基于MES的智能制造協同管理體系分析

李郁松 潘 成 吳曉峰

（中車永濟電機有限公司，山西 運城 044502）

0 引言

2015 年我國提出“中國制造2025”的發展目標，將發展智能制造提高至國家戰略層面，通過大數據技術、互聯網技術等先進技術在制造業的融合，推動制造業向信息化、智能化的方向發展。MES 系統作為實現智能制造過程管理信息化、智能化的關鍵，基于MES 系統的智能制造協同管理體系建設，有其必然性和必要性。

1 MES系統簡介

制造執行系統（MES）由美國AMR 公司提出，其核心作用是提高制造業生產過程管理水平，將計劃生產與現場管理有機結合，利用MES 系統對生產過程做信息化管理，實現資源的合理配置，最終提高生產質量和效率。

近些年，制造管控向著集約化、自動化、智能化的發展，制造業各系統之間的壁壘被打破，MES 系統以執行層身份融入協同管理體系（如圖1 所示），具備了詳細計劃、生產跟蹤、生產調度、資管管理、定能分析、過程管理、人力資管管控、設備管理、數據管理、質量管理和性能分析等眾多功能。

圖 1 以MES 為執行層的協同管理體系

2 智能制造協同管理體系構建

2.1 系統框架

以MES 系統為核心的協同管理體系應整合計劃管理、生產管理、質量管理等功能，并融合與智能制造所在行業有關的主流軟件，該體系應具備。1）支持多種數據采集方案。2）適應離散化的智能制造生產、質量、設備、工藝等模塊的管理需求。3）與智能制造體系內的各類生產設備有效銜接。4）可進行數字化考核評價。5）人機交互。6）自動化處理。7）與其他信息化平臺相互兼容。

基于以上需求，系統管理系統需至少配置2 臺服務器，分別用于生產線監控和數據管理。其中，用于生產線監控的服務其與傳感器及監控設備相連，采集各項生產數據；用于數據管理的服務器則提供數據存儲、編輯、查詢等功能。系統采用SSH 架構，包括數據層、業務層和表現層3 個部分。數據層利用Hiberbate 作為ORM 工具；業務層使用Spring 框架，構建SOA 模式，并通過WebService 接口與其他系統相對接；表現層使用MVC 架構，可將前后端業務邏輯有效分離。系統配備關系型數據庫，將ERP 和MES 數據進行整合，加強管理過程的信息共享，為協同管理的實現奠定信息資源基礎[1]。

2.2 功能實現

2.2.1 計劃管理

在智能制造項目計劃管理過程中，ERP 經MRP 計算得到項目計劃，設計人員按照項目計劃在PLM 中完成方案設計、BOM 及圖紙設計等工作，然后由計劃人員依照BOM 結構、企業產能和生產資料配置等因素，形成與具體產品相對應的生產訂單，將訂單同步至MES 當中。

通過對應接口，MES 系統可以實時獲取PLM 中的圖紙、BOM 及工藝信息，生產車間管理人員結合MES 系統內生產訂單對生產線進行針對性的調整，確定開工時間節點，并由MES 系統按照生產節奏自動完成生產任務的分配。在智能制造過程中，將產品工藝流程與工藝路線相結合，可以得到產線生產模式，由此形成的工單則作為MES 的核心數據，以此為基礎開展計劃執行、跟蹤反饋等工作，將整個智能制造過程形成的業務數據集中到系統內部，通過統計分析，將生產資料、技術文件、產品與工位相對應，形成智能化的計劃管理體系。管理人員可在MES 系統內預設BOM 物料的有關信息，工單下發后可以自動向各工位匹配物料需求計劃，傳送至ERP 系統，形成可被倉庫直接參考的物料配送清單。

2.2.2 生產管理

智能制造生產線各工位對應既定操作人員，工單計劃可以依照人員配備情況向各工位的操作人員下發具體的操作任務，操作人員登錄個人賬號即可查看任務分配情況。根據現場條件，調度人員可重新進行任務與操作人員間的匹配，并對工單任務狀態進行檢查，及時處理延遲、遺漏等異常工單。

工單執行過程使用物料識別技術進行管理，通常使用條碼系統，MES 內的條碼系統具備可靠性高、經濟性強等優勢，使用掃碼槍掃描產品條碼即可了解工單信息，系統可以自動完成產品信息、任務狀態與操作人員的審核和匹配[2]。在工序起始階段，使用掃碼槍掃描關鍵物料條碼，以此作為起始信號，同時核對工序及物料情況，避免生產過程出錯。如果為生產流程的最后一道工序，系統自動給出完工入庫提醒，并在突發生產異常后第一時間給出聲光報警提示，將異常信息傳送給預設人員。

2.2.3 質量管理

質量管理是智能制造的重點，也是協同管理體系的重點模塊。智能制造各工藝流程內均設置質控點，各質控點上設置了停檢、過檢、自檢等項目，依照生產情況自動形成質檢計劃。現場質檢人員利用移動終端掃描產品條碼可以獲取質檢指導文件和記錄單，掃描設備條碼可關聯設備及計量器具，采集結果數據，無法自動采集的數據則手動錄入，如果數據錄入不合格，系統自動啟動異常流程，將返工單傳輸至對應責任人，如果連續出現不良工序，系統進行報警。MES系統實時采集生產質量信息，并輸出相應統計報表，可從不同角度總結生產質量問題，為質量管理優化提供理論依據。

2.2.4 工藝管理

在MES 系統內完成工藝流程及路線建模，通過物料編碼、產品描述關聯至具體產品，并基于具體工序，關聯工序卡、工時、檢驗記錄和生產物料等。其中，工時是智能制造精細化控制的關鍵數據，同時也是生產計劃編制和過程控制的重要參考。如果生產流程中柔性作業較多，可能引發工時誤差較大的問題，而借助MES 系統進行工時信號采集，通過工序顆粒數的精細化分解，可以實現工時信息的動態化采集，配合持續迭代確保工時數據的可靠性。系統統計各道工序執行的實際工時與預設工時間的差值并輸出差值報表，可以統計各操作人員工作績效，方便后期管理。

2.3 技術創新

智能制造協同管理系統使用Web 前后端分離的開發模式，以此進行MES 系統設計，最終形成的系統可在前端完成大多數數據的處理，降低服務其運行壓力。

可利用AngularJS 代碼進行系統前端編寫，以形成清晰的系統結構，并提高系統可擴展性。因該系統對html 的影響非常有限，可與開發設計人員之間有效協調。

將系統后端設計為SSH 框架結構，進行對象需求分析并給出對應模型，將模型轉換為Java 對象編寫DAO 接口，利用Hibernate 的DAO 完成Java 與數據庫間的交互。

圖2 現場作業管理流程圖

3 智能制造協同管理體系應用

某儀器儀表智能制造企業協同管理體系建設前，對企業現有管理體系做客觀評價，發現如下問題：信息傳輸速度慢、管理秩序性較差，生產流程受人員、設備、原料等因素的干擾較大等問題。因此決定構建以MES為核心的協同管理體系，圖2 為體系運行后現場作業管理流程圖。

隨著以MES 為核心智能制造協同管理體系在企業中的應用，2019 年上半年企業管理質量大幅度提升，產線故障率由體系運行前的1.6%將至0.8%，故障時間由最長4.82 h，縮短至1.66 h，原材料運轉周期由15 d 將至9 d，勞產率提升超過28%，見表1。

表1 勞產率分析簡表

4 結論

MES 系統在智能制造協同管理體系中的應用可幫助實現智能制造過程的精細化管控，合理減少人力資源投入，節約物料，同時提高產品生產效率和質量。隨著智能制造領域的進一步發展，基于MES 的協同管理體系也將得到有效完善，覆蓋智能制造的全過程，給企業帶來更高的綜合效益。