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引言

制造業(yè)管理模式的變更與數(shù)字化生產(chǎn)的應(yīng)用，是推動(dòng)制造業(yè)信息化發(fā)展的基本動(dòng)力，這也正是企業(yè)推行制造執(zhí)行系統(tǒng) (manufacturing execution system， MES)的根本原因?？v觀國內(nèi)外企業(yè)，MES的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，而我國制造業(yè)信息系統(tǒng)建設(shè) 的重點(diǎn)普遍放在ERP管理系統(tǒng)和現(xiàn)場自動(dòng)化系統(tǒng)兩個(gè)方面[1]。數(shù)控車間的管理模式和生產(chǎn)流程對(duì)企業(yè)信息化建設(shè)提出了挑戰(zhàn)，僅僅 依靠單純的開發(fā)ERP和現(xiàn)場自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)無法應(yīng)對(duì)新的局面。MES恰好能填補(bǔ)這一空白，它是近幾年來在國際上迅速發(fā)展、面向執(zhí) 行層的實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)[2]。近幾年來，首都航天機(jī)械公司( 以下簡稱首航公司)的信息化建設(shè)在各個(gè)領(lǐng)域都取得了不同程度的進(jìn)展， 但是，仍然面臨信息孤島和信息斷層所帶來的各種問題。經(jīng)過多年跟蹤國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)與理念，并結(jié)合國內(nèi)部分企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用 情況，我們認(rèn)為在首航公司提高生產(chǎn)效率最有效的途徑就是：通過實(shí)施具有企業(yè)特色的MES來構(gòu)建以“精益生產(chǎn)、協(xié)同制造” 為核 心的數(shù)字化車間。使用MES的用戶可以對(duì)下達(dá)的任務(wù)做出快速反應(yīng);處理緊急任務(wù)有彈性空間;對(duì)生產(chǎn)流程做到精細(xì)化管理;幫助企業(yè) 降低生產(chǎn)成本、縮短制造時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量[3]。

1航天制造業(yè)MES現(xiàn)狀分析與整體設(shè)計(jì)思想1.1現(xiàn)狀分析

航天制造業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的流程行業(yè)，隨著首航公司信息化管理水平的不斷提高，生產(chǎn)車間的管理已經(jīng)從宏觀向微觀深化發(fā) 展，對(duì)信息技術(shù)和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的需求也在日趨突顯，因此MES被提上日程。由于MES功能涵蓋面廣泛，在真正實(shí)現(xiàn)的過程中，會(huì) 與公司原有管理習(xí)慣相沖突，并且與原有的其他信息系統(tǒng)集成上存在一定難度，無法涵蓋數(shù)字化生產(chǎn)車間的方方面面，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi) 部數(shù)據(jù)的完全集成。如果真正適用于生產(chǎn)，還需進(jìn)行二次開發(fā)。

近兩年中，首航公司經(jīng)過初步實(shí)施和推廣ERP系統(tǒng)，使管理人員對(duì)信息系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)正在不斷地加深，隨著在信息化方面的 多年建設(shè)與應(yīng)用，公司的生產(chǎn)管理和制造系統(tǒng)已經(jīng)初步成形，而隨著首航公司MES的實(shí)施，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的MES雖然形成了大量有指 導(dǎo)意義的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，但是如何進(jìn)一步利用這些數(shù)據(jù)為管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地分析預(yù)測、掌握生產(chǎn)情況和做出決策，提高公司精細(xì) 化管理水平，是企業(yè)管理人員要思考的問題。只有逐步解決問題，才能進(jìn)一步細(xì)化車間管理，打造數(shù)字化車間，讓公司整個(gè)生產(chǎn)管 理鏈條串起來。因此，對(duì)航天制造企業(yè)來說，要成功應(yīng)用MES ，如何處理好MES與其他系統(tǒng)的集成就尤為重要。

1.2 MES整體設(shè)計(jì)思想

首航公司重點(diǎn)針對(duì)車間生產(chǎn)管理、MES與其他信息系統(tǒng)集成接口、機(jī)床數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容進(jìn)行建設(shè)，從而形成一整套完整的 MES系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)。首航公司選用的 JobDISPO MES系統(tǒng)，是完全根據(jù)離散制造企業(yè)的需求而開發(fā)的一套圖形化MES系統(tǒng)，依據(jù)現(xiàn)有 的車間現(xiàn)場管理流程及標(biāo)準(zhǔn)體系，通過與公司級(jí)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、工藝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)、產(chǎn)品物料管理系統(tǒng)、質(zhì)量信息管理系統(tǒng)、制造 資源管理系統(tǒng)的集成接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)、工藝、物流、設(shè)備、檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)的貫通，通過應(yīng)用基于MES的工序計(jì)劃詳細(xì)調(diào)度，實(shí)現(xiàn) 車間現(xiàn)場生產(chǎn)管理的柔性化、智能化、數(shù)字化。如圖1所示。

圖1 MES系統(tǒng)實(shí)施總體框架

2 MES關(guān)鍵技術(shù)研究2.1MES與其他系統(tǒng)集成技術(shù)研究

本文以首航公司現(xiàn)有管理模式為依托，本著總體設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)、分步實(shí)施的原則，提出航天制造業(yè)MES與其他系統(tǒng)集成 的技術(shù)方案，同時(shí)也是一套具有良好先進(jìn)性的、全閉環(huán)的、全透明的、集成化的、充分體現(xiàn)協(xié)同制造的實(shí)施方案。

首航公司的ERP系統(tǒng)為MES的數(shù)據(jù)源頭，通過與ERP系統(tǒng)的集成接口，完成接收公司級(jí)生產(chǎn)任務(wù)。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備， 對(duì)生產(chǎn)過程、質(zhì)量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的獲取，反饋給ERP系統(tǒng)和質(zhì)量信息管理系統(tǒng)，從而形成生產(chǎn)過程信息管理的閉環(huán)[4]。生產(chǎn)過程的 流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)過程流程圖

MES與ERP、質(zhì)量信息管理系統(tǒng)集成接口主要基于SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)，通過配置腳本程序，在用戶登錄MES的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫與各系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之間任務(wù)、工藝、質(zhì)量信息的更新傳遞，同時(shí)利用SQL數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器將MES排產(chǎn)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給 ERP系統(tǒng)和質(zhì) 量信息系統(tǒng)。如圖3所示。

圖3 MES與其他系統(tǒng)集成接口圖

2.1.1 MES與ERP集成技術(shù)

ERP建立在物料編碼的基礎(chǔ)上，雖然MES內(nèi)部也定義了作為唯一標(biāo)識(shí)的物料編碼，但是其編碼與ERP物料編碼完全不一致， 因此兩個(gè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)定義性方面存在區(qū)別，這里必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一性的要求。ERP從完成產(chǎn)品對(duì)裝配、及零組件需求的角度出發(fā)編 制并下達(dá)計(jì)劃。MES則按照從需求出發(fā)，按照公司質(zhì)量管理的程序和資源能力統(tǒng)籌的原則進(jìn)行車間具體加工任務(wù)的計(jì)劃調(diào)度、派工 ，并實(shí)施車間任務(wù)。MES 的車間任務(wù)來源于ERP的工作訂單，工作訂單是車間生產(chǎn)的依據(jù)，ERP根據(jù)車間的完工數(shù)量對(duì)計(jì)劃的完成程 度進(jìn)行查詢并考核。

ERP下達(dá)工作定單后，MES提取已經(jīng)下達(dá)的工作定單數(shù)據(jù)，根據(jù)零件圖號(hào)、需求數(shù)量及交付時(shí)間編排車間任務(wù)，根據(jù)需要進(jìn) 行領(lǐng)料，填寫領(lǐng)料申請(qǐng)單，送入ERP進(jìn)行出庫審批并登記。車間根據(jù)完工計(jì)劃，由車間在MES中填寫完工入庫申請(qǐng)單提交給ERP進(jìn)行 入庫登記。定單下達(dá)后，根據(jù)訂單查詢MES中的生產(chǎn)進(jìn)度，從而對(duì)MES進(jìn)行控制以及對(duì)預(yù)排產(chǎn)實(shí)現(xiàn)不了的任務(wù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。MES系 統(tǒng)集成思路如圖4所示。

圖4 MES與ERP集成思路

2.1.2 MES與公司級(jí)生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成技術(shù)

MES與公司級(jí)生產(chǎn)管理系統(tǒng)接口開發(fā)主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月份計(jì)劃數(shù)據(jù)的自動(dòng)下發(fā)，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的自動(dòng)排產(chǎn);通過對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的快 速分解，做出基于設(shè)備有限能力的科學(xué)排產(chǎn)計(jì)劃;基于各種高級(jí)自動(dòng)排產(chǎn)算法，制定出科學(xué)的生產(chǎn)計(jì)劃，計(jì)劃可準(zhǔn)確到每一工序、 每一分鐘、每一設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間的精益管理;完成車間生產(chǎn)任務(wù)的無紙化派工管理、計(jì)劃反饋的全流程管理，貫通計(jì)劃主線，達(dá) 到快速響應(yīng)、協(xié)同制造的目的;實(shí)現(xiàn)操作工人在現(xiàn)場終端進(jìn)行技術(shù)文檔的調(diào)閱，達(dá)到無紙化生產(chǎn)的目的;通過協(xié)同平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí) 行進(jìn)度的圖形化展現(xiàn)，可使計(jì)調(diào)人員第一時(shí)間掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的進(jìn)度信息，實(shí)時(shí)追蹤現(xiàn)場在制品，提升生產(chǎn)過程的透明度;最終建立 透明、高效的車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)，全面提升車間的生產(chǎn)能力和管理效率，增強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)全過程的控制。如圖5所示。

圖5 自動(dòng)排產(chǎn)流程圖

2.1.3 MES與工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成技術(shù)

通過MES與工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)接口，主要實(shí)現(xiàn)車間調(diào)度人員查看產(chǎn)品工序信息，并根據(jù)工序信息進(jìn)行工序詳細(xì)計(jì)劃調(diào)度。

它的主要功能為：將工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工序信息導(dǎo)入到MES;工序計(jì)劃自動(dòng)設(shè)為激活狀態(tài);將MES排產(chǎn)結(jié)果信息反饋至車間生產(chǎn) 計(jì)劃管理系統(tǒng);排產(chǎn)結(jié)果按照規(guī)定格式和內(nèi)容進(jìn)行打印輸出。如圖6所示。

圖6導(dǎo)入工序信息界面

2.2生產(chǎn)計(jì)劃智能排產(chǎn)技術(shù)

通過MES系統(tǒng)的智能排產(chǎn)技術(shù)，公司的生產(chǎn)調(diào)度根據(jù)特定人員、設(shè)備、時(shí)間、空間等資源對(duì)工件工序的加工序列進(jìn)行排序 。給出每個(gè)工件的每道工序優(yōu)化的資源組合，即給出每道工序的起止時(shí)間、加工中心、加工設(shè)備、班組人員等信息，優(yōu)化目標(biāo)，提 高生產(chǎn)效率。

首航公司的生產(chǎn)計(jì)劃智能排產(chǎn)技術(shù)主要基于JobDISPO MES智能排產(chǎn)模塊，所有產(chǎn)品、部件、零件、工序全以形象直觀的圖 形化表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)工序任務(wù)的手動(dòng)拖拽，并以不同的顏色來區(qū)分,當(dāng)產(chǎn)品或工序開始后，顏色條的長度將實(shí)時(shí)地減少，直到最終完成 。全透明的計(jì)劃流程便于監(jiān)控所有產(chǎn)品的進(jìn)度和生產(chǎn)，以產(chǎn)品、部件、零件、工序等多級(jí)別管理生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)清楚，一目了然?？梢? 立即查看一個(gè)項(xiàng)目或一個(gè)零件及其工序的所有相關(guān)信息。通過基于有限資源能力的作業(yè)排序和調(diào)度來優(yōu)化車間生產(chǎn)計(jì)劃，能夠綜合 設(shè)備實(shí)際加工能力，并根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際情況隨時(shí)做出調(diào)整，按交付日期、精益排產(chǎn)、生產(chǎn)周期等多種排產(chǎn)方式，最大程度地滿足 各類復(fù)雜的排產(chǎn)要求。如圖7所示。

圖7 MES智能排產(chǎn)界面

在工序計(jì)劃排產(chǎn)時(shí)，調(diào)度人員通過精確計(jì)劃看板查看每臺(tái)設(shè)備每天的工作計(jì)劃，根據(jù)以往產(chǎn)品加工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)每道工序計(jì)劃 開始時(shí)間、加工時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、機(jī)床準(zhǔn)備時(shí)間、加工設(shè)備、操作人員等進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置，在圖形化排產(chǎn)界面中進(jìn)行工序拆分、 生產(chǎn)訂單拆分、工序合并、外協(xié)加工、手工用鼠標(biāo)拖拽調(diào)整機(jī)床的生產(chǎn)計(jì)劃和對(duì)訂單工序進(jìn)行編輯，將最終生產(chǎn)的工序計(jì)劃派發(fā)至 現(xiàn)場進(jìn)行生產(chǎn)。

通過本技術(shù)應(yīng)用，可以為現(xiàn)場管理人員提供一個(gè)直觀、方便的計(jì)劃排產(chǎn)工具，從而改變傳統(tǒng)基于紙質(zhì)的手工排產(chǎn)模式，縮 短生產(chǎn)計(jì)劃準(zhǔn)備時(shí)間，提高現(xiàn)場計(jì)劃執(zhí)行率。

2.3 產(chǎn)品制造過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及管理技術(shù)

產(chǎn)品制造過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集主要包括機(jī)床數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集兩方面。

(1)基于OPC的機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集技術(shù)

對(duì)于機(jī)床數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，主要以O(shè)LE/COM技術(shù)為基礎(chǔ)，通過運(yùn)行 Windows 系統(tǒng)的分布式對(duì)象組件(DCOM)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定 對(duì)OPC服務(wù)器的訪問權(quán)限，并在客戶端上注冊(cè)其為服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行通訊硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。根據(jù)底層數(shù)控系統(tǒng)中地址 映射關(guān)系建立數(shù)據(jù)通信。建立OPC服務(wù)器與監(jiān)控對(duì)象之間數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器配置和OPC服務(wù)器與底層數(shù)控設(shè) 備之間的通信，從而獲取機(jī)床設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)。完成OPC服務(wù)器與底層數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊之后，在遠(yuǎn)程機(jī)和本機(jī)上都進(jìn)行DCOM組 態(tài)設(shè)置。在完成 DCOM組態(tài)設(shè)置之后，客戶端通過對(duì)建立的 OPC組和OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行訪問以實(shí)現(xiàn)對(duì)過程數(shù)據(jù)的控制;當(dāng)服務(wù)器響應(yīng)客 戶的過程數(shù)據(jù)訪問請(qǐng)求，并處理完畢時(shí)通知客戶，斷開OPC服務(wù)器。機(jī)床數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集原理如圖8所示。

圖8 機(jī)床數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集原理圖

(2)基于條碼掃描的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)

對(duì)于本項(xiàng)目研究中現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，主要基于MES的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集(MDC)模塊，開發(fā)了自動(dòng)生成工序生產(chǎn)任務(wù)條形碼的工 序卡片輸出接口，通過此接口，工段長在完成工序詳細(xì)排產(chǎn)之后，即可打印輸出具備條形碼識(shí)別的工序卡片，現(xiàn)場操作人員在進(jìn)行 生產(chǎn)任務(wù)的領(lǐng)取、交付時(shí)，只需通過掃描生產(chǎn)任務(wù)條形碼，即可獲取相關(guān)生產(chǎn)任務(wù)信息，在終端觸摸屏上完成生產(chǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)反饋， 從而將任務(wù)進(jìn)度數(shù)據(jù)及時(shí)反饋與MES系統(tǒng)中。使用條碼技術(shù)解決了現(xiàn)場數(shù)據(jù)輸入的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，確保數(shù)據(jù)反饋 的及時(shí)，準(zhǔn)確。

2.4 MES資源信息集成管理平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)

構(gòu)建多視圖、多層次、可擴(kuò)展以及制造資源全生命周期的模型，包括ERP在采購、制造、庫存、使用以及維護(hù)、報(bào)廢等過 程中制造資源的信息;構(gòu)建公司級(jí)的核心制造資源庫，研究制造資源的語義模式及制造資源不同數(shù)據(jù)模式間的映射機(jī)制，采用基于 視圖以及中間文件的方式集成公司制造資源的信息，邏輯上集成制造資源的各應(yīng)用視圖以及業(yè)務(wù)視圖。

3 應(yīng)用效果

首航公司建設(shè)的MES是面向執(zhí)行層的實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)，用戶可以快速下達(dá)任務(wù);針對(duì)每道工序進(jìn)行精細(xì)化管理;幫助公司降低 成本、縮短制造時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了制造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、車間生產(chǎn)計(jì)劃及作業(yè)調(diào)度管理、制造資源管理、生產(chǎn)派發(fā)管理、生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集管理、 現(xiàn)場物流管理以及生產(chǎn)過程管控等功能，具體為：

(1)在生產(chǎn)方面，系統(tǒng)可以達(dá)到車間管理層到設(shè)備控制層的管理，便于制造車間數(shù)字化技術(shù)的全面應(yīng)用和實(shí)施，降低實(shí)施 難度和應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

(2)在生產(chǎn)執(zhí)行過程中，對(duì)訂單的全程跟蹤、縮短流轉(zhuǎn)周期、生產(chǎn)與質(zhì)量作業(yè)過程協(xié)同有了更好的改進(jìn)措施。

(3)系統(tǒng)本身具備良好的開放性和可擴(kuò)展性，便于與公司現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)無縫集成，允許根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行靈活的集成接 口定制，確保集成的成功。

(4)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)化、網(wǎng)絡(luò)化的信息管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)制造過程的各類信息進(jìn)行有效分類和合理組織，提供預(yù)定義的 車間指標(biāo)、豐富的報(bào)表和統(tǒng)計(jì)查詢功能，實(shí)時(shí)、全面的反映公司計(jì)劃、執(zhí)行、存貨、質(zhì)量和過程狀態(tài)。

(5)通過在試點(diǎn)車間現(xiàn)場推廣應(yīng)用MES系統(tǒng)，為車間現(xiàn)場管理人員提供了數(shù)字化的管理技術(shù)，獲得了良好的效率，通過計(jì)算 機(jī)輔助排產(chǎn)，大大節(jié)省了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，結(jié)合機(jī)床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分挖掘現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行效率，現(xiàn)場生產(chǎn)率提升了21% 。

結(jié)束語

隨著企業(yè)信息化在理論和實(shí)踐上的不斷深入，以系統(tǒng)集成思想為基礎(chǔ)的制造業(yè)信息化建設(shè)體系已經(jīng)基本清晰。在整個(gè)體系 中，可以與多系統(tǒng)集成的MES對(duì)于整合企業(yè)信息化體系起到了關(guān)聯(lián)上下的重要作用。首航公司完成了MES的前期建設(shè)，解決了車間現(xiàn) 場任務(wù)計(jì)劃的下達(dá)、反饋問題，打通了以生產(chǎn)計(jì)劃為核心的數(shù)字化鏈路，為車間現(xiàn)場數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)奠定了重要基礎(chǔ)。下一步公司將 加強(qiáng)工藝精細(xì)化建設(shè)，保障MES應(yīng)用數(shù)據(jù)源，同時(shí)積極推進(jìn)基于MES平臺(tái)的集成技術(shù)，逐步完善系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)集成傳遞，盡快打造具 有航天特色的數(shù)字化制造車間。