軍工科研單位MES的建設與實施

文/王威 張偉 石寶松 王羚薇

為不斷縮短研制生產周期，降低制造成本，提高產品性能和可靠性，當前電子制造行業普遍提倡“精細化管理”和“數字化制造”，其中MES(Manufacturing Execution System)制造執行系統憑借其諸多優勢已成為業內的主流選擇之一。MES是美國先進制造研究機構AMR(Advanced Manufacturing Research)于20世紀90年代提出的概念。其定義是：通過采用實時的和精確的數據，對生產活動進行及時的引導、響應和報告，對隨時可能發生變化的生產狀態和條件做出快速的反應，從而有效提高生產運行效率。MES國際聯合會（Manufacturing Execution System Association, MESA）則進一步解釋為：“MES能通過信息的傳遞，對從訂單下達開始到產品完成的整個產品生產過程進行優化的管理，對工廠發生的實時事件及時做出相應地反應和報告，并用當前準確的數據對其進行相應地指導和處理。”MES主要強調三點：

（1）提供對整個車間制造過程的優化功能；

（2）提供實時收集生產過程中數據的功能，并進行相應的分析和處理；

（3）計劃層與控制層之間保持雙向信息交互，通過企業的連續信息流來實現企業信息全集成。

MES是一種先進的生產管理模式，它把產品制造系統的計劃、進度、追蹤、物料、質量、設備等一體化管理。MES系統在民品生產中有大量的成功例子，但是在多品種、小批量、時間緊、任務急，品種變換快的軍品生產中推廣難度較大，是軍工生產單位普遍關注的問題。

1 軍工企業的生產特點及存在問題

軍工企業生產與傳統的以大規模生產制造為主的民用企業有很大的不同，主要體現在兩個方面：

（1）從生產模式來說，軍工企業多采用典型的面向訂單（Make to order，MTO）生產模式，即為訂單而設計、為訂單而制造、按訂單驅動生產，與面向庫存（標準產品）的生產模式相比，具有在研/在制產品多，設計相對不成熟，產品可制造性差等特點，這些特點導致生產準備工作量大（生產效率低），生產任務量動態變化大（忙閑不均），因此，計劃與資源調配以及成本、進度和質量控制等困難較大；

（2）從項目管理模式來說，由于軍工企業多為國企，其生產、管理部門的設置多沿用職能模式，一個項目從合同簽訂、生產計劃制定下達、產品設計直至投產過程，涉及的人員、部門眾多，因此生產的組織管理十分復雜。

結合筆者所在單位，產品類型包括地面靶場測量與光電對抗設備、航空平臺與偵察相機以及航天載荷及整星等，電裝生產任務包括PCB組裝/三防/固封、電纜組件與電纜網制作、單機電氣裝配、系統與整機綜合布線、航天產品熱控實施等。由于產品類型多且多為單品研制生產，因此，“邊研-邊產-邊定型”情況十分普遍，現有的生產管理模式，已很難滿足科研生產需求，具體存在的問題包括：

（1）技術和管理信息不能共享，計劃制定者不能及時準確掌握車間生產狀態，導致計劃落實困難；

（2）生產過程不可監控，生產效率嚴重依賴于生產組長（或調度）的管理能力及工作主動性；

（3）數據采集困難，管理者無法及時監控掌握設備狀態、工作進程、產品質量等信息，更無法進行分析并優化調整生產計劃；

（4）工時定額統計不準確，不能作為工人績效考核的有效依據，也不能為產品的成本核算提供相對合理和準確的數據（產品報價不科學）；

（5）缺乏資源一致性維護，對物料（原材料、元器件）的動態管理依賴后續工序的等待和催促（出現過錫膏、灌封膠等材料短缺影響正常生產的情況），影響生產地有序進行。隨著所內科研任務的不斷增多，上述情況愈發明顯，嚴重影響了科研生產任務地順利完成。

2 軍工科研單位實施MES的困難和關鍵點

從MES的基本概念看，它本應是“多品種、小批量”的軍工生產管理的完美解決方案，然而在實際應用過程中卻存在諸多困難和制約因素，嚴重影響著其在軍工科研單位的推廣。

2.1 實施團隊組建

MES實施成功的首要因素在于實施人員和團隊，MES廠商對此一般會有標準的項目組組織架構要求，然而由于軍工科研單位對MES的原理、實施和運行管理的方法缺乏深刻的理解和認識，使其成為項目實施的最主要制約因素之一。體現在：

（1）對MES毫無概念，認為MES只是一套普通的商業軟件，實施工作由MES廠商完成，甲方只須接受培訓即可使用；

（2）MES項目實施的關鍵崗位不能得到人員保障，MES的運轉不能從企業管理、技術、技能等多環節全面推廣。

2.2 MES廠商選擇

圖1：軍工產品生產業務流程模型

圖2：MES軟件業務架構

圖3：MES功能架構設計

MES的定義和要解決的問題決定了它絕不是一個“普適”的貨架產品，它的開發必將是用戶和供應商深度配合，頻繁溝通的過程。因此用戶除了需要組建高水平實施團隊外，MES廠商的選擇十分關鍵。選擇MES廠商最簡單的原則是廠商實力，而所謂的“實力”除了廠商的行業信譽與項目實施經驗外，對軍工科研單位而言“客戶適應能力”也同樣重要，這是因為軍工科研生產的特點決定了其MES系統的高復雜性和高差異性，加之軍工科研單位大多缺乏信息化管理經驗，對于項目任務書的編寫很難一步到位，必然出現在項目實施的過程中隨時更改需求的情況，這就需要MES廠商予以積極配合，且具有較強的快速更改設計的能力。這樣才能開發出真正符合需求的MES系統。

圖4：生產管理數據表架構圖

圖5：閉筒式圓形預絕緣端子壓接通用工藝

圖6：插裝件波峰焊接通用工藝流程

2.3 功能需求及目標明確

MES成功實施的另一個關鍵因素是任務目標的確定，清晰明確、可行性強的項目任務書可以大大降低MES廠商的開發難度。確定功能需求時應把握以下原則：

（1）系統功能明確而收斂原則。“MES可以解決很多問題，但MES不解決所有問題”，所以在功能的確定上，“切忌大而全”，應該設定有限功能，避免無限的增加項目實施難度。

（2）目標詳盡原則。明確主要功能后，還需進行詳細的需求分析和目標分解，進一步提高項目成功實施的概率。而詳細的需求分析則主要依賴于項目團隊是否具有MES的使用經驗和對本單位現狀的了解，兩個因素缺一不可。實際上，項目團隊能否提供準確、合理的功能需求分析，是確保MES建設能否成功獲得預期效果的根本保證。

2.4 管理層的意志

MES的建立和推行是一個系統工程，無論是經費的投入、團隊的組建、MES的開發以及后續的推廣執行，都需要強有力的決策。軍工科研單位“科研為主、生產為輔”的固有模式，決定了最高領導層對生產的了解和重視不夠，而MES系統的建立是一個“自上而下”的過程，讓決策層高度重視并大力推行一個自己“并不是很了解”的大型項目，困難可想而知。這就要求領導層真正的了解MES項目的意義、特點和難度，堅定實施意志。除技術外，MES實施困難包括：

（1）實施過程進度的客觀性和反復性。軍工單位的特殊性，決定了在MES實施過程中必然有諸多與標準功能差異明顯的定制化需求，進而導致Bug出現的概率增高，高層應將其理解為項目實施成本的一部分，給團隊提供繼續向前推進的信心和決心。

（2）思維習慣與工作方式的統一。MES的優勢是不言而喻的，但推行初期必將會面臨阻礙。一方面員工不愿意放棄原有的工作方式和習慣，轉而希望MES系統適應其原有工作方式；另一方面，MES系統上線運行前期的標準化工作，也會導致工作量短期的增加。此時，需要高層領導站在全局的角度把好方向，保證全體員工在思想上的統一和行動上的一致。

3 軍工科研單位MES的架構設計

3.1 業務流程分析

一般而言，電子產品制造的生產過程可描述為：單位計劃部門給車間下達產品生產計劃，規定產品交期。車間根據生產資源、現階段生產任務情況等，制訂車間作業計劃。生產班組按領料單領料，按調度計劃進行生產作業。生產過程中，由操作者填寫各工序的隨工流程卡，并實時報檢。質檢人員按照每道工序的質量檢驗標準，對在制品的各項技術指標進行檢驗，檢驗結束后，開具工序處理單。具體的業務模型如圖1所示。

3.2 軟件業務架構設計

系統通過搜集與監控生產進度和生產資源信息，實現對生產情況地及時分析、處理，及時對生產計劃進行適應性更改；對關鍵流程正反向追溯和分析，得到誤工原因；為每一個工作提供完整的制造-測試數據，為產品分級、產品維護、質量追溯提供快速檢索，通過統計不合格品和分析問題原因，找出生產問題，并對工藝方法提出改進建議，輔助車間生產管理與決策。此外，MES系統應與單位ERP 、PDS、三維工藝設計系統以及底層控制系統集成，實現數據的共享和業務流整合。具體的軟件架構如圖2所示。

3.3 功能架構設計

MES系統包括權限管理功能、基礎數據管理功能、計劃執行管理功能、物流過程管理功能、以及系統集成接口。其中，權限管理功能由模塊管理、角色管理和角色權限分配模塊組成，用以保證系統的安全；基礎數據管理功能由組織管理、人員管理、生產基礎數據管理模塊組成，包括車間檔案、工作中心、班組、倉庫檔案、物料編碼、物流生產線、工位編碼等子模塊；計劃執行管理功能完成車間級的生產計劃安排與調度，其過程涵蓋接受到ERP生產訂單至班組級生產派工整個計劃執行過程；物流過程管理功能以物流輸送系統和智能倉儲系統硬件為依托，實現高效有序的流動和科學管理，滿足生產計劃執行需要；系統集成接口用于與ERP、PDM物流控制系統、自動化生產線相集成，是實現系統柔性化、集成化的主要功能模塊。具體的功能架構如圖3所示。

3.4 數據表架構設計

數據表是實現后續數據的實時匯總、統計、展現的基礎，為生產管理人員推送第一手現場信息，通過對業務需求分析和業務過程建模，系統中各級生產管理數據間的關聯關系如圖4所示。

4 軍品電裝MES實施及效果評價

筆者所在單位是典型的軍工科研生產單位，主要從事軍用/航天高端光電儀器設備的研制，作為所內專門從事電子制造的部門負責人，筆者近年來主持推動了部門電子組裝制造執行系統的建設工作。現進行一下簡單介紹，以供探討。

4.1 軍品電裝MES實施

4.1.1 基礎數據管理系統

基礎數據管理包括對設備和人員等的管理。通過設備管理模塊將車間內的電裝生產設備（印刷機、貼片機、回流爐、AOI檢測設備等）聯網，實時采集生產設備的運行狀態、參數調整選擇、故障維修記錄、檢測結果等信息，并錄入基礎數據庫。通過人員管理模塊為計劃、調度、生產、管理、工藝、操作、檢驗、庫房等所有與電裝MES生產相關的人員分配相應的權限，并通過個人條碼信息進入系統進行工作。

4.1.2 工藝設計與管理系統

工藝設計是指導軍品生產的關鍵要素，工藝文件的電子化是電裝MES的一個關鍵內容，筆者針對此項內容組織實施了一些相關工作。

4.1.2.1 通用工藝庫

信息化、數字化管理離不開生產大數據，筆者組織相關人員對生產中涉及的所有工藝進行了梳理和統計，編制了《典型工藝100條》，從而形成了通用工藝庫，實現了“工序級”工藝的標準化。典型工藝運用照片、圖片、文字、動畫等多種形式，將生產過程中涉及的各種標準操作方法、質量要求、合格品判據等編入其中。工藝庫具有權限控制，工藝人員進行電子工藝文件編制時，必須調用典型工藝和流程，不得隨意改動，從而保證相同工序工藝的一致性，同時提升工藝文件的編制效率。某壓接端子的通用工藝如圖 5所示。

4.1.2.2 通用流程庫

將常見的工藝流程編制到通用工藝流程庫中，如單面混裝工藝流程、單面貼片工藝流程、單面通孔插裝工藝流程、雙面混裝工藝流程等，工藝人員可根據產品的特點直接從庫中調用，必要時進行適當修改，這樣基本實現了工藝路線的自動制定并為后續的工序自動分解提供基礎數據。通孔元器件安裝的通用工藝流程如圖 6所示。

4.1.3 車間任務管理系統

車間任務管理主要用于車間生產過程管理與控制，是車間任務在工序級的具體執行過程。生產組長根據生產計劃表生成車間生產計劃，建立車間任務。具體運行中，生產組長進入MES后，首先查詢物料及技術文件的齊套情況，如滿足條件，則生成生產任務，在生成任務時，根據工藝流程指定工序的操作人員，同時根據排產計劃自動生成產品條碼。將條碼打印后轉移到待裝產品上，產品條碼掃描進入數據庫，開始生產流程。后續生產過程信息采集全部通過條碼完成。如不滿足條件則標為“警示”狀態，系統會自動提醒計劃管理人員進行處理。

4.1.4 生產執行系統

生產執行主要是生產過程的具體實施。生產人員用個人條形碼進入MES后，點擊“我的任務”顯示任務清單，并進入生產流程，生產流程主要采用“串行”工作模式，即前道工序完成后才可進行后道工序操作，工藝上無嚴格要求先后順序的工序可采用“并行”模式，以提高效率，避免出現待工現象。操作人員完成該道工序任務后，掃描產品條碼，提交任務，表示任務完成。

4.1.5 信息查詢系統

信息查詢主要分為設備在線查詢、質量跟蹤查詢、任務執行查詢、作業執行查詢。整個生產過程信息的實時采集，可以保證MES能實時顯示各生產任務的完成進度，物料的型號和數量信息、設備狀態信息等。產品如出現質量問題，可通過掃描問題產品條碼獲得生產過程的全部信息，實現產品質量追溯、原材料供應商追溯、批次追溯、操作人員追溯，從而建立產品質量檔案，為質量問題的復查提供準確信息。

4.1.6 分析統計系統

統計分析主要包括實際工時分析、材料用量分析、工作量統計、質量問題統計等。可以使管理人員及時了解生產任務的執行情況，提前進行計劃調整和生產調度，為車間管理者考核操作人員技能水平提供參考依據，同時也是車間進行成本核算的重要信息來源。

4.2 實施效果評價

通過一年多的運行，筆者觀察發現：定制化的MES系統大大緩解了計劃和管理人員的管理壓力，提升了管理效率，達到了預期目的，主要體現為：

（1）增強了生產控制力度，生產計劃編制、生產任務下達實現了無紙化，計劃的執行實現了實時監控和動態調整，提高了生產計劃的準確性，增加了生產過程的透明度；

（2）通過建立PCBA、綜合布線及熱控實施類電裝工藝通用庫，工藝文件實現了自動生成、電子審批和自動推送，提高了工藝的一致性和工藝文件編制效率；

（3）經過短期適應，部門內部逐漸形成了“一看、二做、三掃描”的新型生產模式，一看是指：終端看任務、終端看工藝；二做是指，做具體工序，做質量記錄；三掃描是指，工作完成后向終端中掃描條碼信息，從而真正實現了信息化、無紙化辦公。

（4）改善了產品質量管理手段，一旦出現質量問題，能夠追溯到產品的全部質量信息，將產品質量追溯到個人，提高了產品質量的監控能力，保證了產品質量。

5 結束語

在當前中國制造2025的大背景下，稍加實力的制造型企業無不在大力推行數字化管理和智能化制造模式。MES做為一種軟硬件結合的協同制造系統，是解決多品種、小批量軍工產品生產管理的有效手段，可以大大提高軍工科研單位的制造水平。但由于軍工研制型企業的特殊性，MES系統還存在較多需要改進的地方，如在實際運行過程中還存在自動排產功能不完善，對ERP系統中的計劃變更不能做到很靈活聯動，各相關系統由于保密問題數據交換有滯后性等，這些都需要根據單位情況進行進一步的深入研究。