1 引言

    制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是20 世紀80 年代開始出現(xiàn)的一種位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)。它是企業(yè)CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))信息集成的紐帶，是實施企業(yè)敏捷制造和實現(xiàn)車間生產(chǎn)敏捷化的基本技術(shù)手段。

    質(zhì)量管理模塊是制造執(zhí)行系統(tǒng)的重要組成部分，同時質(zhì)量管理是企業(yè)管理和生產(chǎn)管理的核心。而目前在大多數(shù)工業(yè)企業(yè)中質(zhì)量管理是通過上層的生產(chǎn)計劃下達、事后生產(chǎn)產(chǎn)品的檢驗和質(zhì)量統(tǒng)計報表等形式進行的質(zhì)量管理，沒有實現(xiàn)實時的生產(chǎn)質(zhì)量控制和預(yù)測，控制效果和效益受到很大限制。現(xiàn)代企業(yè)中的質(zhì)量管理系統(tǒng)作為核心功能之一，是以信息處理技術(shù)為核心，融入了先進的質(zhì)量管理理念的決策支持平臺。

    本文將質(zhì)量管理系統(tǒng)作為MES 系統(tǒng)中的一個模塊，實時分析從制造現(xiàn)場收集到的數(shù)據(jù)，及時控制關(guān)鍵工序的加工質(zhì)量。進行質(zhì)量預(yù)測、監(jiān)控和在線調(diào)試，消除質(zhì)量缺陷，降低質(zhì)量成本。同時質(zhì)量統(tǒng)計分析結(jié)果為MES 生產(chǎn)性能分析提供了可靠的質(zhì)量報告，制造活動生產(chǎn)進度的獲取也使生產(chǎn)質(zhì)量計劃的執(zhí)行具有較好的預(yù)見性。

2 MES中質(zhì)量管理模塊的構(gòu)建

    隨著制造業(yè)信息化的發(fā)展，許多企業(yè)實施了以ERP 為代表的企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)，以產(chǎn)品設(shè)計管理為主的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集為代表的生產(chǎn)過程監(jiān)控軟件等。這些系統(tǒng)雖然在企業(yè)中取得了一定成功，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟效益，然而也同樣出現(xiàn)了一些新的問題，形成了企業(yè)生產(chǎn)管理和控制層之間的分離，使上層的ERP 軟件系統(tǒng)得不到及時精確生產(chǎn)數(shù)據(jù)的支持，而控制層部分又時常不能及時得到調(diào)度指令來調(diào)整生產(chǎn)狀態(tài)，嚴重影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率并增加了企業(yè)生產(chǎn)成本。隨著企業(yè)信息化應(yīng)用水平的不斷提高，企業(yè)逐漸認識到將計劃層與底層制造過程統(tǒng)一起來的制造執(zhí)行系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑。通過MES 來實現(xiàn)企業(yè)信息的集成是提高企業(yè)整體管理水平的關(guān)鍵。

    本文在分析制造業(yè)生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)上，研究了質(zhì)量管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)和模型。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 質(zhì)量管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

    系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可分為三層，上層為面向客戶的計劃層，主要任務(wù)是根據(jù)客戶需求以及市場需求，利用內(nèi)部的各種資源制定相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)計劃。

    中間為面向車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)層，質(zhì)量控制模塊通過通信中間件服務(wù)器接收底層數(shù)據(jù)信息，結(jié)合由ERP 等信息進行質(zhì)量管理。其中質(zhì)量管理模塊主要由數(shù)據(jù)管理、質(zhì)量檢驗、質(zhì)量控制、質(zhì)量分析與改進、產(chǎn)品質(zhì)量總結(jié)五個部分組成。各個模塊功能如下：

    （1）數(shù)據(jù)管理

    數(shù)據(jù)管理模塊通過從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或人工輸入的方式采集數(shù)據(jù)，同時在采集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上定義了一系列數(shù)據(jù)字段，為其他模塊制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，從而使得本系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一，便于用戶操作以及開發(fā)人員的交流。

    （2）質(zhì)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(shù)據(jù)，為后面的質(zhì)量分析模塊提供數(shù)據(jù)來源。企業(yè)經(jīng)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(zhì)量成本中通過合理確定檢驗工作量，對降低質(zhì)量成本具有很重要的意義。

    （3）質(zhì)量控制

    質(zhì)量控制模塊是質(zhì)量管理的核心，保證質(zhì)量活動按照流程進行去，是實現(xiàn)與制造過程的緊密結(jié)合的重要組成部分。本模塊包括關(guān)鍵工序監(jiān)控、生產(chǎn)過程控制等幾部分。對于一般加工工序的檢驗，可以依據(jù)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(tǒng)，防止由于設(shè)備出現(xiàn)故障而導致批量產(chǎn)品的不合格。對于關(guān)鍵工序監(jiān)控將實現(xiàn)全程的質(zhì)量監(jiān)督，以及及時的質(zhì)量檢測信息反饋，為日后的高品質(zhì)量管理、嚴格的工藝參數(shù)控制提供必須的管理數(shù)據(jù)。

    產(chǎn)品過程控制，將采用控制圖技術(shù)與生產(chǎn)控制系統(tǒng)相結(jié)合，對簡單的異常表征進行自動監(jiān)控，在統(tǒng)計報表和控制圖中設(shè)立異常報警，輔助質(zhì)量分析人員對質(zhì)量問題做出分析，保證在制品的質(zhì)量。

    （4）質(zhì)量分析與改進

    質(zhì)量分析主要是在對質(zhì)量活動生產(chǎn)的質(zhì)量情況進行統(tǒng)計，分析數(shù)據(jù)反映的質(zhì)量水平狀況，質(zhì)量分析主要包括質(zhì)量為題匯總、質(zhì)量指標統(tǒng)計、SPC（統(tǒng)計過程控制）三個方面。

    質(zhì)量改進是企業(yè)持續(xù)發(fā)展的動力。質(zhì)量改進管理針對企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量狀況，在整個組織內(nèi)不斷采取改進措施，以提高生產(chǎn)活動和過程的效益。其主要是通過正確地使用有關(guān)工具和技術(shù)在質(zhì)量分析的基礎(chǔ)上來進行質(zhì)量改進。

    （5）產(chǎn)品質(zhì)量總結(jié)

    產(chǎn)品質(zhì)量總結(jié)的主要功能是制作質(zhì)量統(tǒng)計報表和提供歷史記錄查詢。

    質(zhì)量統(tǒng)計報表是生產(chǎn)過程中不可或缺的一種質(zhì)量管理的統(tǒng)計方式。提供對原材料、半成品、成品，按各種要求統(tǒng)計月報、季報、半年報和年報，為質(zhì)量部門分析質(zhì)量、產(chǎn)量和合格率等情況提供依據(jù)。

    歷史記錄查詢是對質(zhì)量反饋的跟蹤和溯源。實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量信息的逐級反向追蹤與查詢分析。通過記錄客戶對產(chǎn)品使用的質(zhì)量反饋信息，并制定相關(guān)的質(zhì)量處理流程和反饋機制，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的及時改進。底層為面向生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場的控制層，主要任務(wù)是采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，執(zhí)行MES 下達的指令，同時反饋實時信息。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵部分的實現(xiàn)

    3.1 數(shù)據(jù)采集

    生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集是實現(xiàn)質(zhì)量管理和生產(chǎn)控制相統(tǒng)一的關(guān)鍵，是本車間質(zhì)量管理系統(tǒng)區(qū)別于一般質(zhì)量管理系統(tǒng)的顯著特色，也是本系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)也已經(jīng)在國內(nèi)外許多制造企業(yè)得到了研究和應(yīng)用。例如代表性的條形碼技術(shù)、無線射頻識別技術(shù)(RFID)等都漸漸從其他領(lǐng)域擴展到制造領(lǐng)域，不斷成熟的技術(shù)為我們信息化的開展提供了良好的基礎(chǔ)。

    生產(chǎn)裝置底層控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)種類比較多，但大多支持OPC 并提供相應(yīng)的OPC 接口，因此我們將通過與服務(wù)器建立回調(diào)，只要服務(wù)器發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有變化，就會主動向OPC 客戶發(fā)出通知和變化的數(shù)據(jù)，利用OPC 來采集相應(yīng)的底層數(shù)據(jù)，對于沒有配置OPC 的DCS/PLC 等系統(tǒng)，我們將通過為用戶提供特殊的接口完成數(shù)據(jù)采集，所提供的接口不僅能采集生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，還能存儲用戶界面人工輸入的數(shù)據(jù)和其他軟件包經(jīng)應(yīng)用程序接口寫入的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示：

圖2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

    圖中通過數(shù)據(jù)采集接口得到的是生產(chǎn)過程中實時數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的篩選、診斷，右邊為生產(chǎn)制造中的諸如設(shè)備信息，生產(chǎn)任務(wù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)接口將實時的、基于時間序列的數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中并結(jié)合生產(chǎn)制造中的靜態(tài)數(shù)據(jù)，以此來為MES 功能層提供全面的數(shù)據(jù)。

    3.2 統(tǒng)計過程控制圖的應(yīng)用

    3.2.1 SPC 理論及控制圖

    的概率為0.27%，單側(cè)概率為0.135%，這是個很小的概率，出現(xiàn)這樣概率的事件稱為小概率事件，根據(jù)小概率事件原理，小概率事件在一次實驗中是不會發(fā)生的。如果發(fā)生了，則說明原來的分布受到了系統(tǒng)性因素的影響處于失控狀態(tài)。美國的休哈特正是根據(jù)這一理論提出了控制圖方法。

圖3 正態(tài)分布圖

    控制圖是對過程質(zhì)量加以測定、記錄從而進行控制管理的一種用統(tǒng)計方法設(shè)計的圖。通過從過程中以近似等間隔抽取數(shù)據(jù)，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(tài)容易出現(xiàn)兩類錯誤。第一類是虛判，即生產(chǎn)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(chǎn)情況下，因產(chǎn)品質(zhì)量分布偏離了典型分布而判正常。所以，在選擇控制界時，應(yīng)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(yīng)用流程

    控制圖的應(yīng)用流程如圖5 所示，其中的SPC 實施分為分析階段和監(jiān)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(tǒng)計穩(wěn)態(tài)，使過程能力足夠，在此基礎(chǔ)上確定控制界限；監(jiān)控階段的主要目的是使用控制圖進行監(jiān)控，在過程受控的情況下通過查表1中過程能力指數(shù)，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(yīng)用流程圖

    其中過程能力指數(shù)是表示工序能力滿足產(chǎn)品質(zhì)量標準程度的評價指標，而質(zhì)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(shù)，指數(shù)用PC 表示，過程能力指數(shù)的值愈大，則意味著過程能力愈高。過程能力指數(shù)能夠合理、全面地反映系統(tǒng)因素、隨機因素對過程能力的影響，有助于查找影響產(chǎn)品質(zhì)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(yīng)用案例

    最后將該系統(tǒng)在上海某化工企業(yè)中進行應(yīng)用，上層ERP 系統(tǒng)下達生產(chǎn)任務(wù)，控制層通過相應(yīng)的OPC接口或者自己設(shè)定的接口將生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)傳入到質(zhì)量管理模塊中，結(jié)合人工錄入的數(shù)據(jù)以及設(shè)備信息通過組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中，組態(tài)軟件還負責監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)過程，質(zhì)量分析軟件利用實時數(shù)據(jù)根據(jù)生產(chǎn)要求繪制相應(yīng)的控制圖，計算質(zhì)量指標，發(fā)布報警信息，再通過系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境將結(jié)果部署到各個生產(chǎn)車間。系統(tǒng)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(jié)語

    系統(tǒng)在企業(yè)的應(yīng)用不僅成功實現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)信息共享，而且更加深入地處理這些質(zhì)量數(shù)據(jù)，達到對品質(zhì)量的有效控制和生產(chǎn)監(jiān)控，同時提供可視性，為企業(yè)車間管理決策提供支持，改變以往質(zhì)量管理的工作方式，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。推動了企業(yè)決策與管理的科學化、系統(tǒng)化和信息化。

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本文標題：MES中質(zhì)量管理模塊的研究與應(yīng)用

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