基于薄膜太阳能发电玻璃行业的MES系统研究

王 珍，王兴刚，王 宇，王洪达,朱振国

(1.中建材轻工业自动化研究所有限公司，杭州 310015；2.国网山东省电力公司巨野县供电公司，菏泽274900；3.93363部队，沈阳 110000 ；4.94973部队，杭州 310000)

随着中国制造2025、工业4.0、互联网+等战略的提出，在众多行业，我国制造企业已开始加速智能工厂的建设，实现智能装备、智能产线、智能车间和智能物流的应用。MES(智能制造执行系统)已成为各生产制造行业的标配，MES系统可以为用户提供一个对任务快速反应、处理紧急任务有弹性的精细化管理的制造业环境，帮助制造业企业降低生产成本，按时完成订单，改善工艺、提高产品质量和服务质量，提高工作效率[1]。但如何更好的应用MES对于新引入MES系统的企业有着至关重要的引导作用。

MES是通过搭建两级数据化平台、企业资源计划管理系统(ERP)，以建立一套具有数据实时采集、智能分析、决策支持等功能的信息网络系统，实现生产线流程及数据的智能管控，实现制造信息和管理信息全程透明和共享，并采取多种信息网络安全技术确保信息安全，达到全面提升企业的资源配置优化、操作自动化、实时在线工艺优化、生产管理精细化和智能决策科学化水平[2]。但不同行业所要应用MES的场景不同[3]，该文通过不同行业MES的应用场景及功能的对比，体现薄膜太阳能装备行业的特殊性，通过对实际项目的应用和使用过程中发现的问题进行总结，对当前行业的MES设计提出可行性建议，以促进薄膜太阳能发电玻璃行业在MES上的成熟应用。

1 不同行业MES应用对比研究

目前MES行业大致分为两种类型，离散型和流程型行业，两者对于生产模型的要求不同。流程型生产行业中体现了以配方为核心的生产模型，而离散型行业中体现了以产品BOM为核心的生产模型。

典型的流程生产行业有医药、石油化工、电力、钢铁制造、能源、水泥等领域。这些企业，主要采用按库存、批量、连续的生产方式。典型的离散制造行业主要包括机械制造、电子电器、航空制造、汽车制造等行业。这些企业，则既有按定单生产，也有按库存生产；既有批量生产，也有单件小批生产。离散型行业与流程性行业在MES的功能上主要体现在以下几点区别[4-6]。

1.1 生产计划方式方面

离散企业通过ERP系统向MES下达作业计划指令，主要以工单的方式进行，而流程企业的作业计划下达主要以指令计划形式方式。

1.2 数据采集方面

离散企业的数据采集，以手工上报为主，并可以结合条形码采集等半自动信息采集技术进行物料、工时、设备、质量等信息的采集，容易受到人为因素的影响，保障数据的准确性成为了重中之重。

流程生产企业的自动化程度较高，自动化设备能自动的准确记录生产现场的各种信息。对于MES重点在于MES系统集成时与这些自动化设备做好数据接口[5]。

1.3 反冲处理

离散制造中的完工上报，一般每道工序都要进行上报，或在关键工序设置反冲点，对前面工序进行反冲处理。

流程生产企业的生产完工上报，多采用反冲处理。一般在工艺流程的最后设置完工上报点，而对前面工序流程实行反冲处理，如物料反冲、设备工时反冲等对在制品和成本进行跟踪。

1.4 设备管理

离散行业的生产设备的布置，不是按产品而是按照工艺进行布置的。可以进行同一种加工工艺的机床一般有多台。单台设备的故障不会对整个产品的工艺过程产生严重的影响，一般重点管理关键及瓶颈设备。

在流程生产企业的流水生产线生产中，生产线上的设备维护尤其重要，每台设备都是关键设备，不允许发生故障，任意一台设备的故障都会导致整个工艺流程的终止，所以设备管理尤其关键[7]。

1.5 质量管理

对离散行业和流程生产行业而言，质量检验和管理都相当重要，但MES中对质量检验和管理的方式有所区别。离散行业中，对单件小批生产，一般需要检验每个零件、每道工序的加工质量；对批量生产，一般采用首检、抽检、SPC分析相结合。

流程生产行业中，一般采用对生产批号产品进行各工序上的抽样检验，全检较少。通过对过程抽检的数据进行报表分析及工艺改善，达到质量管理的目标[7]。

2 MES在薄膜太阳能行业应用的功能特点

薄膜太阳能装备制造企业车间产品属于典型的流程化制造产品，设备和工艺管控精细、设备结构复杂，质量控制要求高，因此MES系统的设计更加侧重于数据收集和处理以及对设备、工艺和质量的管控[8,9]。

该MES系统平台支持ISA-95标准，对MES系统与设备集成时的术语与模型做了详细规范。能接入ERP系统、WMS系统，同时支持ISA-88标准，能集成与生产线相关的工艺设备和辅助设备、PLC控制系统等。由于碲化镉薄膜太阳能玻璃属于半导体行业，故项目在实施时用的是SECS GEM协议[10]。系统架构如图1所示。其主要有以下特点：多车间和多站点配置(为后续低成本扩展提供可能)；为每个连接的客户端提供独立的多语言管理(包括接口和数据)；通过PDA和智能手机访问功能；将智能业务组件整合到系统中；采用集中部署的服务器架构；完善的系统安全权限管理；同时连接多个数据库(MySQL、SQL、Server，Oracle，IBM DB2)；扩展配置和脚本功能；支持与ERP、暖通的系统对接，主要通信协议有WebService、OPC、SECS GEM等；支持多种设备通信协议(打印机、扫码枪，PDA、RFID…)

根据薄膜太阳能装备的设计特点及实际需求，MES系统主要功能模块如图2，包括基础资料中心、工单管理、工作计划管理、质量管理、下片管理、报表管理、生产追踪、报警管理、配方管理、缓存区管理、设备管理、工厂可视化管理、异常处理、数据采集、Trans。

通过这些功能实现了生产数据的追踪管理、数据报表管理、生产流程管控、在线产品可视化管理及工艺分析等功能，为不在现场的工程师提供了更好的生产管理方式。同时与ERP的集成实现了物料的反冲管理、工单计划的下达及产品完成时的信息上报等，抽检数据的填报及生产数据的采集报表系统为质量管理及质量分析奠定了基础，缓存区管理加强了生产操作流程的管控，设备管理则实现了对生产流程中每一台设备的关键数据管理、配方管理、耗材管理及易损耗件、保养等计划的管理，使工程师对现场情况更加清晰明了。

3 MES在项目应用中会出现的问题

3.1 人工干预

生产流程管控不精细，人工干预太多，导致所获取的生产数据不准确，不利于数据分析及工艺改善，人工干预主要体现在以下几点：设备集成不够完善，设备工程师在操作时未能按照标准操作进行，从而影响了传输到MES端的数据质量；对于在生产线区间的上下片处，没有利用MES进行流程管控，人工判断管理误差较大，产品追溯存在不全面及错误的现象；生产操作过程中，未按照MES规范进行操作，如与ERP的交互，未按照正常下订单操作，下线后的产品再次返回线上未进行返工操作等，同样导致数据的不真实及不全面。

3.2 设备集成不完善

MES与设备集成存在问题主要体现在以下几点：设备端状态及流程未完全按照MES设计的设备规范进行实施，导致所采集到的数据有质量问题；MES与设备集成时的验收流程不够细致精确，缺乏出厂前的验收流程，导致现场集成时花费时间较长，问题较多；设备集成过程中与设备厂商的对接缺乏衔接，导致问题解决缓慢及无法解决的现象。

最后，MES维护方面体现的问题主要是MES功能与用户实际需求未紧密结合，这是由于当前业主没有专业的MES工程师及工艺工程师提出实际的需求，故在报表查询及实际维护操作时存在较多的问题，维护不能完全独立，需要较多的支援[11-13]。

4 结 语

通过研究当前生产制造行业的现状，智能制造势在必行，对比离散及流程行业的MES功能特点，并对薄膜太阳能项目的实施过程进行研究，发现在MES系统架构的设计中，生产线的流程管控设计不清晰，导致人工干预太多。另外，设备信号的不稳定触发等系列原因都使得系统收集到的数据不可靠，不便于设备工艺的改善。报表的需求不清晰也导致生产人员无法清晰得知现场生产状况，故在采购MES系统前，尽量完善MES需求及现场操作流程，减少人工干预，设计满足操作需求的报表便于生产工艺的分析和改善，专业的MES工程师在MES实施过程的参与也会促进MES在设计及工艺流程上的改善，专业的MES维护工程师也能更好有助于快速定位问题及MES功能设计的完善，使MES的使用体验更佳。

在MES应用设计时，不可能一次就做到完美，但对现场工艺流程的熟悉程度及问题发现都是一次用于MES提升的宝贵经验，设计规范不可能一蹴而就，关键是制定规范的同时必须要求设备完全按照规范进行，只有这样才能一次次的将规范渐进完善，最后形成行业的标准规范，更加有助于行业内MES的进步提升和成熟应用。