王連驍，張兆明，邢正雙

（上海汽車集團股份有限公司，上海市汽車動力總成重點實驗室，上海201804）

0 引言

當前信息化與工業(yè)化深度融合，制造業(yè)結構深入調(diào)整，質(zhì)量品牌建設不斷加強。在發(fā)動機試制工作中引入制造執(zhí)行系統(tǒng)的相關功能，可以使研發(fā)手段更加智能，業(yè)務過程更加高效，不斷提升項目開發(fā)的工作效率，建立起快速、智制、數(shù)字化等相應試制能力；同時提高上下游工作效率，降低項目開發(fā)的時間和成本，改善內(nèi)部客戶體驗，快速響應日益增多的研發(fā)車型對試制工作的要求。

1990年11月美國咨詢調(diào)查公司AMR（Advanced Manufacturing Research）提出制造執(zhí)行系統(tǒng) （Manufacturing Execution System，MES） 的概念[1]。MES是面向車間層的管理技術與實時信息系統(tǒng)，可使車間上層計劃管理系統(tǒng)和底層控制系統(tǒng)之間的信息孤島有效聯(lián)系起來，從而彌補計劃層和控制層之間的空隙，保證信息流在企業(yè)中的連續(xù)性[2]。

MES系統(tǒng)與企業(yè)的生產(chǎn)流程、資源調(diào)度和管理、設備協(xié)作、生產(chǎn)計劃流程等都有非常密切的聯(lián)系，當前正較為廣泛地應用于各類制造型企業(yè)。

1 MES系統(tǒng)簡介

1.1 MES系統(tǒng)基本概念

MES系統(tǒng)作為表示特定功能集成的產(chǎn)品，在國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會MESA（Manufacturing Execution Systems Association）的白皮書中定義為：MES制造執(zhí)行系統(tǒng)通過對信息進行傳遞，使得從下單到完成品間的生產(chǎn)過程能夠透明化。另外，MES能夠對生產(chǎn)活動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及事件進行及時地響應及反饋，為生產(chǎn)提供正確的引導。MES還可以針對條件變化而做出立即快速的反應，可減少無附加價值的活動，達到更有效的生產(chǎn)作業(yè)及流程。它為企業(yè)與供應商之間的雙向溝通提供了所需的生產(chǎn)信息，為設備的回收率，準時交貨率、庫存周轉率、邊際貢獻、現(xiàn)金流量績效等作出了巨大的貢獻[3]。

1.2 MES系統(tǒng)基本功能介紹

MES系統(tǒng)主要包含生產(chǎn)管理、工藝管理、過程管理和質(zhì)量管理四大功能。根據(jù)國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會MESA的定義，MES模塊功能有資源管理，現(xiàn)場排程，現(xiàn)場派工，文件管制，現(xiàn)場資料收集，人員管理，質(zhì)量管理，制造管理，維護管理，產(chǎn)品追蹤與履歷，及績效分析[4]。

2 發(fā)動機試制工作特點及業(yè)務流程分析

2.1 發(fā)動機試制工作特點

在發(fā)動機的研發(fā)過程中，樣機試制是其中的重要環(huán)節(jié)。試制要考核新產(chǎn)品設計質(zhì)量，考驗產(chǎn)品結構、性能，驗證和修改設計圖紙，使產(chǎn)品設計基本定型；同時也要驗證產(chǎn)品工藝性，審查主要工藝[5]。發(fā)動機試制工作具有下列特點。

（1）發(fā)動機試制工作具有多品種、小批量的特點，并且多批次交叉，多約束關聯(lián)，需要較長的技術準備周期，組織生產(chǎn)管理難度較大，工作依賴于工程技術人員的經(jīng)驗，并且對一線操作者技能的要求較高。

（2）發(fā)動機試制對質(zhì)量管控要求較高，存在每道工序都需要檢驗的情況。進行質(zhì)量管控所需的周期較長，需要記錄管理的信息較多，并且信息會分散地保存在不同的人員手里。

（3）發(fā)動機試制工作需要單位內(nèi)部外部長期且頻繁地進行交互，管理和協(xié)調(diào)的難度較大；同時，工程任務優(yōu)先級動態(tài)變化且不斷更改，不可控的因素較多。由于業(yè)務的多樣性和復雜性，也往往造成一線操作人員的工作負荷和設備負荷不平衡的問題。

由于發(fā)動機試制工作的特點，當前發(fā)動機的試制工作基本都采用傳統(tǒng)的管理模式，即通過人工管理來組織開展相關工作。因而在能力建設、質(zhì)量提升等方面有很大的發(fā)展空間。

2.2 發(fā)動機試制業(yè)務流程

發(fā)動機的試制是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要周密的計劃和嚴格的執(zhí)行來保證設計、加工、試驗的進度和質(zhì)量。發(fā)動機的試制流程包括試制計劃、倉儲管理、樣件改制、樣件測量、樣機裝配、樣機解析等方面，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機試制流程

3 發(fā)動機試制過程MES系統(tǒng)總體設計

3.1 MES系統(tǒng)需求分析

在研發(fā)階段，因是單件小批量的生產(chǎn)模式，發(fā)動機的試制生產(chǎn)管理過程較為復雜，管理難度大。因此，要求MES系統(tǒng)能夠對任務的執(zhí)行和節(jié)點的跟蹤進行綜合管控和優(yōu)化，對數(shù)據(jù)進行采集和分析，以有效提升生產(chǎn)效率。在智能制造自動化、智能化、網(wǎng)絡化的基礎上，對發(fā)動機試制MES系統(tǒng)的具體需求如下。

（1）實現(xiàn)發(fā)動機試制全過程的狀態(tài)監(jiān)控，提升信息傳遞的效率。

（2）實現(xiàn)發(fā)動機樣機全生命周期的跟蹤，建立發(fā)動機信息檔案。

（3）規(guī)范管理發(fā)動機試制流程，優(yōu)化內(nèi)部管理，消除作業(yè)瓶頸。

（4）建立完善的質(zhì)量管理體系，實現(xiàn)質(zhì)量信息的高效統(tǒng)計分析。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設計

MES系統(tǒng)從原材料采購到成品入庫的生產(chǎn)過程進行實時數(shù)據(jù)采集、控制和監(jiān)控的全過程，實現(xiàn)對生產(chǎn)控制、產(chǎn)品追蹤追溯、生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)傳輸與處理等功能[6]。

基于上述對MES系統(tǒng)需求分析，結合MES系統(tǒng)的基本功能，設計開發(fā)針對發(fā)動機試制的MES系統(tǒng)，包括對試制過程的信息傳遞，數(shù)據(jù)收集，分析處理等方面進行集成開發(fā)，建立計劃管理，倉儲管理，現(xiàn)場質(zhì)量，試制過程，解析評價等主要功能模塊，如圖2所示。

圖2 MES系統(tǒng)功能框架圖

各主要功能模塊作用如下。

（1）倉儲管理功能。其主要負責管理和維護物料信息。零件審核通過后生成零件標簽，掃描零件標簽完成零件入庫操作。根據(jù)試制計劃，產(chǎn)品BOM生成物料清單。根據(jù)物料清單，拿出零件并掃描零件標簽完成出庫操作。

（2）計劃管理功能。其主要負責試制計劃的發(fā)布和跟蹤。根據(jù)生產(chǎn)訂單，物料計劃等編制試制計劃，并對試制過程進行跟蹤，對偏離試制計劃的情況進行預警和管控。

（3）現(xiàn)場質(zhì)量控制。其主要負責對試制過程中質(zhì)量檢測和跟蹤。根據(jù)質(zhì)量標準體系，實時監(jiān)控生產(chǎn)過程中的質(zhì)檢信息。若零件出現(xiàn)質(zhì)量問題，系統(tǒng)可以追溯質(zhì)量問題到源頭，進而分析問題產(chǎn)生的原因。

（4）試制過程管理。其主要負責發(fā)動機試制過程中的現(xiàn)場調(diào)度，工藝指導，生產(chǎn)防錯，并記錄相關生產(chǎn)信息。

（5）解析評價功能。其主要負責發(fā)動機試驗結束后的拆解工作，記錄相關信息并進行評價反饋。

（6）報表統(tǒng)計功能。其主要負責采集相關生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便為發(fā)動機研發(fā)工作提供決策支持。

（7）設備管理功能。其主要負責發(fā)動機試制工作中相關設備的狀態(tài)監(jiān)控和維護保養(yǎng)。

（8）生產(chǎn)安東 （Andon）功能。其主要負責快速響應試制工作中出現(xiàn)的異常情況。Andon系統(tǒng)作為生產(chǎn)制造管理過程中的一個重要工具，主要負責將制造過程中的缺陷信息在最短的時間傳遞出去，使問題能夠快速解決，從而提高生產(chǎn)制造的質(zhì)量和效率。

（9）信息查詢功能。其主要負責提供用戶所需的試制相關信息。

3.3 系統(tǒng)體系架構設計

根據(jù)發(fā)動機試制工作特點，MES系統(tǒng)體系架構設計必須滿足以下幾個條件。

（1）MES系統(tǒng)能采用分布式計算機系統(tǒng)。

（2）MES系統(tǒng)能與工廠、企業(yè)的其它信息系統(tǒng)互聯(lián)，共同提供高效的信息管理與計劃功能。

（3）MES系統(tǒng)能以生產(chǎn)實時信息為核心，為企業(yè)各項決策提供直觀信息[7]。

根據(jù)發(fā)動機試制業(yè)務流程，為滿足上述功能需求，設計了MES系統(tǒng)整個體系架構，如圖3所示。

圖3 MES系統(tǒng)體系架構

3.4 系統(tǒng)功能應用示例

3.4.1 發(fā)動機試制工藝控制

在發(fā)動機的設計研發(fā)中，需要不斷進行工藝研究，以提高新產(chǎn)品的工藝可行性，因此產(chǎn)品工藝要求應當根據(jù)工藝評審不斷更新。傳統(tǒng)目視化看板所能覆蓋的工藝步驟極為有限，且在試制工作中，同一工位需要進行多道工序且由同一人員進行操作，大量工藝步驟缺乏可視化指導，往往依賴于操作人員的技能水平，容易導致后期出現(xiàn)不必要的返修工作。

通過使用MES系統(tǒng)，可以根據(jù)發(fā)動機的不同用途，選取不同的工藝要求，為柔性生產(chǎn)提供精準的工藝指導。以某發(fā)動機試制工藝要求為例，說明MES系統(tǒng)界面情況，如圖4所示。

圖4 MES系統(tǒng)界面示例：裝配工藝要求

新的試制任務下達后，通過掃描任務單條碼，獲取當前發(fā)動機信息，工位顯示器自動顯示當前發(fā)動機的加工工藝，操作人員可以按照顯示的工藝路線進行操作。對于關鍵步驟及特殊要求，操作人員需要在系統(tǒng)內(nèi)進行確認后再進行后續(xù)操作。對于試制過程中出現(xiàn)的工藝問題，可以隨時通過系統(tǒng)進行報警。

3.4.2 試制過程數(shù)據(jù)信息采集

在發(fā)動機試制過程中，需要對發(fā)動機全生命周期的檔案進行跟蹤記錄。在傳統(tǒng)的工作模式下，大量的數(shù)據(jù)需要通過手工記錄，而記錄測量過程數(shù)據(jù)會對試制工作的效率產(chǎn)生一定影響，并且數(shù)據(jù)信息多次傳遞容易出現(xiàn)錯誤，也造成后期追溯利用的困難。

應用MES系統(tǒng)以后，可以將發(fā)動機試制過程中產(chǎn)生的信息進行統(tǒng)一管理。通過條碼管理采集和整理零件組成信息、發(fā)動機流轉信息、試制人員信息等；通過PLC接口采集設備加工參數(shù)信息，如零件裝配扭矩等；通過操作人員在系統(tǒng)內(nèi)填寫的方式記錄測量信息。系統(tǒng)內(nèi)預設相關參數(shù)的參考范圍，如果數(shù)據(jù)超出范圍，系統(tǒng)就自動報警進行提醒。

3.4.3 試制過程防錯技術應用

在試制過程中，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低復雜操作給操作人員帶來的勞動強度和工作壓力，研究應用防錯技術是必不可少的工作要求。

應用MES系統(tǒng)，可以將手工操作中的防錯步驟通過系統(tǒng)得以實現(xiàn)，極大地提升試制工作的效率，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）條碼管理防錯。對于關鍵零件，需要掃描條碼進行綁定后方可進行裝配，避免出現(xiàn)混裝，誤裝的情況發(fā)生。

（2）擰緊程序防錯。在發(fā)動機的試制生產(chǎn)中，緊固件的擰緊占據(jù)了裝配線的大部分工藝，擰緊的質(zhì)量直接影響著發(fā)動機的性能。應用MES系統(tǒng)收集擰緊后的合格信號。當電動擰緊設備達到目標扭矩后，會發(fā)送擰緊合格信號至MES系統(tǒng)，如出現(xiàn)漏擰緊或扭矩不符合要求時，MES系統(tǒng)會自動報警。

（3）過程順序標準化。在試制過程中，操作需要嚴格按照標準順序進行，如果出現(xiàn)工序遺漏或者工序顛倒，系統(tǒng)就會自動進行報警。

（4）在線監(jiān)測。利用系統(tǒng)里預先設定的參數(shù)范圍進行在線監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)尺寸、扭矩等測量出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會自動報警。

（5）頻次管理。在發(fā)動機的試制中，部分零件有使用頻次的要求。在程序中設定裝配計數(shù)，在達到設定頻次后，設備發(fā)出提醒并自動中斷操作。

4 MES系統(tǒng)實施方法

為使MES系統(tǒng)在實施過程中更加簡單、快速、有效，系統(tǒng)實施方和用戶方需要進行有效的溝通和交流，明確每一階段需要達成的目標和所承擔的工作。MES的典型實施階段和交付物如下。

（1）項目準備和啟動。在項目準備階段，主要的目標是組建專業(yè)團隊，收集項目需求，制定詳細的實施計劃。階段性的交付物為：項目組織架構及職責、項目調(diào)研報告、項目實施計劃及方案。

（2）業(yè)務藍圖設計。在業(yè)務藍圖設計階段，主要的目標是梳理業(yè)務流程，總結功能需求，劃定功能范圍。階段性的交付物為：項目實施方案、業(yè)務藍圖確認書。

（3）系統(tǒng)實現(xiàn)。在系統(tǒng)實現(xiàn)階段，主要的目標是將業(yè)務藍圖設計階段定義的業(yè)務功能需求予以實現(xiàn)，完成系統(tǒng)開發(fā)，進行軟硬件調(diào)試準備并完成部署安裝工作。階段性的交付物為：系統(tǒng)軟硬件、系統(tǒng)檢驗測試報告、系統(tǒng)配置手冊。

（4）驗收交付。在驗收交付階段，主要的目標為系統(tǒng)交付使用，項目驗收確認，使用人員培訓。階段性的交付物為：項目驗收報告、項目驗收確認書、系統(tǒng)使用說明書、系統(tǒng)運行維護手冊。

在項目驗收結束后，系統(tǒng)實施方和用戶方還應根據(jù)使用情況不斷優(yōu)化完善。

5 MES系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢分析

新一代的MES系統(tǒng)，將不再是以往單一車間的執(zhí)行系統(tǒng)，而會呈現(xiàn)出與物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)分析等新興技術深度融合的特點，研究和應用的深度和廣度都將得到更大的發(fā)展。既有多源信息融合及復雜信息快速處理能力，又能做到集成范圍更廣，可覆蓋整個企業(yè)業(yè)務流程，實現(xiàn)MES軟件系統(tǒng)可開放、可配置、易維護，最終成為生產(chǎn)過程中必不可少的工具。

6 結束語

MES系統(tǒng)是面向于生產(chǎn)車間這一制造業(yè)基礎環(huán)節(jié)的信息管理系統(tǒng)，是現(xiàn)代企業(yè)信息化的重要構成部分，是制造業(yè)改善車間管理結構，增強市場競爭力的必然選擇[8]。

隨著發(fā)動機試制品種和數(shù)量的增加，需要加強對發(fā)動機試制過程的管理，MES系統(tǒng)在其中起到了舉足輕重的作用。通過了解MES系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，把握它的發(fā)展趨勢，對于我國在發(fā)動機試制工作中研究和實施MES系統(tǒng)具有深刻而廣泛的理論價值和應用價值。