MES在變壓器制造企業的應用與研究

謝慶峰+王鋒+丁坤

摘要MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）作為數字化工廠承上啟下的關鍵系統，成為輸變電企業近年來重點推進的系統。本文重點對MES在變壓器制造企業鐵芯片剪切車間應用的一些關鍵技術及經驗進行論述，以期對相似行業提供借鑒。

關鍵詞MES；ERP；過程優化；鐵芯片；生產車間

西安西電變壓器有限責任公司專業從事交、直流輸變電工程用變壓器、電抗器和冶煉、化工工業、科研等特種變壓器的研發和制造，是我國超高壓、特高壓變壓器類產品的核心制造企業，是中國最大的變壓器制造企業之一。公司在十一五、十二五期間信息化建設得到了長足的進步，先后建設了三維CAD、CAE、CAM、PDM、0A、ERP、HR等軟件和系統，在數字化研發與信息化管理方面實現了信息流的全面貫通。但在生產過程中車間接到ERP下達生產計劃指令后，經常發生與計劃偏差的情況（如設備故障、原料不合格等），車間因此會根據實際情況進行調整，但是ERP繼續按照原本的計劃執行訂單，導致ERP系統成為“無本之木”。

MES是位于上層的計劃管理系統與底層的工業控制之間的面向車間生產的管理信息系統。它能夠為車間管理人員提供生產計劃的執行、跟蹤以及所有資源的當前狀態等信息。制造執行系統在企業計劃管理層與車間底層控制之間架起了一座橋梁，填補了企業計劃管理層和底層控制之間的“鴻溝”。因此，公司決定在制造車間逐步推廣制造執系統。

1MES試點車間選取

沖剪車間是變壓器鐵芯片剪切車間，擔負著變壓器鐵芯加工、并聯電抗器鐵芯加工及電抗器鐵軛繞制等生產任務，是變壓器生產的主要配套車間，車間包含7條全自動化剪切線，可以充分測試和研究計劃層與控制層數據貫通情況。同時沖剪車間物料管理和跟蹤復雜，物料、半成品、成品屬于聚合轉換關系，生產靈活機動，管理過程復雜，質量活動頻繁，自檢、互檢、專檢、終檢等貫穿整個生產過程，如何有效的控制質量活動，如何高效的控制生產活動等都是重點研究的對象。

2模型建立與系統信息流設計

根據車間的工藝過程及管理特點，同時綜合考慮已有信息系統的接口關系建立系統模型如下：

沖剪車間MES系統按工藝過程規劃信息流向如下。

1）MES系統接收ERP計劃、訂單、物料等信息；2）根據ERP下達的生產訂單，MES系統接收PDM系統的圖紙、工藝文件、質量要求等數據；3）MEG系統套裁套料（加工優化）模塊將接收的圖紙信息生成具體的加工任務；4）MES根據上述的ERP計劃和訂單、物料信息，套裁的加工任務，自動生成車間生產作業加工計劃（工序級），同時根據套裁導入的加工任務生成定額工時；5）MEG系統DNC模塊將套裁套料模塊生成的加工任務和工藝程序，自動下發到生產班組和數控鐵芯剪切線；6）剪切線工人進行上料、下料操作，并通過條碼、感應設備在MES終端進行開工及報工；7）檢驗人員在MES系統質量檢驗模塊中進行工序質量控制；8）MES系統在生產過程中實時向ERP系統反饋生產進度信息；9）MES系統MDC模塊實時采集設備的運行數據，進行設備績效統計與分析。

3系統執行過程優化

在模型建立及數據流貫通之后，結合智能制造的特點需要對生產控制過程進行優化，全面融入精益生產理念，減少材料浪費，實現設備利用率的最大化，進行車間作業計劃的系統編制，并與ERP系統進行集成應用，實現管理信息與制造執行的有效銜接。合理安排生產，減少瓶頸問題，敏捷響應制造過程中的各類異常，保證生產有序進行，提高整體生產效率。規范化質量檢驗標準和不合格品的處理，更準確的預測質量趨勢，有效的控制質量缺陷。優化后的系統執行過程如下圖：

3.1套裁套料

物料如何高效流轉和精細化使用，是企業降低成本和優化生產的重要環節。沖剪車間主要物料矽鋼片屬于貴重物資且消耗量極大，所以對物料的管理、追溯、統計等都是MES試點項目的重點。在沖剪車間多工號間相互套料，提高原材料的利用率是減少材料浪費的最直接的辦法，所以MES系統套裁套料模塊重點進行了矽鋼片套裁的算法優化，使用模糊算法，為沖剪車間提供3種解決方案，供用戶選擇。在如下計算原則中尋求平衡。

1）產生余料最少（材料節省但工作效率可能不高）。

2）操作最方便（工作效率較高但產生廢料較多）。

3）大套小（優先考慮寬料米數，后考慮窄料）。

4）米數相近（多個不同寬度得卷料盡量取長度米數相近的套裁）。

5）支持裁邊寬度參數設置。

3.2生產指令下達

車間技術員根據現場的實際情況選擇確認某一方案后，系統根據套裁結果、工藝路線設定以及從ERP系統接收的生產計劃信息，自動進行工序及班組作業計劃的編排，之后自動向班組下達生產任務，自動計算定額工時，大大縮短了生產準備活動時間，并減輕了生產調度的壓力和現場人機交互的復雜度，使得MES系統的易用性大幅提高。

3.3虛擬庫

由于生產現場沒有物料、半成品、成品的實體庫。為方便物料流轉、物料追溯及條碼編碼，MES系統建立不同的虛擬庫，將不同工序產出的物料根據生產任務自動劃入虛擬庫中，并采用條碼技術，對不同物料分別編碼，為物料的精細化管理提供可能。原材料、半成品、成品、余料等都有特定的可視化條碼，便于人工識別與目視化管理，避免不同牌號矽鋼片相識性高而發生誤用的情況。

3.4物料防錯

可視化條碼的人工識別，無法杜絕人為失誤產生的物料誤用，所以MES系統物料防錯功能是必備功能。在MES生產作業任務開始時，系統已經按照工藝的要求生成限制條件，材料廠家、寬度、厚度、牌號等信息在生產開工前都已整合完畢，開工掃碼后會在系統界面提示物料的信息，如果物料規格不符合工藝要求系統將無法開工。

3.5質量檢驗

質量檢驗模塊通過過程檢驗、缺陷處理、質量統計等對生產全過程進行完整的質量管理。在過程中進行實時的質量監控，并建立質量追溯鏈實時分析，減少產品生產過程中的“質量波動”，事先消除質量隱患，降低返工和報廢成本。通過對工藝參數及質量活動拆分到所有的工序操作中，同時為了提高質量數據的真實性，引進了數字化的測量與檢驗工具，將測試數據實時反饋給MES系統與工藝要求進行對比，控制出現質量問題無法繼續，直到將問題處理或移交后才能正常生產，產生了良性互動、嚴格控制的效果。

3.6質量統計和追溯

通過對各階段物料的追蹤與記錄，系統對物料如成品、半成品、余料進行掃描操作即可進行雙向追溯。正向可查到材料具體裝配到哪個成品或半成品中，反向可查出產品所用原材料的供貨商、各工序的操作者以及生產線。同時可對質量記錄進行分析，以獲取某時段產品質量頻次、產品一次通過率、供應商供貨質量通過率等指標。對于提高產品質量提供重要數據支撐。

3.7剪切線控制系統集成及設備管理

通過MES與剪切線控制系統的集成，實現生產線的狀態監控，并下發控制指令與加工程序代碼。車間生產線設備信息的采集，可獲取設備的實時運行信息。在計劃排產階段考慮每臺設備的產能、當前負荷、運行狀態等因素進行模擬排產，同時在車間實際生產過程中考慮設備的維護周期，保養時間等因素對設備進行設備維護管理，對即將到期計劃進行預警，提醒設備管理員安排設備檢修、保養和維護。結合設備運行過程中的設備維修、設備保養、設備檢驗、設備開關機和設備故障等信息，統計設備運行過程的OEE（全局設備效率），設備臺帳和設備的履歷信息，提高設備的利用率和生產效率。

4結論

本文通過對西安西電變壓器有限責任公司沖剪車間MES系統實現的探討，分析了MES系統建設模型建立與數據流設計的方法，給出了在變壓器制造行業鐵芯片剪切車間MES系統建設的主要思路和研究內容。該系統已經正式上線運行，基本實現了由人工管理向智能化管理的轉化以及精益生產的目標，對生產過程中需要的人、機、料、法、環的合理利用提供了科學、合理、高效的信息化支撐，初步驗證了MES系統在大型離散制造業中作為上層計劃系統與底層工業控制系統的橋梁作用，為公司今后其他車間及類似行業MES系統的建設起到了良好的示范效果。