黃 鑫 李 茹

（天津職業(yè)大學，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、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踐領域，已經(jīng)成為現(xiàn)代先進制造企業(yè)轉(zhuǎn)型建設的趨勢。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手段，以最終實現(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)務聯(lián)系緊密，處于智能制造建設的底層，所以可謂是智能制造建設的“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)如果不能直接實現(xiàn)對生產(chǎn)設備、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的制造企業(yè)，現(xiàn)普遍的信息化建設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的建設主要是基于裝備制造生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的機床等設備所需具備的網(wǎng)絡化、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、會計為出發(fā)點的ERP 系統(tǒng)中制造相關模塊難以勝任，于是從工廠營運層考量的專用型制造執(zhí)行系統(tǒng)在這些領域首先應用而生。

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)具備或正在實施一些獨立的管理信息系統(tǒng)：OA，HR，MRP，PDM，CRM和DSS等，但這些業(yè)務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)有機融合。實現(xiàn)從生產(chǎn)計劃的執(zhí)行、生產(chǎn)過程的追溯、設備的正常高效使用、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)場進行集成管理。

1.整體架構設計

從MES 系統(tǒng)所處的層次來說，它應處于企業(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)和設備控制系統(tǒng)之間的橋梁和紐帶。MES 系統(tǒng)應成為制造管理核心，靈活接駁各種軟硬件設備和平臺，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雜流程。對應的MES 系統(tǒng)的構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)務相關的異構系統(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，從而實現(xiàn)鋰電制造整個流程的可視化、數(shù)字化和可控化。所設計的鋰電制造業(yè)MES 系統(tǒng)的總體架構如下圖1所示：

圖1 鋰電制造業(yè)MES系統(tǒng)設計的總體架構

2.開發(fā)技術設計

本文設計開發(fā)的MES 系統(tǒng)采用企業(yè)應用集成技術（EAI），通過數(shù)據(jù)可視化（BI）、關連式數(shù)據(jù)庫（RDBMS）、輕量目錄訪問協(xié)議（Lightweight Directory Access Protocol， LDAP）、 開 放 式 架 構（Open Platform）、Web服務等相關技術，將各類進程、軟件、標準和硬件聯(lián)合起來。實現(xiàn)界面集成、業(yè)務過程集成、數(shù)據(jù)集成、平臺集成四個方面的集成系統(tǒng)。

(1)應用數(shù)據(jù)可視化BI 和門戶技術，把用戶界面作為公共的集成點，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，實現(xiàn)應用用戶界面統(tǒng)一的接入與安全機制。

(2)應用關連式數(shù)據(jù)庫RDBMS 對相關數(shù)據(jù)進行標識并編成目錄，確定元數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的分布與共享，以及異構的數(shù)據(jù)源之間數(shù)據(jù)層的直接整合。

(3)應用LDAP技術定義、授權和管理各種業(yè)務系統(tǒng)的信息，實現(xiàn)包括業(yè)務管理、進程模擬以及綜合任務、流程、組織和進出信息工作流等業(yè)務過程的全集成。

(4)采用開放式架構設計整個系統(tǒng)，構建與現(xiàn)有應用（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)有資源進行重構以滿足新的信息系統(tǒng)需求，從而實現(xiàn)系統(tǒng)從底層結構、軟件、硬件和異構網(wǎng)絡的整體平臺集成。

三、鋰電制造業(yè)MES系統(tǒng)的功能實現(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)下達的訂單信息(P/O)，根據(jù)用戶給定的規(guī)則進行計劃排產(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)線上的設備狀態(tài)和任務的執(zhí)行情況等進行監(jiān)控和調(diào)度，實現(xiàn)“生產(chǎn)實績反饋”，將各層次管理操作人員關心的報表數(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 信息化運營需具備生產(chǎn)管理、批次管理、包裝實績、入庫實績、異常保留品管理功能。

(1)生產(chǎn)管理：管理指定工序和當前產(chǎn)線所有設備的啟停、生產(chǎn)、原材料投入、關鍵參數(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)、設備狀態(tài)、環(huán)境監(jiān)控、原材料消耗、實時產(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、關閉及合并，支持手動操作，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

(3)包裝實績：提供標準的包裝功能，支持成品的裝包與拆包功能，支持多層包裝。

(4)入庫實績：提供倉儲管理功能，實現(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)，作相應的權限管理。

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)向客戶證實產(chǎn)品的質(zhì)量、追溯問題的根源或評估問題的嚴重程度等。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、設備使用追溯查詢、生產(chǎn)實時產(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，該模塊實現(xiàn)對從供應商、原料到售后服務的整個產(chǎn)品的生產(chǎn)和生命周期進行質(zhì)量記錄和分析，并在生產(chǎn)過程控制的基礎上對生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題進行嚴格控制，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：

（1）基礎數(shù)據(jù)維護（質(zhì)量建模過程）：質(zhì)量標準維護、品質(zhì)數(shù)據(jù)維護、檢驗項目維護、抽樣水準、抽樣計劃、抽樣方案。

（2）質(zhì)量檢驗：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)設備完成，如需人工則由系統(tǒng)SOP 引導，用電子檢測設備完成，實時記錄。

（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：對質(zhì)量改進工作進行記錄、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)工程的復雜、性能要求較高、技術和產(chǎn)品更新較快的特點，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構和審批流程推送給相關人員進行審批，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)場設備開機時首先對當前設備的Recipe版本進行檢查，自動比對并從MES下載最新版本Recipe，同時系統(tǒng)準許現(xiàn)場人員錄入并上傳相關標準區(qū)間參數(shù)，并作相關履歷記錄。

（4）權限和設備管理：對不同用戶和權限創(chuàng)建對應的用戶和管理組并賦予相應的權限，登記并維護全部設備清單并和相應的Recipe建立關聯(lián)配置。

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

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)，通過對各化成設備和過程進行實時狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理和預警保護等，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）設備狀態(tài)：對實時采集的化成設備狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)分析后，實時顯示當前時刻所進行的工作狀態(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時數(shù)據(jù)；其他機械動作的實時信號反饋，以及異常的及時報警工作。

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

（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)改進進行指導工作。

7.設備管理

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

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

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

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

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

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

（6）設備KPI 統(tǒng)計分析：設計設備關鍵業(yè)績指標KPI（如OEE、MTBF、MTTR、設備故障TOP等），根據(jù)設備運行數(shù)據(jù)進行科學的數(shù)據(jù)分析，輸出多維度的分析報表/圖表，用于上層ERP 進行決策分析。

四、結語

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，實踐證明，企業(yè)使用MES 后可以縮短生產(chǎn)周期、減少在制品（WIP）、增強準時交貨能力、改善產(chǎn)品質(zhì)量，進而降低生產(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)的實現(xiàn)有重大的意義。