羅紫嫣

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字經(jīng)濟(jì)學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

隨著信息技術(shù)與制造業(yè)的融合發(fā)展，我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐不斷加快，越來(lái)越多的制造業(yè)企業(yè)開(kāi)始了數(shù)字化工廠的建設(shè)。作為現(xiàn)代信息技術(shù)的產(chǎn)物，MES(Manufacturing Execution System)被稱為“制造執(zhí)行系統(tǒng)”，是企業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行管理的軟件，能夠有效幫助企業(yè)控制生產(chǎn)進(jìn)度、質(zhì)量、成本，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)[1]。然而，MES存在行業(yè)特性明顯、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、專業(yè)化人才欠缺等問(wèn)題，這將導(dǎo)致企業(yè)在MES實(shí)施中難度較大且難以達(dá)成預(yù)期成果[2]。另外，MES在運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)為了信息化而信息化的問(wèn)題，忽略了生產(chǎn)的底層邏輯——精益生產(chǎn)?；诖?，本文以中小型鍛件生產(chǎn)為例，梳理其生產(chǎn)特點(diǎn)與典型生產(chǎn)場(chǎng)景問(wèn)題，圍繞精益生產(chǎn)的理念，提出MES在中小型鍛件生產(chǎn)的應(yīng)用。

1 MES與精益生產(chǎn)

1.1 MES的概念

美國(guó)AMR定義MES為：上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)。制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)MESA定義MES為：MES能通過(guò)信息傳遞對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠發(fā)生實(shí)時(shí)事件時(shí)，MES能對(duì)此及時(shí)做出反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)和處理。

MES是聚焦生產(chǎn)制造過(guò)程的信息化軟件，是處于企業(yè)管理層和設(shè)備控制層之間的連接中樞，其能幫助企業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)度、及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程異常并處理，使得整個(gè)生產(chǎn)變得更加有序、可控。另外，因?yàn)椴煌袠I(yè)、不同車間生產(chǎn)制造過(guò)程、生產(chǎn)管理要求不同，導(dǎo)致MES差異較大、定制化程度較高，因此剖析不同企業(yè)生產(chǎn)制造及其生產(chǎn)管理的具體需求成為MES實(shí)施的重要步驟。

1.2 MES的功能

早在1997年，制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)MESA發(fā)布的白皮書(shū)中提出了MES的11個(gè)功能。2004年MESA在傳統(tǒng)MES模型基礎(chǔ)上，提出了面向協(xié)同制造環(huán)境的新模型c-MES，其繼承了早期MES的所有核心功能，同時(shí)也更強(qiáng)調(diào)與企業(yè)供應(yīng)鏈和價(jià)值鏈中其他主體和系統(tǒng)的集成能力。具體而言，c-MES的核心功能包括以下8個(gè)方面：①資源配置和狀態(tài)管理：管理設(shè)備、工具、人員、物料、工藝文件等，保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。②生產(chǎn)單元分配：以作業(yè)、訂單、批量、工單等形式管理生產(chǎn)單元間工作的流動(dòng)，允許作業(yè)順序的定制及計(jì)劃實(shí)時(shí)的變更。③數(shù)據(jù)采集：通過(guò)各種數(shù)據(jù)采集手段獲取各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)和參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可以手工錄入或從設(shè)備上自動(dòng)獲取按分鐘級(jí)或秒級(jí)更新的數(shù)據(jù)。④勞務(wù)管理：提供人員出勤報(bào)告、人員認(rèn)證追蹤、人員狀態(tài)等，作為作業(yè)成本核算基礎(chǔ)。⑤質(zhì)量管理：采集制造過(guò)程中物料的測(cè)量數(shù)據(jù)，并能對(duì)質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析和控制。⑥過(guò)程管理：監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程、自動(dòng)糾錯(cuò)或向用戶提供決策支持等。⑦產(chǎn)品跟蹤與譜系：提供工件在任意時(shí)刻的位置和狀態(tài)信息，能夠記錄某產(chǎn)品生產(chǎn)的人員、原料、設(shè)備、產(chǎn)品批號(hào)、產(chǎn)品異常等信息，實(shí)現(xiàn)可追溯性。⑧性能分析：提供實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行結(jié)果的報(bào)告信息，了解生產(chǎn)各資源利用情況、和計(jì)劃排程的差異情況等。

1.3 精益生產(chǎn)的概述

精益生產(chǎn)(LP，Lean Production)是優(yōu)秀的管理方式，自20世紀(jì)80年代引進(jìn)我國(guó)后，應(yīng)用精益生產(chǎn)的企業(yè)越來(lái)越多。精益從豐田生產(chǎn)方式到精益生產(chǎn)的提出，又進(jìn)一步成為一種精益思想延伸至精益設(shè)計(jì)、精益組織、精益供應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)管理等諸多方面[3]。

精益生產(chǎn)這一概念是Womack等人在總結(jié)豐田生產(chǎn)模式時(shí)，在《改變世界的機(jī)器》中首次提出，其認(rèn)為精益生產(chǎn)能夠最大限度地降低企業(yè)資源消耗、提高企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也是能最大限度滿足市場(chǎng)需求的一種管理模式創(chuàng)新[4]?！熬北硎竞?jiǎn)化一切不必要的工作內(nèi)容和浪費(fèi)；“益”表示效益、成效，精益生產(chǎn)就是以企業(yè)利潤(rùn)最大化為目標(biāo)，及時(shí)制造，消除原料采購(gòu)、儲(chǔ)運(yùn)、生產(chǎn)、包裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一切浪費(fèi)，包括生產(chǎn)過(guò)剩、等待、搬運(yùn)、加工、庫(kù)存、動(dòng)作、不良品等方面的浪費(fèi)。

2 中小型鍛件生產(chǎn)的概述

2.1 鍛造的概念

鍛造是通過(guò)利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。相比于鑄造件而言，鍛件有更好的強(qiáng)度和韌性。

鍛造出來(lái)的產(chǎn)品稱為鍛件，鍛件是裝備制造業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，隨著裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)鍛件產(chǎn)量持續(xù)保持高位，覆蓋的行業(yè)包括汽車、軍工、航空、船舶、石化等。從鍛件大小看，分為大鍛件和中小型鍛件。

2.2 中小型鍛件生產(chǎn)的特點(diǎn)

因?yàn)橹行⌒湾懠a(chǎn)品是主機(jī)產(chǎn)品的重要部件，其質(zhì)量直接決定主機(jī)的性能、質(zhì)量、使用壽命和運(yùn)行的安全可靠性[5]，因此主機(jī)廠商對(duì)鍛件的到貨時(shí)間、質(zhì)量要求較高，鍛造行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)表現(xiàn)為：

1) 多品種定制化生產(chǎn)：鍛件產(chǎn)品是主機(jī)產(chǎn)品部件之一，其形態(tài)、功能由主機(jī)所決定，技術(shù)參數(shù)也由客戶所提出，需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的技術(shù)研發(fā)階段，因此鍛件多為定制化生產(chǎn)，重視產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。

2) 生產(chǎn)工序復(fù)雜：鍛造行業(yè)為典型的離散型生產(chǎn)，不同鍛造產(chǎn)品其工藝有所差別，主要工序包括下料、加熱、鍛造、退火、拋丸、機(jī)加工、檢驗(yàn)等，不同工序也常分布在不同車間，導(dǎo)致物料計(jì)劃、物流設(shè)計(jì)難度較大。

3) 原材料價(jià)值高：鍛造原材料為金屬材料，種類相對(duì)單一，但在鍛件主營(yíng)業(yè)務(wù)成本構(gòu)成中，原材料成本占較大比例，需要重點(diǎn)管控。

4) 設(shè)備及刀模具依賴性強(qiáng)：鍛造過(guò)程較為依賴諸如中頻爐、模鍛液壓機(jī)、鍛壓機(jī)等高價(jià)值設(shè)備，鍛造工藝中運(yùn)用的設(shè)備需要承受較強(qiáng)的沖擊力度，設(shè)備容易突然出現(xiàn)損壞。另外，與設(shè)備配套的模具需要承受頻繁的切割、擊打等過(guò)程，對(duì)其維護(hù)保養(yǎng)和監(jiān)控的要求也更高。

5) 能源消耗大：鍛造過(guò)程包括熱處理、模鍛、回火、退火等工序，其中加熱、保溫、冷卻等過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量能源消耗。在能源緊張、國(guó)家限電的管控要求下，鍛造行業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注能源的消耗。

2.3 中小型鍛件典型生產(chǎn)場(chǎng)景的問(wèn)題

1) 計(jì)劃排產(chǎn)難度大：鍛造行業(yè)本身因其工序多、物料的準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)難度大，生產(chǎn)計(jì)劃的制訂較為復(fù)雜；再加上生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)狀況、客戶訂單的調(diào)整、插單、返工等因素，計(jì)劃的變動(dòng)性大，這些都是計(jì)劃制訂的難點(diǎn)。

2) 生產(chǎn)不透明：傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下，鍛造生產(chǎn)不透明現(xiàn)象較為嚴(yán)重，生產(chǎn)工單下達(dá)后，通常在當(dāng)天結(jié)束后才知曉生產(chǎn)進(jìn)度，若出現(xiàn)生產(chǎn)異常，難以及時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度，這都會(huì)直接影響生產(chǎn)的進(jìn)度和質(zhì)量目標(biāo)。

3) 在制品庫(kù)存過(guò)多：由于鍛件多為多品種定制化生產(chǎn)，生產(chǎn)計(jì)劃難度較大，再加上鍛件生產(chǎn)多采用大批量生產(chǎn)模式，這都會(huì)造成在制品庫(kù)存量大。

4) 生產(chǎn)資源管理混亂：中小鍛件生產(chǎn)品種多、生產(chǎn)工序多，混流生產(chǎn)模式較為常見(jiàn)。這種方式能提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)均衡性，但也因?yàn)轭l繁的作業(yè)切換，容易出現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、刀模具、作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、工藝標(biāo)準(zhǔn)、物料等差錯(cuò)，若發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，事后也難以追溯與糾偏。

3 MES與精益生產(chǎn)

MES可以將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，具體而言中小型鍛件生產(chǎn)的MES功能可以包括計(jì)劃、生產(chǎn)、質(zhì)量、追溯、設(shè)備、工藝、能源等，并且通過(guò)數(shù)據(jù)采集，和底層設(shè)備等實(shí)體相連接，能更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制，詳見(jiàn)圖1。

除了圖1的功能規(guī)劃外，更需要透過(guò)這些功能明確MES與精益生產(chǎn)之間的關(guān)聯(lián)，MES在整個(gè)規(guī)劃中都需要以精益為“魂”，從而更好地推進(jìn)精益生產(chǎn)的落地、指導(dǎo)MES系統(tǒng)的實(shí)施。

3.1 優(yōu)化計(jì)劃的制訂與跟蹤，助力流程化生產(chǎn)

流程化生產(chǎn)是盡量使工序間在制品數(shù)量接近0或等于0，而實(shí)際生產(chǎn)中工序間存在大量在制品，這需要優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃。MES功能之一是能進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃排程，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)ERP計(jì)劃接收，還能滿足復(fù)雜工序的排程需求。通過(guò)了解車間物料的狀態(tài)和位置，盡可能減少在制品數(shù)量，提高不同工序、不同車間生產(chǎn)的協(xié)同性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的最優(yōu)。

圖1 MES功能規(guī)劃框架

生產(chǎn)過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)在制品數(shù)量較多，需要實(shí)時(shí)調(diào)整物料配送計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)排程和動(dòng)態(tài)調(diào)整。另外物料配送、物料接收、生產(chǎn)加工、等待轉(zhuǎn)移等過(guò)程跟蹤，都可以通過(guò)MES加以實(shí)現(xiàn)。由此形成計(jì)劃與執(zhí)行的閉環(huán)，增強(qiáng)了計(jì)劃可執(zhí)行性和計(jì)劃實(shí)施的效率。

3.2 采集生產(chǎn)全過(guò)程數(shù)據(jù)，持續(xù)識(shí)別并改善價(jià)值流

物料的流動(dòng)是價(jià)值流過(guò)程，價(jià)值流常用價(jià)值流圖(VSM，Value Stream Mapping)描述記錄并分析各環(huán)節(jié)物流和信息流情況，識(shí)別過(guò)程中的浪費(fèi)。通過(guò)條碼、RFID、設(shè)備接口等數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用，MES可以覆蓋領(lǐng)料、配送、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移等全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)物料物流和信息流的全過(guò)程跟蹤，從而讓整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程透明化。除物料數(shù)據(jù)外，MES還可以采集人、機(jī)、法、環(huán)、測(cè)、能等實(shí)時(shí)信息，了解設(shè)備、刀模具狀態(tài)等有無(wú)異常，了解能耗使用是否超標(biāo)。這不僅可以為計(jì)劃的制訂和調(diào)整提供關(guān)鍵信息，也可以通過(guò)價(jià)值流分析，幫助鍛造企業(yè)識(shí)別生產(chǎn)中的浪費(fèi)和解決相關(guān)困難。

目前，越來(lái)越多的鍛造企業(yè)在推進(jìn)智能工廠的進(jìn)程中，逐步建設(shè)并集成了MES、ERP、PLM、WMS系統(tǒng)，這將實(shí)現(xiàn)鍛件從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)、從訂單到交貨、從原料到成品整個(gè)價(jià)值流的識(shí)別，進(jìn)一步從產(chǎn)品全生命周期的角度推進(jìn)產(chǎn)品價(jià)值的持續(xù)改善。

3.3 加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)管理，保證生產(chǎn)穩(wěn)定性

由于鍛造工藝對(duì)設(shè)備依賴性強(qiáng)，需要時(shí)常監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)。MES作為連接樞紐，可以通過(guò)PLC、SCADA、傳感器等和底層設(shè)備連接，實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)，形成設(shè)備完整檔案與履歷。另外，MES還可以根據(jù)需求定義設(shè)備的維保周期、維保條件、故障報(bào)警條件，然后對(duì)實(shí)時(shí)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、診斷故障并報(bào)警，便于快速進(jìn)行設(shè)備維修和調(diào)度。

隨著設(shè)備故障和點(diǎn)檢、維修數(shù)據(jù)的不斷積累，可逐步形成知識(shí)庫(kù)，再對(duì)其中的數(shù)據(jù)和記錄進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)，最終提升設(shè)備的OEE。

3.4 配置信息看板，加強(qiáng)可視化管理

信息看板是精益生產(chǎn)的可視化管理工具，能幫助生產(chǎn)車間展示相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過(guò)和MES關(guān)聯(lián)，中小型鍛件車間可以著重建設(shè)以下五種信息看板：① 要料看板，即由后工序觸發(fā)要料需求，上工序接收需求后開(kāi)始生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)拉動(dòng)式生產(chǎn)。② 生產(chǎn)看板，及時(shí)獲知生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與實(shí)際執(zhí)行的差異。③ 模具看板，能夠展示模具的使用需求、狀態(tài)信息、質(zhì)量信息等，便于模具的統(tǒng)一管理和跟蹤，加快換模效率。④ 異常看板，通過(guò)可視化的信息傳遞，如綠色、紅色、黃色、藍(lán)色等顏色或文字，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備異常、缺料等的觸發(fā)、響應(yīng)與解決。⑤ 能耗看板，通過(guò)對(duì)水、電、高壓空氣、蒸汽等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并可視化呈現(xiàn)相應(yīng)的能耗使用情況與預(yù)警。

3.5 推進(jìn)質(zhì)量追溯，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管控

由于鍛件的質(zhì)量要求比較高，生產(chǎn)過(guò)程常出現(xiàn)各種各樣的因素影響其質(zhì)量，因此有必要對(duì)鍛件實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯。在MES中，需要建立質(zhì)量追溯分析模型，然后在生產(chǎn)過(guò)程中采集生產(chǎn)、質(zhì)量檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的追溯。

當(dāng)任何工藝環(huán)節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量缺陷后，可以通過(guò)鍛件的條碼與批號(hào)，反向追溯影響質(zhì)量的物料、設(shè)備、工藝等因素，從而快速定位和解決問(wèn)題。另外，還可以正向追溯這些因素影響的其他訂單，從而確保質(zhì)量缺陷得到及時(shí)、有效地控制，將損害程度與影響范圍降至最小。

3.6 引進(jìn)生產(chǎn)防錯(cuò)和Andon控制，加強(qiáng)自動(dòng)化水平

自動(dòng)化是指讓設(shè)備或系統(tǒng)擁有人的“智慧”，強(qiáng)調(diào)人機(jī)最佳結(jié)合，當(dāng)被加工零件或產(chǎn)品出現(xiàn)不良時(shí)，設(shè)備或系統(tǒng)能即時(shí)判斷并自動(dòng)停止。鍛造過(guò)程容易出現(xiàn)工藝流轉(zhuǎn)錯(cuò)誤或物料接收錯(cuò)誤，對(duì)此需要引進(jìn)MES生產(chǎn)防錯(cuò)進(jìn)行管理。如當(dāng)工件開(kāi)始加工后，操作人員掃描流轉(zhuǎn)工單，MES后臺(tái)可以獲取數(shù)據(jù)并自動(dòng)識(shí)別物料、確認(rèn)加工工序。若通過(guò)MES后臺(tái)比對(duì)發(fā)現(xiàn)物料或工藝流轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，自動(dòng)停止開(kāi)工，由此進(jìn)行生產(chǎn)防錯(cuò)。

Andon系統(tǒng)也是精益生產(chǎn)制造的工具，在制造過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備、質(zhì)量異常、安全問(wèn)題，Andon系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線異常的報(bào)警觸發(fā)、停線以及異常的快速糾偏與解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著“智轉(zhuǎn)數(shù)改”的不斷推進(jìn)，MES也已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。對(duì)企業(yè)而言，MES不僅能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)紙化，加強(qiáng)部門間協(xié)同配合，而且還可以通過(guò)透明化生產(chǎn)過(guò)程，加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)。與此同時(shí)，企業(yè)在實(shí)施MES時(shí)，既需要分析行業(yè)特點(diǎn)、生產(chǎn)現(xiàn)狀，也需要思考精益生產(chǎn)如何與MES結(jié)合，從而定制適合企業(yè)需求的、實(shí)施成功率高的、助力精益生產(chǎn)的MES。