引言

    車間制造執行系統（Manufacturing Execution System），簡稱MES，是美國管理界上世紀90年代提出的新概念，是基于數字化技術建立的車間層作業計劃與執行控制的系統，是制造系統實現綜合優化的一項核心技術。國際KMMESA組織（KMMES國際聯合會）對KMMES的定義：“MES是一些能過完成車間生產活動管理及優化的硬件和軟件的集合，這些生產活動的覆蓋從訂單發放到出產品的全過程”。國外已開發出成熟的MES產品并進行了大量應用，如達索、西門子等公司均開發了自己的MES產品，在應用客戶中取得了明顯的經濟效益。

    國內在車間制造執行系統研究方面也已經開展了大量的研究，特別是近年來針對軍工企業特點開發了針對性的MES產品，如武漢開目信息技術有限責任公司、北京航空航天大學、中江聯合（北京）科技有限公司等，已經成功在航空、航天、電子等軍工制造單位進行了工程化應用。

    北京星航機電設備廠通過大量的調研，系統性能、穩定性和兼容性等指標的對比，最終選用了開目公司的車間制造執行系統（簡稱KMMES）。

1 KMMES的建設背景

    近年來，隨著科研生產任務不斷增加，新產品研制周期和批量生產的轉換周期明顯加快，要求車間大幅度縮短零件工藝技術準備周期和零件加工周期，對質量控制和成本控制也提出了更高的要求。在生產數控車間中，單純的依靠增加機床設備、擴大資源等方式來提高產能已經難以滿足新的需求，同時，新的需求帶來了企業制造管理方方面面的變革，為上至制造企業、下至制造車間帶來了一系列的挑戰。

    制造信息化走到了今天，制造車間信息化數字化已為制造企業所廣泛認同。企業領導已經清醒的認識到：制造技術的領先和制造過程的高效管理是保持可持續發展的關鍵。

    北京星航機電設備廠雖然在信息化建設方面有了一定的基礎，已成功實施了ERP/PDM/質量系統項目，但卻僅限于企業專項業務層，而在中間的車間級執行層面上卻是一片空白。企業面臨以下問題：

    ●如何提升排產速度與靈活性，同時優化調度和生產活動，以應對任務完工期限的有限，以及人員、設備、任務的不斷變化；

    ●如何實現制造過程的可追溯，對產品的生產過程進行記錄，了解產品使用的原材料情況，生產過程情況（工藝、設備、質量等），從而及時發現生產過程中的質量問題，也為后續質量問題分析提供證據支持；

    ●如何實時展現生產過程中的設備加工情況、計劃執行情況、生產資源調度情況、報警等信息內容；

    ●如何實現生產過程中產生的實時數據的統計分析，設備的利用率如何，人員的技能水平如何，哪個工序容易產生不合格品等等，從而為領導提供成本計算，質量分析，生產能力的決策支持。

    KMMES便是實現這些要求的有效手段。

2 KMMES的解決方案

圖1  KMMES的功能模型圖

    根據圖1可以清晰的看出KMMES的七大功能管理與應用：數據資源管理、作業計劃管理、作業執行管理、報警事件管理、監控管理、統計分析、決策支持。下面重點解說一下KMMES的六大亮點，也是為企業面臨的急需問題提供的解決方案。

    2.1 強大的有限能力排產，為計劃制定和執行提供了科學依據

圖2 計劃排產流程圖

    KMMES計劃排產是緊密結合與生產制造有關的人員、設備、物料等生產現場的實時情況，對生產計劃進行精確的有限能力排產和控制，具體確定每道工序的投入和產出，將工序的投入時間和產出時間精度提高到時、分級，進行工序級的生產排產，從而能夠更加緊湊、合理地安排生產任務，提高排產的效率和準確性。同時還支持按不同策略進行排產的功能，如支持正排、倒排；支持基于優先級、交貨期限、最長工序、瓶頸資源等約束的排產；支持鎖定某個已排計劃或某道工序的重新排產等。

    KMMES計劃排產的應用，提高了加工任務的準時交貨率，減少機床的停機和等待時間，縮短了生產過程時間，快速解決了插單的難題，提高了調度的有效性和及時性，為計劃制定和執行提供了科學依據，并且不斷提升了車間實做工時信息的準確率，便于成本核算，績效考核。

    排產完成后系統會自動生成一項項任務，由調度人員將其派工給各個班組。為了防止因生產計劃調整、臨時插單等情況出現而造成任務混亂、調整工作量大等問題，車間一般派出3-5天的任務進行現場運行。

    通過基于有限生產能力的計劃排產，支持離散、小批量及流水等混合作業模式，實現了制造資源全過程優化配置，并適應了復雜、動態的航天制造企業現場環境，通過有序、協調、高效和柔性的作業排產，設備資源利用負荷相對平衡，有效縮短了典型關重件/瓶頸零件制造周期。

    2.2 詳細的作業執行過程記錄，實現了產品的可追溯管理，讓管理人員一目了然

    作業執行過程管理是KMMES的核心部分，因此作業執行管理流程會直接或間接的影響著產品的生產、監督、監控與質量的把關。為確保產品的生產過程處于受控狀態，不斷的優化作業執行管理流程是非常必要的。北京星航機電設備廠數控車間的作業執行管理工作流程見下圖3所示。

圖3 數控車間作業執行工作流程圖

    數控車間調度員首先在KMMES管理平臺上將排產后生成的任務派工到各個班組的班組長，班組長、工人、檢驗人員在現場觸摸屏上進行一系列活動的完成。班組長根據任務所在數控設備的操作人具體情況進行派工到工人，工人接收到任務后確定加工開始，此時KMMES開始記錄該任務在當前工序的實際加工時間。工人在加工過程中可以查閱相關的生產信息、技術文檔，完成后向該工序檢驗匯報自己的加工完成情況。檢驗接收到任務后，填寫檢驗結果，對于關鍵工序需要填寫關鍵工序尺寸記錄報告。如果無質量問題時，KMMES將檢驗結果匯報給ERP系統，如果有質量問題，KMMES 先匯報給質量系統，等待質量部門處理意見后反饋回KMMES的檢驗員匯報界面，檢驗員確認后匯報給ERP系統。

    通過作業執行過程管理將計劃作業過程詳細的記錄在系統中，實現了管理人員工序級加工情況的可追溯查詢，從而及時發現生產過程中的質量問題，也為后續質量問題分析提供證據支持。

    2.3 強大的監控平臺，解決了車間生產管理的可視化和響應速度

    通過監控管理模塊，來實現車間生產管理的透明化和可視化，能及時準確地反映生產車間的真實情況，且能夠通過三維\二維圖形、表單等形式進行直觀的、歷史的和實時的生產過程的重現，使管理人員及時的了解到設備加工情況、計劃的執行情況、生產資源的調度情況、報警信息的狀態情況等實際狀況。

    由于車間實際生產過程的復雜性和某些不可預測性等因素，如設備故障與檢修、產品質量問題、工藝設計問題等，會使車間的正常運行受到一定的影響，從而影響生產進程，因此啟動報警事件流程，讓相關處理人員第一時間準確、及時地獲取相關報警事件信息是至關重要的，從而進行有效、迅速的響應，及時處理現場發生的各種事件，對生產現場加以調整，以保證整個生產車間的正常運行。

圖4  KMMES系統設備監控三維顯示模塊

    2.4 強大的統計分析與決策支持，是其他生產系統無法媲美的優勢

    在實際生產工作中，車間經常需要獲得生產過程中的各類生產情況的匯總報表信息。KMMES統計分析模塊，通過報表、線型圖、餅狀圖、柱狀圖等數據的展示手段，實現了人員統計、設備統計、物料統計、質量統計、任務統計。北京星航機電設備廠的KMMES還提供了靈活的報表定制功能，數控車間的用戶可以直接在系統中通過簡單的設置新增所需的統計內容、顯示格式等。

    決策支持模塊是北京星航機電設備廠KMMES正在建設的模塊，通過基于觸摸屏/條碼的物流標識和數據采集，實時掌握車間現場的作業執行情況，建立信息齊備的產品生產與質量信息檔案，實現產品制造過程可追溯管理，了解異常問題的處理情況，掌握關重設備的運行狀況和利用率，通過實際加工時間了解人員的技能水平等等。通過這些方式的實現，為車間領導及其他專項應用系統提供決策輔助工具，提升車間基礎執行層的管理能力，并用技術手段保存下企業的核心技術經驗，實現知識的積累。

    2.5 全面的系統集成，實現了開放式集成化的信息流管理

    基礎數據是運行KMMES的前提。按照北京星航機電設備廠的實際管理對KMMES系統定義數據模型，實現了對生產制造的基礎數據對象及車間資源狀態和其分配信息進行管理，從而使KMMES系統能與車間的實際業務模式相適應，為下一步制定出更加切實可行、執行度高的生產計劃打下堅實的基礎。

    不僅如此，實施全面的系統集成，實現了開放式集成化的信息流管理，提升了現有生產管理系統性能，推進了數控車間生產管理的數字化。

    通過KMMES工程化應用技術，與ERP、PDM、DNC/MDC等系統有效集成，構建了數字化車間協同制造平臺，實現了數據信息集成與共享。通過與ERP系統的集成，獲取了生產計劃、工具/工裝等物料信息、標準工時等基礎生產數據；通過與PDM工藝系統集成，獲取了工藝BOM、二維、三維工藝文件、NC程序等基礎工藝數據；通過與人力資源系統的集成，根據工種、班組、狀態建立了KMMES人員數據模型；通過與DNC/MDC系統集成，獲取機床設備的動態信息等等。

    2.6 采用條碼技術，極大的提高KMMES系統應用效率，真正實現自動化的信息化

    在生產制造過程中，物料信息和零部件信息是車間數據管理的一大難題，為了解決數據錄入和數據采集這一“瓶頸”問題，企業對這些信息進行了規范化編碼管理，并引入條碼技術應用于KMMES系統。由于一維碼數據容量小、只能包含字母和數字、容錯能力差等缺點，北京星航機電設備廠車間選用了二維條碼技術。在KMMES系統中應用于員工卡、交檢單、轉移單等系統輸入輸出端，極大的方便了工人軟件登錄，信息查詢等操作，為車間的物料信息管理和生產制造過程管理提供了有力的技術支持，對提高KMMES系統的應用效率起到了積極作用 ，真正實現自動化的信息化。

3 北京星航機電設備廠MES的定位模型

    美國權威機構現金制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）最先提出了MES的定位模型：“MES是位于上層的計劃管理系統與工業控制系統之間的面向車間層的管理信息系統”。結合這一理念，北京星航機電設備廠根據自身特點提出建設MES系統的定位模型是：基于ERP、PDM、質量系統等專項業務系統與車間制造活動之間的車間管理信息系統。見下圖5所示。

圖5 北京星航機電設備廠KMMES的定位模型

    從這個三層定位模型清楚的可以看出，MES是面向制造活動管理的中間執行層系統，它作為信息的集線器，專項業務系統為MES運行提供所需的基礎數據，MES為其他的專項業務系統提供生產過程的實時數據，并且向車間制造活動下達生產指令進行生產流程的過程控制，車間制造活動通過各種接口將生產現場信息傳遞給它。

4 北京星航機電設備廠MES的目標模型

圖6 北京星航機電設備廠MES發展目標模型

    北京星航機電設備廠在實施MES之初確立了MES的五步走的發展目標。

    2009年國防科工局下發《關于下達千臺數控機床增效工程條件建設實施方案的通知》，批復了北京星航機電設備廠MES項目可行性研究報告，之后開始調研、討論、論證到技改項目申報、審批，再到招標、項目實施經歷了一年半時間，基本完成了規范原始數據、信息化排產、細化過程流程，建立了強大的車間制造執行系統，加強了車間生產過程的控制，完成了北京星航機電設備廠MES發展目標的第一步。

    第二步，通過優化生產過程流程，引進先進科學的管理制度，來優化MES的系統功能，確立和實現MES車間中間執行層的價值。

    第三步，通過優化MES，加強調度管理能力，提高調度車間資源的有效性和響應問題的及時性。

    第四步，通過先進管理理念和成熟的信息化軟件支持，實現了與生產、工藝、質量系統無縫集成，進而推動車間綜合管理的全面優化和系統化。

    第五步，邁向 MES的終極目標，管理層結合MES（代表著是車間的實力與能力）進行車間的決策和未來規劃。

5 結束語

    北京星航機電設備廠KMMES的建設基本覆蓋了數控加工中心、簡易數控銑、數控車、線切割、鏜床、刨床、普通車床、普通銑床、磨床及鉗工設備等機加設備，以及管理、計劃、調度、工藝、操作、核算等在職人員，完成了從計劃任務到最終產品的生產活動的全生命周期管理與監控，實現了數控車間對復雜產品的資源管理、數據管理、作業計劃、工藝設計、執行控制和質量管理等核心業務過程的閉環管理模式，同時通過與ERP、PDM、質量等信息系統的有效集成，將當前精確的數據及時傳遞并分散到各個相關流程部門處理，引導、響應和報告車間的生產動態，大大提升了解決問題的能力，推進了數控車間生產管理的數字化進程。

    我廠MES發展之路還需要一個很長的過程進行探索與創新，我們將一步一個腳印，努力打造信息化數控車間，并將此經驗向北京星航機電設備廠全廠其他專業車間推廣，為全面建設具有核心競爭力的航天裝備企業奠定堅實的基礎。

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本文標題：借力KMMES，打造信息化數控車間

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