盛垚

摘要：簡(jiǎn)單介紹了制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES）的背景和重要性，結(jié)合實(shí)例詳細(xì)介紹了江南某公司MES的系統(tǒng)架構(gòu)，主要功能和應(yīng)用場(chǎng)景，并闡述了通過(guò)有效的實(shí)施MES，對(duì)于車間管理水平提高和制造成本降低帶來(lái)的收益，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

Abstract： This article briefly introduces the background and importance of Manufacturing Execution System （MES）， and introduces the MES system architecture， main functions and application scenarios of a company in Jiangnan， and explains ?the benefits brought by the improvement of workshop management level and the reduction of manufacturing costs through the effective implementation of MES， which provides a solid foundation for the realization of enterprise digital transformation.

關(guān)鍵詞：制造執(zhí)行系統(tǒng);生產(chǎn)管理;MES功能;MES實(shí)施

Key words： manufacturing execution system;production management;MES function;MES implementation

中圖分類號(hào)：F273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）19-0174-03

0 ?引言

智能制造作為近年制造業(yè)的熱門概念，是制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)未來(lái)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的一種重要模式，作為必要的實(shí)施途徑——數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)被各企業(yè)不斷提上日程。在轉(zhuǎn)型過(guò)程中，生產(chǎn)車間的數(shù)字化和信息化改造又是其中的核心部分。所以，必須有針對(duì)性的開發(fā)和實(shí)施制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES）以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)（AMR）提出了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）概念與3層企業(yè)集成模型，如圖1所示，即面向客戶的計(jì)劃層、面向車間的執(zhí)行層和面向生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制層。將MES定位于計(jì)劃層和控制層中間位置的執(zhí)行層，重點(diǎn)解決車間的生產(chǎn)管理問(wèn)題[1]。MES通過(guò)把業(yè)務(wù)計(jì)劃的指令傳達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和收集生產(chǎn)過(guò)程中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并上傳，雙向作用促進(jìn)生產(chǎn)車間的數(shù)字化轉(zhuǎn)型以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

江南某公司屬于汽車零部件生產(chǎn)行業(yè)，主要生產(chǎn)各種類型的火花塞，產(chǎn)品主要針對(duì)國(guó)內(nèi)各大整車廠和國(guó)內(nèi)外售后市場(chǎng)。本文通過(guò)案例分析深入探討該公司如何通過(guò)應(yīng)用MES系統(tǒng)，改善生產(chǎn)管理和質(zhì)量管理的水平，從而提高公司的勞動(dòng)效率，降低了產(chǎn)品制造成本，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)。

1 ?MES的應(yīng)用實(shí)例

1.1 MES的系統(tǒng)架構(gòu)

本文介紹的MES系統(tǒng)采用了目前最為流行的B/S（瀏覽器服務(wù)器）模式，它是一種三層或多層結(jié)構(gòu)的分布式系統(tǒng)。其基本模型是將用戶界面同信息數(shù)據(jù)和處理系統(tǒng)邏輯分離，并劃分為表示、功能和數(shù)據(jù)三大塊，分別放置在相同或不同的硬件平臺(tái)上[2]，如圖2所示。

客戶端即表示層：用戶接口部分，即人機(jī)界面，在Web環(huán)境下，客戶端只需安裝標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就可以運(yùn)行。

MES服務(wù)器即功能層和數(shù)據(jù)層的整合：應(yīng)用的主體，是MES中核心的業(yè)務(wù)。功能層的表現(xiàn)是該服務(wù)器專門負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及網(wǎng)站服務(wù)器的連接工作，一方面把客戶端請(qǐng)求通過(guò)網(wǎng)站服務(wù)器傳給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，另一方面將服務(wù)器的查詢結(jié)果回送給客戶端。數(shù)據(jù)層的表現(xiàn)是由該服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器共同構(gòu)成，該服務(wù)器通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序，將連接到以太網(wǎng)上的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)讀取并寫入數(shù)據(jù)庫(kù);同時(shí)響應(yīng)客戶端數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并負(fù)責(zé)管理對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫和維護(hù)。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)主要分幾種形式上傳到以太網(wǎng)，其一是對(duì)于獨(dú)立的工控機(jī)檢測(cè)設(shè)備，直接連入以太網(wǎng);其二是PLC的數(shù)據(jù)直接連入以太網(wǎng);其三是產(chǎn)線中的傳感器先連入PLC再通過(guò)PLC連入以太網(wǎng);對(duì)于無(wú)法通過(guò)以上三種形式直接連入以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)，將通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)員工使用客戶端輸入，再通過(guò)MES服務(wù)器維護(hù)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 MES的需求功能和實(shí)施路線圖

由于TS16949認(rèn)證體系的實(shí)施，要求汽車零部件制造企業(yè)的制造過(guò)程實(shí)施信息化管理以滿足自身和主機(jī)廠客戶對(duì)精益生產(chǎn)的需求;同時(shí)汽車零部件制造企業(yè)也必須通過(guò)信息化的手段提高制造過(guò)程的管理水平和降低產(chǎn)品制造成本以適應(yīng)市場(chǎng)變化。根據(jù)MESA對(duì)MES的定義，MES系統(tǒng)的基本功能模塊包括工序詳細(xì)調(diào)度，資源分配和狀態(tài)管理，生產(chǎn)單元分配，過(guò)程管理，人力資源管理，維護(hù)管理，質(zhì)量管理，文檔控制，產(chǎn)品跟蹤和清單管理，性能分析和數(shù)據(jù)采集等[3]。所以企業(yè)必然一方面承擔(dān)著需要盡快實(shí)施應(yīng)用MES的壓力，另一方面又無(wú)法承受應(yīng)用MES所有基本功能的時(shí)間成本和投資成本。每個(gè)企業(yè)根據(jù)自身的業(yè)務(wù)實(shí)際情況和優(yōu)先級(jí)定義，分步開發(fā)和實(shí)施不同的MES功能模塊則是這個(gè)困局的一個(gè)最優(yōu)解方案?；诖私鉀Q方案，江南某公司的MES系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合內(nèi)部需求和實(shí)際資源情況，定制化了所需的MES功能，并分步成功實(shí)施，如圖3所示。

該公司對(duì)MES功能的需求主要分為以下幾個(gè)方面：

①車間管理需求：1）車間生產(chǎn)的效率要求：通過(guò)電子化的信息傳遞以提高信息傳遞的速度和效率;2）生產(chǎn)管理的實(shí)時(shí)化透明化要求：需要實(shí)時(shí)地采集生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)信息，使現(xiàn)場(chǎng)人員和車間管理者能夠?qū)崟r(shí)、透明地了解生產(chǎn)的實(shí)際狀況，以及和目標(biāo)之間的偏差情況。基于此需求，開發(fā)了以下幾個(gè)主要功能模塊：

安燈系統(tǒng)：實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)線的產(chǎn)出和不良品數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)一步詳細(xì)到目前產(chǎn)線/工站的狀態(tài)（生產(chǎn)/設(shè)備故障/設(shè)備換型/質(zhì)量停機(jī)等），不良品分別來(lái)自于哪些工站。

數(shù)字化車間管理看板：以可視化圖表的形式，展示產(chǎn)線的節(jié)拍，每小時(shí)產(chǎn)出，OEE即設(shè)備綜合利用率（日/月/年/自選時(shí)段），OEE的損失帕累托圖，針對(duì)OEE損失主要項(xiàng)目的改善PDCA等。

自動(dòng)層級(jí)報(bào)表：以可視化圖表的形式，展示生產(chǎn)區(qū)域及產(chǎn)線級(jí)的報(bào)廢率/一次剔除率/產(chǎn)量（日/月/年/自選時(shí)段）以及與目標(biāo)之間的實(shí)際偏差情況，報(bào)廢率/一次剔除率的帕累托圖等。

②質(zhì)量管理需求：制造過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)主要來(lái)自兩個(gè)方面，對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)和對(duì)制造過(guò)程的監(jiān)控。開展質(zhì)量管理，就是要用數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)現(xiàn)和解決產(chǎn)品質(zhì)量的問(wèn)題，用數(shù)據(jù)來(lái)反映或描述產(chǎn)品質(zhì)量的變化規(guī)律，以最大限度地減少生產(chǎn)系統(tǒng)的質(zhì)量變異，使其生產(chǎn)過(guò)程處于受控狀態(tài)，保證符合質(zhì)量的產(chǎn)品持續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)出。汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)屬于多品種及多種訂單形式的離散制造業(yè)，外部條件是客戶和產(chǎn)品種類數(shù)量大、產(chǎn)品質(zhì)量信息源頭多、信息變化快。而內(nèi)部環(huán)境又存在傳統(tǒng)質(zhì)量信息管理混亂、手工方式數(shù)據(jù)采集差錯(cuò)率高、質(zhì)量活動(dòng)執(zhí)行效率低等問(wèn)題。為系統(tǒng)地解決這些問(wèn)題并適應(yīng)市場(chǎng)環(huán)境，取得質(zhì)量管理的成功，開發(fā)了以下幾個(gè)主要功能模塊：

批次追溯管理：當(dāng)出現(xiàn)成品質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)成品的批次信息，反查出成品的生產(chǎn)信息，包括班次/員工/過(guò)程參數(shù)記錄/產(chǎn)品檢測(cè)記錄信息，以及成品的零部件批次信息，從而可以和質(zhì)量合格的批次快速分類對(duì)比可能產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的原因是生產(chǎn)過(guò)程還是零部件。

過(guò)程參數(shù)監(jiān)控： MES中包含有大量的制造質(zhì)量數(shù)據(jù)，為質(zhì)量分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。利用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（Statistical Process Control，SPC） 的方法，將產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)和過(guò)程參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，以控制圖的形式將工序質(zhì)量是否受控的狀態(tài)滾動(dòng)實(shí)時(shí)展示，以便現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并采取措施做出調(diào)整。同時(shí)將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，作為歷史數(shù)據(jù)可以隨時(shí)調(diào)取，供工程師和生產(chǎn)管理人員參考與進(jìn)行質(zhì)量管理決策。

快速反應(yīng)模塊：QRQC（Quick Response Quality Control，快速反應(yīng)質(zhì)量控制）用以快速解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定需要進(jìn)行快速反應(yīng)的報(bào)警線被觸發(fā)時(shí)，包括特定失效類型的比率過(guò)高，關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)超出公差范圍，關(guān)鍵產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果超出控制線等，MES系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開設(shè)工單，并向系統(tǒng)里指定的責(zé)任人發(fā)送手機(jī)短消息/郵件，或者對(duì)配有專用手環(huán)的現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)送信息，以提醒相關(guān)人員出現(xiàn)了質(zhì)量偏差，并要求其執(zhí)行快速反應(yīng)流程。另一方面，當(dāng)相關(guān)人員處理完成后，需要在MES系統(tǒng)中登記存檔并關(guān)閉對(duì)應(yīng)的快速反應(yīng)工單。

圖3的分步實(shí)施圖，展示了江南某公司分步實(shí)施各功能模塊的過(guò)程，歷時(shí)約2年的時(shí)間。原因是經(jīng)過(guò)對(duì)過(guò)往一些MES系統(tǒng)實(shí)施項(xiàng)目的調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)從經(jīng)濟(jì)收益的角度，只有通過(guò)對(duì)MES高頻次和正確有效的使用，才能讓其中的數(shù)據(jù)和功能真正的發(fā)揮作用，進(jìn)而幫助提高生產(chǎn)制造水平。而一開始就引入一個(gè)擁有非常復(fù)雜功能的MES系統(tǒng)，對(duì)于MES的使用者（生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員，工程師和管理人員等）而言，由于其學(xué)習(xí)使用難度較大，從而會(huì)產(chǎn)生一部分抗拒心理而不會(huì)經(jīng)常使用，最終導(dǎo)致MES系統(tǒng)形同虛設(shè)，無(wú)法帶來(lái)預(yù)期的收益。分步實(shí)施最大的好處是，每次使用者只會(huì)新增使用一部分MES功能模塊，并且是與其當(dāng)時(shí)的需求直接相關(guān)，其主動(dòng)并頻繁使用的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力很大;而通過(guò)一段時(shí)間的使用，熟練掌握并成為習(xí)慣后，再擴(kuò)展使用新的功能。通過(guò)不斷的迭代使用，使用者會(huì)熟知熟用MES的所有功能，使用MES也成為了日常工作的一項(xiàng)重要和不可替代的活動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用MES的目標(biāo)。

2 ?MES的應(yīng)用場(chǎng)景和成果

本文介紹的MES系統(tǒng)在生產(chǎn)區(qū)域的應(yīng)用主要在以下場(chǎng)景：

2.1 生產(chǎn)線實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)控

由于重要的過(guò)程參數(shù)，關(guān)鍵尺寸測(cè)量結(jié)果可以實(shí)時(shí)反應(yīng)到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視器上，MES使用人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)和潛在的失效可能，更早的進(jìn)行預(yù)防和快速反應(yīng)，避免產(chǎn)品出現(xiàn)大量質(zhì)量問(wèn)題從而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢成本的降低。如圖4所示。除此之外，當(dāng)出現(xiàn)特殊情況導(dǎo)致工程師無(wú)法到現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，也為其可以遠(yuǎn)程了解現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題提供了可行性。

2.2 班組會(huì)議和日常管理會(huì)議

每班結(jié)束和開始的時(shí)候，可以通過(guò)MES系統(tǒng)，將重要的生產(chǎn)信息，生產(chǎn)指標(biāo)的完成情況，需要完成的問(wèn)題點(diǎn)及時(shí)展現(xiàn)給班組成員，并記錄需要在日常管理會(huì)議上討論解決的問(wèn)題點(diǎn)。在日常管理會(huì)議上，除生產(chǎn)部門外，技術(shù)部門，設(shè)備部門，質(zhì)量部門，物流部門一起參加，可以通過(guò)對(duì)前一天的生產(chǎn)指標(biāo)回顧，對(duì)于記錄問(wèn)題點(diǎn)的討論，確認(rèn)當(dāng)天需要重點(diǎn)關(guān)注的措施，以及時(shí)完成對(duì)偏差的糾正和問(wèn)題的關(guān)閉。如圖5所示。

2.3 過(guò)往生產(chǎn)情況的追查

當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，通過(guò)分析如果是生產(chǎn)制造過(guò)程的問(wèn)題，可以通過(guò)產(chǎn)品詳情功能去反查產(chǎn)品的過(guò)程參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果信息;如果是零部件的問(wèn)題，可以通過(guò)批次追溯功能去反查產(chǎn)品批次對(duì)應(yīng)的零部件批次信息，通過(guò)這些信息和數(shù)據(jù)為進(jìn)一步了解問(wèn)題的來(lái)源提供了便利和可靠性。

通過(guò)MES系統(tǒng)的有效實(shí)施和應(yīng)用，產(chǎn)生非常具體和直觀的收益，具體包括以下幾點(diǎn)：

①現(xiàn)場(chǎng)人員工時(shí)的節(jié)約：MES應(yīng)用之前，生產(chǎn)數(shù)據(jù)（產(chǎn)出數(shù)量，報(bào)廢數(shù)量等）需要由現(xiàn)場(chǎng)員工填寫在紙質(zhì)文檔上，每條生產(chǎn)線每天需要1人花費(fèi)至少30分鐘的時(shí)間;再由數(shù)據(jù)員將紙質(zhì)文檔上的數(shù)據(jù)填入電子文檔，每條生產(chǎn)線每天需要1人花費(fèi)至少10分鐘的時(shí)間。而在應(yīng)用之后，由于生產(chǎn)數(shù)據(jù)直接由系統(tǒng)抓取，每天每條生產(chǎn)線就可以節(jié)約40分鐘的工作時(shí)間。同時(shí)避免了人為填寫錯(cuò)誤，準(zhǔn)確性也得到了提高。

②現(xiàn)場(chǎng)無(wú)紙化率的提高：MES應(yīng)用之前，質(zhì)量數(shù)據(jù)（過(guò)程參數(shù)，產(chǎn)品測(cè)量值等）需要由現(xiàn)場(chǎng)員工填寫在記錄本上，每條生產(chǎn)線每月至少需要3本（32頁(yè)A4紙/本）。而在應(yīng)用之后，由于大部分質(zhì)量數(shù)據(jù)直接由系統(tǒng)抓取，其余部分可以直接填入MES表單，現(xiàn)場(chǎng)員工無(wú)需再使用記錄本，從而節(jié)約了大量紙張。

③員工工作效率的提高：MES中的信息極大的提高了透明性和可靠性，從而減少了很多額外的數(shù)據(jù)確認(rèn)和澄清時(shí)間，進(jìn)而提高了工作效率。比如MES應(yīng)用前，出現(xiàn)一次質(zhì)量問(wèn)題，需要工程師花4-8小時(shí)翻查之前的紙質(zhì)批次信息，質(zhì)量記錄等;應(yīng)用之后，時(shí)間則縮短到30分鐘以內(nèi)。同理，日常管理會(huì)議時(shí)間也從超過(guò)30分鐘縮短到25分鐘內(nèi)。

④員工工作有效性的提高：MES提供了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性展示，當(dāng)產(chǎn)品的過(guò)程參數(shù)或者產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)超出控制線或者變差的趨勢(shì)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)員工可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并快速定位問(wèn)題的來(lái)源，在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法解決的時(shí)候也可以快速將信息反饋給相應(yīng)的工程師和生產(chǎn)管理人員，將快速反應(yīng)成功率從30%大幅提高到80%，并消除了之前因?yàn)闊o(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)或者疏忽快速反應(yīng)的情況。

⑤經(jīng)濟(jì)效益的提升：通過(guò)消除現(xiàn)場(chǎng)員工的一些非增值工作，提高工作效率，進(jìn)而每年提升了勞動(dòng)生產(chǎn)率約8%;通過(guò)數(shù)據(jù)的及時(shí)透明的展示，極大降低了出現(xiàn)批量質(zhì)量事故的風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)快速反應(yīng)進(jìn)一步降低了不良率，最終每年減少了產(chǎn)品報(bào)廢率約10%。因?yàn)榉植侥K化的投資，每年的投資成本在當(dāng)年即可得到回報(bào)收益。

3 ?總結(jié)

如何更好的實(shí)施MES系統(tǒng)，對(duì)于提高生產(chǎn)管理的效率和減少運(yùn)營(yíng)成本有著非常重要的意義。本文通過(guò)對(duì)江南某公司的MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)，功能開發(fā)，實(shí)施方案和應(yīng)用的案例介紹和研究，證明了以契合公司需求為目標(biāo)方向，通過(guò)分布實(shí)施和場(chǎng)景化應(yīng)用的MES系統(tǒng)，可以成功的為公司帶來(lái)巨大的收益。在此過(guò)程中，公司員工不斷的使用MES系統(tǒng)，熟悉和掌握數(shù)字化工具，也為公司進(jìn)行智能制造轉(zhuǎn)型提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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