摘要：本文結合航天制造企業現狀及首航公司實際情況，提出了MES的整體設計思想，并以JobDISPO MES為例，對MES的 關鍵技術進行了分析與研究，完成了MES 的前期建設，解決了車間現場任務計劃的下達、反饋問題，打通了以生產計劃為核心的數字化鏈路，為車間現場數字化的實現奠定了重要基礎。
關鍵詞： MES，計劃排產，數據采集，集成
引言
制造業管理模式的變更與數字化生產的應用，是推動制造業信息化發展的基本動力，這也正是企業推行制造執行系統 (manufacturing execution system， MES)的根本原因?？v觀國內外企業，MES的應用已經非常普遍，而我國制造業信息系統建設 的重點普遍放在ERP管理系統和現場自動化系統兩個方面[1]。數控車間的管理模式和生產流程對企業信息化建設提出了挑戰，僅僅 依靠單純的開發ERP和現場自動化系統已經無法應對新的局面。MES恰好能填補這一空白，它是近幾年來在國際上迅速發展、面向執 行層的實時信息系統[2]。近幾年來，首都航天機械公司( 以下簡稱首航公司)的信息化建設在各個領域都取得了不同程度的進展， 但是，仍然面臨信息孤島和信息斷層所帶來的各種問題。經過多年跟蹤國內外的先進技術與理念，并結合國內部分企業的實際應用 情況，我們認為在首航公司提高生產效率最有效的途徑就是：通過實施具有企業特色的MES來構建以“精益生產、協同制造” 為核 心的數字化車間。使用MES的用戶可以對下達的任務做出快速反應;處理緊急任務有彈性空間;對生產流程做到精細化管理;幫助企業 降低生產成本、縮短制造時間、提高產品質量[3]。
1航天制造業MES現狀分析與整體設計思想
1.1現狀分析
航天制造業是一個復雜的流程行業，隨著首航公司信息化管理水平的不斷提高，生產車間的管理已經從宏觀向微觀深化發 展，對信息技術和綜合自動化系統的需求也在日趨突顯，因此MES被提上日程。由于MES功能涵蓋面廣泛，在真正實現的過程中，會 與公司原有管理習慣相沖突，并且與原有的其他信息系統集成上存在一定難度，無法涵蓋數字化生產車間的方方面面，從而實現內 部數據的完全集成。如果真正適用于生產，還需進行二次開發。
近兩年中，首航公司經過初步實施和推廣ERP系統，使管理人員對信息系統的認識正在不斷地加深，隨著在信息化方面的 多年建設與應用，公司的生產管理和制造系統已經初步成形，而隨著首航公司MES的實施，我們發現當前的MES雖然形成了大量有指 導意義的生產管理數據，但是如何進一步利用這些數據為管理人員及時準確地分析預測、掌握生產情況和做出決策，提高公司精細 化管理水平，是企業管理人員要思考的問題。只有逐步解決問題，才能進一步細化車間管理，打造數字化車間，讓公司整個生產管 理鏈條串起來。因此，對航天制造企業來說，要成功應用MES ，如何處理好MES與其他系統的集成就尤為重要。
1.2 MES整體設計思想
首航公司重點針對車間生產管理、MES與其他信息系統集成接口、機床數據采集等內容進行建設，從而形成一整套完整的 MES系統應用平臺。首航公司選用的 JobDISPO MES系統，是完全根據離散制造企業的需求而開發的一套圖形化MES系統，依據現有 的車間現場管理流程及標準體系，通過與公司級生產管理系統、工藝設計管理平臺、產品物料管理系統、質量信息管理系統、制造 資源管理系統的集成接口，實現現場生產、工藝、物流、設備、檢驗等數據的貫通，通過應用基于MES的工序計劃詳細調度，實現 車間現場生產管理的柔性化、智能化、數字化。如圖1所示。
圖1 MES系統實施總體框架
2 MES關鍵技術研究
2.1MES與其他系統集成技術研究
本文以首航公司現有管理模式為依托，本著總體設計、功能實現、分步實施的原則，提出航天制造業MES與其他系統集成 的技術方案，同時也是一套具有良好先進性的、全閉環的、全透明的、集成化的、充分體現協同制造的實施方案。
首航公司的ERP系統為MES的數據源頭，通過與ERP系統的集成接口，完成接收公司級生產任務。通過現場數據采集設備， 對生產過程、質量信息進行實時的獲取，反饋給ERP系統和質量信息管理系統，從而形成生產過程信息管理的閉環[4]。生產過程的 流程如圖2所示。
圖2 生產過程流程圖
MES與ERP、質量信息管理系統集成接口主要基于SQL數據庫進行開發，通過配置腳本程序，在用戶登錄MES的同時實現系統 數據庫與各系統數據庫之間任務、工藝、質量信息的更新傳遞，同時利用SQL數據庫觸發器將MES排產結果實時反饋給 ERP系統和質 量信息系統。如圖3所示。
圖3 MES與其他系統集成接口圖
2.1.1 MES與ERP集成技術
ERP建立在物料編碼的基礎上，雖然MES內部也定義了作為唯一標識的物料編碼，但是其編碼與ERP物料編碼完全不一致， 因此兩個系統在數據定義性方面存在區別，這里必須實現數據統一性的要求。ERP從完成產品對裝配、及零組件需求的角度出發編 制并下達計劃。MES則按照從需求出發，按照公司質量管理的程序和資源能力統籌的原則進行車間具體加工任務的計劃調度、派工 ，并實施車間任務。MES 的車間任務來源于ERP的工作訂單，工作訂單是車間生產的依據，ERP根據車間的完工數量對計劃的完成程 度進行查詢并考核。
ERP下達工作定單后，MES提取已經下達的工作定單數據，根據零件圖號、需求數量及交付時間編排車間任務，根據需要進 行領料，填寫領料申請單，送入ERP進行出庫審批并登記。車間根據完工計劃，由車間在MES中填寫完工入庫申請單提交給ERP進行 入庫登記。定單下達后，根據訂單查詢MES中的生產進度，從而對MES進行控制以及對預排產實現不了的任務進行及時調整。MES系 統集成思路如圖4所示。
圖4 MES與ERP集成思路
2.1.2 MES與公司級生產管理系統集成技術
MES與公司級生產管理系統接口開發主要目標是實現月份計劃數據的自動下發，實現計劃的自動排產;通過對生產計劃的快 速分解，做出基于設備有限能力的科學排產計劃;基于各種高級自動排產算法，制定出科學的生產計劃，計劃可準確到每一工序、 每一分鐘、每一設備，實現對車間的精益管理;完成車間生產任務的無紙化派工管理、計劃反饋的全流程管理，貫通計劃主線，達 到快速響應、協同制造的目的;實現操作工人在現場終端進行技術文檔的調閱，達到無紙化生產的目的;通過協同平臺對生產計劃執 行進度的圖形化展現，可使計調人員第一時間掌握生產現場的進度信息，實時追蹤現場在制品，提升生產過程的透明度;最終建立 透明、高效的車間生產管理系統，全面提升車間的生產能力和管理效率，增強對生產全過程的控制。如圖5所示。
圖5 自動排產流程圖
2.1.3 MES與工藝設計系統集成技術
通過MES與工藝設計系統接口，主要實現車間調度人員查看產品工序信息，并根據工序信息進行工序詳細計劃調度。
它的主要功能為：將工藝設計系統的工序信息導入到MES;工序計劃自動設為激活狀態;將MES排產結果信息反饋至車間生產 計劃管理系統;排產結果按照規定格式和內容進行打印輸出。如圖6所示。
圖6導入工序信息界面
2.2生產計劃智能排產技術
通過MES系統的智能排產技術，公司的生產調度根據特定人員、設備、時間、空間等資源對工件工序的加工序列進行排序 。給出每個工件的每道工序優化的資源組合，即給出每道工序的起止時間、加工中心、加工設備、班組人員等信息，優化目標，提 高生產效率。
首航公司的生產計劃智能排產技術主要基于JobDISPO MES智能排產模塊，所有產品、部件、零件、工序全以形象直觀的圖 形化表現，實現工序任務的手動拖拽，并以不同的顏色來區分,當產品或工序開始后，顏色條的長度將實時地減少，直到最終完成 。全透明的計劃流程便于監控所有產品的進度和生產，以產品、部件、零件、工序等多級別管理生產，結構清楚，一目了然?？梢?立即查看一個項目或一個零件及其工序的所有相關信息。通過基于有限資源能力的作業排序和調度來優化車間生產計劃，能夠綜合 設備實際加工能力，并根據現場生產實際情況隨時做出調整，按交付日期、精益排產、生產周期等多種排產方式，最大程度地滿足 各類復雜的排產要求。如圖7所示。
圖7 MES智能排產界面
在工序計劃排產時，調度人員通過精確計劃看板查看每臺設備每天的工作計劃，根據以往產品加工經驗，對每道工序計劃 開始時間、加工時間、結束時間、機床準備時間、加工設備、操作人員等進行基礎數據設置，在圖形化排產界面中進行工序拆分、 生產訂單拆分、工序合并、外協加工、手工用鼠標拖拽調整機床的生產計劃和對訂單工序進行編輯，將最終生產的工序計劃派發至 現場進行生產。
通過本技術應用，可以為現場管理人員提供一個直觀、方便的計劃排產工具，從而改變傳統基于紙質的手工排產模式，縮 短生產計劃準備時間，提高現場計劃執行率。
2.3 產品制造過程數據實時采集及管理技術
產品制造過程數據實時采集主要包括機床數據實時采集及現場數據實時采集兩方面。
(1)基于OPC的機床運行數據實時采集技術
對于機床數據實時采集，主要以OLE/COM技術為基礎，通過運行 Windows 系統的分布式對象組件(DCOM)進行設置，設定 對OPC服務器的訪問權限，并在客戶端上注冊其為服務器。數據采集軟件進行通訊硬件組態、網絡組態。根據底層數控系統中地址 映射關系建立數據通信。建立OPC服務器與監控對象之間數據通道，實現數據交換，實現OPC服務器配置和OPC服務器與底層數控設 備之間的通信，從而獲取機床設備的相關數據。完成OPC服務器與底層數控設備的數據通訊之后，在遠程機和本機上都進行DCOM組 態設置。在完成 DCOM組態設置之后，客戶端通過對建立的 OPC組和OPC數據項進行訪問以實現對過程數據的控制;當服務器響應客 戶的過程數據訪問請求，并處理完畢時通知客戶，斷開OPC服務器。機床數據實時采集原理如圖8所示。
圖8 機床數據實時采集原理圖
(2)基于條碼掃描的現場數據采集技術
對于本項目研究中現場數據實時采集，主要基于MES的自動數據采集(MDC)模塊，開發了自動生成工序生產任務條形碼的工 序卡片輸出接口，通過此接口，工段長在完成工序詳細排產之后，即可打印輸出具備條形碼識別的工序卡片，現場操作人員在進行 生產任務的領取、交付時，只需通過掃描生產任務條形碼，即可獲取相關生產任務信息，在終端觸摸屏上完成生產任務數據反饋， 從而將任務進度數據及時反饋與MES系統中。使用條碼技術解決了現場數據輸入的自動化，實現了數據的準確傳輸，確保數據反饋 的及時，準確。
2.4 MES資源信息集成管理平臺構建技術
構建多視圖、多層次、可擴展以及制造資源全生命周期的模型，包括ERP在采購、制造、庫存、使用以及維護、報廢等過 程中制造資源的信息;構建公司級的核心制造資源庫，研究制造資源的語義模式及制造資源不同數據模式間的映射機制，采用基于 視圖以及中間文件的方式集成公司制造資源的信息，邏輯上集成制造資源的各應用視圖以及業務視圖。
3 應用效果
首航公司建設的MES是面向執行層的實時信息系統，用戶可以快速下達任務;針對每道工序進行精細化管理;幫助公司降低 成本、縮短制造時間、提高產品質量。
系統實現了制造基礎數據管理、車間生產計劃及作業調度管理、制造資源管理、生產派發管理、生產現場數據采集管理、 現場物流管理以及生產過程管控等功能，具體為：
(1)在生產方面，系統可以達到車間管理層到設備控制層的管理，便于制造車間數字化技術的全面應用和實施，降低實施 難度和應用風險。
(2)在生產執行過程中，對訂單的全程跟蹤、縮短流轉周期、生產與質量作業過程協同有了更好的改進措施。
(3)系統本身具備良好的開放性和可擴展性，便于與公司現有的應用系統無縫集成，允許根據實際應用進行靈活的集成接 口定制，確保集成的成功。
(4)系統提供實時化、網絡化的信息管理功能，實現對生產制造過程的各類信息進行有效分類和合理組織，提供預定義的 車間指標、豐富的報表和統計查詢功能，實時、全面的反映公司計劃、執行、存貨、質量和過程狀態。
(5)通過在試點車間現場推廣應用MES系統，為車間現場管理人員提供了數字化的管理技術，獲得了良好的效率，通過計算 機輔助排產，大大節省了生產準備時間，結合機床數據采集系統，充分挖掘現有設備的運行效率，現場生產率提升了21% 。
結束語
隨著企業信息化在理論和實踐上的不斷深入，以系統集成思想為基礎的制造業信息化建設體系已經基本清晰。在整個體系 中，可以與多系統集成的MES對于整合企業信息化體系起到了關聯上下的重要作用。首航公司完成了MES的前期建設，解決了車間現 場任務計劃的下達、反饋問題，打通了以生產計劃為核心的數字化鏈路，為車間現場數字化的實現奠定了重要基礎。下一步公司將 加強工藝精細化建設，保障MES應用數據源，同時積極推進基于MES平臺的集成技術，逐步完善系統之間數據集成傳遞，盡快打造具 有航天特色的數字化制造車間。
參考文獻
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