智能制造执行系统在特种工业生产中的应用

刘宫昊，丛 森，应小昆，金 阳，张晓华，刘 燕，刘 芳

(1.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089；2.吉林江机特种工业有限公司，吉林 吉林 132000)

近年来，信息化、智能化生产已逐渐成为企业发展建设的重要工作。对企业而言，信息化转型是企业应对激烈市场竞争的有力武器。从国家层面，美、日等国家相继出台智能制造有关战略。我国提出“中国制造2025”，将智能制造确定为振兴工业发展战略的关键[1-2]。

美国一家公司在20世纪末提出MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)这一概念[3-4]。MES主要面向生产车间[5]，用于加强企业对生产执行层面的控制，对上链接ERP(Enterprise Resource Planning)，对下则与车间乃至每个生产单元链接[6]，是企业智能化建设重要的组成部分。MES关注企业整个生产过程，通过系统集成、数据采集、人机交互的方式获取计划执行、产品流转、质检信息等数据，并输出整个业务流程的实时和历史数据以及相关生产指令，帮助企业进行精细化管理，提高产品质量，降低生产成本，优化资源调度，确保生产安全[7]。

当前，MES已在国内诸如纺织业[8]、石油化工[9]等众多领域得以成功应用，美、德等国的电力电子、航空航天等行业也有开发设计MES系统的报道[10]。本文以吉林江机特种工业有限公司为例，对MES在特种工业生产中的应用开展研究。针对特种工业生产的各种特点，在普适MES系统构造的基础上，有针对性地个性化定制了系统模块和功能，尤其优化了智能排产和可视化等功能，使其更能适应特种工业生产需要。结果表明，MES能有效助力特种工业生产，帮助企业进行信息化转型。

1 系统概述

吉林江机特种工业有限公司MES系统建设，关注从原材料进入车间到产品离开车间整个生产过程的业务流程，通过车间现场工位机、扫码枪、MDC模块、液晶显示器等现场信息采集与展示模块和集成的系统，实现了对车间生产计划的管理和控制，从而建立起规范的车间生产管理信息平台，完成企业现场控制层和管理层的信息交互。在建设过程中，针对暴露出的系统手工派工任务繁重、数据展示方式单一、部分非主线流程未纳入系统等问题，深入完善提高整个系统的可视化及自动化水平，并根据使用经验进一步对系统进行性能优化、界面优化及功能优化升级等。

MES系统连接EPR和控制层，MES接收来自EPR的生产计划并分发至控制层，同时输出生产数据和指令，兼具生产跟踪、技术维护、质量维护和部门管理等功能，其系统流程如图1所示。MES系统是生产制造、供应链和工程技术的交叉点和关键点。

图1 MES系统主流程

硬件架构方面，本系统分为IT机房、车间办公室和车间等3层。层间通过以太网连接，IT机房主要部署数据服务器和系统服务器，车间办公室主要部署PC工作站，用于车间计划员导入生产计划，并监控车间生产进度。车间则主要布置生产看板、扫码枪和派工工作站、打印机等，用于信息显示、录入和生产人员管理。

软件层面，项目后台使用的Java技术有较高的安全性和可移植性，同时通过REST框架和自研的架构保证了业务处理的流畅性和准确性。数据库则使用了最为稳定的Oracle数据库，其数据安全级别和处理速度均非常优秀。前台使用了较为成熟的ExtJS框架来开发，保证了页面的风格统一，兼容性较强，通过WebSocket技术实现了业务消息的实时推送，采用Vue框架搭建了可视化大屏帮助企业直观地了解生产情况。系统还使用了一些3Dthreejs技术，将车间通过三维的形式展现生产情况，并应用了人脸识别技术以支持操作人员人脸登录。

2 功能设计

MES系统主要包含16个功能模块(基本数据管理、零件工艺相关、质量管理相关、计划-派工-发料、定额-班产、现场管理-生产、现场管理-质检、生产情况、生产监控、二类管理、生产统计、人力资源、设备资源、文档管理、报警管理、ERP集成管理)以及一系列子模块。

根据业务发展目标，吉林江机特种工业有限公司的MES系统最终达到如下几方面管理要求。

1)基础数据维护。主要实现各类生产参数、工位信息、部门架构、军种信息、用户及权限等基础数据的定义和修改，帮助企业更好监督、维护基本发展情况。企业可以根据发展与实际生产需要，实时添加和修改产品类型、零件清单及工艺。

2)车间计划与排产。考虑到企业实际生产过程中存在科研试制件、加急件等高机动产品，MES系统允许企业随时调整其生产方案，以适应生产的不确定性。系统接收来自EPR的生产计划后，可以对其进行拆分并派工，生产人员根据工艺，对生产计划进行派工，其排产功能如图2所示。

图2 生产单元排产

3)现场管理与监控。MES系统可以根据实时采集到的信息，对生产过程进行实时监控，将工厂车间通过三维的形式展示出来，每一台设备都根据MDC采集的数据状态进行实时反馈，通过点击设备，管理人员可以了解设备的派工信息、加工记录等信息。同时，MES系统对生产计划的情况进行详细的展示，包括拆分的流转单批数、每个流转单的加工情况，以及工序上工人的加工情况，方便生产人员快速直观地了解计划的执行情况。

4)质量管理。MES能有效提高企业产品质量，主要通过其质量管理功能来实现。在产品加工完成后，系统对产品质量进行判定，对于不合格产品，首先判断其缺陷相，确定报废的具体原因后，发出不合格产品通知单，同时决定处理办法。

结合企业实际生产要求，为满足科研试制等任务的需要，同时考虑现场设备条件，MES系统总体功能架构分3个层次。数据采集层：以设备联网为基础，辅以现场移动终端人工采集手段，以条码、二维码为载体，实时采集设备数据。现场运营层：提供工序计划、作业排程、任务分派、品质记录与追溯、设备管理等完整覆盖现场管理需求的可定制化应用组件。数据应用层：以电子看板和移动终端为主要载体，实现生产现场监控、分析、追溯、预测、预警、模拟等数字化应用，电子看板如图3所示。同时在系统实施过程中应注重不断发展和具有超前意识。

图3 MES电子看板

3 系统特点

为了更好地适应企业生产要求，在一般MES系统的基础上对其功能进行了进一步的优化开发，以体现系统个性化、专业化。主要分为智能排产和可视化两方面。

3.1 智能排产

排产是MES重要功能之一，很好地解决了传统排产过程繁琐复杂的问题，极大地解放了管理和操作人员。然而，在多批次、多工序、多设备条件下，一般MES系统的排产功能仍显捉襟见肘，如何最大化生产效率，进一步优化排产过程，仍是需要解决的问题。

智能排产是在计算机辅助下实现自动排产，即根据约束条件和优化目标，由系统通过算法，实现对生产计划自动排产。操作者创建任务后，只需对参数进行简单维护，即可导出排产结果，其操作流程和排产界面分别如图4和图5所示。

图4 智能排产流程

图5 智能排产操作界面

对于排产方案来说，系统根据方案的得分来评价方案的优劣。通常而言，系统的约束条件不止一个，通过调整不同约束条件的权重，方案得分由式(1)得出：

score =X1×W1+X2×W2+X3×W3+ ...

(1)

式中，X1是约束1的计算得分；W1是约束1的权重；X2是约束2的计算得分；W2是约束2的权重；X3是约束3的计算得分；W3是约束3的权重；以此类推。

对于不同的排产策略，可以选择以设备利用率优先或任务时间优先，系统将在可行解中自动选择满足策略的排产方案。当然，在实际排产过程中，由于计算最优解通常运算量过大，为了缩短排产的运行时间，计算出可行解即可。

3.2 可视化

可视化可以使系统数据进行更为直观的呈现，同时也能帮助用户便捷操作。吉林江机特种工业有限公司的MES系统中，可视化分为工艺可视化、生产可视化与数据可视化。

工艺可视化：工艺上传到系统后，可以在屏幕上直观呈现，方便操作者对于工艺版本、状态进行编辑，其操作界面如图6所示。同时，工人在工控机选择派工任务之后，系统自动显示该派工任务对应的工艺文档。如果是PDF格式的文档，可以直接在网页上打开。除了自动显示工艺文档外，在工控机上还可以查看其他零件的工艺文档。工人只需输入零件号搜索工艺文档，即可查看所需要的工艺的文档。

生产可视化：通过二维、三维模型，实时显示车间生产状况，其显示界面如图7所示。通过该可视化界面可以监控生产进度、设备负荷、人员负荷等。同时，该可视化界面有高度可编辑性和可操作性，不仅可以自由放大缩小，调整角度，还可以调整界面的显示内容，将所有的生产任务在一个可见范围内集中展示。如果对某个生产任务感兴趣，可以在监控界面标识该生产任务，标识的生产任务会自动闪烁。同时，通过图形化界面可以以直观的方式来批量排产，或由监控所显示的设备、人员的负荷，自由调整生产任务。

图6 可视化工艺文档与三维模型

图7 车间实时生产界面

数据可视化：数据可视化主要体现为数据的图表展示。通过曲线图、柱状图、饼图等多种方式展现零件的加工、质量数据。具体而言，有如下几个方面。

1)通过图表等多种方式直观展现生产的加工、质检数据。

2)分析同一工序不同人员、设备组合下的加工时间，便于提高加工效率。

3)质量分析，对不合格进行统计分析，统计一段时间内最常见的质量问题。

4)对工人工资的组成进行分析，便于员工激励管理。

最后，将数据可视化与生产看板有机结合，不仅使数据显示更直观，还提升了生产透明性，进一步方便管理者进行监控与操作。

4 结语

制造执行系统能够帮助企业更好地精细化管理，优化生产效率，提高生产质量，打通顶层ERP与实际生产单元之间的路径。MES系统的建立是企业智能化转型的重要工作，吉林江机特种工业有限公司MES系统的成功落地实施是推动特种工业生产智能化、信息化的良好例证。同时，如何进一步整合生产数据，发掘应用深度，实现MES与企业生产的有机结合，乃至完善MES产业体系，仍需进一步研究和实践。