多批少量精密空調生產MES設計與實施

崔梓華

（廣東申菱環境系統股份有限公司 廣東省佛山市 528000）

近30年我國制造業取得巨大成績的同時也面臨各種急需解決的問題：人口增長放緩，人口紅利消失，不再愿意從事單一的勞動；核心技術受限，技術含量過低，產品結構及企業自主創新能力弱；生產力效率低下，企業數據搜集不全，現場管理無序，導致生產管理效率不高；單位產能能耗高，資源高強度消耗給環境造成巨大壓力等[1]。在新一代信息技術突飛發展的今天，機械、電子、航空、船舶、汽車、輕工和家用電器等產業已開展不同程度和維度的產業轉型升級，如流程制造領域，側重從生產數字化建設起步，基于品控需求的維度去進行生產全流程數字化管控的轉變；消費品制造領域，側重通過互聯網平臺結合大數據開展大規模個性定制模式創新；離散制造領域，側重產線設備的自動化改造和增加產品智能增值服務，從而提高生產效率和增加產品效能實現價值增長。

1 精密空調制造工廠特征概述

精密空調生產工廠具有組裝復雜、質量要求高等特色；生產現場進度反饋不及時，管理困難；異常處理不及時，造成等待浪費； WIP 居高不下；由于工序資源調度不合理，導致上下游工序不能很好的銜接，產線不平衡；倉庫物料擺放及分區未精確到儲位及儲格，找料困難，導致物流配送不及時；倉庫按單按倉一次性配料，產線堆積過多擺放雜亂，導致錯裝現象；美國先進制造研究機構AMR在上世紀90年代初，對面向制造過程管理提出制造執行系統(MES)新概念，并將其定義為“位于上層計劃管理系統與底層工業控制之間的、面向車間層的管理信息系統”。其實現的是車間生產管理的透明化、集成化、敏捷化；以MES 為核心的系統管理手段是制造業邁向信息化管理的重要發展趨勢，能有效的提升企業的競爭能力。[2,3,4]

為了解決精密空調制造管理的行業痛點，滿足公司發展目標，其模式迫切需要進行轉型升級。本項目建立適合生產需求的、先進的、實用的MES 系統，功能覆蓋現有的精密空調裝配生產線、鈑金生產線、換熱器生產線、管路生產、原材料倉、成品倉等生產倉儲單元，并與公司的ERP 系統進行集成，同時與各個機臺設備的控制系統集成，起到承上啟下的作用。以產品的全程生產作為管理的重點，以質量管理貫穿整個產線，使生產出的產品具有高附加值，產品質量達到工藝要求，使客戶滿意，提供質量后期可追溯。可以實現按合同組織生產，使各個機組有條不紊的進行有序生產，有效縮短產品的生產周期，提供靈活高效的人機接口界面，為各生產單元的操作人員提供方便的操作，為各級管理者提供有效決策的信息支持。

工廠透明運行的主要優點有以下四點：

（1）實現物流與制造環節的透明化管理，打造可追溯的制造過程、品質、倉儲管理體系，提升了客戶滿意度；

（2）通過現場數據采集,實現了生產過程的透明化和實時監控,及早發現人、機、料、法、環等問題,減少生產浪費；

（3）通過對制程質量的控制和數據采集，有效的保證質量，同時也為質量統計分析改善提供了數據支撐；

（4）通過推拉結合的配送模式，既保證物料供應及時，又減少線邊庫存堆積。

2 MES系統實施方案設計

2.1 MES系統架構設計

MES 系統總體功能分為計劃管理、工藝管理、生產管理、現場作業管理、質量管理、倉儲及發運管理、EDI 系統數據交互、RMA 管理、基礎資料管理等模塊。借助MES 系統對管理的支撐，建立了高效、科學、穩定的生產組織，使設備產能利用最大化，實現產能提高，成本降低，庫存降低，效益增加，客戶滿意滿意度提升的總體目標。圖1 為系統架構設計圖。

系統設計針對基礎管理、過程管控、透明運行的需求層次建立如下的邏輯模型：基礎管理的數字化支撐使得靜態的產品、工藝、資源、組織等信息與動態的生產計劃信息有效結合，為制造過程的智能化管控提供有力支持；制造過程的智能化管控實現了人員、設備、物料、工藝方法、環境、測量的制造過程信息全集成，同時將制造過程實時信息逐漸積累為歷史信息，進而成為大數據分析的基礎；車間運行透明化決策建立在基礎管理的數字化支撐與制造過程的智能化管控基礎之上，需要實現對生產動態的實時掌控、數據統計分析及預測等。生產動態的實時掌控可作為生產計劃組織的指導依據，主要包括生產進度的實時反饋、在制品分布的實時跟蹤、現場設備能源工況等的實時監控，數據統計分析及預測除了作為車間運營決策的支持之外還可作為基礎管理優化的依據，主要包括工時績效統計、質量缺陷統計、成本核算支持、設備效能分析、工藝知識積累、生產瓶頸預測等。

2.2 系統實施步驟

2.2.1 項目準備階段

成立MES 系統項目實施組，并編制完成了《MES 項目實施考核標準》以及項目實施步驟，如圖2 所示，規范了項目的執行和監督方法，確定了人員及分工，以及實施步驟和會議討論制度。

2.2.2 調研分析階段

先后完成11 次會議，完成了23 人次的調研工作，輸出了《申菱環境MES 調研報告》和《MES 項目工作任務書》以及《申菱環境MES 系統作業藍圖》。

2.2.3 系統建模階段

根據《申菱環境MES 調研報告》編制了計劃管理、工藝管理、質量管理、倉庫管理、生產管理和設備管理六大作業模塊，包括198 個子模塊，59 個查詢報表和管理報表。

2.2.4 系統試行階段

處理完成了115 個實施問題點，80 個軟件功能問題點，完成290 次子模塊功能測試。并完成了3 場MES 系統理念導入培訓，135 次業務部門功能模塊培訓以及現場作業培訓，共計培訓人員316 人次。

圖1：MES 系統架構設計圖

圖2：項目實施步驟

圖3：基礎信息管理模塊

2.2.5 上線交付階段

處理完成了460 個實施問題，336 個軟件功能優化問題。召開90 余次項目會議，解決357 項流程及項目執行問題。

3 MES系統管理功能實現

3.1 基礎信息管理

基礎信息管理模塊主要是對針對整個工廠的制造資源進行建模，實現對車間內生產線、加工中心、設備資源、加工參數等信息的管理，為系統提供基礎數據支撐。。MES 擁有強大的報表系統，包括：生產日報/月報、原料使用情況表、品質日報表、生產單進度報表、停機原因統計表、成型條件監測報告、模具實際產量分時統計表、作業員工效率統計表。如圖3 所示。

3.2 物料管理

獲取ERP 系統的生產任務粗計劃（任務最早開始時間及最晚結束時間），結合生產資源的可用能力、物料的齊套情況及采集到的半成品的生產實際進度，將生產任務分配到對應的產線、設備組或單臺設備，實現作業計劃下達。如圖4 所示。

圖4：物料管理模塊

圖5：生產過程管理

圖6：產品追蹤追溯

3.3 生產過程管理

MES 系統覆蓋產品制造整個周期,實現從原材料選用、加工、裝配、包裝及檢驗合格入庫進行全過程的數據實時采集,達到產品制造過程中的準時生產、過程可視和精準控制。生產過程中的各類信息均通過MES 系統設立在車間內的各類自動信息采集終端，實時的匯總和計算統計生產實際信息，從而將生產狀況通過系統實時還原出來，實現透明化車間管理。生產實績情況能夠及時反饋上層數據分析系統，可將生產完工信息通過接口程序實時反饋回ERP系統，以及進行各類生產實績、效率、生產成本等數據抽取與分析。通過把統計和分析數據發布到車間大屏幕看板，現場管理者和員工隨時了解生產進度和績效狀況。

圖7：倉庫管理

圖8：MES 與ERP 數據交互圖

圖9：生產設備數據聯網

如圖5 所示，生產過程管理主要功能是根據公司產品類型定義產品的加工流程及工藝參數，控制及指導整個制造過程，保證產品按事先設定的流程生產，如果發生任何異常情況將自動進行糾正與報警處理。

實現了現場作業監控，對產品各工序的生產、檢驗及維修過程進行控制和指導，真實的監視車間運行狀態,滿足車間對生產現場的加工進度、設備運行狀態、工藝執行參數及檢驗參數等信息的集中監控需要。通過圖形、圖像方式實時顯示機床的運行狀態、工件的狀態和現場各種報警信息；通過數據采集及統計分析，幫助決策層、管理層全面掌控工廠運行情況。主要實現：對作業進度數據進行采集，以便MES 系統進行進度管理與預警。

3.4 追蹤追溯管理

根據公司的質量體系標準及客戶的質量追溯需求，實施從收貨、檢驗、生產加工、制程檢驗、終檢下線、入庫、出庫、出廠檢驗等環節的數據采集，從而實現每個最終產品使用情況的可追溯性。并提供相關的追溯查詢報表，如用戶輸入任意一個產品編碼、唯一序列號、生產批次號、生產日期、入庫日期、出貨日期，便可以查詢出產品在工廠的詳細履歷,通過各種查詢條件的組合，可以實現產品的向前及與向后追溯。

通過項目實施，建立全面的質量管控體系—從原材料進廠檢驗、生產過程檢驗、出廠檢測全流程質量管控，實現物流與信息流實時同步。通過對使用的原材料及零部件的批次/單件號進行記錄，實時跟蹤在制品的位置、狀態等信息，實現對車間物料的管控。隨著生產過程及成品的產出，最終實現物料的正向追蹤和反向追溯。如圖6 所示。

3.5 計劃與倉庫管理

倉庫與物流管理模塊主要是通過條碼、無線射頻（RFID）、電子標簽等先進自動識別技術與移動計算技術,實現對外購物料、半成品、成品在立體倉庫及平面倉庫、物流配送中心等的流動實現實時的批次/單品跟蹤;規范倉庫庫位管理、提高倉庫利用率和物料分揀速度,準確統計產品庫存,追溯產品出貨信息,大大提高了物流的準確性、實時性等。主要功能有物料上架、物料下架、倉庫調撥、庫存調撥和庫位管理等功能。如圖7 所示。

3.6 工藝管理

模塊目標：產品編碼維護、工藝路線、產品工藝、BOM 維護、工序BOM 設定（單個追溯物料裝配關系維護）、工單上料設定、條碼規則維護、標簽設計、E-SOP 功能。通過設計規則，定義標準，執行標準，呈現結果的四個步驟，結構化工藝過程，將規則融入信息系統中，通過系統指導生產，從而保障產品的生產過程滿足質量要求。

3.7 與ERP系統協同集成

ERP 與MES 在企業的生產運作管理過程中分工不同，ERP 負責總體計劃層面的管理，按照客戶訂單、庫存和市場預測情況，安排生產和組織物料。MES 負責根據ERP 下達的計劃、物料及控制層(通過控制指令驅動設備完成產品的加工或裝配，以SCADA、PLC 為代表)的工作情況，制定車間級的作業計劃及控制層的加工任務，并匯總和上報執行結果[5]。

如圖8 所示，最上層為基于商務的ERP，實現財務業務的一體化管理；中間層主要是各個分廠，執行ERP 層的計劃，并且反饋給執行結果信息；底層是實時的生產控制系統。中間層服務提供生產的實時信息，反映生產現狀，依照產品生產和ERP 與MES 的本質區別對模型進行擴充得到新的企業集成圖。具體系統實現模塊功能有:實現物料主數據、BOM、供應商、采購訂單PO、工單MO、領料單、銷售訂單信息從SAP 下載與更新，實現采購訂單收料、物料調撥、工單發料、工單退料、工單報工、成品入庫、出貨單上傳ERP。

3.8 與SCADA生產設備數據聯網

文章中的MES 系統實施了與生產設備SCADA 系統的數據聯網，實現了關鍵設備與制造執行系統的互聯互通。主要實現的模塊目標：設備臺賬、備品備件、設備點檢保養、設備維修、設備聯機、設備稼動率報表。達成情況：將客戶終端與設備控制器通過網絡方式連接起來，實現關鍵設備的運行狀態以及運行數據的實時呈現。

對設備狀態及參數統一管理監控，實現現場數據的快捷、有效采集。按照當前車間的工藝布局和生產線的設備配置，實時顯示設備的運行狀態。通過對現場采集數據的分析,對生產過程異常進行報警。對生產過程各類運行指標進行統計分析。如圖9 所示。

3.9 電子看板與報表管理

電子看板作為現場目視化管理的一種工具，可以直觀的呈現生產運作的實時情況，以便現場管理人員及時掌握。主要包括：生產進度看板、檢驗進度看板、異常處理看板等。

MES 擁有強大的報表系統，用于支撐事后的數據分析，包括:生產日產量報表/月產量報、在庫天數報表、直通率報表、生產訂單達成率、設備停機原因統計表、兩器漏率統計報表、異常處理時效性報表等。

4 結論

制造執行系統協會(Manufacturing Execution System Association, MESA)對MES 的定義中強調：

（1）MES 是對整個車間制造過程的優化，而不是單一地解決某個生產瓶頸；

（2）MES 必須提供實時收集生產過程中數據的功能,并做出相應的分析和處理；

（3）MES 需要與計劃層和控制層進行信息交互，通過企業的連續信息流來實現信息全集成[6]。

項目從精密空調裝配現場管理需求出發，通過18 個月的時間全面實施了MES 系統覆蓋，主要取得了以下成果：

（1）實現物流與制造環節的透明化管理，打造可追溯的制造過程、品質、倉儲管理體系，提升了客戶滿意度；

（2）通過現場數據采集,實現了生產過程的透明化和實時監控,及早發現人、機、料、法、環等問題,減少生產浪費；

（3）通過在氦檢、接線、包裝等關鍵工序設置了質檢節點，以及開具不合格品單據，跟蹤不合格品處理進度，從而有效的保證質量，同時也為后續的質量統計分析改善提供了數據支撐；

（4）通過對原材料的采購入庫（物料上架）、發料出庫（物料下架）、倉庫調撥、庫存調撥和庫位管理等功能；綜合批次管理、庫存盤點、來料質檢管理、庫位管理等功能綜合運用，有效控制并跟蹤倉庫業務的物流和成本管理全過程；實現完善的企業原材料倉儲信息管理；

（5）物料有效期設置與先進先出管理的結合，有效的減少物料呆滯和超期造成的浪費；

（6）建立了SAP 與MES 的數據交換流程，按照SAP 的指令，在MES 實現接單、計劃、庫存管理、生產、工藝、品質、發貨等流程，規范了各業務部門的作業，打破了部門邊界，使業務單位的先后依賴和驅動關系更加緊密；

（7）根據預制規則自動產生各類統計報表，減少人為操作的錯漏，提高統計效率。