多批少量精密空调生产MES设计与实施

崔梓华

（广东申菱环境系统股份有限公司 广东省佛山市 528000）

近30年我国制造业取得巨大成绩的同时也面临各种急需解决的问题：人口增长放缓，人口红利消失，不再愿意从事单一的劳动；核心技术受限，技术含量过低，产品结构及企业自主创新能力弱；生产力效率低下，企业数据搜集不全，现场管理无序，导致生产管理效率不高；单位产能能耗高，资源高强度消耗给环境造成巨大压力等[1]。在新一代信息技术突飞发展的今天，机械、电子、航空、船舶、汽车、轻工和家用电器等产业已开展不同程度和维度的产业转型升级，如流程制造领域，侧重从生产数字化建设起步，基于品控需求的维度去进行生产全流程数字化管控的转变；消费品制造领域，侧重通过互联网平台结合大数据开展大规模个性定制模式创新；离散制造领域，侧重产线设备的自动化改造和增加产品智能增值服务，从而提高生产效率和增加产品效能实现价值增长。

1 精密空调制造工厂特征概述

精密空调生产工厂具有组装复杂、质量要求高等特色；生产现场进度反馈不及时，管理困难；异常处理不及时，造成等待浪费； WIP 居高不下；由于工序资源调度不合理，导致上下游工序不能很好的衔接，产线不平衡；仓库物料摆放及分区未精确到储位及储格，找料困难，导致物流配送不及时；仓库按单按仓一次性配料，产线堆积过多摆放杂乱，导致错装现象；美国先进制造研究机构AMR在上世纪90年代初，对面向制造过程管理提出制造执行系统(MES)新概念，并将其定义为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”。其实现的是车间生产管理的透明化、集成化、敏捷化；以MES 为核心的系统管理手段是制造业迈向信息化管理的重要发展趋势，能有效的提升企业的竞争能力。[2,3,4]

为了解决精密空调制造管理的行业痛点，满足公司发展目标，其模式迫切需要进行转型升级。本项目建立适合生产需求的、先进的、实用的MES 系统，功能覆盖现有的精密空调装配生产线、钣金生产线、换热器生产线、管路生产、原材料仓、成品仓等生产仓储单元，并与公司的ERP 系统进行集成，同时与各个机台设备的控制系统集成，起到承上启下的作用。以产品的全程生产作为管理的重点，以质量管理贯穿整个产线，使生产出的产品具有高附加值，产品质量达到工艺要求，使客户满意，提供质量后期可追溯。可以实现按合同组织生产，使各个机组有条不紊的进行有序生产，有效缩短产品的生产周期，提供灵活高效的人机接口界面，为各生产单元的操作人员提供方便的操作，为各级管理者提供有效决策的信息支持。

工厂透明运行的主要优点有以下四点：

（1）实现物流与制造环节的透明化管理，打造可追溯的制造过程、品质、仓储管理体系，提升了客户满意度；

（2）通过现场数据采集,实现了生产过程的透明化和实时监控,及早发现人、机、料、法、环等问题,减少生产浪费；

（3）通过对制程质量的控制和数据采集，有效的保证质量，同时也为质量统计分析改善提供了数据支撑；

（4）通过推拉结合的配送模式，既保证物料供应及时，又减少线边库存堆积。

2 MES系统实施方案设计

2.1 MES系统架构设计

MES 系统总体功能分为计划管理、工艺管理、生产管理、现场作业管理、质量管理、仓储及发运管理、EDI 系统数据交互、RMA 管理、基础资料管理等模块。借助MES 系统对管理的支撑，建立了高效、科学、稳定的生产组织，使设备产能利用最大化，实现产能提高，成本降低，库存降低，效益增加，客户满意满意度提升的总体目标。图1 为系统架构设计图。

系统设计针对基础管理、过程管控、透明运行的需求层次建立如下的逻辑模型：基础管理的数字化支撑使得静态的产品、工艺、资源、组织等信息与动态的生产计划信息有效结合，为制造过程的智能化管控提供有力支持；制造过程的智能化管控实现了人员、设备、物料、工艺方法、环境、测量的制造过程信息全集成，同时将制造过程实时信息逐渐积累为历史信息，进而成为大数据分析的基础；车间运行透明化决策建立在基础管理的数字化支撑与制造过程的智能化管控基础之上，需要实现对生产动态的实时掌控、数据统计分析及预测等。生产动态的实时掌控可作为生产计划组织的指导依据，主要包括生产进度的实时反馈、在制品分布的实时跟踪、现场设备能源工况等的实时监控，数据统计分析及预测除了作为车间运营决策的支持之外还可作为基础管理优化的依据，主要包括工时绩效统计、质量缺陷统计、成本核算支持、设备效能分析、工艺知识积累、生产瓶颈预测等。

2.2 系统实施步骤

2.2.1 项目准备阶段

成立MES 系统项目实施组，并编制完成了《MES 项目实施考核标准》以及项目实施步骤，如图2 所示，规范了项目的执行和监督方法，确定了人员及分工，以及实施步骤和会议讨论制度。

2.2.2 调研分析阶段

先后完成11 次会议，完成了23 人次的调研工作，输出了《申菱环境MES 调研报告》和《MES 项目工作任务书》以及《申菱环境MES 系统作业蓝图》。

2.2.3 系统建模阶段

根据《申菱环境MES 调研报告》编制了计划管理、工艺管理、质量管理、仓库管理、生产管理和设备管理六大作业模块，包括198 个子模块，59 个查询报表和管理报表。

2.2.4 系统试行阶段

处理完成了115 个实施问题点，80 个软件功能问题点，完成290 次子模块功能测试。并完成了3 场MES 系统理念导入培训，135 次业务部门功能模块培训以及现场作业培训，共计培训人员316 人次。

图1：MES 系统架构设计图

图2：项目实施步骤

图3：基础信息管理模块

2.2.5 上线交付阶段

处理完成了460 个实施问题，336 个软件功能优化问题。召开90 余次项目会议，解决357 项流程及项目执行问题。

3 MES系统管理功能实现

3.1 基础信息管理

基础信息管理模块主要是对针对整个工厂的制造资源进行建模，实现对车间内生产线、加工中心、设备资源、加工参数等信息的管理，为系统提供基础数据支撑。。MES 拥有强大的报表系统，包括：生产日报/月报、原料使用情况表、品质日报表、生产单进度报表、停机原因统计表、成型条件监测报告、模具实际产量分时统计表、作业员工效率统计表。如图3 所示。

3.2 物料管理

获取ERP 系统的生产任务粗计划（任务最早开始时间及最晚结束时间），结合生产资源的可用能力、物料的齐套情况及采集到的半成品的生产实际进度，将生产任务分配到对应的产线、设备组或单台设备，实现作业计划下达。如图4 所示。

图4：物料管理模块

图5：生产过程管理

图6：产品追踪追溯

3.3 生产过程管理

MES 系统覆盖产品制造整个周期,实现从原材料选用、加工、装配、包装及检验合格入库进行全过程的数据实时采集,达到产品制造过程中的准时生产、过程可视和精准控制。生产过程中的各类信息均通过MES 系统设立在车间内的各类自动信息采集终端，实时的汇总和计算统计生产实际信息，从而将生产状况通过系统实时还原出来，实现透明化车间管理。生产实绩情况能够及时反馈上层数据分析系统，可将生产完工信息通过接口程序实时反馈回ERP系统，以及进行各类生产实绩、效率、生产成本等数据抽取与分析。通过把统计和分析数据发布到车间大屏幕看板，现场管理者和员工随时了解生产进度和绩效状况。

图7：仓库管理

图8：MES 与ERP 数据交互图

图9：生产设备数据联网

如图5 所示，生产过程管理主要功能是根据公司产品类型定义产品的加工流程及工艺参数，控制及指导整个制造过程，保证产品按事先设定的流程生产，如果发生任何异常情况将自动进行纠正与报警处理。

实现了现场作业监控，对产品各工序的生产、检验及维修过程进行控制和指导，真实的监视车间运行状态,满足车间对生产现场的加工进度、设备运行状态、工艺执行参数及检验参数等信息的集中监控需要。通过图形、图像方式实时显示机床的运行状态、工件的状态和现场各种报警信息；通过数据采集及统计分析，帮助决策层、管理层全面掌控工厂运行情况。主要实现：对作业进度数据进行采集，以便MES 系统进行进度管理与预警。

3.4 追踪追溯管理

根据公司的质量体系标准及客户的质量追溯需求，实施从收货、检验、生产加工、制程检验、终检下线、入库、出库、出厂检验等环节的数据采集，从而实现每个最终产品使用情况的可追溯性。并提供相关的追溯查询报表，如用户输入任意一个产品编码、唯一序列号、生产批次号、生产日期、入库日期、出货日期，便可以查询出产品在工厂的详细履历,通过各种查询条件的组合，可以实现产品的向前及与向后追溯。

通过项目实施，建立全面的质量管控体系—从原材料进厂检验、生产过程检验、出厂检测全流程质量管控，实现物流与信息流实时同步。通过对使用的原材料及零部件的批次/单件号进行记录，实时跟踪在制品的位置、状态等信息，实现对车间物料的管控。随着生产过程及成品的产出，最终实现物料的正向追踪和反向追溯。如图6 所示。

3.5 计划与仓库管理

仓库与物流管理模块主要是通过条码、无线射频（RFID）、电子标签等先进自动识别技术与移动计算技术,实现对外购物料、半成品、成品在立体仓库及平面仓库、物流配送中心等的流动实现实时的批次/单品跟踪;规范仓库库位管理、提高仓库利用率和物料分拣速度,准确统计产品库存,追溯产品出货信息,大大提高了物流的准确性、实时性等。主要功能有物料上架、物料下架、仓库调拨、库存调拨和库位管理等功能。如图7 所示。

3.6 工艺管理

模块目标：产品编码维护、工艺路线、产品工艺、BOM 维护、工序BOM 设定（单个追溯物料装配关系维护）、工单上料设定、条码规则维护、标签设计、E-SOP 功能。通过设计规则，定义标准，执行标准，呈现结果的四个步骤，结构化工艺过程，将规则融入信息系统中，通过系统指导生产，从而保障产品的生产过程满足质量要求。

3.7 与ERP系统协同集成

ERP 与MES 在企业的生产运作管理过程中分工不同，ERP 负责总体计划层面的管理，按照客户订单、库存和市场预测情况，安排生产和组织物料。MES 负责根据ERP 下达的计划、物料及控制层(通过控制指令驱动设备完成产品的加工或装配，以SCADA、PLC 为代表)的工作情况，制定车间级的作业计划及控制层的加工任务，并汇总和上报执行结果[5]。

如图8 所示，最上层为基于商务的ERP，实现财务业务的一体化管理；中间层主要是各个分厂，执行ERP 层的计划，并且反馈给执行结果信息；底层是实时的生产控制系统。中间层服务提供生产的实时信息，反映生产现状，依照产品生产和ERP 与MES 的本质区别对模型进行扩充得到新的企业集成图。具体系统实现模块功能有:实现物料主数据、BOM、供应商、采购订单PO、工单MO、领料单、销售订单信息从SAP 下载与更新，实现采购订单收料、物料调拨、工单发料、工单退料、工单报工、成品入库、出货单上传ERP。

3.8 与SCADA生产设备数据联网

文章中的MES 系统实施了与生产设备SCADA 系统的数据联网，实现了关键设备与制造执行系统的互联互通。主要实现的模块目标：设备台账、备品备件、设备点检保养、设备维修、设备联机、设备稼动率报表。达成情况：将客户终端与设备控制器通过网络方式连接起来，实现关键设备的运行状态以及运行数据的实时呈现。

对设备状态及参数统一管理监控，实现现场数据的快捷、有效采集。按照当前车间的工艺布局和生产线的设备配置，实时显示设备的运行状态。通过对现场采集数据的分析,对生产过程异常进行报警。对生产过程各类运行指标进行统计分析。如图9 所示。

3.9 电子看板与报表管理

电子看板作为现场目视化管理的一种工具，可以直观的呈现生产运作的实时情况，以便现场管理人员及时掌握。主要包括：生产进度看板、检验进度看板、异常处理看板等。

MES 拥有强大的报表系统，用于支撑事后的数据分析，包括:生产日产量报表/月产量报、在库天数报表、直通率报表、生产订单达成率、设备停机原因统计表、两器漏率统计报表、异常处理时效性报表等。

4 结论

制造执行系统协会(Manufacturing Execution System Association, MESA)对MES 的定义中强调：

（1）MES 是对整个车间制造过程的优化，而不是单一地解决某个生产瓶颈；

（2）MES 必须提供实时收集生产过程中数据的功能,并做出相应的分析和处理；

（3）MES 需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现信息全集成[6]。

项目从精密空调装配现场管理需求出发，通过18 个月的时间全面实施了MES 系统覆盖，主要取得了以下成果：

（1）实现物流与制造环节的透明化管理，打造可追溯的制造过程、品质、仓储管理体系，提升了客户满意度；

（2）通过现场数据采集,实现了生产过程的透明化和实时监控,及早发现人、机、料、法、环等问题,减少生产浪费；

（3）通过在氦检、接线、包装等关键工序设置了质检节点，以及开具不合格品单据，跟踪不合格品处理进度，从而有效的保证质量，同时也为后续的质量统计分析改善提供了数据支撑；

（4）通过对原材料的采购入库（物料上架）、发料出库（物料下架）、仓库调拨、库存调拨和库位管理等功能；综合批次管理、库存盘点、来料质检管理、库位管理等功能综合运用，有效控制并跟踪仓库业务的物流和成本管理全过程；实现完善的企业原材料仓储信息管理；

（5）物料有效期设置与先进先出管理的结合，有效的减少物料呆滞和超期造成的浪费；

（6）建立了SAP 与MES 的数据交换流程，按照SAP 的指令，在MES 实现接单、计划、库存管理、生产、工艺、品质、发货等流程，规范了各业务部门的作业，打破了部门边界，使业务单位的先后依赖和驱动关系更加紧密；

（7）根据预制规则自动产生各类统计报表，减少人为操作的错漏，提高统计效率。