基于MES的離散型車間人員管理系統設計

張震+尤鳳翔

[摘 要] 針對某汽車安全帶生產企業中無法采集人員信息、人員生產過程追溯不完整、人員技能管理不完善、人員產能不準確等實際問題，提出了基于制造執行系統（MES）的離散型車間人員管理系統模型。解決以手工生產為主的企業生產車間人員管控難、數據記錄煩瑣等問題，通過統計學理論對人員技能進行量化判定，實現對生產現場人員的有效管控及無紙化管理，不僅提高了車間人員管理效率，而且對產品質量管控起到了關鍵作用。

[關鍵詞] MES；離散型車間；系統設計；人員信息采集

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 01. 028

[中圖分類號] F270.7；TH166 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）01- 0067- 04

1 前 言

在互聯網時代背景下，面對競爭更激烈、變化更迅速的市場環境及產品多樣化、個性化的客戶需求，促使制造企業加大信息化的發展。傳統的生產車間，由于缺乏生產現場的實時精確信息，導致信息斷層，車間生產過程猶如“黑箱作業”，現場的問題不能實時預警、反饋，管理層人員難以及時發現并解決問題；且由于缺乏對車間現場的生產數據進行實時采集，無法實現制造過程的可追溯性，嚴重影響了車間生產效率及產品質量。

隨著“智能制造”的開展，MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）已經成為實現智能制造的核心，對MES的研究也被提到重要位置。MES被定義為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層的管理信息系統，在1997年提出的MES的11個基本功能模塊：計劃和控制模塊、資源配置和狀態跟蹤模塊、工序細節調度模塊、產品跟蹤記錄模塊、維護管理模塊、人力資源模塊、文檔控制模塊、性能分析模塊、過程管理模塊、質量管理模塊、數據采集和獲取模塊[1]。張書亭[2]從建立敏捷制造企業的車間生產管理系統出發，分析和論述了制造執行系統的功能和應用特點，提出了使用先進的制造執行系統思想和軟件輔助建立敏捷車間系統。柴永生[3]等針對制造執行系統應用開發的復雜性，提出了一個制造執行系統的柔性應用框架。吳梅磊、呂紀偉 等對于離散型MES系統的功能結構、數據采集模塊、生產監視模塊進行了詳細的研究，并采用結構化建模方法建立了相應的功能模型、信息模型和過程模型。秦睿 等利用RFID數據采集方式和ZigBee數據傳輸技術，實現離散制造車間生產過程中的產品加工開始時間、加工結束時間、產品加工設備、加工人員等數據的實時數據采集。王景輝 等以制造執行系統框架思想理念為指導，結合航天產品制造車間管理現狀，利用信息工程方法論和信息資源規劃工具，建立航天產品制造車間MES應用模型，在此模型的基礎上進行車間生產管理信息系統的開發應用，提高車間質量管理信息化水平。張睿哲等通過對石油化工行業生產特點及管理模式的分析，結合MES技術發展現狀，提出了MES在石油化工企業的應用架構、主要功能及系統組成形式。王小維研究了汽車工廠MES系統的設計和實現；李超 等針對某汽車零部件生產企業，利用RFID技術和Apache Thrift框架設計了MES的離散車間生產管理模型，并提出基于Android客戶端對車間生產進行遠程監控管理。

對于大多數中小型離散型制造業來說，生產車間內的人占主導地位，車間大多數生產工藝要求必須由人才能完成，如果無法對車間員工進行有效的管控，既影響生產效率，又影響產品質量。然而以上關于MES的研究盡管已經涉及各種制造業，但均缺乏對生產車間的人員管理方面的內容，本文以某汽車安全帶生產車間為背景，從當前對人員管理方面的實際問題出發，基于MES標準架構，建立了生產車間人員管理系統。

2 人員管理系統需求

經過對某汽車安全帶生產車間的詳細調研及分析，總結出當前生產車間對人員管理方面存在的主要問題如下：

（1）無法對人員信息進行采集。生產過程中的數據信息采集包括人員信息相關數據、設備相關數據、物料相關數據、工藝狀態及加工時間相關數據及車間環境相關數據，只有對以上全部數據進行采集，才能全面而實時地跟蹤。目前生產車間無法對員工信息進行采集，不能實時監控員工狀態。

（2）無法進行人員操作防錯。由于生產車間的產品種類很多，無法準確判斷某個員工能否生產某型號產品，考慮產品生產過程對產品質量的控制，必須要對人員進行防錯，每個員工只能做他會做的產品，而當前車間內的員工可以隨意進行所有產品的加工，無法保證產品加工質量。

（3）員工加工過程無法追溯。目前生產車間現場是由手工錄入員工工號的方法，對每個產品由哪個工號員工生產進行記錄，后期由班組長統計錄入電腦。由于記錄卡隨產品在車間流動，無法保證信息保存完整。

（4）新員工培訓無法量化判定是否達標。對于新員工來說，培訓過后，其進行加工產品時需要進行實時監控。而新員工上線要由老員工帶領才能進行操作，且對于新員工是否達標主要由車間管理員人為主觀判斷，無相關生產過程的數據支持。

（5）人員產能統計不準確。車間目前只能靠線上員工在加工過程中自己統計實際產能、不合格數，并用紙質表格記錄，然后再由班組長進行匯總后，再統一計算生產工時、生產效率、加班工時、異常工時等進行評定。存在數據記錄不準確、統計過程煩瑣等問題。

針對該企業存在的以上問題，設計了基于MES的離散型車間人員管理系統，從而實現對車間員工的有效管理。

3 基本框架

3.1 系統框架

基于MES的人員管理系統需要調用MES的數據庫，MES中的生產過程統計的產品生產信息需要與人員信息進行交互綁定，然后再將信息存入數據庫，其系統框架如圖1。

3.2 系統功能模型endprint

根據企業當前問題，對人員管理系統的功能進行設計，包括用戶管理、人員信息管理、人員生產過程管理、人員技能級別管理、人員績效管理、人員基礎數據，其功能模型如圖2。

4 人員管理系統功能分析

4.1 人員信息管理

人員信息管理包括對員工的信息采集及員工操作防錯。

（1）員工信息采集采用RFID多功能工位機，通過刷卡的方式進行信息的錄入。在現場生產車間每個工位都安裝一個RFID多功能工位機，每個員工都會配一個RFID員工卡，員工在上班時間進行刷卡上線，系統會記錄當前登錄人信息、登錄時間，在下班時間進行刷卡則記錄結束時間，此過程中包括離崗、異常暫停、休息等相關信息的記錄。

（2）員工操作防錯是在刷卡的過程中，系統會根據當前已經下達的生產訂單所包括的產品與員工信息進行匹配，判斷該型號產品能否由當前員工進行加工，如果不能則報警提示。其判斷邏輯流程圖如圖3。

其中人員技能矩陣是事先維護好基礎數據，與下面的人員技能管理共用此數據表，在數據庫中，它是員工與產品信息關聯的基礎表，其形式如表1。

4.2 人員生產過程管理

人員生產過程管理主要是在產品加工過程中，需要每一個工位的員工對每一個產品進行條碼掃描，然后系統會自動將該產品的信息與員工信息進行綁定，存入數據庫中。無論產品良與不良，都會將其錄入相關員工生產過程記錄表中，以實現后期產品生產過程的追溯。

4.3 人員技能級別管理

人員技能級別是對每個員工加工某產品的熟練程度的表現，此功能主要包括新員工上線權限管理和技能級別自動升級管理。

（1）新員工上線權限管理。對于新員工來說，他對某產品的技能級別為1，而根據車間人員管理相關要求，技能級別為1的員工是不能單獨進行產品加工的，只允許在老員工的指導下才能進行加工。當員工刷卡時，系統會根據人員技能級別表判斷該員工的技能級別，如果為1，則提示無法獨立加工，需要老員工同時刷卡，此新員工才能進行產品加工。

（2）員工技能級別自動升級管理。員工對某個產品的熟練程度是由加工該產品的產能及產品良率決定的。當新員工的產能及產品良率達到并穩定在一個標準范圍內，則判定此新員工具有加工該產品的能力，系統會自動將其技能級別升到2級，則說明該員工擁有獨立加工產品的能力。

每個新員工的合格產能數會隨著其操作熟練度的提升而增加，對其產能進行實時統計，將其制作成曲線圖，是一個產能逐漸增加的“爬坡”曲線，曲線形式如圖4所示。

系統會自動統計分析某個新員工在某段時間（5-10天）內的產能是否穩定，如果穩定在某個標準產能范圍內，則判定該員工已經掌握加工此產品的技能，就會自動更新人員技能矩陣中的技能級別。但是由于標準產能范圍屬于一個經驗值，根據統計論置信區間相關理論基礎，設定一個置信水平區間來作為標準產能范圍。

對于一般熟練工的產能可以看作總體服從N（μ，σ2）分布，則可以求得其均值μ的置信區間。

設已給定置信水平為1-α，并設X1，X2，…，Xn為總體N（μ，σ2）的樣本，，S2分別是樣本均值和樣本方差。由于總體σ2未知，考慮S2是σ2的無偏估計，根據抽樣分布相關定理知，

則有

=1-α（2）

于是得μ的一個置信水平為1-α的置信區間

從所有熟練員工產能歷史數據中隨機抽取一組產能數據，然后由以上相關置信區間理論，計算一個置信水平1-α（一般為0.95）的置信區間，然后以此置信區間為標準產能范圍，判斷新員工產能是否達到穩定，從而提升該員工的技能級別。

4.4 產能報表管理

所有人員產能數據都將被統計并匯總，管理人員可以進行人員產能查詢，包括每個員工的實際生產工時，實際產能以及計劃完成率、異常工時統計、加班工時統計。所有的過程都由系統自動采集記錄，無需人員手動記錄，避免數據不完整，實現無紙化管理。

5 結 語

本文針對以手工生產為主的某汽車安全帶生產企業所存在的人員管控問題，設計此人員生產管理系統，實現生產車間無紙化的人員管理，對人員生產過程進行防錯與追溯，通過統計學方法，對人員技能提出了一個量化評估指標。該系統不僅提高了管理層對生產車間人員的管理效率，也加強了對產品生產過程中的質量管控，有效提升了產品良率。

主要參考文獻

[1]李文輝. 制造執行系統（MES）的應用和發展[J]. 蘭州理工大學學報， 2006，32（2）：50-54.

[2]張書亭，楊建軍.面向敏捷制造車間的制造執行系統研究[J].新技術新工藝，2000（12）：2-4.

[3]柴永生，孫樹棟，吳秀麗，等.制造執行系統柔性應用框架研究[J].計算機應用，2005，25（3）：679-681.endprint