制品情况等状态，通过各个数据的录入可以实现各种报表的汇总统计、绩效分析等更能，详细功能如下：

1、生产管理与绩效分析

1）以MES数据为支撑，实现生产统计报表、质量统计报表、设备统计报表等的自动生成与导出，使管理人员能够及时准确了解生产完成情况、设备运转情况等，为有效的决策提供支持和保证；

2）对机加工分厂以及总装分厂生产关键指标分析，包括生产指标分析（出产统计、分厂间转交零件种类及数量统计、物料消耗统计等）、设备指标分析（运转率、故障率、利用率等）、质量指标分析（曲轴、连杆、凸轮轴、机体等加工零件相关质量检测点的指标数据分析、零件加工合格率、整机一次试车合格率、进入总装零件合格率）等；

3）为满足报表统计需求，用户通过系统可以手工录入部分数据；

4）及时获取加工、组装过程中质检信息，有助于及时发现质量问题，加强质量控制；

5）建立整机档案电子数据，便于保存和维护，减轻装机档案管理的劳动强度；

6）方便进行整机质量追溯，提高质量管理的效率

2、作业计划

济柴的作业计划是集成ERP生产订单，同时将完工信息反馈给ERP(如图4所示)；同时支持手工导入的作业计划；在系统中配置和维护工艺路线；配置工序的设备资源和员工信息及工厂日历；按照相同物料进行数据合并，生成总加工任务；派工可派到工序、设备、班组、人员；生产管理部门可以根据现场在制品完成情况，预判产品的配送情况，以保证订单的按时交货。

4.3、生产调度/派工

生产调度/派工是济柴MES实施的重点也是难点，由于济柴MES的排产软件Sheduler的排产模式是按照订单进行排产，而济柴机加工生产是按照物料进行生产，从而导致生产和计划无法匹配。而且影响生产派工因素特别多，实际调整比较大，而scheduler是按照理想状态去进行排产，计算的结果与实际情况有一定的差距，需要大量的人工调整，工作量比较大。

4.4、生产执行与物料跟踪

生产执行与物料跟踪包括两部分内容：零部件加工过程跟踪和组装关系跟踪。对于前者而言，在生产跟踪过程中需要及时准确了解哪种物料在什么时间、什么设备上、由什么人做了哪些工序的加工；而对于后者，生产跟踪需要了解各个零部件之间的组装关系，以利于形成一个装配产品谱系，供查询跟踪。其中后者的及时性要求没有前者高，一般可以事后补录。对于济柴而言，零部件加工过程跟踪主要指零件的加工，主要指机加工分厂，其中曲轴、机体采用单件打印条码跟踪，连杆采用激光二维码的方式打印到部件上跟踪，凸轮轴、缸盖、罩壳采用数量跟踪(如图6所示)；总装分厂的生产跟踪包括加工过程跟踪和组装关系跟踪两方面(如图7所示)。

零件加工过程跟踪又分为三种即单件户籍跟踪、批次跟踪和数量跟踪[4]。对于主重要件而言一定要实现单件户籍跟踪，次重要件只需要跟踪到批次即可，其他件则只需要记录加工了多少件，即数量跟踪。经过调研分析，济柴目前需要户籍跟踪的主重要件约在28种2400多个种，需要批次跟踪的有1种，其他标准件、普通螺栓等只需要数量跟踪，而不必定位具体哪一件或哪一个批次。

组装关系跟踪也分为两种，即单件户籍跟踪和批次跟踪。系统记录装配关系可以以一棵装配“树”的方式将产品装配过程记录下来，以利于生产过程与质量追踪。当然，正如前面所述，对于总装车间而言，系统既要记录加工过程的跟踪，也要完成组装关系跟踪，在系统实现上可以合二为一，尽管后者的实时性要求低一些。

无论是哪一种跟踪方式，都要求尽可能减少录入量，最终采用了条码或条码结合客户端录入的方式实现跟踪数据的录入。

5 MES系统实施效果

5.1、生产跟踪、质量管理、设备管理

通过电子触屏和条码扫描，降低手工录入的工作量，提高数据获取准确性、按照BOM结构，实现对主重要件的防错装、防漏装提醒报警功能；实现了28类2000多种主重要件户籍跟踪与ERP系统集成，自动获取生产订单和BOM信息，将完工信息上传给ERP；实时记录工序在制品信息；实时记录现场设备信息和工序质量检验信息。

5.2、计划调度、生产派工

管理部门可以通过系统实时查看现场生产情况，包括关键工序在制情况等；根据现场生产信息，预判计划的完成情况，为下达计划提供参考；系统统计提示可派工数量，按物料给出需求总任务、任务完工数、工序已派工数、工序可派工数，工序完工等信息；系统展示设备的占用情况，加工时间，已派任务等信息；通过系统下发派工任务，代替原有纸质单据

[5]。

5.3、大屏展示、报表统计

通过工序实时报工，及时获取现场生产信息，实时统计关键工序在制品库存信息；通过大屏幕及时展示：生产在制品信息、现场设备状态统计为生产决策提供实时数据；合同执行情况展示；机加工月度生产汇总；机加工关键工序在制品统计；设备运行状态监控。

6 总结

MES系统在济柴的成功运用，满足了企业生产过程精细化管理的需要，实现车间无纸化生产，能够较好地支持车间生产现场对任务的快速响应和优化组织，提高了生产效率；同时实现了生产数据实时采集及信息共享，优化生产过程管理，降低生产运行成本，实现生产过程的全面信息化，并且提高了管理人员的决策能力及全局分析能力，为企业提高市场竞争力提供有效支撑。

参考文献：

[1]黄学文，制造执行系统（MES）的研究和应用[D]，大连理工大学，2003年.

[2]曹江辉，面向敏捷制造的制造执行系统关键技术研究[D];南京航空航天大学，2002年.

[3]龚光燃，分布式并行制造执行系统（D-CMES）研究与开发[D]，南京航空航天大学，2001年.

[4]包振强，基于多Agent的智能制造执行系统研究[D];南京航空航天大学，2003年.

[5]王万雷;制造执行系统（MES）若干关键技术研究[D]，大连理工大学，2006年.