车间制造执行系统（MES）在电子装配行业大批量批次生产模式下的应用研究—以J公司为例

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

随着工业4.0概念的发展，工信部大力推进“工业化”与“信息化”融合，旨在增强我国制造业综合实力[1]。车间制造执行系统（MES）是一个介于企业资源计划（ERP）与车间的工业控制系统之间的信息系统，是二者之间的信息桥梁。目前有很多制造业企业已导入ERP系统，完成了计划、采购、销售、财务方面的信息集成，但尚未引入MES系统，在车间执行层面的控制非常薄弱[2]。在这样的背景之下，为制造业企业实施MES系统，对促进两化融合事业具有重大战略意义。

随着电子技术的迅猛发展，电子产品已被广泛应用于生产和生活的各个领域。电子装配制造业较传统离散制造业相比，产品IC元器件种类繁多，对生产工艺要求较高，普通的MES系统并不能完全适用，因而电子装配企业的MES系统需要重新设计[3]。马丽丽[4]介绍了MES系统在电装行业导入时三个阶段的系统建设方法。向建明[5]对批量控制的电装行业设计了MES系统，并在某企业进行了实际应用的验证。

通过对MES系统在电装行业导入现状的分析可知，目前还没有电装行业在大批量批次生产模式下的MES系统设计研究，大批量批次电装行业要求产品的原材料满足齐套且同批次，因而对元件批次配方管理的要求非常高。普通的MES系统并不能完全适用，随着电装行业的日趋发展，亟待进行大批量批次模式下的MES系统设计研究。

1 大批量批次电装行业的生产特点和对MES系统需求分析

1.1 大批量批次电装行业的生产特点分析和概念定义

大批量批次电装行业相对于批量控制的电装行业有其特殊性，它涉及到以下几个概念，这些概念同时也是大批量批次电装行业生产特点的要素：

1）批次任务

大批量批次电装行业的生产任务编制并不完全围绕订单产生，而是根据某个特定电子元件A的批次数，以及每个批次中A的数量而产生。因而存在“批次任务”的概念。批次任务是指，围绕某个批次管理的原材料而产生的任务，它的任务从编制到执行都和A物料的批次有关。主要由A料的数量决定批次任务的产品数量，主要由A料批次的个数决定批次任务的任务个数。但是若批次任务其他物料的库存情况不足以支撑A料的数量，则需要通过齐套物料准则调整批次任务，最后形成确定的批次任务。

2）齐套物料

Ronen[6]最早对于电子装配制造业提出“物料齐套”的概念，它是指在装配开始之前，一个装配任务所需的所有物料都准备就绪的状态。那么可以引申出另一个“齐套物料”的概念，即是指一个生产任务的已准备就绪的一组成套的原材料。

3）批次配方料

针对大批量批次电装行业的齐套物料，又受到小样试制的影响：比如表贴二极管相关产品，其波长、灰度等参数受元器件批次影响较大，影响产品品质。因为不同批次之间电子元件的性能指标略有不同，而不同批次的组合会导致产品性能差异很大。因此需要通过小样试制调整部分元件，确保产品性能指标达到产品标准。小样试制结合批次任务生成“批次配方料”，它是指对于批次任务的若干特殊物料，指定其批次或者等级，并且保证该任务的物料齐套。

1.2 大批量批次电装行业引入MES系统的难点分析

大批量批次电装行业引入MES系统目前存在以下几个难点：

1）批次任务的齐套物料平衡

需要保证原材料的批次在同一个批次任务中是一致的。而这些材料的采购周期、采购成本各不相同，库存水平不同，给齐套物料平衡造成困难。

2）小样试制对生产计划编制和采购计划有影响

批次计划存在插单、调单情况，生产以物料齐套量为依据排产。在小样试制后完善批次配方料信息，可能由于缺少某种物料，导致齐套物料中的某种原料需要调换或者采购。

3）批次配方料对物料计划编制有影响

小样试制完成之后才能获得完整的批次配方料信息，此时制造BOM才可搭建完成。物料配送计划的编制时间紧，而电子元器件又对时效性要求很高，这对系统的物料管理要求很高，给产品的备料造成一定困难。

1.3 针对大批量批次电装行业生产特点的需求分析

通过对电装行业批次任务生产过程进行特点分析和难点分析后，总结出对MES系统有如下需求：

1）以批次任务为中心的计划排程流程的优化需求

批次任务和批次配方料信息对物料采购计划，物料配送计划的即时调整，能够自动、准确地进行动态计划排程、日计划滚动排程的需求，以最大限度保证物料齐套和产线满产。

2）针对批次配方料的小样生产安排需求

在正式投产前，需完成小样试制的生产安排，批次配方料维护等业务流程的需求。

3）物料管理需求

能够配合批次任务的物料信息完成物料配料、送料及时准确，物料防错，物料有效期的控制等需求。

4）产品质量追溯需求

关注单件产品的质量控制和质量追溯。能够及时获取原材料、设备信息，进行单件追溯确定产品批次、批次配方料、原材料批次的需求。

针对以上特点分析和总结出的几种需求点，本文提出批次任务控制模型，并且对于需求点设计对应的业务模块。

2 引入批次任务控制模型的大批量批次MES解决方案

2.1 批次任务控制模型

对于前文提到的批次任务管控难点，本文提出批次任务控制模型。该模型涉及到计划管理、物料管理、车间生产等模块。

图1 批次任务控制模型

根据大批量批次电装行业的需求特点，批次任务控制模型的核心内容如下：

1）根据A类主材料批次生成批次任务；

2）再由批次任务配置齐套物料：包括A类主材、B类主材的批次信息；

3）完成小样试制之后维护批次配方料信息：包括A类、B类主材的批次信息和X类主材的物料编码信息。

2.2 批次任务控制模型与MES系统结合

将本模型引入MES系统之后，能够快速的实现批次任务和采购计划、物料配送计划的协调，图2展示了引入批次任务控制模型之后，MES系统与ERP系统互相配合的主要业务流程，具体如图2所示。

图中绿色方框表示ERP系统的业务，蓝色虚线框内的业务是批次任务控制模型包括的业务流程。引入批次任务控制模型的MES系统主要业务流程如下：

1）ERP计划员在系统中录入产品主生产计划，由图1的批次任务控制模型编制出批次任务和采购计划；根据库存情况，配置齐套物料，将主生产任务拆分成对应的批次任务。

2）MES计划员在MES系统中录入批次任务，下达小样试制的生产任务。

3）小样试制确认后，锁定试制时使用的齐套物料批次，确保该齐套物料的批次原材料不会被其他任务使用。

4）MES计划员维护确认后的批次配方料信息，编制生产线日计划并下达。

5）MES计划员编制物料需求计划和物料配送计划，下达给仓库和车间。

6）仓库人员完成备料、物料配送、ERP记账。

7）车间人员接收配送物料；进行物料验证及投料；按照工艺要求进行加工作业；自检/完工后在MES系统进行完工汇报。

8）质量人员进行首检、专检、巡检和终检业务，并在MES系统里录入电子质检单。

9）产品完工入库，ERP记账。

3 解决方案验证——以J公司为例

J公司是一家大批量批次生产模式的电装行业企业，生产的产品主要是LED表贴产品。其生产组织方式为流水式生产、大批量批次制造。目前J公司的信息化建设中，ERP系统和OA系统已经规模应用，但是任务管理与计划编制完全依靠人工协调资源。每个批次任务都要花费精力计算齐套，数据量大时耗时久，需要协调资源多，人工查询表单多，容易出错。

3.1 系统总体架构

针对J公司的实际情况，为J公司导入包含批次任务控制模型的MES系统。业务系统通过MVC架构设计，采取前后端分离模式，前端采用JSP技术完成数据请求和页面渲染，后端采用Spring组件完成请求响应和逻辑处理，实现MES中的各项业务。总体架构和模块如图3所示。MES系统的搭建与ERP系统、监督控制和数据采集（SCADA）系统进行集成。

ERP系统在计划层，是MES系统的上层系统。在计划层面，批次任务信息、库存信息由ERP系统传递给MES系统；批次配方料维护后的采购计划调整信息从MES系统传递回ERP系统。在作业层面，MES系统将车间的生产任务执行信息、工时和物料消耗等信息自下而上传递回ERP系统。

图2 总体业务流程

SCADA系统是控制层，是MES系统的下层系统。MES系统与DNC/SCADA系统交互数据，对生产过程进行监控和数据采集。

图3 系统总体架构和模块图

3.2 系统包含模块

为J公司导入的MES系统主要包括图示7个模块。每个模块包括的业务功能如图3所示。现介绍批次任务控制模型所涉及到的3个业务模块：

1）计划管理

通过批次任务管理功能维护齐套物料信息，运用计算规则调整采购计划，指导小样试制生产和计划排程，物料计划等。同时支持计划的滚动编制和临时调整。

2）物料管理

通过小样投料及上线管理进行小样试制的生产安排；通过批次配方料管理完善制造BOM，指导物料计划和进行生产领送料管理。

3）质量管理

通过时效性管理进行物料时效、工序时效的管控；通过质量追溯管理大批量批次产成品的批次配方料信息、原材料批次信息，以及过程质量信息等。

MES系统在车间生产过程中将通过应用条码，采集原材料、最终产品、托盘、包装等相关信息，实现批次任务在车间全流程的执行跟踪，批次配方料在车间的全路径跟踪和产品生产过程的全面质量跟踪和质量追溯。

4 MES系统导入预期效益分析

J公司导入MES系统解决方案后，预期效益分析如下：

1）批次任务管理流程自动化。将批次任务生成、物料齐套平衡和日计划排程依靠系统自动实现，提升计划效率和正确性。通过提升物料计划与生产计划的协同性，优化生产现场组织管理。通过优先级与料况自动匹配齐套性，给予投产指导。并且也有锁定和预排辅助功能，引导但不误导。

2）提高车间生产安排有序性、合理性，提升产能。小样试制后可以提前获取库存量是否能满足批量生产的需要，从而及时调整采购计划，确保批量生产的及时投料，提高企业整体生产效率和交付准确率。通过优化生产计划排产方式，提升车间各工序间生产连续性、协同性；减少生产过程中的排队等待时间，降低工序人员、物料、设备等产能浪费，提升生产效率。

3）降低物料成本，提高库存资金周转率。通过批次任务管理的理念，及时根据现有主料库存产生生产任务，降低物料积压的可能性，降低资金占用成本；通过批配方料正确指导物料配送和投料，严格控制和验证任务用料，确保物料的正确使用与流转；从而改善物流和仓储管理，避免错料带来的质量问题，减少原材料浪费。

4）细化质量管理，降低客诉率。及时、准确地采集过程质量数据，实现人、机、料、法、环、测等影响产品质量的生产要素进行追溯，为过程质量管理提升的大数据统计与分析提供有力数据支撑。原材料批次控制和单件追溯有效保证出厂产品质量，减少客诉问题。

5 结语

两化融合、智能制造对当代制造业的车间制造执行系统提出了更高的要求，针对行业生产特点的解决方案对行业内企业导入MES系统具有启发作用。文章通过分析电装行业在大批量批次生产模式下对MES系统的需求，介绍了针对批次任务生产特点的MES系统解决方案，引入批次任务控制模型，对其业务流程和系统架构进行了阐述，并以J公司为案例进行系统导入，分析了预期效益，为大批量批次电装行业企业的信息化建设提供了切实可行的参考。