面向中小型锻件精益生产的MES应用

罗紫嫣

(常州信息职业技术学院数字经济学院 江苏常州 213164)

0 引言

随着信息技术与制造业的融合发展，我国制造业转型升级的步伐不断加快，越来越多的制造业企业开始了数字化工厂的建设。作为现代信息技术的产物，MES(Manufacturing Execution System)被称为“制造执行系统”，是企业生产执行管理的软件，能够有效帮助企业控制生产进度、质量、成本，实现精益生产[1]。然而，MES存在行业特性明显、标准化程度低、专业化人才欠缺等问题，这将导致企业在MES实施中难度较大且难以达成预期成果[2]。另外，MES在运行过程中还会出现为了信息化而信息化的问题，忽略了生产的底层逻辑——精益生产。基于此，本文以中小型锻件生产为例，梳理其生产特点与典型生产场景问题，围绕精益生产的理念，提出MES在中小型锻件生产的应用。

1 MES与精益生产

1.1 MES的概念

美国AMR定义MES为：上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统。制造执行系统协会MESA定义MES为：MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对其进行指导和处理。

MES是聚焦生产制造过程的信息化软件，是处于企业管理层和设备控制层之间的连接中枢，其能帮助企业实时监控生产过程进度、及时发现生产过程异常并处理，使得整个生产变得更加有序、可控。另外，因为不同行业、不同车间生产制造过程、生产管理要求不同，导致MES差异较大、定制化程度较高，因此剖析不同企业生产制造及其生产管理的具体需求成为MES实施的重要步骤。

1.2 MES的功能

早在1997年，制造执行系统协会MESA发布的白皮书中提出了MES的11个功能。2004年MESA在传统MES模型基础上，提出了面向协同制造环境的新模型c-MES，其继承了早期MES的所有核心功能，同时也更强调与企业供应链和价值链中其他主体和系统的集成能力。具体而言，c-MES的核心功能包括以下8个方面：①资源配置和状态管理：管理设备、工具、人员、物料、工艺文件等，保证生产的正常进行。②生产单元分配：以作业、订单、批量、工单等形式管理生产单元间工作的流动，允许作业顺序的定制及计划实时的变更。③数据采集：通过各种数据采集手段获取各种生产数据和参数，这些数据可以手工录入或从设备上自动获取按分钟级或秒级更新的数据。④劳务管理：提供人员出勤报告、人员认证追踪、人员状态等，作为作业成本核算基础。⑤质量管理：采集制造过程中物料的测量数据，并能对质量问题进行分析和控制。⑥过程管理：监控生产过程、自动纠错或向用户提供决策支持等。⑦产品跟踪与谱系：提供工件在任意时刻的位置和状态信息，能够记录某产品生产的人员、原料、设备、产品批号、产品异常等信息，实现可追溯性。⑧性能分析：提供实际生产运行结果的报告信息，了解生产各资源利用情况、和计划排程的差异情况等。

1.3 精益生产的概述

精益生产(LP，Lean Production)是优秀的管理方式，自20世纪80年代引进我国后，应用精益生产的企业越来越多。精益从丰田生产方式到精益生产的提出，又进一步成为一种精益思想延伸至精益设计、精益组织、精益供应、现场管理等诸多方面[3]。

精益生产这一概念是Womack等人在总结丰田生产模式时，在《改变世界的机器》中首次提出，其认为精益生产能够最大限度地降低企业资源消耗、提高企业生产效率和产品质量，也是能最大限度满足市场需求的一种管理模式创新[4]。“精”表示简化一切不必要的工作内容和浪费；“益”表示效益、成效，精益生产就是以企业利润最大化为目标，及时制造，消除原料采购、储运、生产、包装等生产环节的一切浪费，包括生产过剩、等待、搬运、加工、库存、动作、不良品等方面的浪费。

2 中小型锻件生产的概述

2.1 锻造的概念

锻造是通过利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。相比于铸造件而言，锻件有更好的强度和韧性。

锻造出来的产品称为锻件，锻件是装备制造业的关键基础部件，随着装备制造业的快速发展，我国锻件产量持续保持高位，覆盖的行业包括汽车、军工、航空、船舶、石化等。从锻件大小看，分为大锻件和中小型锻件。

2.2 中小型锻件生产的特点

因为中小型锻件产品是主机产品的重要部件，其质量直接决定主机的性能、质量、使用寿命和运行的安全可靠性[5]，因此主机厂商对锻件的到货时间、质量要求较高，锻造行业生产特点表现为：

1) 多品种定制化生产：锻件产品是主机产品部件之一，其形态、功能由主机所决定，技术参数也由客户所提出，需要经历较长的技术研发阶段，因此锻件多为定制化生产，重视产品的研发设计，生产周期较长。

2) 生产工序复杂：锻造行业为典型的离散型生产，不同锻造产品其工艺有所差别，主要工序包括下料、加热、锻造、退火、抛丸、机加工、检验等，不同工序也常分布在不同车间，导致物料计划、物流设计难度较大。

3) 原材料价值高：锻造原材料为金属材料，种类相对单一，但在锻件主营业务成本构成中，原材料成本占较大比例，需要重点管控。

4) 设备及刀模具依赖性强：锻造过程较为依赖诸如中频炉、模锻液压机、锻压机等高价值设备，锻造工艺中运用的设备需要承受较强的冲击力度，设备容易突然出现损坏。另外，与设备配套的模具需要承受频繁的切割、击打等过程，对其维护保养和监控的要求也更高。

5) 能源消耗大：锻造过程包括热处理、模锻、回火、退火等工序，其中加热、保温、冷却等过程会产生大量能源消耗。在能源紧张、国家限电的管控要求下，锻造行业需要重点关注能源的消耗。

2.3 中小型锻件典型生产场景的问题

1) 计划排产难度大：锻造行业本身因其工序多、物料的准时化生产难度大，生产计划的制订较为复杂；再加上生产现场的突发状况、客户订单的调整、插单、返工等因素，计划的变动性大，这些都是计划制订的难点。

2) 生产不透明：传统生产模式下，锻造生产不透明现象较为严重，生产工单下达后，通常在当天结束后才知晓生产进度，若出现生产异常，难以及时进行生产调度，这都会直接影响生产的进度和质量目标。

3) 在制品库存过多：由于锻件多为多品种定制化生产，生产计划难度较大，再加上锻件生产多采用大批量生产模式，这都会造成在制品库存量大。

4) 生产资源管理混乱：中小锻件生产品种多、生产工序多，混流生产模式较为常见。这种方式能提高生产效率和生产均衡性，但也因为频繁的作业切换，容易出现生产设备、刀模具、作业指导书、工艺标准、物料等差错，若发生产品质量问题，事后也难以追溯与纠偏。

3 MES与精益生产

MES可以将生产现场的数据进行可视化展示，具体而言中小型锻件生产的MES功能可以包括计划、生产、质量、追溯、设备、工艺、能源等，并且通过数据采集，和底层设备等实体相连接，能更好地实现生产控制，详见图1。

除了图1的功能规划外，更需要透过这些功能明确MES与精益生产之间的关联，MES在整个规划中都需要以精益为“魂”，从而更好地推进精益生产的落地、指导MES系统的实施。

3.1 优化计划的制订与跟踪，助力流程化生产

流程化生产是尽量使工序间在制品数量接近0或等于0，而实际生产中工序间存在大量在制品，这需要优化生产计划。MES功能之一是能进行作业计划排程，不仅能实现对ERP计划接收，还能满足复杂工序的排程需求。通过了解车间物料的状态和位置，尽可能减少在制品数量，提高不同工序、不同车间生产的协同性，实现生产计划的最优。

图1 MES功能规划框架

生产过程中，若发现在制品数量较多，需要实时调整物料配送计划，实现滚动排程和动态调整。另外物料配送、物料接收、生产加工、等待转移等过程跟踪，都可以通过MES加以实现。由此形成计划与执行的闭环，增强了计划可执行性和计划实施的效率。

3.2 采集生产全过程数据，持续识别并改善价值流

物料的流动是价值流过程，价值流常用价值流图(VSM，Value Stream Mapping)描述记录并分析各环节物流和信息流情况，识别过程中的浪费。通过条码、RFID、设备接口等数据采集技术的应用，MES可以覆盖领料、配送、生产、转移等全过程，实现物料物流和信息流的全过程跟踪，从而让整个生产过程透明化。除物料数据外，MES还可以采集人、机、法、环、测、能等实时信息，了解设备、刀模具状态等有无异常，了解能耗使用是否超标。这不仅可以为计划的制订和调整提供关键信息，也可以通过价值流分析，帮助锻造企业识别生产中的浪费和解决相关困难。

目前，越来越多的锻造企业在推进智能工厂的进程中，逐步建设并集成了MES、ERP、PLM、WMS系统，这将实现锻件从设计到投产、从订单到交货、从原料到成品整个价值流的识别，进一步从产品全生命周期的角度推进产品价值的持续改善。

3.3 加强设备维护管理，保证生产稳定性

由于锻造工艺对设备依赖性强，需要时常监控设备的状态。MES作为连接枢纽，可以通过PLC、SCADA、传感器等和底层设备连接，实时采集设备状态数据、加工数据，形成设备完整档案与履历。另外，MES还可以根据需求定义设备的维保周期、维保条件、故障报警条件，然后对实时采集的设备数据进行分析、诊断故障并报警，便于快速进行设备维修和调度。

随着设备故障和点检、维修数据的不断积累，可逐步形成知识库，再对其中的数据和记录进行智能分析，实现设备的预测性维护，最终提升设备的OEE。

3.4 配置信息看板，加强可视化管理

信息看板是精益生产的可视化管理工具，能帮助生产车间展示相关数据信息。通过和MES关联，中小型锻件车间可以着重建设以下五种信息看板：① 要料看板，即由后工序触发要料需求，上工序接收需求后开始生产，实现拉动式生产。② 生产看板，及时获知生产作业计划与实际执行的差异。③ 模具看板，能够展示模具的使用需求、状态信息、质量信息等，便于模具的统一管理和跟踪，加快换模效率。④ 异常看板，通过可视化的信息传递，如绿色、红色、黄色、蓝色等颜色或文字，实现对设备异常、缺料等的触发、响应与解决。⑤ 能耗看板，通过对水、电、高压空气、蒸汽等数据进行采集,并可视化呈现相应的能耗使用情况与预警。

3.5 推进质量追溯，实现质量管控

由于锻件的质量要求比较高，生产过程常出现各种各样的因素影响其质量，因此有必要对锻件实现质量追溯。在MES中，需要建立质量追溯分析模型，然后在生产过程中采集生产、质量检测的实时数据，可实现对产品质量的追溯。

当任何工艺环节出现质量缺陷后，可以通过锻件的条码与批号，反向追溯影响质量的物料、设备、工艺等因素，从而快速定位和解决问题。另外，还可以正向追溯这些因素影响的其他订单，从而确保质量缺陷得到及时、有效地控制，将损害程度与影响范围降至最小。

3.6 引进生产防错和Andon控制，加强自动化水平

自动化是指让设备或系统拥有人的“智慧”，强调人机最佳结合，当被加工零件或产品出现不良时，设备或系统能即时判断并自动停止。锻造过程容易出现工艺流转错误或物料接收错误，对此需要引进MES生产防错进行管理。如当工件开始加工后，操作人员扫描流转工单，MES后台可以获取数据并自动识别物料、确认加工工序。若通过MES后台比对发现物料或工艺流转错误，自动停止开工，由此进行生产防错。

Andon系统也是精益生产制造的工具，在制造过程中若发现了生产设备、质量异常、安全问题，Andon系统能实现产线异常的报警触发、停线以及异常的快速纠偏与解决。

4 结束语

随着“智转数改”的不断推进，MES也已经在各行各业得到广泛应用。对企业而言，MES不仅能实现生产现场的无纸化，加强部门间协同配合，而且还可以通过透明化生产过程，加强生产现场控制，实现精益生产。与此同时，企业在实施MES时，既需要分析行业特点、生产现状，也需要思考精益生产如何与MES结合，从而定制适合企业需求的、实施成功率高的、助力精益生产的MES。