黃 鑫 李 茹

（天津職業(yè)大學(xué)，天津 300410）

近年來，智能制造已經(jīng)成為全球新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力，也是《中國制造2025》的制高點(diǎn)、突破口和主攻方向。數(shù)字化車間、智能工廠作為智能制造重要的實(shí)踐領(lǐng)域，已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型建設(shè)的趨勢。MES 系統(tǒng)即制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System），是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。它通過數(shù)字化生產(chǎn)過程控制，借助自動化和智能化技術(shù)手段，以最終實(shí)現(xiàn)車間制造的智能化、生產(chǎn)過程的透明化、制造裝備的數(shù)控化和生產(chǎn)信息的集成化。由于MES 系統(tǒng)與制造企業(yè)的業(yè)務(wù)聯(lián)系緊密，處于智能制造建設(shè)的底層，所以可謂是智能制造建設(shè)的“最后一公里”工程。

一、國內(nèi)制造業(yè)MES系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前中國大部分制造企業(yè)還過度依賴人力進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場的信息化、自動化條件還很薄弱，面對以人工作業(yè)為主要生產(chǎn)手段的企業(yè)，MES系統(tǒng)很難發(fā)揮效力。系統(tǒng)如果不能直接實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的直接自動控制，那MES系統(tǒng)的核心價值將不能體現(xiàn)，并與其他的追溯系統(tǒng)、資源計劃系統(tǒng)將無異。

另一方面，我國目前具備一定自動化基礎(chǔ)的制造企業(yè)，現(xiàn)普遍的信息化建設(shè)層次還在車間層控制系統(tǒng) （Shop Floor Control System，SFC） 和ERP管理系統(tǒng)兩個方面。且SFC的建設(shè)主要是基于裝備制造生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的機(jī)床等設(shè)備所需具備的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，甚至智能化功能，而不是主要基于企業(yè)自身的生產(chǎn)和管理需要開發(fā)的訂制化系統(tǒng)。這些基于生產(chǎn)作業(yè)處理的子系統(tǒng)和基于實(shí)時操作的工廠子系統(tǒng)，集成度較差、相容性較低。

在汽車零件、制藥行業(yè)及電子零組件等高科技產(chǎn)業(yè)中，由于制造現(xiàn)場流程復(fù)雜，分批、并批、跳批、外包、插單、抽單等異常生產(chǎn)狀況極為頻繁，使得傳統(tǒng)上以財務(wù)、會計為出發(fā)點(diǎn)的ERP 系統(tǒng)中制造相關(guān)模塊難以勝任，于是從工廠營運(yùn)層考量的專用型制造執(zhí)行系統(tǒng)在這些領(lǐng)域首先應(yīng)用而生。

隨著我國制造企業(yè)高度集成化、自動化、柔性化、智能化的發(fā)展需求，促使對應(yīng)的軟件系統(tǒng)亟需以新一代MES 系統(tǒng)為核心，建立企業(yè)過程化、敏捷化、級別化的制造協(xié)同管理平臺，使企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營和管理實(shí)現(xiàn)同步化和最優(yōu)化。

二、鋰電制造業(yè)MES系統(tǒng)的方案設(shè)計

由于鋰電動力電池作為新能源汽車上的核心部件，產(chǎn)品的品質(zhì)和可靠性十分重要。近些年鋰電制造的工藝技術(shù)不斷提高，對生產(chǎn)的自動化和信息化管理水平要求越來越高。不少鋰電制造企業(yè)已經(jīng)具備或正在實(shí)施一些獨(dú)立的管理信息系統(tǒng)：OA，HR，MRP，PDM，CRM和DSS等，但這些業(yè)務(wù)模塊間處于孤島狀態(tài)，甚至不是同一廠商提供的。鋰電制造企業(yè)的MES 系統(tǒng)開發(fā)需要采用信息化技術(shù)和集成理念，將生產(chǎn)現(xiàn)場原有各個環(huán)節(jié)使用的孤立軟件系統(tǒng)有機(jī)融合。實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)計劃的執(zhí)行、生產(chǎn)過程的追溯、設(shè)備的正常高效使用、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)采集及分析等多個方面，對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行集成管理。

1.整體架構(gòu)設(shè)計

從MES 系統(tǒng)所處的層次來說，它應(yīng)處于企業(yè)計劃層與控制層之間的執(zhí)行層，上連ERP 系統(tǒng)、CRM 系統(tǒng)，下連DCS、FCS、PLC 等系統(tǒng)，是企業(yè)資源計劃系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)之間的橋梁和紐帶。MES 系統(tǒng)應(yīng)成為制造管理核心，靈活接駁各種軟硬件設(shè)備和平臺，形成企業(yè)的制造控制和數(shù)據(jù)交互中心，使制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動化、智能化、無人化生產(chǎn)并獲得最優(yōu)的成本、品質(zhì)和交期成果。

從MES 系統(tǒng)的功能定義來說，由于鋰電池的制造工藝主要包括電芯的生產(chǎn)、電池裝配、化成生產(chǎn)、OCV 檢測、過程倉儲物流等一系列復(fù)雜流程。對應(yīng)的MES 系統(tǒng)的構(gòu)建必須基于鋰離子動力電池整個生產(chǎn)流程，并要作為中間件將各種業(yè)務(wù)相關(guān)的異構(gòu)系統(tǒng)，如企業(yè)資源管理（SAP）、物流管理系統(tǒng)(LMS)、倉儲管理系統(tǒng)（WMS）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、能源環(huán)境管理系統(tǒng)等連接起來，從而實(shí)現(xiàn)鋰電制造整個流程的可視化、數(shù)字化和可控化。所設(shè)計的鋰電制造業(yè)MES 系統(tǒng)的總體架構(gòu)如下圖1所示：

圖1 鋰電制造業(yè)MES系統(tǒng)設(shè)計的總體架構(gòu)

2.開發(fā)技術(shù)設(shè)計

本文設(shè)計開發(fā)的MES 系統(tǒng)采用企業(yè)應(yīng)用集成技術(shù)（EAI），通過數(shù)據(jù)可視化（BI）、關(guān)連式數(shù)據(jù)庫（RDBMS）、輕量目錄訪問協(xié)議（Lightweight Directory Access Protocol， LDAP）、 開 放 式 架 構(gòu)（Open Platform）、Web服務(wù)等相關(guān)技術(shù)，將各類進(jìn)程、軟件、標(biāo)準(zhǔn)和硬件聯(lián)合起來。實(shí)現(xiàn)界面集成、業(yè)務(wù)過程集成、數(shù)據(jù)集成、平臺集成四個方面的集成系統(tǒng)。

(1)應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化BI 和門戶技術(shù)，把用戶界面作為公共的集成點(diǎn)，把原有零散的系統(tǒng)界面（PP 生產(chǎn)計劃、MRP 物料計劃、MDM 主數(shù)據(jù)管理等）集中在一個新的保留瀏覽器的界面之中，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用用戶界面統(tǒng)一的接入與安全機(jī)制。

(2)應(yīng)用關(guān)連式數(shù)據(jù)庫RDBMS 對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識并編成目錄，確定元數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的分布與共享，以及異構(gòu)的數(shù)據(jù)源之間數(shù)據(jù)層的直接整合。

(3)應(yīng)用LDAP技術(shù)定義、授權(quán)和管理各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息，實(shí)現(xiàn)包括業(yè)務(wù)管理、進(jìn)程模擬以及綜合任務(wù)、流程、組織和進(jìn)出信息工作流等業(yè)務(wù)過程的全集成。

(4)采用開放式架構(gòu)設(shè)計整個系統(tǒng)，構(gòu)建與現(xiàn)有應(yīng)用（包括化成管理系統(tǒng)FMS、倉儲物流系統(tǒng)WMS、生產(chǎn)制造業(yè)系統(tǒng)SPC）相兼容的系統(tǒng)，另一方面對現(xiàn)有資源進(jìn)行重構(gòu)以滿足新的信息系統(tǒng)需求，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從底層結(jié)構(gòu)、軟件、硬件和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體平臺集成。

三、鋰電制造業(yè)MES系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

本文以國內(nèi)多家鋰離子動力電池企業(yè)開發(fā)的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為例，來闡述鋰電制造業(yè)MES系統(tǒng)的主要通用功能的實(shí)現(xiàn)。

1.計劃/工單管理(APS)

計劃/工單管理(APS)模塊通過EAI 接口，接收物流管理系統(tǒng)LMS 傳遞過來的由上層企業(yè)資源計劃SAP(ERP)下達(dá)的訂單信息(P/O)，根據(jù)用戶給定的規(guī)則進(jìn)行計劃排產(chǎn)，自動生成計劃工單W/O；訂單生產(chǎn)期間，MES通過對生產(chǎn)線上的設(shè)備狀態(tài)和任務(wù)的執(zhí)行情況等進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)實(shí)績反饋”，將各層次管理操作人員關(guān)心的報表數(shù)據(jù)以圖形化的界面展示出來。其功能原理如下圖2所示：

圖2 計劃/工單管理模塊功能原理圖

2.產(chǎn)線及批次管理

以某能源工廠的典型動力電池生產(chǎn)線為例，可將生產(chǎn)線分成四大工程：電極、裝配、化成、模組，其Line 信息化運(yùn)營需具備生產(chǎn)管理、批次管理、包裝實(shí)績、入庫實(shí)績、異常保留品管理功能。

(1)生產(chǎn)管理：管理指定工序和當(dāng)前產(chǎn)線所有設(shè)備的啟停、生產(chǎn)、原材料投入、關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境監(jiān)控、原材料消耗、實(shí)時產(chǎn)量、直通率、能源消耗等生產(chǎn)信息的監(jiān)控統(tǒng)計，便于生產(chǎn)管理人員及時了解生產(chǎn)現(xiàn)場的情況。

(2)批次管理：批次的生成、shift、關(guān)閉及合并，支持手動操作，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

(3)包裝實(shí)績：提供標(biāo)準(zhǔn)的包裝功能，支持成品的裝包與拆包功能，支持多層包裝。

(4)入庫實(shí)績：提供倉儲管理功能，實(shí)現(xiàn)成品入庫管理。

(5)異常保留品管理：記錄異常產(chǎn)品編號，包括種類、異常原因、時間等信息，禁止異常保留品繼續(xù)上線生產(chǎn)，作相應(yīng)的權(quán)限管理。

3.追溯管理

模塊監(jiān)視產(chǎn)品在任意時刻的位置和狀態(tài)，收集和記錄產(chǎn)品或物料加工工序、加工結(jié)果的數(shù)據(jù)，形成每個物料或產(chǎn)品可追溯性記錄，以便在必要時，企業(yè)向客戶證實(shí)產(chǎn)品的質(zhì)量、追溯問題的根源或評估問題的嚴(yán)重程度等。系統(tǒng)的追溯管理模塊主要包括：產(chǎn)品追溯查詢、物料追溯查詢、批次追溯查詢、計量裝置不合格追溯查詢、生產(chǎn)計劃追溯查詢、在制品追溯查詢、設(shè)備使用追溯查詢、生產(chǎn)實(shí)時產(chǎn)能追溯查詢。具體該模塊的內(nèi)容如下圖3所示：

圖3 產(chǎn)品追溯查詢模塊示意圖

4.品質(zhì)管理

基于TQM 全面質(zhì)量管理的思想，該模塊實(shí)現(xiàn)對從供應(yīng)商、原料到售后服務(wù)的整個產(chǎn)品的生產(chǎn)和生命周期進(jìn)行質(zhì)量記錄和分析，并在生產(chǎn)過程控制的基礎(chǔ)上對生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題進(jìn)行嚴(yán)格控制，能有效地防止不良品外流，降低不良品率。主要包括如下幾個子項(xiàng)：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)（質(zhì)量建模過程）：質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)、品質(zhì)數(shù)據(jù)維護(hù)、檢驗(yàn)項(xiàng)目維護(hù)、抽樣水準(zhǔn)、抽樣計劃、抽樣方案。

（2）質(zhì)量檢驗(yàn)：IQC、PQC、OQC、質(zhì)量異常處理等匯總看板。

（3）質(zhì)檢過程：主要由系統(tǒng)設(shè)備完成，如需人工則由系統(tǒng)SOP 引導(dǎo)，用電子檢測設(shè)備完成，實(shí)時記錄。

（4）質(zhì)量分析看板：可視化分析、追溯、查詢功能看板。

（5）質(zhì)量改進(jìn)：對質(zhì)量改進(jìn)工作進(jìn)行記錄、跟蹤、監(jiān)控、反饋等。

5.Recipe管理

由于鋰離子動力電池制造工藝中存在產(chǎn)品種類繁多、材料性態(tài)不一、生產(chǎn)工程的復(fù)雜、性能要求較高、技術(shù)和產(chǎn)品更新較快的特點(diǎn)，制程整合工程師就需要頻繁通過MES 系統(tǒng)改動制程信息。這就需要一個Recipe 管理模塊，實(shí)現(xiàn)動態(tài)生成和更新制程信息，具有Recipe 生成報表功能和簽核功能，便于管控產(chǎn)線各工段制程的變更情況，從而滿足多元化產(chǎn)品需求、降低人為失誤造成的報廢率。針對上述需求，Recipe管理模塊開發(fā)的主要功能如下：

（1）發(fā)布與簽核：登錄新的Recipe 或變更原有Recipe，自動按照客戶配置好的組織結(jié)構(gòu)和審批流程推送給相關(guān)人員進(jìn)行審批，完成后自動變更版本并發(fā)布。

（2）查詢與刪除：按照文件名稱、文件編號、編輯者、創(chuàng)建日期等進(jìn)行查詢與刪除操作，Recipe 刪除時系統(tǒng)記錄操作人員ID、操作時間、文件名稱等信息。

（3）下載、上傳、對比：現(xiàn)場設(shè)備開機(jī)時首先對當(dāng)前設(shè)備的Recipe版本進(jìn)行檢查，自動比對并從MES下載最新版本Recipe，同時系統(tǒng)準(zhǔn)許現(xiàn)場人員錄入并上傳相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間參數(shù)，并作相關(guān)履歷記錄。

（4）權(quán)限和設(shè)備管理：對不同用戶和權(quán)限創(chuàng)建對應(yīng)的用戶和管理組并賦予相應(yīng)的權(quán)限，登記并維護(hù)全部設(shè)備清單并和相應(yīng)的Recipe建立關(guān)聯(lián)配置。

（5）信息記錄和歷史管理：當(dāng)授權(quán)人員修改設(shè)備工藝參數(shù)時，設(shè)備自動向MES 系統(tǒng)傳送相關(guān)變更履歷，包含設(shè)備編號、操作者、操作時間、操作項(xiàng)目變更前后值等信息并作相應(yīng)記錄。

6.化成管理（FMS）

鋰電池化成管理系統(tǒng)（Formation Management System）從鋰電池特性和生產(chǎn)工作一致性出發(fā)，通過對各化成設(shè)備和過程進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理和預(yù)警保護(hù)等，智能化管控整個產(chǎn)線電池化成過程。提高系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和更精確的控制檢測，滿足高性能電池大規(guī)模生產(chǎn)的需求?；晒芾恚‵MS）模塊的主要功能如下，功能示意圖如圖4所示：

圖4 化成管理模塊功能示意圖

（1）設(shè)備狀態(tài)：對實(shí)時采集的化成設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，實(shí)時顯示當(dāng)前時刻所進(jìn)行的工作狀態(tài)以及工作內(nèi)容，如：化成工作到某個步次，正在進(jìn)行第幾個循環(huán)工作等。

（2）生產(chǎn)監(jiān)控：主要收集過程數(shù)據(jù)，并圖示化展示化成充放電過程中的實(shí)時數(shù)據(jù)；其他機(jī)械動作的實(shí)時信號反饋，以及異常的及時報警工作。

（3）工程設(shè)定：對不同型號電芯的化成具體內(nèi)容的設(shè)計與建模，對化成過程中的不同級別保護(hù)工作參數(shù)的設(shè)定，以保證安全化成工作；對異常工作的直接篩選，及對異常點(diǎn)位的統(tǒng)計，為設(shè)備維保提供方向。

（4）數(shù)據(jù)管理：對化成歷史數(shù)據(jù)的歷史查詢，保證追溯的完整性，異常信息的匯總對生產(chǎn)改進(jìn)進(jìn)行指導(dǎo)工作。

7.設(shè)備管理

在整個MES 系統(tǒng)中設(shè)備管理是非常重要的一個功能模塊，對產(chǎn)線設(shè)備從采購、檔案、運(yùn)行、點(diǎn)檢、故障報警、維修等整個生命周期進(jìn)行無縫管理，完整追溯和該設(shè)備相關(guān)的事件，實(shí)現(xiàn)對整個電池生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，設(shè)備綜合效能OEE 和設(shè)備稼動率，設(shè)備可靠性等進(jìn)行全面分析和管理。MES系統(tǒng)中設(shè)備管理的核心功能如下：

（1）設(shè)備臺賬管理：建立設(shè)備型號、制造商、購置和啟用日期、部件參數(shù)、庫存、總帳等基本檔案，并可查詢包括設(shè)備原值變動、部門轉(zhuǎn)移、安裝位置調(diào)整等變動業(yè)務(wù)。

（2）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控管理：通過各類現(xiàn)場總線服務(wù)接口，對作業(yè)層設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)處理，將采集到的信息生成電子報表進(jìn)行實(shí)時展現(xiàn)。

（3）設(shè)備點(diǎn)檢管理：建立設(shè)備點(diǎn)檢卡、點(diǎn)檢計劃，按照計劃執(zhí)行點(diǎn)檢作業(yè)，點(diǎn)檢數(shù)據(jù)實(shí)時回傳、存儲、分析、報警，生成點(diǎn)檢記錄和報表。

（4）設(shè)備維修管理：提供完整的設(shè)備維修業(yè)務(wù)流，從維修開始建立維修工單并完成工單審核，使用終端設(shè)備對維修工時、維修點(diǎn)、工作量等記錄并回傳至服務(wù)端，生成設(shè)備維修報表。

（5）設(shè)備備件管理：備件基本信息記錄、信息管理、出入庫管理、庫存管理等功能，對備件進(jìn)行計劃、生產(chǎn)、訂貨、供應(yīng)、儲備的組織及管理。

（6）設(shè)備KPI 統(tǒng)計分析：設(shè)計設(shè)備關(guān)鍵業(yè)績指標(biāo)KPI（如OEE、MTBF、MTTR、設(shè)備故障TOP等），根據(jù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，輸出多維度的分析報表/圖表，用于上層ERP 進(jìn)行決策分析。

四、結(jié)語

MES 系統(tǒng)已成為我國智能制造行業(yè)中不可缺少的核心技術(shù)，實(shí)踐證明，企業(yè)使用MES 后可以縮短生產(chǎn)周期、減少在制品（WIP）、增強(qiáng)準(zhǔn)時交貨能力、改善產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本、增加總生產(chǎn)盈余，幫助制造企業(yè)生產(chǎn)車間提高工廠操作的一致性、敏捷性與正確性，對于企業(yè)精益化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)有重大的意義。