1 引言
制造執行系統(MES)是20 世紀80 年代開始出現的一種位于上層的計劃管理系統與底層的工業控制之間的面向車間層的管理信息系統。它是企業CIMS(計算機集成制造系統)信息集成的紐帶，是實施企業敏捷制造和實現車間生產敏捷化的基本技術手段。
質量管理模塊是制造執行系統的重要組成部分，同時質量管理是企業管理和生產管理的核心。而目前在大多數工業企業中質量管理是通過上層的生產計劃下達、事后生產產品的檢驗和質量統計報表等形式進行的質量管理，沒有實現實時的生產質量控制和預測，控制效果和效益受到很大限制。現代企業中的質量管理系統作為核心功能之一，是以信息處理技術為核心，融入了先進的質量管理理念的決策支持平臺。
本文將質量管理系統作為MES 系統中的一個模塊，實時分析從制造現場收集到的數據，及時控制關鍵工序的加工質量。進行質量預測、監控和在線調試，消除質量缺陷，降低質量成本。同時質量統計分析結果為MES 生產性能分析提供了可靠的質量報告，制造活動生產進度的獲取也使生產質量計劃的執行具有較好的預見性。
2 MES中質量管理模塊的構建
隨著制造業信息化的發展，許多企業實施了以ERP 為代表的企業資源計劃管理系統，以產品設計管理為主的產品數據管理系統，以監控和數據采集為代表的生產過程監控軟件等。這些系統雖然在企業中取得了一定成功，產生了一定的經濟效益，然而也同樣出現了一些新的問題，形成了企業生產管理和控制層之間的分離，使上層的ERP 軟件系統得不到及時精確生產數據的支持，而控制層部分又時常不能及時得到調度指令來調整生產狀態，嚴重影響了企業的生產效率并增加了企業生產成本。隨著企業信息化應用水平的不斷提高，企業逐漸認識到將計劃層與底層制造過程統一起來的制造執行系統是解決這一問題的有效途徑。通過MES 來實現企業信息的集成是提高企業整體管理水平的關鍵。
本文在分析制造業生產過程的基礎上，研究了質量管理系統的體系架構和模型。系統體系結構圖如圖1 所示。
圖1 質量管理系統體系結構圖
系統體系結構可分為三層，上層為面向客戶的計劃層，主要任務是根據客戶需求以及市場需求，利用內部的各種資源制定相應的產業計劃。
中間為面向車間的制造執行系統層，質量控制模塊通過通信中間件服務器接收底層數據信息，結合由ERP 等信息進行質量管理。其中質量管理模塊主要由數據管理、質量檢驗、質量控制、質量分析與改進、產品質量總結五個部分組成。各個模塊功能如下：
（1）數據管理
數據管理模塊通過從數據采集系統或人工輸入的方式采集數據，同時在采集的數據基礎上定義了一系列數據字段，為其他模塊制定統一的數據格式，從而使得本系統數據統一，便于用戶操作以及開發人員的交流。
（2）質量檢驗
本模塊包括進貨檢驗計劃、原材料檢驗等。通過它獲取各種檢驗數據，為后面的質量分析模塊提供數據來源。企業經過此檢驗可以避免不合格原材料，不合格半成品，不合格零部件投入使用，另外，在質量成本中通過合理確定檢驗工作量，對降低質量成本具有很重要的意義。
（3）質量控制
質量控制模塊是質量管理的核心，保證質量活動按照流程進行去，是實現與制造過程的緊密結合的重要組成部分。本模塊包括關鍵工序監控、生產過程控制等幾部分。對于一般加工工序的檢驗，可以依據各自件的加工工藝不同，采用抽樣檢驗的方法，來檢測該工序的加工是否合格，并置報警系統，防止由于設備出現故障而導致批量產品的不合格。對于關鍵工序監控將實現全程的質量監督，以及及時的質量檢測信息反饋，為日后的高品質量管理、嚴格的工藝參數控制提供必須的管理數據。
產品過程控制，將采用控制圖技術與生產控制系統相結合，對簡單的異常表征進行自動監控，在統計報表和控制圖中設立異常報警，輔助質量分析人員對質量問題做出分析，保證在制品的質量。
（4）質量分析與改進
質量分析主要是在對質量活動生產的質量情況進行統計，分析數據反映的質量水平狀況，質量分析主要包括質量為題匯總、質量指標統計、SPC（統計過程控制）三個方面。
質量改進是企業持續發展的動力。質量改進管理針對企業的生產質量狀況，在整個組織內不斷采取改進措施，以提高生產活動和過程的效益。其主要是通過正確地使用有關工具和技術在質量分析的基礎上來進行質量改進。
（5）產品質量總結
產品質量總結的主要功能是制作質量統計報表和提供歷史記錄查詢。
質量統計報表是生產過程中不可或缺的一種質量管理的統計方式。提供對原材料、半成品、成品，按各種要求統計月報、季報、半年報和年報，為質量部門分析質量、產量和合格率等情況提供依據。
歷史記錄查詢是對質量反饋的跟蹤和溯源。實現產品質量信息的逐級反向追蹤與查詢分析。通過記錄客戶對產品使用的質量反饋信息，并制定相關的質量處理流程和反饋機制，實現產品質量的及時改進。底層為面向生產作業現場的控制層，主要任務是采集生產過程中的數據，執行MES 下達的指令，同時反饋實時信息。
3 系統關鍵部分的實現
3.1 數據采集
生產數據自動采集是實現質量管理和生產控制相統一的關鍵，是本車間質量管理系統區別于一般質量管理系統的顯著特色，也是本系統實現的關鍵技術之一。隨著數據采集技術的不斷發展，現場數據自動采集技術也已經在國內外許多制造企業得到了研究和應用。例如代表性的條形碼技術、無線射頻識別技術(RFID)等都漸漸從其他領域擴展到制造領域，不斷成熟的技術為我們信息化的開展提供了良好的基礎。
生產裝置底層控制系統和數據采集系統種類比較多，但大多支持OPC 并提供相應的OPC 接口，因此我們將通過與服務器建立回調，只要服務器發現數據有變化，就會主動向OPC 客戶發出通知和變化的數據，利用OPC 來采集相應的底層數據，對于沒有配置OPC 的DCS/PLC 等系統，我們將通過為用戶提供特殊的接口完成數據采集，所提供的接口不僅能采集生產過程控制系統的數據，還能存儲用戶界面人工輸入的數據和其他軟件包經應用程序接口寫入的數據。系統數據結構圖如圖2 所示：
圖2 數據結構圖
圖中通過數據采集接口得到的是生產過程中實時數據，并進行數據的篩選、診斷，右邊為生產制造中的諸如設備信息，生產任務等靜態數據。通過數據接口將實時的、基于時間序列的數據傳入系統數據庫中并結合生產制造中的靜態數據，以此來為MES 功能層提供全面的數據。
3.2 統計過程控制圖的應用
3.2.1 SPC 理論及控制圖
的概率為0.27%，單側概率為0.135%，這是個很小的概率，出現這樣概率的事件稱為小概率事件，根據小概率事件原理，小概率事件在一次實驗中是不會發生的。如果發生了，則說明原來的分布受到了系統性因素的影響處于失控狀態。美國的休哈特正是根據這一理論提出了控制圖方法。
圖3 正態分布圖
控制圖是對過程質量加以測定、記錄從而進行控制管理的一種用統計方法設計的圖。通過從過程中以近似等間隔抽取數據，這樣就形成了每一個子組，然后從中可以得到每一個子組一個或多個子組特征，如
一條中心線（CL），作為所繪點特性的基準值，上控制界限(UCL)和下控制界限(LCL)，如圖4 所示。
圖4 控制圖示例
利用控制圖來分析工序狀態容易出現兩類錯誤。第一類是虛判，即生產正常情況下，因偶然因素點超出界限而判為異常；第二類是漏判，即異常生產情況下，因產品質量分布偏離了典型分布而判正常。所以，在選擇控制界時，應使兩種錯誤最小。長期實踐證明，當控制線CL為μ，UCL為μ+3σ，LCL為μ－3σ兩種錯誤造成的總損失較小。
3.2.2 SPC 控制圖應用流程
控制圖的應用流程如圖5 所示，其中的SPC 實施分為分析階段和監控階段。這兩個階段使用的控制圖分別稱為分析用控制圖和控制用控制圖。分析階段的主要目的是使過程處于統計穩態，使過程能力足夠，在此基礎上確定控制界限；監控階段的主要目的是使用控制圖進行監控，在過程受控的情況下通過查表1中過程能力指數，判斷過程能力是否滿足要求。如果過程能力不充足，則要采取措施分析原因，改進過程，然后重新進行過程判斷和過程能力分析。
圖5 SPC 控制圖應用流程圖
其中過程能力指數是表示工序能力滿足產品質量標準程度的評價指標，而質量標準通常指公差，通常將允許的公差范圍除以6σ 的比值稱為過程能力指數，指數用PC 表示，過程能力指數的值愈大，則意味著過程能力愈高。過程能力指數能夠合理、全面地反映系統因素、隨機因素對過程能力的影響，有助于查找影響產品質量波動的因素。過程能力的判定與對策見表1。
表1 過程能力分級判定與對策
4 應用案例
最后將該系統在上海某化工企業中進行應用，上層ERP 系統下達生產任務，控制層通過相應的OPC接口或者自己設定的接口將生產過程的數據傳入到質量管理模塊中，結合人工錄入的數據以及設備信息通過組態軟件將數據寫入數據庫中，組態軟件還負責監控設備的生產過程，質量分析軟件利用實時數據根據生產要求繪制相應的控制圖，計算質量指標，發布報警信息，再通過系統的集成開發環境將結果部署到各個生產車間。系統部分控制圖顯示畫面如圖6 所示。
圖6 均值-極差控制圖
5 結語
系統在企業的應用不僅成功實現質量數據信息共享，而且更加深入地處理這些質量數據，達到對品質量的有效控制和生產監控，同時提供可視性，為企業車間管理決策提供支持，改變以往質量管理的工作方式，降低勞動強度，提高生產效率，節約生產成本。推動了企業決策與管理的科學化、系統化和信息化。
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本文標題：MES中質量管理模塊的研究與應用
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