论军工行业MES系统的五大关键技术
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  以精益生产等先进理念为指导思想,针对军工企业多品种、小批量的复杂生产特点,本文提出了军工行业MES系统的五大关键技术:精确的高级自动排产、集成化的协同制造、自动化的数据采集、透明化的决策支持、图形化的软件界面,构建一套适合军工企业的、广义上的MES系统,即精益化、自动化、透明化、体现协同制造、适合中国国情的MES系统。

  1. 军工企业生产管理现状及对策

  近些年来,军工企业对信息化建设的越来越重视,大部分企业陆续建立了CAD/CAM/CAE、CAPP、OA、PDM、ERP等各类软件系统,在车间也购置了大量高档数控设备,信息技术正在军工企业发展中发挥着巨大的作用。但企业现有信息管理系统主要集中在技术和管理部门,大部分企业车间制造过程信息化仍处于空白,众多的数控设备还处于单机工作模式,车间管理工作如计划、派工、物料、刀具、质量、设备等等,还处于原始的凭经验、人工干预的方式。这种依靠人工的生产组织与管理方式已越来越不适应企业发展的需要,生产资源管理信息、产品技术信息在车间得不到快速有效利用,车间生产过程信息得不到及时反馈,产品出产周期难以有效监督与控制。

  随着国家以信息化带动工业化,以工业化促进信息化,走新型工业化道路的号召,越来越多的军工企业已经深刻地意识到,企业必须立足高起点,大力发展和应用信息技术,用先进的技术管理手段变革现有的生产组织和管理模式,实现生产过程管控的数字化,不断挖掘生产制造过程的潜力,从而全面提升企业的竞争力。并逐渐认识到:以国家两化融合为契机,通过实施具有精益生产思想的、适合军工企业特点的数字化车间管理系统,即构建以精益生产、协同制造为特色的广义上的MES系统,可很好地解决上述问题。

  因此,在探讨军工行业MES系统特点之前,我们很有必要进一步了解精益生产以及MES系统的概念及含义。

  2. 精益生产与MES概念

  精益生产(Lean Production,简称LP)是美国麻省理工学院国际汽车计划组织(IMVP)的专家对日本丰田准时化生产JIT(Just In Time)生产方式的赞誉称呼。精益生产方式是一种以最大限度地减少企业生产所占用的资源和降低企业管理和运营成本为主要目标的生产方式,它是当前工业界最佳的一种生产组织体系和方式,也必将成为二十一世纪先进的生产体系,更是中国企业特别是军工企业,加强企业运营管理、提高自身竞争力的发展方向。

  精益生产最关注的三个要素是Quality(质量)、Cost(成本)、Delivery(交货期),精益生产的主要表现形式:识别浪费、持续改进;缩短交货期、实现看板化的目视管理、生产节拍控制、现场管理、及时的生产数据采集等。

  这些技术手段体现到车间实际生产中就是:

  准确分析非增值劳动,提高生产效率,降低库房、工具等生产辅助成本。

  采用高级排产等技术手段,将生产任务分解到每一工序、每一设备、每一分钟,并合理解决紧急插单等问题、确保生产计划最优,确保产品交货期,确保设备利用率最高。

  实现目视化管理、信息最大程度透明化。

  生产过程控制,实现产品流的生产,实现生产的柔性化生产。

  基于数据自动采集等先进技术,实现生产数据及时、准确反馈,提供科学决策基础,实现车间计划、执行、资源等要素的闭环管理。

  实现产品工序级的质量控制,将质量损失降低到最低。

  MES 是Manufacturing Execution System(制造执行系统)的简称,1992年由美国先进制造研究机构AMR ( Advanced Manufacturing Research)提出,AMR将MES定义为位于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,为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态,重点解决车间生产问题。

  2004年,美国MESA协会提出了协同MES体系结构(c-MES)的概念,重点强调车间级的制造协同管理。

  至此,MES内涵已经丰富为执行、跟踪、协同等多方位,在理论体系上已经完全成熟了。

  AMR的三层企业集成模型

  作为离散MES系统的引领者,北京兰光创新科技有限公司长期致力于数字化车间系统的研究与应用,公司的DNC/MDC/MES系统在众多军工企业中得到了成功应用,并取得了良好的效果。为更好地促进军工企业的数字化车间建设,我们非常荣幸地能有机会与您一起探讨、共同促进我国军工企业的数字化车间,特别是军工MES系统的建设。

  大家知道,MES的核心在于执行,此处的执行分两层含义:首先是将ERP的生产计划根据车间实际情况,将每一工序分解到每一设备、每一分钟精细执行;其次是通过MES的建设,在车间内部构建计划排产、作业调度、数据采集、程序管理、在制品管理、库存管理、质量管理等一个全闭环管理,层层紧扣,而非简单的一个数据库管理。

  因此,可以这么说:MES就是实现精益生产的软件载体,而MES最核心是计划排产、数据采集和协同制造管理,这也是判断一套软件是否是真正意义上MES系统的标准。

  3. 军工行业MES系统的5大关键技术

  基于以上分析,并结合我们对数字化车间的深刻理解,我们认为军工行业的MES系统应充分借鉴精益生产等先进理念,以DNC/MDC为基础,在高级排产基础上,涵盖计划调度、作业管理、机床联网、程序管理、物料管理、工具管理、质量管理、数据采集、现场信息管理、决策支持等车间生产管理的方方面面,是一套模块化、高度集成、过程透明、闭环的、体现协同制造、适合军工企业特点的MES系统。

  由于MES系统是一项较为复杂的大型管理系统,模块众多、涉及的技术也非常多,下面将以兰光MES为例,重点介绍一下军工企业MES系统的五大关键技术。

  3.1.精确的高级自动排产

  军工企业由于多品种、小批量、工序多、紧急插单多、生产周期要求严格等特点,生产计划如果全靠人工进行制订将是非常困难的,也经常因为人为考虑不周而影响了整个生产的有序进行。

  MES作为制造执行系统,首要的就应该具有高级排产功能,将ERP等上游系统的生产计划,按照交货期、生产数量、优先级、车间现有资源(人员、设备、物料)的有限生产能力,自动制订出科学的生产计划,细化到每一工序、每一设备、每一分钟,进行精细化生产管理。

  因此,可以说高级自动排产(简称APS)是军工MES系统中第一项最重要的关键技术,是衡量MES系统是否具有执行(ERP计划)能力的一个关键因素。一款优秀的APS应该具有以下功能:

  1)支持多样的排产算法

  支持多种高级自动排产算法,如:具有按交货期、精益生产、生产周期、最优库存、同一装夹优先、已投产订单优先等多种排产方式,可满足军工企业各类复杂的排产要求。

  2) 基于设备有限产能的排产

  MES与ERP在排产方面最大的不同就是MES是基于有限能力排产的,即MES完全基于车间现有设备产能进行排产,可准确到每一道工序、每一台设备、每一分钟,并可根据实际情况进行动态调整。

  3)具有优化生产、平衡设备间加工能力

  能力平衡

  通过直观的图形、数字表示,系统提供机床负荷以及每台机床生产任务的视图及分析功能,可方便地优化生产和平衡机床负荷,使生产计划更科学更合理。对逾期计划,系统可提供工序拆分、外协加工、调整设备、调整优先级等灵活的处理措施。

  3.2.全集成的协同制造

  MESA协会在2004年就明确地提出了c-MES的概念,即协同MES,重点强调了协同制造在MES的作用,而非仅仅是执行的问题。

  协同制造在军工生产中也具有非常重要的意义。在当前的车间生产中,计划、调度、物料、工具、检验、操作工等各工种间缺乏有效的协同机制,信息沟通不畅通,常常发生因为某一环节的延误而导致整个生产拖延的情况,在MES系统里采用协同制造管理机制,可有效地避免这些情况,可确保整个生产流畅高效地运转。

  兰光MES中的协同制造平台

  在兰光MES中,当生产计划优化完成后,可通过协同制造平台向相应子系统发送生产准备指令。通过车间级的协同,物料准备、工具准备等各类职能人员可以提前知道相关生产任务,便于提前进行各类生产准备,生产管理人员可实时查看到计划的准备情况、工序状态、在制品信息、质检信息和生产过程中设备的详细运行参数、齐套分析等内容,通过采取及时的生产调度措施来应对生产过程中的各种变化情况,可最大程度地避免因某项工作准备不足而影响车间的正常生产,实现车间级生产的全面协同管理。

  3.3.自动化的数据采集

  很多军工企业实施MES系统,一般首选设备自动化程度较高、信息化基础较好的数控车间。为充分发挥这些数控设备数字化、智能化、自动化的特点,MES系统的另外一项核心就是数据的自动采集技术,对数控设备进行实时、客观、准确、自动的采集,实现一台计算机同时监控所有机床的实时状态,以电子看板的形式随时展示所有机床的开机、运行、故障、生产进度等状态信息。这些实时的数据将与生产计划形成了管理上的闭环,并进一步指导生产计划的调整。

  1)对于数控设备实现自动化的采集数据:

  支持FANUC、SIEMENS、HEIDENHAIN等在内的上百种控制系统。

  实时采集:可从网络上的任何客户机监控所有机床的实时状态。

  详尽的报告:全功能的机床状态电子看板与电子地图显示,以及各种分析报告,便于了解现场关重设备的生产状况。

  针对带网卡的机床,不用添加任何硬件,直接通过网卡采集到以下信息:

  机床开机、关机。

  机床的实时状态。如运行状态、空闲、报警等等。

  程序信息,如正在运行哪个程序等。

  数控程序加工次数。

  转速和进给。可以实时反馈当前的转速S值和进给速度F值,机床倍率。

  坐标信息。包括:绝对坐标、机床坐标、相对坐标、剩余移动量等。

  报警信息。能够实时反馈机床是否有报警,报警号是什么。

  主轴功率等其他信息

  2)系统也支持条码、触摸屏等常见的采集手段。

  除了对数控设备的自动采集外,兰光MES也完全支持条码自动打印、自动扫描、条码内容自由定义等功能。

  条码自动识别技术具有输入速度快,准确度高、成本低和易操作等特点。在自动化装配生产线和各加工过程中,使用条码扫描随工单上条码,实现对生产数据的采集。每个产品的每个工序都会有一个唯一的条码,只需读入产品上的条码,就可以在数据库内调出该产品所有的相关数据,大大便利了产品的质量跟踪和售后服务。

  触摸屏作为一种最新的电脑输入设备,它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式,具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术,用户只要用手指轻轻地触摸计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作,从而使人机交互更为直截了当,这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。

  在现场终端触摸屏,可通过条码扫描自动识别工序,工人就能够方便快捷地进行工序的开工、暂停和完工反馈。

  总之,数据采集是MES成功实施的重要基础,MES系统只有能够进行及时、全面的数据采集,并与生产计划形成管理上的闭环,制订的计划才有可执行性,计划才能更科学。

  3.4.全透明的决策支持

  为实现生产数据最大程度上的共享,结合当今大数据分析等先进理念,MES系统要对这些海量数据进行深入挖掘,实现过程全透明的管理,做到对生产中所有信息可随时查看,并结合企业的真实需要,提供车间管理人员、各类使用人员的各类统计分析报告,做到对生产计划制订情况、执行情况、工段作业情况、物料、刀具、质量、设备等几乎所有的生产信息进行综合分析,为车间层的管理与决策提供可靠的量化数据。如:

  1) 机床实时生产状况统计:

  每台机床或每班组加工的工件数量。

  机床开机时间、机床停机时间、机床故障时间、机床运行时间。

  操作工的效率、机床利用率(OEE)等。

  各种形式的日报、月报、季报、年报。

  可以具体统计到每个机床、一个班组、整个车间。

  可以以饼图、柱图、折线图、统计表格等多种方式统计、分析数据。

  机床利用率

  2) 计划制订及完成情况统计:

  监控、查询所有产品的进度和生产,如:该订单处是否已经投产?交货期能否准时?是延误还是提前?具体时间是多少?以产品、部件、零件、工序等多级别管理生产,结构清楚,一目了然。

  3) 物料、在制品、质量、库存等统计查询:

  物料库存、在制品周转、各工序的质量、工具库存及积压等情况。

  4) 其他各类数据统计分析功能

  3.5.直观易用的图形化界面

  由于MES系统的主要应用对象是车间的各类人员,包括车间领导、计划调度人员、现场工人及各类生产辅助人员,生产事务繁忙,计算机水平不是很高,因此,兰光MES系统在设计时就充分考虑到了这些因素,采用直观的图形化界面,将生产中的各类抽象信息用图形化的形式展现出来,非常方便使用者学习与掌握。

  1) 图形化的计划排产

  兰光MES系统除了具备强大的排产算法以外,并采用了让人耳目一新的图形化界面。如:计划员可用鼠标拖拽的方式调整机床的生产计划,所有因此而受到影响的产品将被重新排产。所有的更改只有保存后才会生效,因此计划员可以进行各种可能排产的尝试。

  图形化的排产界面

  2) 图形化的生产看板

  在生产任务管理中,兰光MES采用红绿灯系统的颜色,用户很容易地查看每个任务和工序的状态,包括是否投产、计划数量、交货期、所用时间、提前(或延迟)时间、已完成数量等,非常直观。

  图形化的生产看板

  3) 醒目的预警机制

  拖期任务提醒

  在计划进行调整后,对于还未执行的计划,系统会计算分析出可能要拖期的零件和工序,并用醒目的颜色表示出来,使计划调度人员有针对性地关注其进度并做出快速响应。

  4) 图形化的统计分析

  在兰光MES系统中,可以自动生成各类统计报表,可按车间不同角色所需了解的信息来分类,可按周报、年报、月报来统计,可按柱状图、饼图、报表的形式展现。

  图形化的统计报表

  4. 结束语

  面对复杂的军工企业生产管理,我们一定要深入理解与贯彻精益生产与MES的概念与精髓,并紧密结合军工企业的行业特点、当前存在的问题,以及系统使用群体的特点,重点突破上述5大关键技术瓶颈,力争全面涵盖计划调度、作业管理、物料管理、工具管理、质量管理、数据采集、现场信息管理、决策支持等车间生产的各个方面,构建具有军工特色的MES系统,可有效地提升企业的运行效率、降低生产成本、全面增强企业竞争力,为打造国内领先的数字化工厂奠定良好的基础。

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