1 MES系統(tǒng)簡介

　　1.1 MES系統(tǒng)的定義

　　制造執(zhí)行系統(tǒng)(簡稱MES)是美國AMR公司在 20 世紀 90 年代初提出并在物資需 求計劃系統(tǒng)(MRP)的基礎上發(fā)展起來的，其將 MRP和車間作業(yè)現(xiàn)場控制整合起來，實現(xiàn)了生產計劃管理、生產過程控制、產品質量管理、車間庫存管理等生產全流程精益管理。

　　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過程中的數(shù)據(jù)，包括產品的生產過程信息、工藝流程信息、部品追溯信息、品質檢查信息，以及生產線運轉、人員作業(yè)、物料搬運、作業(yè)流程、工廠環(huán)境等信息，并將其作為生產控制和生產追溯的重要依據(jù)。數(shù)據(jù)采集方式有自動和手動，重點是要保證數(shù)據(jù)采集的及時性、準確性和可靠性。

　?、跀?shù)據(jù)存儲：對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)化存儲，包含存儲所需的硬件和數(shù)據(jù)庫，一般會根據(jù)數(shù)據(jù)的重要程度來分級別存儲。

　?、蹟?shù)據(jù)分析：對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行總結和分析，得出一段時間內的生產經營報表，主要是總結工廠生產效率、資源利用率、人員作業(yè)效率、設備運行效率、物料使用狀況、產品品質狀況等信息，并反映當前工廠運營狀況。

　?、芪募芾恚汗芾砩a制造相關文件，如產品技術文件，物料清單，工藝流程、生產指示、品質管理文件，生產報表等。

　　1.2.2 生產管理類

　?、儆媱澒芾恚簩︿N售訂單進行合理的分配，制成月度/周度/日度/時度等不同級別的生產計劃，同時對生產計劃的完成情況進行有效管理。

　?、谶^程控制：通過對人員作業(yè)狀況、設備運行狀況、在制品狀況、部品供應狀況、品質狀況等方面的目視化實現(xiàn)對工廠整體生產過程的有效控制，對可能導致質量問題和效率降低的環(huán)節(jié)進行重點監(jiān)控，對已經發(fā)生或可能發(fā)生的問題及時對應。

　　1.2.3 品質管理類

　?、倨焚|管理：主要包括作業(yè)中品質保證流程、自動作業(yè)防誤裝置、各工程檢查流程、自動化檢查系統(tǒng)、問題產品的維修流程和進度管理。

　?、谧匪莨芾恚褐饕菍Ξa品生產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)要求上傳至相關政府部門，部分追溯信息在工廠MES服務器或數(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、績效等)，把握員工的工作效率，從而有效提升整體生產效率和消除作業(yè)瓶頸。

　?、谫Y源分配：對設備、工具、物料、能源等企業(yè)生產資源進行合理分配，在生產過程中，對生產資源進行合理調度，動態(tài)消除生產瓶頸，保證穩(wěn)定生產。

　?、蹎卧峙洌簩τ陔x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)計劃階段需要合理分配，在生產過程中也應根據(jù)生產進度實時調整，以提高設備的利用率和保證流程各環(huán)節(jié)的交貨期。

　　2 MES系統(tǒng)的導入流程及注意事項

　　2.1 MES系統(tǒng)的導入流程

　　MES系統(tǒng)的導入一般分為 4 個階段、8 個步驟，如圖 2 所示。

　　圖 2 MES系統(tǒng)的導入流程圖

　　2.1.1 軟件決裁階段

　　①目標分析：首先要明確開發(fā)軟件的目標，即解決什么問題、實現(xiàn)什么功能、投入什么資源、創(chuàng)造什么價值。

　　②軟件決裁和招標：將軟件的目標、功能、投入、產出、日程等項目制作成軟件決裁書，并提交公司經管會審批，審批通過后，通過招標流程選定軟件開發(fā)服務商。

　?、壑谱饕赫{終用戶的需求，對需求進行分類整理和詳細分析，剔除不能實現(xiàn)的需求和投入產出比差的需求，明確軟件滿足哪些具體需求，設計軟件系統(tǒng)的硬件架構、功能模塊、前臺交互畫面和后臺數(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膬热菥帉懗绦?，對數(shù)據(jù)結構、算法分析和模塊機能等方面開始具體的程序編寫，以實現(xiàn)各模塊的功能，從而達到系統(tǒng)功能、性能、接口、界面等方面的要求。

　?、谲浖y試：測試主要分為模塊測試、整體測試、設備聯(lián)動測試、多系統(tǒng)聯(lián)動測試，通過測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題，并及時進行系統(tǒng)修補和更新。

　　2.1.3 系統(tǒng)驗收階段

　?、佘浖樱寒斳浖y試完成后，軟件開發(fā)者應給用戶安裝軟件、提供使用手冊、數(shù)據(jù)庫字典、測試完成報告等雙方合同約定的內容。

　　②軟件驗收：軟件能夠穩(wěn)定運行，且所有功能均可實現(xiàn)，性能達到標準，軟件開發(fā)服務商正式交付項目，客戶交付尾款。

　　2.1.4 系統(tǒng)運維階段

　　根據(jù)合同規(guī)定，軟件開發(fā)者或委托公司對系統(tǒng)進行運營監(jiān)控和維護(一般為 24 h對應)，對用戶應用過程中的問題進行及時解決。

　　2.2 MES系統(tǒng)的導入注意事項

　　2.2.1 決裁階段注意事項

　?、僦攸c是既要滿足生產經營管理者對投資回報率的訴求，也要滿足用戶對軟件實際功能的訴求。

　　②招標過程中，既要滿足流程的合法合規(guī)，也要對軟件開發(fā)服務商的能力進行嚴格的審核。③制作要件書時，要詳細說明應實現(xiàn)什么具體功能、軟件響應速度是多久，以及交互頁面要求、服務器備份能力和存儲時長、可擴展性和前臺可編輯性等主要項目，也要說明系統(tǒng)功能說明書的編寫要求、軟件使用方法培訓要求和維保人員配置等輔助項目。

　　2.2.2 系統(tǒng)開發(fā)階段注意事項

　?、購捻椖抗芾碚叩慕嵌葋碚f，主要是和軟件開發(fā)商協(xié)商管理軟件開發(fā)日程，對可能影響軟件開發(fā)的因素進行把握，提前做好解決預案，及時進行日程調整。

　?、谠谠O備聯(lián)動測試和多系統(tǒng)聯(lián)動測試階段，應制定明確的聯(lián)協(xié)測試體制，對測試過程進行控制，對測試中的問題進行記錄和解決，直至系統(tǒng)達到合格標準。

　　2.2.3 系統(tǒng)驗收階段注意事項

　?、佘浖絾⒂煤?，應建立應用異常聯(lián)絡體制，明確問題解決流程。在實際運用過程中，確認系統(tǒng)功能和流程是否正確，對系統(tǒng)漏洞及時解決;確認系統(tǒng)功能和流程是否健全，設計階段未考慮的功能和流程要及時添加;確認人機交互是否高效，對用戶體驗差的功能和流程進行改善。

　?、谟脩羰褂梅矫妫⑾到y(tǒng)功能培訓和傳承機制，要對初始用戶進行全面培訓，降低人員變更對系統(tǒng)使用的影響。

　　2.2.4 軟件維保階段注意事項

　?、儆捎诠S生產對系統(tǒng)的高度依賴，故應建立24 h全天候的系統(tǒng)現(xiàn)場維保機制和異常對應機制，制定異常對應預案，明確責任分工。

　?、趯S保人員的業(yè)務能力提出明確的要求，須經系統(tǒng)性培訓和業(yè)務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)的應用

　　3.1 新一代工廠MES系統(tǒng)簡介

　　一汽豐田某整車廠采用豐田全球系統(tǒng)和現(xiàn)地系統(tǒng)相結合的方式，將各業(yè)務單元系統(tǒng)緊密連接，形成了功能強大的系統(tǒng)集群。其中生產控制系統(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)關系圖

　　一汽豐田工廠MES系統(tǒng)歷經幾十年的發(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入，至 2022 年 10 月系統(tǒng)全部功能均告完善，可以順暢地實施商品車生產。

　　3.2 新一代工廠MES系統(tǒng)的主要機能

　　新一代工廠MES系統(tǒng)主要有四大模塊，分別為生產控制模塊、車輛數(shù)據(jù)模塊、生產指示模塊、生產目視化模塊，如圖 4 所示。

　　圖 4 新一代MES系統(tǒng)的主要機能圖

　　3.2.1 生產控制模塊

　　生產控制模塊是工廠MES系統(tǒng)重要的機能，新一代MES系統(tǒng)實現(xiàn)了對裝焊、涂裝、總裝全工藝流程的生產控制，如圖 5 所示，實現(xiàn)了一套系統(tǒng)對所有設備的高精度控制，在行業(yè)中處于領先水平。

　　圖 5 新一代MES系統(tǒng)生產控制機能圖

　　3.2.2 車輛數(shù)據(jù)庫模塊

　　新一代工廠MES系統(tǒng)配備了功能強大的后臺數(shù)據(jù)庫，一方面對生產過程實時監(jiān)控，對設備通信日志、生產控制指令日志、生產指示日志等過程信息予以短期(一般為一周)保存，以便于對生產過程進行短期精確追溯;另一方面對車輛生產履歷和部品追溯信息予以長期(3 個月以上)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，簡單來說，就是在不同的生產階段在車輛SF的相應區(qū)域中登錄車輛基本信息、生產信息和品質追溯信息。

　　3.2.3 生產指示模塊

　　為了提高生產效率和降低生產成本，乘用車整車廠基本都采用多車型平準化的生產方式，車型的生產訂單會平準地分配至每個時間段(單位為小時)，車型的順序也是隨機的，加之同一車型配置較多，且時常發(fā)生設計變更。因此，無論是生產設備，還是作業(yè)人員，都要依靠精確的生產指示來作業(yè)。

　　圖 6 新一代MES系統(tǒng)生產指示機能圖

　　如圖 6 所示，生產指示機能是工廠MES系統(tǒng)核心的機能，生產指示工作也是生產準備階段重要的業(yè)務，生產指示的錯誤可能會造成設備損壞、部品誤裝、作業(yè)失誤、檢查失效、安全事故等嚴重問題。因此，生產指示精度對生產的穩(wěn)定性和商品車的品質具有決定性的影響。

　　3.2.4 生產目視化模塊

　　生產目視化是將生產狀態(tài)、在庫狀態(tài)、車輛位置、生產進度、生產統(tǒng)計等信息通過電腦、大屏幕、手機等媒介直觀地展示出來，是生產控制和達產管理的重要工具，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目視化功能，可以目視化子線級別的生產狀態(tài)、生產進度、在庫狀態(tài)、停線時長等信息，也可以目視化單臺車輛級別的所在位置，圖 7 是生產目視化看板的導入流程。

　　圖 7 新一代工廠MES系統(tǒng)生產目視化機能圖

　?、偕a目視信息明確。

　　首先要明確目視化的項目，一般來說分為基本信息類、生產實績類、生產在庫類、生產狀態(tài)類、生產效率類等項目，需要對工廠的軟硬件條件進行初步調查，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，并在此基礎上確定目視化項目。

　?、谀恳曧椖壳鍐沃谱?。

　　將確定要目視化的項目制作成項目清單，清單中要對項目進行編號、命名、說明。

　?、垌椖啃畔碓疵鞔_。

　　明確項目清單中各個項目的信息來源，提前告知相關部門信號需求，并明確通信格式和信號要件書格式。信息來源一般分為工廠設計工藝圖紙、工程安東系統(tǒng)、工廠MES系統(tǒng)內部等。

　?、苄畔@取。

　　對于取自工程安東系統(tǒng)的信號，要制作信號要件書和通信式樣書，并做好信號收發(fā)測試。對于取自工廠MES系統(tǒng)內部的信息，要做好系統(tǒng)設定。

　　⑤目視項目系統(tǒng)設定。

　　在工廠MES系統(tǒng)中設定目視項目數(shù)據(jù)庫，將所有的目視化項目都錄入到系統(tǒng)中。

　?、弈恳暱窗灏婷嬖O定。

　　首先要設定看板索引目錄，然后要設定工程布局和工藝流程，做到盡可能和現(xiàn)場現(xiàn)狀相一致;設定生產實績、在庫、狀態(tài)、效率項目等，做成完整的生產目視化看板。

　?、呱a目視看板展示。

　　按照需要，通過電腦、大屏幕、手機等方式打開目視化看板網(wǎng)頁，將其作為生產控制的主要工具指導生產。

　　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)在前代的基礎上做了全方位的提升，主要體現(xiàn)在以下幾點。

　?、賹⒍鄠€系統(tǒng)協(xié)同完成的生產指示機能和生產控制機能集成到一個工廠MES系統(tǒng)中，實現(xiàn)了功能的強化和效率的提升，同時大幅減少了系統(tǒng)的投入成本和維保成本。

　　②強化了對生產過程和部品的追溯能力，更好地支撐了打造更高品質的汽車目標。

　?、蹚娀丝偝缮a的對應能力，用類似于對車輛的控制方式來控制總成的生產，是生產控制精度從主線級別向輔線級別提升的重要保證。

　　④強化了目視化系統(tǒng)的機能，從信號獲取、看板設計、看板展示都實現(xiàn)了用戶定制化，每個用戶都可以按照技術指導書制作需要的看板并實現(xiàn)目視化，距離工廠數(shù)字孿生的目標更近了一步。

　　⑤強化了對新型設備的支持能力，在新一代MES系統(tǒng)的支持下，工廠內全自動物流系統(tǒng)、AI視覺檢查系統(tǒng)等前沿技術得以應用，極大地提升了工廠升級的潛力。

　　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，未來需要進一步改進，主要方面如下。

　　①雖然實現(xiàn)了多個系統(tǒng)機能的整合，但是多個獨立模塊對應原系統(tǒng)的機能，未能做到統(tǒng)一標準，對于運營管理者來說，要分別學習不同模塊的具體功能和運用方法，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)絡和生產指示設備相連，新系統(tǒng)通過工廠公共有線網(wǎng)和所有生產指示設備相連，工廠公共有線網(wǎng)的拓撲結構中包含多層級的網(wǎng)絡交換機，從工廠MES系統(tǒng)到生產指示設備可能會有多個交換機，當交換機基數(shù)足夠大時，網(wǎng)絡異常的可能性會增加，雖然設定了A/B兩套網(wǎng)絡，但在出現(xiàn)網(wǎng)絡異常時仍需要大量時間來分析和處置，對生產的穩(wěn)定性構成了潛在的隱患。

　　③新系統(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步，未能匹配大數(shù)據(jù)分析的前沿技術，數(shù)據(jù)價值的挖掘能力不足。

　?、茈m然在生產目視化方面有所強化，但距離工廠數(shù)字孿生的目標還相差很遠，生產管理方面也更多地依靠生產管理者的分析和判斷。

　　5 結語

　　當前制造業(yè)處于從工業(yè) 3.0 自動化制造向工業(yè)4.0 智能制造的變革期，汽車制造業(yè)作為大工業(yè)中自動化程度高的產業(yè)，也必將引領這一變革，生產制造中核心的MES系統(tǒng)從整體設計、系統(tǒng)構建、功能設置、系統(tǒng)聯(lián)動、實際運用等各個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。