1 概述
制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)是美國管理界在20世紀90年代提出的新概念，是位于上層的計劃管理系統與底層工業控制之間的面向車間層的管理信息系統，是制造系統實現綜合優化的一項核心技術。MES作為當前制造業信息化領域的研究與應用熱點，起著信息傳遞與溝通的作用，其重要程度得到了制造企業越來越多的關注。
國外已開發出成熟的MES產品并進行了大量應用。如法國達索、德國西門子等公司均開發出了自己的MES產品，在應用客戶中取得了明顯的經濟效益。我國在車間制造執行系統研究方面也已經開展了大量的研究工作，特別是近年來針對軍工企業機械制造特點開發了有針對性的MES產品。如武漢開目信息技術有限公司、北京蘭光創新科技有限公司、北京航空航天大學、北京理工大學、西北工業大學等企業和高校開發的MES產品均已成功地在航空、航天、電子等領域的軍工制造單位進行了工程化應用。
2 典型航天企業機加車間管理現狀
隨著近年來航天產品復雜程度的提高、交付之間的縮短等情況的逐步增多，客觀上對企業的快速響應制造能力提出了更高的要求，企業面臨研制與批量生產交叉并舉、加工時間緊、任務重、生產計劃管理復雜的嚴峻局面，給現有的分廠科研生產管理體系帶來了巨大的壓力，主要體現在：
(1)任務在一定時間內不均衡、設備間任務不均衡企業當前任務量大，同時由于各產品間投產的不均衡性，造成車間加工任務具有時間上的不均衡性，在一定時間內任務量很大。另外，還存在設備間任務的不均衡，設備存在“忙閑不均”的現象，造成生產過程中資源的臨時性缺乏，導致生產過程中設備負荷不均，使得生產資源很難充分利用。
(2)生產過程管理有待優化
當前，車間生產組織采用手工方式進行計劃排產、作業調度控制和過程管理，對設備能力、實做工時、生產準備等因素的考慮比較粗糙，很難從整體的角度對車間資源進行平衡，這在一定程度上降低了計劃的可執行性，使得車間資源得不到整體充分利用，只能憑借生產調度人員的經驗組織加班來解決，進而造成人力、資源、時間的浪費，影響設備的綜合效率。
(3)生產現場信息反饋的及時性不高
車間的任務執行信息反饋主要依賴調度人員進行統計，由于生產過程中存在很多不確定因素，現場的作業執行與先前的計劃安排經常出現較大差距，統計信息不準和統計信息滯后也就不可避免，這也使得及時掌握所有信息成為較困難的事情，在一定程度影響了生產作業計劃的制定、調整，造成生產計劃與生產實際嚴重脫節，影響生產管理部門對任務執行的控制。
(4)缺乏有效的車間層信息化管理手段
企業雖然在信息化建設方面有了一定的基礎，已成功地實施了MRPⅡ、PDM、質量系統等項目，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，使得生產現場物流和質量追溯的手段落后，數控設備獨立運行，信息采集和集成較為困難。
通過MES的實施，企業可以對產品的生產過程進行監控，掌握產品生產過程情況(工藝、設備、質量等)，從而可準確地地預測產品的交貨期，及時發現質量問題，改善物料供應；提高生產計劃的靈活性，提高設備、人員、材料的利用率；面對更加嚴格的檢驗制度，獲得足夠的制造現場數據，列產品的原材料、設備、工藝、加工時間等進行記錄，從而實現產品制造過程的可追溯。
3 面向航天制造企業的MES結構及功能模塊研究
面向航天制造企業的MES，覆蓋機加車間的數控加工中心、簡易數控銑、數控車、線切割、鏜床、刨床、普通車床、普通銑床、磨床及鉗工設備等全部加工資源，以及管理、計劃、調度、工藝、操作、核算等全部人員，實現車間生產作業計劃、工序作業計劃制定、下達、工序工步級信息反饋等車間生產過程控制；通過應用觸摸屏、條碼掃描等方式進行生產現場信息的實時反饋；通過DNC系統實現數控加工程序的有效管理；通過MDC系統實現對關鍵重要設備加工狀態的監控，實現車間生產管理的可視化，制造記錄、工時卡片等紙面文件的電子化，實現與PDM、MRPⅡ等信息系統的集成。
圖1 MES流程圖
MES的主要功能包括基6出數據管理、作業計劃管理、作業執行管理、生產準備管理、報警管理、關鍵重要設備遠程監控及統計分析等。
(1)基礎數據管理
基礎數據是MES運行的前提，為整個系統的運行提供各種資料和數據。通過與MRPⅡ系統的集成，獲取MES運行所需的生產計劃、工時定額、工裝工具等基礎生產數據；通過與PDM工藝系統集成，獲取系統運行所需的型號產品結構、工藝數據等；建立了設備信息、資源組信息、生產日歷信息等基礎數據模型。根據企業實際業務模式定義數據模型，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，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。
(2)作業計劃管理
作業計劃管理模塊實現了基于有限生產能力的計劃排產，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，考慮加工設備的能力，以及任務在設備上的分布時段，可以針對當前車間生產任務和能力的具體情況制訂詳細的作業計劃，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。
(3)作業執行管理
作業執行管理是MES的核心部分，由計劃調度員將MES排產后生成的任務派工到各個班組的班組長，班組長根據任務所在數控設備的操作人具體情況派工到工人，工人接收到任務后確定加工開始，加工過程中可以查閱相關生產信息、技術文檔，完成后匯報自己的加工完成情況并提交檢驗。檢驗員接收到任務后，填寫檢驗結果，如無質量問題，MES將檢驗結果匯報給MRPⅡ系統，如有質量問題，MES先匯報給質量系統，等待質量部門處理意見后反饋回MES的檢驗員匯報界面，檢驗員確認后，匯報給MRPⅡ系統。
(4)生產準備管理
對生產任務進行計劃排產前，可以進行生產準備評估，針對物料、工裝、工藝文件等進行評估，檢查是否具備條件進行派工。針對關鍵重要件生產進行生產準備指令的提前發布，由計劃排產人員根據任務的排產信息給相應人員(工藝員、庫管員等)下達生產準備指令。領導及生產管理人員可以查看關鍵重要件任務的生產準備情況，系統會在任務到期前2天發送預警指令。
(5)報警管理
由于車間實際生產過程的復雜性和某些不可預測的因素，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，啟動報警時間流程，讓相關處理人員準確、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。
(6)關鍵重要設備遠程監控
通過遠程監控實現對關鍵重要數控設備加工過程的監控，將采集的加工信息傳遞給MES，實現生產指令、零件名稱、實際加工時間、實際加工數量、機床開始時間、機床結束時間、有效加工時間、主軸負荷和故障信息等瀏覽，實現關鍵重要設備的實時監控信息基于網絡的共享訪問，提供對設備加工數據的統計、查詢。
圖2 車間作業計劃排產流程圖
(7)統計分析
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，提供靈活的報表定制功能，生產管理人員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，利用統計分析結果為生產管理層提供決策輔助工具。
4 MES工程化應用中的關鍵技術研究
(1)基于數據中心的多平臺、多層次制造數據集成技術
基于數據中心模式，實現MES與MRPⅡ、PDM、質量信息系統、DNC/MDC等系統的數據集成，各系統不直接訪問彼此數據信息，而是統一在數據中心，數據的同步使用相關的刷新策略處理，使用數據同步服務對源數據進行深加工，為了保證業務數據及時準確更新到數據中心，對于不經常處理的業務數據使用異步方式更新數據，對于即時響應處理的業務數據使用同步方式更新數據。
(2)基于有限生產能力的計劃排產技術
通過基于有限生產能力的計劃排產技術，對車間中各工作單元進行完全的有限能力的任務分析，仿真評估計劃的可執行性和預測計劃執行的問題，使系統更符合車間批生產與研制混線生產的實際。系統利用用戶選定的排序規則、任務的約束條件、任務的優先等級等作為啟發規則對任務進行排序，并將排序結果以直觀的方式(Gantt圖)顯示給用戶。
圖3 作業執行管理工作流程圖
(3)面向閉環管理的制造執行過程監控技術
面向閉環管理的制造執行過程監控技術以工藝路線驅動為核心，實現作業執行過程的全面管理，為不同角色的車間人員提供協同工作環境。通過MES，以“計劃排產—生產準備—派工反饋—生產跟蹤監控—現場問題處理—統計分析”為主線，將車間內外的主體業務完整的串聯起來。通過現場觸摸屏、條碼掃描等方式，實現制造過程數據的采集，實現在制品進度的實時跟蹤，為系統用戶實時反映包括從生產準備、零部件加工、完工交付等作業情況。
5 結束語
企業通過實施MES，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，實現了機加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MRPII、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，提升了解決問題的能力，推進了航天制造企業典型機加車間生產管理的數字化進程。MES的實施有利于實現車間管理的精益化，擺脫粗放的管理模式，對于企業的長遠發展具有重要意義。
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