基于MES系統的復合材料制品智能化生產管理研究

摘 要 為解決復合材料制品離散化生產過程中數據冗雜、生產計劃變動大、文件流轉效率低等實際生產問題，國內大多數制造企業引進了制造執行系統（Manufacturing Executive System，MES）。本文結合哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司車間生產現狀，設計了適用于車間實際生產的MES系統管理架構，詳細介紹了MES系統各個功能模塊。最后通過產線驗證，達到了生產管理數字化、生產過程透明化、計劃管理實時可控等良好應用效果。MES系統的建立對哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司智能化生產管理具有一定指導意義，提升了企業生產管理效率，促進企業生產更加標準化、精益化、智能化。

關鍵詞 復合材料；MES系統；生產管理；智能化

Research on Intelligent Production Management of Composite Products Based on MES System

LI Junting， CHEN Haoran，HAN Mingxuan

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT In order to solve practical production problems such as redundant data， large changes in production plans， and low efficiency of file circulation in the discrete production process of composite products， most domestic manufacturing enterprises have introduced the Manufacturing Executive System （MES）. Combined with the current situation of the workshop production of Harbin FRP Research Institute Co.， Ltd.， this paper designs the MES system management architecture suitable for the actual production of the workshop， and introduces each functional module of the MES system in detail. Finally， through the verification of the production line， it has achieved good application effects such as digitalization of production management， transparency of production process， and real-time controllability of plan management. The establishment of the MES system has certain guiding significance for the intelligent production management of Harbin FRP Research Institute Co.， Ltd.， which improves the production management efficiency of the enterprise and promotes the production of the enterprise to be more standardized， lean and intelligent.

KEYWORDS composite materials; manufacturing executive system; production management; intelligent

1 引言

近年來，復合材料因其具有比強度高、比模量高、可設計性能好、耐腐蝕性能優等特點被廣泛應用于航空航天、醫療、軌道交通、船舶等領域，在產品的輕量化和高性能化中起到了不可替代的作用［1-3］。隨著人們對復合材料制品需求的不斷增加，越來越多的復合材料制品被研發出來并投入實際生產，種類繁多。但傳統的復合材料制品多為離散化生產，生產管理模式以紙質版文件和電子版表單為主。隨著產品數量的增加和產品種類的多樣化，生產過程中數據冗雜、生產計劃變動大、文件流轉效率低等問題日益凸顯，傳統的管理模式已不再適用。因此，如何高效管控復材制品生產過程，實現車間智能化生產成為目前亟需解決的問題。

目前，國內多家制造業通過建立自己的MES系統來優化復合材料制品的生產流程，加強管理層和生產執行層之間的信息傳遞，推進車間智能化生產管理，在車間生產管理、生產效率、產品質量管控等方面取得了不錯的應用效果。本文以哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司（以下簡稱哈玻院）為例，通過分析哈玻院復合材料制品車間生產現狀，設計了符合哈玻院車間生產實際的MES系統管理架構。經過數十條復材生產線的驗證，達到了生產管理數字化、生產過程透明化、計劃管理實時可控等良好應用效果。MES系統的建立對哈玻院智能化生產管理具有一定的指導意義，在保證了產品質量的同時提升了車間生產管理效率，推進車間標準化、精益化、智能化生產［4］。

2 概述

2.1 MES系統簡介

MES系統是位于企業資源計劃層（ERP）和底層工業控制之間（PCS）的面向車間智能生產的管理系統。MES系統能夠實時監測車間的生產實況，貫穿產品生產全生命周期。在應急處理方面，它可以針對車間運行過程中出現的緊急狀況進行快速處理并提供有效解決方案；在生產管控方面，它可以實現車間生產調度和物料使用的動態管理，減少人員以及物料浪費，降低成本的同時提高生產效率［5-8］。MES具備實時數據處理功能，通過對車間的物料、生產數據、生產進度、產品質量等數據進行統計分析，為企業精益化生產提供更精準的信息，提高生產效率，降本增效，便于企業管理。

2.2 企業MES系統應用現狀與發展趨勢

MES系統研發始于20世紀80年代初，并于90年代后在歐美等發達國家投入使用，而我國則在21世紀后才引入MES系統［9，10］。目前，MES系統在國內很多流程化制造業應用較為成熟，取得了不錯的運行效果，在一定程度上提高了經濟效益。十五期間，我國針對航空航天、船舶等復合材料典型離散制造行業的MES系統進行了重點研究，開發出了幾款針對離散制造業的比較成熟的系統：ICON-MES、OrBit-MES和天為MES等［11］。

隨著中國制造2025的開展，越來越多的復材制造企業開始向生產數字化、智能化方向發展，在解決車間生產問題的同時完成企業升級轉型，這也是未來制造行業的發展趨勢［12，13］。但每個復材制造企業的生產模式相異，MES系統的功能開發存在差異，故需要結合自己企業的實際生產現狀設計符合自己企業實際生產的MES系統。

3 基于MES系統的復合材料精益生產管理架構設計

3.1 企業生產現狀

哈玻院生產的復合材料制品多用于航空航天領域，具有生產周期長、小批量生產等特點。在生產過程中面臨以下問題：

（1）生產排產難度大：由于生產任務較多，部分零部件涉及外協加工，根據任務的緊急程度，會出現插單現象，生產計劃難以實現實時動態管理；

（2）對于研制類生產項目，產品生產過程中會涉及到設計更改、工藝更改和BOM更改等，用紙質偏離單和更改單進行管控難免出現信息傳遞不及時從而耽誤生產的情況，效率低下；

（3）車間生產現場采用紙質版工藝文件，手工填寫效率較低，且數模和作業指導書查閱不便利；

（4）信息化程度較低：航空航天類產品對質量的要求比較高，對生產管控比較嚴格，傳統的管理模式很難對車間生產過程獲得精準的數據并實時統計分析，車間的精益化管理面臨一定程度的挑戰。

基于企業的生產管理現狀，本文提出了基于MES系統的復合材料精益生產管理架構設計方案，旨在解決企業目前面臨的車間現場生產管理問題。

3.2 MES系統生產管理架構設計

通過對本企業的業務流程進行梳理，制定了如圖1所示的MES系統業務流程圖。當市場部對生產任務書進行下發時，事業部工藝技術人員在產品設計端對該產品的工藝路線、工藝卡、作業指導書等信息進行編制錄入并完成生產建模，同時生產計劃部對市場部錄入的訂單進行分解并下發到各事業部。各事業部根據訂單進行計劃排產，結合生產建模建立生產工單。車間調度人員根據生產建模將每個工序的生產計劃錄入系統，根據實際生產進度提前下發生產任務。倉儲部門接收到生產任務后進行物料準備，事業部領取相應物料后進行加工生產。質檢部門（質量技術部、檢測中心等）針對產成品進行檢驗，檢驗合格則將產成品入庫等待發貨，檢驗不合格則由事業部技術人員決策該不合格品是否返工或者報廢。最后，市場部組織訂單交付，完成生產任務。

根據企業車間運行的流程梳理出MES系統主要架構，包括項目管理、現場管理、生產管理、工藝管理、物料管理、質量管理和統計分析等功能。MES系統整體架構如圖2所示。

3.3 MES系統各功能模塊簡介

本企業MES系統各功能模塊如下：

（1）項目管理模塊

該模塊主要包含項目檔案、產品檔案、任務書管理和項目通知功能，旨在對所有的項目任務進行統一分類管理，便于項目的查詢并實現無紙化管理。

（2）產品設計模塊

產品設計端主要對產品的工藝過程進行管理，用來指導車間生產。包括BOM單、工藝路線、工藝卡、作業指導書、圖紙、視頻、生產建模等。其中BOM表單為單個成品的物料清單，便于后期物料任務的下發和物料領取；工藝路線為產品生產時每個工序的信息，根據工藝路線錄入每個工序的詳細內容，即工藝卡；生產建模將該產品的BOM單、工藝路線、工藝卡、作業指導書等集成在一起，為下發生產工單做準備，是車間生產調度的基礎數據，也為后期產品質量追溯提供了數據支撐。

（3）生產管理模塊

生產管理模塊對產品生產全過程進行實時動態管理，將生產計劃、生產備料、生產工單、生產任務、生產執行情況（產品成型、加工和過程檢驗等生產過程）等串聯起來，從而實現生產信息化、生產過程透明化管理。

（4）倉儲管理模塊

倉儲管理模塊對產品生產所用的所有物料從材料入廠檢驗、物料入庫、庫存、生產備料、生產補料、生產退料到物料出庫進行物料全生命周期的管理。該模塊可對出庫物料進行實時追蹤管理，以便于物料的合理利用，節約成本。

（5）質量管理模塊

質量管理模塊是MES系統的核心模塊，是產品生產過程的關鍵一環。該模塊包括產品生產過程中的檢驗執行（其中過程檢驗、總體檢驗、力學試驗等環節已嵌入各個相關模塊）、質量流程處理、質檢方案管理和質量追溯等功能，該模塊旨在保證產品的生產質量。

（6）系統管理模塊

系統管理包括用戶管理、部門管理、權限管理和工作組管理等功能。該模塊主要用來管理車間的人員信息。為用戶賦予不同的角色權限，使用戶根據被賦予的權限等級登錄不同的功能模塊，實現了分模塊管理。

（7）統計分析模塊

統計分析包括生產統計、質量統計、設備統計和使用物料統計。其核心功能是對所有系統留存的數據進行統計和分析，實現產品質量可追溯、生產過程數據化、生產結果實時分析和降低人員及物料成本等功能。

4 應用效果

通過上述對哈玻院復材制品生產車間運行的現狀分析及系統架構設計，開發了適用于哈玻院復材生產的MES系統。目前，該系統已經正式上線運行，經過了數十條復材制品生產線的生產驗證，基本實現了哈玻院的智能化、數字化生產管控。具體應用效果如下：

（1）全過程可視化：實現了生產計劃、生產現場以及生產質量等方面的實時動態管理，產品生產全周期可視化，生產數據可追溯。圖3為生產計劃甘特圖，可以實時記錄車間產品現場生產進度。

（2）實現了工藝文件、質量表單等文件的統一管理，工藝卡、更改單等文件變更實時傳遞在生產現場，文件流轉效率減少了15%。避免了因信息傳遞不及時、印章加蓋不及時等導致的一系列生產問題。目前，生產執行中的工藝卡在生產終端系統中填寫，實現全面無紙化管理，材料成本降低5%，生產效率提高15%。

（3）針對生產過程中的數據實時收集并分析：包括質量、物料、設備、生產數量等統計信息，便于對成本和生產質量進行把控，達到降本增效的效果。生產統計界面如圖4所示，通過計算各個事業部車間生產計劃完成率考核事業部指標完成情況，為財務數據提供有力支撐。

5 結語

本文以哈玻院為例，研究了基于MES系統的復合材料制品智能化生產管理方法。經過實際產線驗證，該系統在哈玻院生產車間取得了較好的應用效果。研究結果表明，MES系統的建立能夠將先進的生產管理方式和精準的數據分析應用于離散化的復材生產全生命周期。企業運用MES系統可以提升管理效率，降低成本，加速企業實現更標準化、精益化、智能化生產。目前，我國對MES系統的研究以及開發還處于成長階段。如何開發出符合企業實際生產的MES系統以適應復合材料制品的多樣性仍然是當下面臨的重點問題，還需要相關單位針對MES系統進行更深入的研究，保證所開發的MES系統達到國際技術標準，從而使企業在行業競爭中占據有利地位。

參 考 文 獻

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通訊作者：李君婷，女，碩士，工藝工程師。研究方向為復合材料工藝設計。E-mail： lijunting0317@163.com