智能制造執行系統在特種工業生產中的應用

劉宮昊，叢 森，應小昆，金 陽，張曉華，劉 燕，劉 芳

(1.中國兵器工業新技術推廣研究所，北京 100089；2.吉林江機特種工業有限公司，吉林 吉林 132000)

近年來，信息化、智能化生產已逐漸成為企業發展建設的重要工作。對企業而言，信息化轉型是企業應對激烈市場競爭的有力武器。從國家層面，美、日等國家相繼出臺智能制造有關戰略。我國提出“中國制造2025”，將智能制造確定為振興工業發展戰略的關鍵[1-2]。

美國一家公司在20世紀末提出MES(Manufacturing Execution System，制造執行系統)這一概念[3-4]。MES主要面向生產車間[5]，用于加強企業對生產執行層面的控制，對上鏈接ERP(Enterprise Resource Planning)，對下則與車間乃至每個生產單元鏈接[6]，是企業智能化建設重要的組成部分。MES關注企業整個生產過程，通過系統集成、數據采集、人機交互的方式獲取計劃執行、產品流轉、質檢信息等數據，并輸出整個業務流程的實時和歷史數據以及相關生產指令，幫助企業進行精細化管理，提高產品質量，降低生產成本，優化資源調度，確保生產安全[7]。

當前，MES已在國內諸如紡織業[8]、石油化工[9]等眾多領域得以成功應用，美、德等國的電力電子、航空航天等行業也有開發設計MES系統的報道[10]。本文以吉林江機特種工業有限公司為例，對MES在特種工業生產中的應用開展研究。針對特種工業生產的各種特點，在普適MES系統構造的基礎上，有針對性地個性化定制了系統模塊和功能，尤其優化了智能排產和可視化等功能，使其更能適應特種工業生產需要。結果表明，MES能有效助力特種工業生產，幫助企業進行信息化轉型。

1 系統概述

吉林江機特種工業有限公司MES系統建設，關注從原材料進入車間到產品離開車間整個生產過程的業務流程，通過車間現場工位機、掃碼槍、MDC模塊、液晶顯示器等現場信息采集與展示模塊和集成的系統，實現了對車間生產計劃的管理和控制，從而建立起規范的車間生產管理信息平臺，完成企業現場控制層和管理層的信息交互。在建設過程中，針對暴露出的系統手工派工任務繁重、數據展示方式單一、部分非主線流程未納入系統等問題，深入完善提高整個系統的可視化及自動化水平，并根據使用經驗進一步對系統進行性能優化、界面優化及功能優化升級等。

MES系統連接EPR和控制層，MES接收來自EPR的生產計劃并分發至控制層，同時輸出生產數據和指令，兼具生產跟蹤、技術維護、質量維護和部門管理等功能，其系統流程如圖1所示。MES系統是生產制造、供應鏈和工程技術的交叉點和關鍵點。

圖1 MES系統主流程

硬件架構方面，本系統分為IT機房、車間辦公室和車間等3層。層間通過以太網連接，IT機房主要部署數據服務器和系統服務器，車間辦公室主要部署PC工作站，用于車間計劃員導入生產計劃，并監控車間生產進度。車間則主要布置生產看板、掃碼槍和派工工作站、打印機等，用于信息顯示、錄入和生產人員管理。

軟件層面，項目后臺使用的Java技術有較高的安全性和可移植性，同時通過REST框架和自研的架構保證了業務處理的流暢性和準確性。數據庫則使用了最為穩定的Oracle數據庫，其數據安全級別和處理速度均非常優秀。前臺使用了較為成熟的ExtJS框架來開發，保證了頁面的風格統一，兼容性較強，通過WebSocket技術實現了業務消息的實時推送，采用Vue框架搭建了可視化大屏幫助企業直觀地了解生產情況。系統還使用了一些3Dthreejs技術，將車間通過三維的形式展現生產情況，并應用了人臉識別技術以支持操作人員人臉登錄。

2 功能設計

MES系統主要包含16個功能模塊(基本數據管理、零件工藝相關、質量管理相關、計劃-派工-發料、定額-班產、現場管理-生產、現場管理-質檢、生產情況、生產監控、二類管理、生產統計、人力資源、設備資源、文檔管理、報警管理、ERP集成管理)以及一系列子模塊。

根據業務發展目標，吉林江機特種工業有限公司的MES系統最終達到如下幾方面管理要求。

1)基礎數據維護。主要實現各類生產參數、工位信息、部門架構、軍種信息、用戶及權限等基礎數據的定義和修改，幫助企業更好監督、維護基本發展情況。企業可以根據發展與實際生產需要，實時添加和修改產品類型、零件清單及工藝。

2)車間計劃與排產。考慮到企業實際生產過程中存在科研試制件、加急件等高機動產品，MES系統允許企業隨時調整其生產方案，以適應生產的不確定性。系統接收來自EPR的生產計劃后，可以對其進行拆分并派工，生產人員根據工藝，對生產計劃進行派工，其排產功能如圖2所示。

圖2 生產單元排產

3)現場管理與監控。MES系統可以根據實時采集到的信息，對生產過程進行實時監控，將工廠車間通過三維的形式展示出來，每一臺設備都根據MDC采集的數據狀態進行實時反饋，通過點擊設備，管理人員可以了解設備的派工信息、加工記錄等信息。同時，MES系統對生產計劃的情況進行詳細的展示，包括拆分的流轉單批數、每個流轉單的加工情況，以及工序上工人的加工情況，方便生產人員快速直觀地了解計劃的執行情況。

4)質量管理。MES能有效提高企業產品質量，主要通過其質量管理功能來實現。在產品加工完成后，系統對產品質量進行判定，對于不合格產品，首先判斷其缺陷相，確定報廢的具體原因后，發出不合格產品通知單，同時決定處理辦法。

結合企業實際生產要求，為滿足科研試制等任務的需要，同時考慮現場設備條件，MES系統總體功能架構分3個層次。數據采集層：以設備聯網為基礎，輔以現場移動終端人工采集手段，以條碼、二維碼為載體，實時采集設備數據。現場運營層：提供工序計劃、作業排程、任務分派、品質記錄與追溯、設備管理等完整覆蓋現場管理需求的可定制化應用組件。數據應用層：以電子看板和移動終端為主要載體，實現生產現場監控、分析、追溯、預測、預警、模擬等數字化應用，電子看板如圖3所示。同時在系統實施過程中應注重不斷發展和具有超前意識。

圖3 MES電子看板

3 系統特點

為了更好地適應企業生產要求，在一般MES系統的基礎上對其功能進行了進一步的優化開發，以體現系統個性化、專業化。主要分為智能排產和可視化兩方面。

3.1 智能排產

排產是MES重要功能之一，很好地解決了傳統排產過程繁瑣復雜的問題，極大地解放了管理和操作人員。然而，在多批次、多工序、多設備條件下，一般MES系統的排產功能仍顯捉襟見肘，如何最大化生產效率，進一步優化排產過程，仍是需要解決的問題。

智能排產是在計算機輔助下實現自動排產，即根據約束條件和優化目標，由系統通過算法，實現對生產計劃自動排產。操作者創建任務后，只需對參數進行簡單維護，即可導出排產結果，其操作流程和排產界面分別如圖4和圖5所示。

圖4 智能排產流程

圖5 智能排產操作界面

對于排產方案來說，系統根據方案的得分來評價方案的優劣。通常而言，系統的約束條件不止一個，通過調整不同約束條件的權重，方案得分由式(1)得出：

score =X1×W1+X2×W2+X3×W3+ ...

(1)

式中，X1是約束1的計算得分；W1是約束1的權重；X2是約束2的計算得分；W2是約束2的權重；X3是約束3的計算得分；W3是約束3的權重；以此類推。

對于不同的排產策略，可以選擇以設備利用率優先或任務時間優先，系統將在可行解中自動選擇滿足策略的排產方案。當然，在實際排產過程中，由于計算最優解通常運算量過大，為了縮短排產的運行時間，計算出可行解即可。

3.2 可視化

可視化可以使系統數據進行更為直觀的呈現，同時也能幫助用戶便捷操作。吉林江機特種工業有限公司的MES系統中，可視化分為工藝可視化、生產可視化與數據可視化。

工藝可視化：工藝上傳到系統后，可以在屏幕上直觀呈現，方便操作者對于工藝版本、狀態進行編輯，其操作界面如圖6所示。同時，工人在工控機選擇派工任務之后，系統自動顯示該派工任務對應的工藝文檔。如果是PDF格式的文檔，可以直接在網頁上打開。除了自動顯示工藝文檔外，在工控機上還可以查看其他零件的工藝文檔。工人只需輸入零件號搜索工藝文檔，即可查看所需要的工藝的文檔。

生產可視化：通過二維、三維模型，實時顯示車間生產狀況，其顯示界面如圖7所示。通過該可視化界面可以監控生產進度、設備負荷、人員負荷等。同時，該可視化界面有高度可編輯性和可操作性，不僅可以自由放大縮小，調整角度，還可以調整界面的顯示內容，將所有的生產任務在一個可見范圍內集中展示。如果對某個生產任務感興趣，可以在監控界面標識該生產任務，標識的生產任務會自動閃爍。同時，通過圖形化界面可以以直觀的方式來批量排產，或由監控所顯示的設備、人員的負荷，自由調整生產任務。

圖6 可視化工藝文檔與三維模型

圖7 車間實時生產界面

數據可視化：數據可視化主要體現為數據的圖表展示。通過曲線圖、柱狀圖、餅圖等多種方式展現零件的加工、質量數據。具體而言，有如下幾個方面。

1)通過圖表等多種方式直觀展現生產的加工、質檢數據。

2)分析同一工序不同人員、設備組合下的加工時間，便于提高加工效率。

3)質量分析，對不合格進行統計分析，統計一段時間內最常見的質量問題。

4)對工人工資的組成進行分析，便于員工激勵管理。

最后，將數據可視化與生產看板有機結合，不僅使數據顯示更直觀，還提升了生產透明性，進一步方便管理者進行監控與操作。

4 結語

制造執行系統能夠幫助企業更好地精細化管理，優化生產效率，提高生產質量，打通頂層ERP與實際生產單元之間的路徑。MES系統的建立是企業智能化轉型的重要工作，吉林江機特種工業有限公司MES系統的成功落地實施是推動特種工業生產智能化、信息化的良好例證。同時，如何進一步整合生產數據，發掘應用深度，實現MES與企業生產的有機結合，乃至完善MES產業體系，仍需進一步研究和實踐。