1 MES系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1.1 MES系統(tǒng)的定義
制造執(zhí)行系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱MES)是美國AMR公司在 20 世紀(jì) 90 年代初提出并在物資需 求計(jì)劃系統(tǒng)(MRP)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其將 MRP和車間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制整合起來，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量管理、車間庫存管理等生產(chǎn)全流程精益管理。
1.2 MES系統(tǒng)的主要功能
MES系統(tǒng)一般包含四大類、11 項(xiàng)基本功能，如圖 1 所示，基本功能如下。
圖 1 MES系統(tǒng)主要功能圖
1.2.1 數(shù)據(jù)管理類
?、贁?shù)據(jù)采集：通過多種方法采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品的生產(chǎn)過程信息、工藝流程信息、部品追溯信息、品質(zhì)檢查信息，以及生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)、人員作業(yè)、物料搬運(yùn)、作業(yè)流程、工廠環(huán)境等信息，并將其作為生產(chǎn)控制和生產(chǎn)追溯的重要依據(jù)。數(shù)據(jù)采集方式有自動(dòng)和手動(dòng)，重點(diǎn)是要保證數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。
?、跀?shù)據(jù)存儲(chǔ)：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)化存儲(chǔ)，包含存儲(chǔ)所需的硬件和數(shù)據(jù)庫，一般會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)的重要程度來分級(jí)別存儲(chǔ)。
?、蹟?shù)據(jù)分析：對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和分析，得出一段時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)經(jīng)營報(bào)表，主要是總結(jié)工廠生產(chǎn)效率、資源利用率、人員作業(yè)效率、設(shè)備運(yùn)行效率、物料使用狀況、產(chǎn)品品質(zhì)狀況等信息，并反映當(dāng)前工廠運(yùn)營狀況。
?、芪募芾恚汗芾砩a(chǎn)制造相關(guān)文件，如產(chǎn)品技術(shù)文件，物料清單，工藝流程、生產(chǎn)指示、品質(zhì)管理文件，生產(chǎn)報(bào)表等。
1.2.2 生產(chǎn)管理類
?、儆?jì)劃管理：對(duì)銷售訂單進(jìn)行合理的分配，制成月度/周度/日度/時(shí)度等不同級(jí)別的生產(chǎn)計(jì)劃，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的完成情況進(jìn)行有效管理。
?、谶^程控制：通過對(duì)人員作業(yè)狀況、設(shè)備運(yùn)行狀況、在制品狀況、部品供應(yīng)狀況、品質(zhì)狀況等方面的目視化實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠整體生產(chǎn)過程的有效控制，對(duì)可能導(dǎo)致質(zhì)量問題和效率降低的環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，對(duì)已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的問題及時(shí)對(duì)應(yīng)。
1.2.3 品質(zhì)管理類
?、倨焚|(zhì)管理：主要包括作業(yè)中品質(zhì)保證流程、自動(dòng)作業(yè)防誤裝置、各工程檢查流程、自動(dòng)化檢查系統(tǒng)、問題產(chǎn)品的維修流程和進(jìn)度管理。
?、谧匪莨芾恚褐饕菍?duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的追溯和部品使用的追溯，部分追溯信息要按照法規(guī)要求上傳至相關(guān)政府部門，部分追溯信息在工廠MES服務(wù)器或數(shù)據(jù)中心長久保存。
1.2.4 資源配置類
?、偃藛T管理：根據(jù)人員的能力合理安排人員配置，管理員工信息(包括出勤情況、工時(shí)、績效等)，把握員工的工作效率，從而有效提升整體生產(chǎn)效率和消除作業(yè)瓶頸。
?、谫Y源分配：對(duì)設(shè)備、工具、物料、能源等企業(yè)生產(chǎn)資源進(jìn)行合理分配，在生產(chǎn)過程中，對(duì)生產(chǎn)資源進(jìn)行合理調(diào)度，動(dòng)態(tài)消除生產(chǎn)瓶頸，保證穩(wěn)定生產(chǎn)。
?、蹎卧峙洌簩?duì)于離散型企業(yè)和部分流程型企業(yè)來說，作業(yè)單元的合理分配是非常重要的，不僅在單元作業(yè)計(jì)劃階段需要合理分配，在生產(chǎn)過程中也應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度實(shí)時(shí)調(diào)整，以提高設(shè)備的利用率和保證流程各環(huán)節(jié)的交貨期。
2 MES系統(tǒng)的導(dǎo)入流程及注意事項(xiàng)
2.1 MES系統(tǒng)的導(dǎo)入流程
MES系統(tǒng)的導(dǎo)入一般分為 4 個(gè)階段、8 個(gè)步驟，如圖 2 所示。
圖 2 MES系統(tǒng)的導(dǎo)入流程圖
2.1.1 軟件決裁階段
①目標(biāo)分析：首先要明確開發(fā)軟件的目標(biāo)，即解決什么問題、實(shí)現(xiàn)什么功能、投入什么資源、創(chuàng)造什么價(jià)值。
②軟件決裁和招標(biāo)：將軟件的目標(biāo)、功能、投入、產(chǎn)出、日程等項(xiàng)目制作成軟件決裁書，并提交公司經(jīng)管會(huì)審批，審批通過后，通過招標(biāo)流程選定軟件開發(fā)服務(wù)商。
?、壑谱饕赫{(diào)終用戶的需求，對(duì)需求進(jìn)行分類整理和詳細(xì)分析，剔除不能實(shí)現(xiàn)的需求和投入產(chǎn)出比差的需求，明確軟件滿足哪些具體需求，設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、功能模塊、前臺(tái)交互畫面和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫等，做成軟件要件書。
2.1.2 系統(tǒng)開發(fā)階段
?、俪绦蚓帉懀喊凑哲浖膬?nèi)容編寫程序，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析和模塊機(jī)能等方面開始具體的程序編寫，以實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，從而達(dá)到系統(tǒng)功能、性能、接口、界面等方面的要求。
?、谲浖y(cè)試：測(cè)試主要分為模塊測(cè)試、整體測(cè)試、設(shè)備聯(lián)動(dòng)測(cè)試、多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)測(cè)試，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題，并及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)修補(bǔ)和更新。
2.1.3 系統(tǒng)驗(yàn)收階段
?、佘浖?dòng)：當(dāng)軟件測(cè)試完成后，軟件開發(fā)者應(yīng)給用戶安裝軟件、提供使用手冊(cè)、數(shù)據(jù)庫字典、測(cè)試完成報(bào)告等雙方合同約定的內(nèi)容。
?、谲浖?yàn)收：軟件能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且所有功能均可實(shí)現(xiàn)，性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，軟件開發(fā)服務(wù)商正式交付項(xiàng)目，客戶交付尾款。
2.1.4 系統(tǒng)運(yùn)維階段
根據(jù)合同規(guī)定，軟件開發(fā)者或委托公司對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)營監(jiān)控和維護(hù)(一般為 24 h對(duì)應(yīng))，對(duì)用戶應(yīng)用過程中的問題進(jìn)行及時(shí)解決。
2.2 MES系統(tǒng)的導(dǎo)入注意事項(xiàng)
2.2.1 決裁階段注意事項(xiàng)
?、僦攸c(diǎn)是既要滿足生產(chǎn)經(jīng)營管理者對(duì)投資回報(bào)率的訴求，也要滿足用戶對(duì)軟件實(shí)際功能的訴求。
?、谡袠?biāo)過程中，既要滿足流程的合法合規(guī)，也要對(duì)軟件開發(fā)服務(wù)商的能力進(jìn)行嚴(yán)格的審核。③制作要件書時(shí)，要詳細(xì)說明應(yīng)實(shí)現(xiàn)什么具體功能、軟件響應(yīng)速度是多久，以及交互頁面要求、服務(wù)器備份能力和存儲(chǔ)時(shí)長、可擴(kuò)展性和前臺(tái)可編輯性等主要項(xiàng)目，也要說明系統(tǒng)功能說明書的編寫要求、軟件使用方法培訓(xùn)要求和維保人員配置等輔助項(xiàng)目。
2.2.2 系統(tǒng)開發(fā)階段注意事項(xiàng)
?、購捻?xiàng)目管理者的角度來說，主要是和軟件開發(fā)商協(xié)商管理軟件開發(fā)日程，對(duì)可能影響軟件開發(fā)的因素進(jìn)行把握，提前做好解決預(yù)案，及時(shí)進(jìn)行日程調(diào)整。
?、谠谠O(shè)備聯(lián)動(dòng)測(cè)試和多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)測(cè)試階段，應(yīng)制定明確的聯(lián)協(xié)測(cè)試體制，對(duì)測(cè)試過程進(jìn)行控制，對(duì)測(cè)試中的問題進(jìn)行記錄和解決，直至系統(tǒng)達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。
2.2.3 系統(tǒng)驗(yàn)收階段注意事項(xiàng)
①軟件正式啟用后，應(yīng)建立應(yīng)用異常聯(lián)絡(luò)體制，明確問題解決流程。在實(shí)際運(yùn)用過程中，確認(rèn)系統(tǒng)功能和流程是否正確，對(duì)系統(tǒng)漏洞及時(shí)解決;確認(rèn)系統(tǒng)功能和流程是否健全，設(shè)計(jì)階段未考慮的功能和流程要及時(shí)添加;確認(rèn)人機(jī)交互是否高效，對(duì)用戶體驗(yàn)差的功能和流程進(jìn)行改善。
②用戶使用方面，建立系統(tǒng)功能培訓(xùn)和傳承機(jī)制，要對(duì)初始用戶進(jìn)行全面培訓(xùn)，降低人員變更對(duì)系統(tǒng)使用的影響。
2.2.4 軟件維保階段注意事項(xiàng)
?、儆捎诠S生產(chǎn)對(duì)系統(tǒng)的高度依賴，故應(yīng)建立24 h全天候的系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)維保機(jī)制和異常對(duì)應(yīng)機(jī)制，制定異常對(duì)應(yīng)預(yù)案，明確責(zé)任分工。
?、趯?duì)維保人員的業(yè)務(wù)能力提出明確的要求，須經(jīng)系統(tǒng)性培訓(xùn)和業(yè)務(wù)能力考核通過后方可上崗。
3 一汽豐田某整車廠新一代工廠MES系統(tǒng)的應(yīng)用
3.1 新一代工廠MES系統(tǒng)簡(jiǎn)介
一汽豐田某整車廠采用豐田全球系統(tǒng)和現(xiàn)地系統(tǒng)相結(jié)合的方式，將各業(yè)務(wù)單元系統(tǒng)緊密連接，形成了功能強(qiáng)大的系統(tǒng)集群。其中生產(chǎn)控制系統(tǒng)是這些系統(tǒng)的核心，大部分制造執(zhí)行功能都在此系統(tǒng)中，具體見圖 3。
圖 3 工廠系統(tǒng)連協(xié)關(guān)系圖
一汽豐田工廠MES系統(tǒng)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，于2021 年末研發(fā)完成了新一代系統(tǒng)，并在一汽豐田某整車廠率先導(dǎo)入，至 2022 年 10 月系統(tǒng)全部功能均告完善，可以順暢地實(shí)施商品車生產(chǎn)。
3.2 新一代工廠MES系統(tǒng)的主要機(jī)能
新一代工廠MES系統(tǒng)主要有四大模塊，分別為生產(chǎn)控制模塊、車輛數(shù)據(jù)模塊、生產(chǎn)指示模塊、生產(chǎn)目視化模塊，如圖 4 所示。
圖 4 新一代MES系統(tǒng)的主要機(jī)能圖
3.2.1 生產(chǎn)控制模塊
生產(chǎn)控制模塊是工廠MES系統(tǒng)重要的機(jī)能，新一代MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝焊、涂裝、總裝全工藝流程的生產(chǎn)控制，如圖 5 所示，實(shí)現(xiàn)了一套系統(tǒng)對(duì)所有設(shè)備的高精度控制，在行業(yè)中處于領(lǐng)先水平。
圖 5 新一代MES系統(tǒng)生產(chǎn)控制機(jī)能圖
3.2.2 車輛數(shù)據(jù)庫模塊
新一代工廠MES系統(tǒng)配備了功能強(qiáng)大的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，一方面對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)設(shè)備通信日志、生產(chǎn)控制指令日志、生產(chǎn)指示日志等過程信息予以短期(一般為一周)保存，以便于對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行短期精確追溯;另一方面對(duì)車輛生產(chǎn)履歷和部品追溯信息予以長期(3 個(gè)月以上)保存。
表 1 車輛SF信息表
表 1 是車輛SF(日程文件)信息錄入的過程，簡(jiǎn)單來說，就是在不同的生產(chǎn)階段在車輛SF的相應(yīng)區(qū)域中登錄車輛基本信息、生產(chǎn)信息和品質(zhì)追溯信息。
3.2.3 生產(chǎn)指示模塊
為了提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，乘用車整車廠基本都采用多車型平準(zhǔn)化的生產(chǎn)方式，車型的生產(chǎn)訂單會(huì)平準(zhǔn)地分配至每個(gè)時(shí)間段(單位為小時(shí))，車型的順序也是隨機(jī)的，加之同一車型配置較多，且時(shí)常發(fā)生設(shè)計(jì)變更。因此，無論是生產(chǎn)設(shè)備，還是作業(yè)人員，都要依靠精確的生產(chǎn)指示來作業(yè)。
圖 6 新一代MES系統(tǒng)生產(chǎn)指示機(jī)能圖
如圖 6 所示，生產(chǎn)指示機(jī)能是工廠MES系統(tǒng)核心的機(jī)能，生產(chǎn)指示工作也是生產(chǎn)準(zhǔn)備階段重要的業(yè)務(wù)，生產(chǎn)指示的錯(cuò)誤可能會(huì)造成設(shè)備損壞、部品誤裝、作業(yè)失誤、檢查失效、安全事故等嚴(yán)重問題。因此，生產(chǎn)指示精度對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和商品車的品質(zhì)具有決定性的影響。
3.2.4 生產(chǎn)目視化模塊
生產(chǎn)目視化是將生產(chǎn)狀態(tài)、在庫狀態(tài)、車輛位置、生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)等信息通過電腦、大屏幕、手機(jī)等媒介直觀地展示出來，是生產(chǎn)控制和達(dá)產(chǎn)管理的重要工具，其發(fā)展的新前沿是工廠數(shù)字孿生工程。新一代工廠MES系統(tǒng)具備較為完善的生產(chǎn)目視化功能，可以目視化子線級(jí)別的生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度、在庫狀態(tài)、停線時(shí)長等信息，也可以目視化單臺(tái)車輛級(jí)別的所在位置，圖 7 是生產(chǎn)目視化看板的導(dǎo)入流程。
圖 7 新一代工廠MES系統(tǒng)生產(chǎn)目視化機(jī)能圖
①生產(chǎn)目視信息明確。
首先要明確目視化的項(xiàng)目，一般來說分為基本信息類、生產(chǎn)實(shí)績類、生產(chǎn)在庫類、生產(chǎn)狀態(tài)類、生產(chǎn)效率類等項(xiàng)目，需要對(duì)工廠的軟硬件條件進(jìn)行初步調(diào)查，即哪些信息可以直接獲取、哪些信息需要通過追加軟硬件才能獲取，并在此基礎(chǔ)上確定目視化項(xiàng)目。
?、谀恳曧?xiàng)目清單制作。
將確定要目視化的項(xiàng)目制作成項(xiàng)目清單，清單中要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行編號(hào)、命名、說明。
③項(xiàng)目信息來源明確。
明確項(xiàng)目清單中各個(gè)項(xiàng)目的信息來源，提前告知相關(guān)部門信號(hào)需求，并明確通信格式和信號(hào)要件書格式。信息來源一般分為工廠設(shè)計(jì)工藝圖紙、工程安東系統(tǒng)、工廠MES系統(tǒng)內(nèi)部等。
?、苄畔@取。
對(duì)于取自工程安東系統(tǒng)的信號(hào)，要制作信號(hào)要件書和通信式樣書，并做好信號(hào)收發(fā)測(cè)試。對(duì)于取自工廠MES系統(tǒng)內(nèi)部的信息，要做好系統(tǒng)設(shè)定。
?、菽恳曧?xiàng)目系統(tǒng)設(shè)定。
在工廠MES系統(tǒng)中設(shè)定目視項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，將所有的目視化項(xiàng)目都錄入到系統(tǒng)中。
?、弈恳暱窗灏婷嬖O(shè)定。
首先要設(shè)定看板索引目錄，然后要設(shè)定工程布局和工藝流程，做到盡可能和現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀相一致;設(shè)定生產(chǎn)實(shí)績、在庫、狀態(tài)、效率項(xiàng)目等，做成完整的生產(chǎn)目視化看板。
?、呱a(chǎn)目視看板展示。
按照需要，通過電腦、大屏幕、手機(jī)等方式打開目視化看板網(wǎng)頁，將其作為生產(chǎn)控制的主要工具指導(dǎo)生產(chǎn)。
4 新一代工廠MES系統(tǒng)的提示和不足
4.1 新一代工廠MES系統(tǒng)的革新
新一代工廠MES系統(tǒng)在前代的基礎(chǔ)上做了全方位的提升，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。
?、賹⒍鄠€(gè)系統(tǒng)協(xié)同完成的生產(chǎn)指示機(jī)能和生產(chǎn)控制機(jī)能集成到一個(gè)工廠MES系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了功能的強(qiáng)化和效率的提升，同時(shí)大幅減少了系統(tǒng)的投入成本和維保成本。
?、趶?qiáng)化了對(duì)生產(chǎn)過程和部品的追溯能力，更好地支撐了打造更高品質(zhì)的汽車目標(biāo)。
③強(qiáng)化了總成生產(chǎn)的對(duì)應(yīng)能力，用類似于對(duì)車輛的控制方式來控制總成的生產(chǎn)，是生產(chǎn)控制精度從主線級(jí)別向輔線級(jí)別提升的重要保證。
?、軓?qiáng)化了目視化系統(tǒng)的機(jī)能，從信號(hào)獲取、看板設(shè)計(jì)、看板展示都實(shí)現(xiàn)了用戶定制化，每個(gè)用戶都可以按照技術(shù)指導(dǎo)書制作需要的看板并實(shí)現(xiàn)目視化，距離工廠數(shù)字孿生的目標(biāo)更近了一步。
?、輳?qiáng)化了對(duì)新型設(shè)備的支持能力，在新一代MES系統(tǒng)的支持下，工廠內(nèi)全自動(dòng)物流系統(tǒng)、AI視覺檢查系統(tǒng)等前沿技術(shù)得以應(yīng)用，極大地提升了工廠升級(jí)的潛力。
4.2 新一代工廠MES系統(tǒng)的不足
新一代工廠MES系統(tǒng)同樣存在一些不足，未來需要進(jìn)一步改進(jìn)，主要方面如下。
①雖然實(shí)現(xiàn)了多個(gè)系統(tǒng)機(jī)能的整合，但是多個(gè)獨(dú)立模塊對(duì)應(yīng)原系統(tǒng)的機(jī)能，未能做到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于運(yùn)營管理者來說，要分別學(xué)習(xí)不同模塊的具體功能和運(yùn)用方法，提高了系統(tǒng)使用的門檻。
?、诓煌谥案鞴こ滔到y(tǒng)通過專線網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)指示設(shè)備相連，新系統(tǒng)通過工廠公共有線網(wǎng)和所有生產(chǎn)指示設(shè)備相連，工廠公共有線網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含多層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，從工廠MES系統(tǒng)到生產(chǎn)指示設(shè)備可能會(huì)有多個(gè)交換機(jī)，當(dāng)交換機(jī)基數(shù)足夠大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)異常的可能性會(huì)增加，雖然設(shè)定了A/B兩套網(wǎng)絡(luò)，但在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)仍需要大量時(shí)間來分析和處置，對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定性構(gòu)成了潛在的隱患。
?、坌孪到y(tǒng)的整體定位還是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，在數(shù)據(jù)分析方面未能有較大進(jìn)步，未能匹配大數(shù)據(jù)分析的前沿技術(shù)，數(shù)據(jù)價(jià)值的挖掘能力不足。
?、茈m然在生產(chǎn)目視化方面有所強(qiáng)化，但距離工廠數(shù)字孿生的目標(biāo)還相差很遠(yuǎn)，生產(chǎn)管理方面也更多地依靠生產(chǎn)管理者的分析和判斷。
5 結(jié)語
當(dāng)前制造業(yè)處于從工業(yè) 3.0 自動(dòng)化制造向工業(yè)4.0 智能制造的變革期，汽車制造業(yè)作為大工業(yè)中自動(dòng)化程度高的產(chǎn)業(yè)，也必將引領(lǐng)這一變革，生產(chǎn)制造中核心的MES系統(tǒng)從整體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)構(gòu)建、功能設(shè)置、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、實(shí)際運(yùn)用等各個(gè)層面都要向智能制造方向發(fā)展，打造數(shù)字化、智能化、物聯(lián)化的下一代工廠MES系統(tǒng)是未來行業(yè)的新方向。
