由于近些年國際局勢的動蕩，國家從安全布局和戰略考慮，加大了對我國軍工企業的投入，對軍工產品的需求越來越大，這給北京航星機器制造公司等航天軍工企業帶來了新一輪的機遇和挑戰，急需進一步擴大生產能力、提高生產效率、加強生產管理。根據廠領導的不斷分析、調研，提出以計算機軟件輔助生產管理，并實現與已有信息系統的緊密集成，建立“數字化”制造車間，從而最大限度發揮生產效率的方針。本文針對國內航天軍工行業的機械加工業務及企業整體信息化水平的發展現狀，分析了該行業機械制造業務的特點及生產過程中數據管理的需求，論述了在企業生產制造過程中實施車間制造執行系統(MES)的必要性和緊迫性。根據對企業實際業務需求進行的調研與規劃，提出了企業的機加車間MES系統項目解決方案。最后，簡要地介紹北京航星機器制造公司施行MES系統的情況與效果。
企業業務概逑
1 企業基本情況介紹
北京航星機器制造公司機加部主要負責加工生產該廠獨立研發的和一些外協的機械零部件。隨著幾十年的發展，其機加部從原來幾十人的純手工作業，發展到目前近300人規模和60％自動化設備的先進制造基地，無論是生產能力和還是產品質量都有大幅度提升。企業的信息化水平也一直走在行業的前列。在信息化發展過程中，企業已經成功實施了并捷EMIS(MRPⅡ/ERP)、開目PDM，CAPP系統與華洋宏DNC系統。企業在硬件配套上也加大了投入，其機加部已實現了由傳統機床向數控機床的轉變。
2 企業的生產特點
作為國內典型的生產制造企業，北京航星機器制造公司既具備某些一般制造行業的普適特點，也具有自身的獨特性，主要表現在以下5個方面：
(1)典型的多品種、小批量(或單件)的離散加工。企業生產的產品品種多達上千種，每種產品的批量大小不一，多的幾十件到上百件，少的幾件甚至單件。
(2)多型號并舉，研制與批產交叉進行。多種型號產品同時生產，研制任務和批產任務并舉，特別是研制任務、設計方案變化較頻繁。與之相適應，產品的制造工藝、物料需求都將隨之改變。
(3)生產插單現象普遍，導致生產計劃變更頻繁。車間生產存在大量“插單”，在產品生產中，經常會接到一些指令性任務，存在較多的緊急生產任務。
(4)工藝過程復雜，涉及的生產環節多，制造難度大。由于該類企業的產品零部件的加工工藝復雜、精度要求高。新產品的制造需求與企業現有生產能力和生產設備不匹配，從而造成資源配置和物流的不平衡，難以體現單元化生產的效率。
(5)產品質量要求高，生產過程對質量控制非常嚴格。企業對生產的產品質量要求非常高，出廠后的合格率必須是100％。在企業生產過程中，對零部件每一道工序加工完成后都要進行嚴格的檢驗，對出現的質量問題進行及時處理，將質量問題控制在企業范圍內。
項目需求分析與規劃
通過對企業生產業務需求的細致調研，歸結出企業車間生產過程中遇到的問題，主要體現在以下3個方面。
1 生產計劃難制定
企業計劃員制定計劃工作量大、難度大。(1)工人能力不確定性：企業為多年國企，工人素質參差不齊；(2)實作工時不確定性：車間設備品牌種類多樣，實際生產中機床受到多種復雜因素影響，難以確定任務的有效加工工時；(3)任務不確定性：生產中“插單”普遍，下達的生產計劃經常變更，對該類離散制造企業而言，導致計劃調整難度大；(4)手工排產落后性：車間目前依靠調度員用Excel進行計劃和調度，工作量大且調整維護困難。
2 生產過程難管理
從企業生產狀況來看，生產管理人員雖然知道所需完成產品的數量和時間，但由于整個生產過程不透明，需要大量計調員在現場協調生產，甚者需車間領導親臨現場指導生產。(1)生產監控不及時：缺乏對當前生產狀態的及時監控，無法動態掌握當前各種資源的狀況；(2)生產歷史難以追溯：管理人員無法快速準確定位產品的加工設備、任務的加工者、實際加工時間、廢品數量等生產管理人員所關注信息；(3)計劃跟蹤不及時：缺乏對生產進度的精確把握，對不同型號產品當前的生產狀況細節信息很難準確及時掌控；(4)突發因素處理不及時：生產現場環境復雜、突發因素多，車間對突發狀況的應變能力有限，調度人員無法及時獲取車間異常情況，很難及時進行現場處理；(5)生產情況統計分析不準確：生產情況統計非常復雜和繁重，對數據的準確性，可靠性要求很高，目前這部分數據很難準確獲得。
3 企業信息難集成
該企業機加部生產過程中接收處理的信息多、量大等原因，導致信息難以集成統一。(1)涉及信息的類型多：加工過程中涉及產品設計與制造環節各種信息，信息類型多，信息量大；(2)信息的實時性要求高：車間生產是一個動態過程，為了準確把握現場情況，對信息的實時性要求高；(3)設備情況復雜，需要多種數據采集方式并用：由于機床品牌種類多樣，無法通過單一的數據采集方式將車間所有設備數據采集完整，必須通過多種數據采集方式獲得設備生產數據。
系統特色功能規期分析
1 實現車間資源的數字化建模
通過采用對象化的技術與方法，對機加生產車間現有的主體資源，建立一個能夠滿足企業生產需求的數字化資源模型，并通過關聯關系建立相應實體對象之間的內在聯系，更好地管理車間的人員、設備、物料及工時等信息，為后續的生產排產和生產任務的有效執行作準備，圖1為人員類資源的管理界面。
圖1 人員類資源的管理
2 生產計劃排產
通過導入MRPⅡ下達的主計劃，根據生產準備情況拆分成車間生產計劃，結合車間的有限資源，通過先進的排產引擎對車間生產計劃進行快速有效的排程，生成可執行的工序級任務計劃，從而導出供在車間生產現場進行生產流轉依據，車間任務流轉過程的執行信息記錄在MES系統中作為下次排產的部分數據進入排產引擎以支持企業的滾動排產過程，圖2為企業車間計劃排產的生產排產流程。
圖2 車間計劃的生產排產流程
3 生產過程管理
生產排產后，生成了工序級的任務計劃，經車間調度員派工，任務就進入了車間生產現場進行生產加工流轉過程。車間生產過程管理主要包括隨活卡管理、班組任務管理、物料轉移通告、車間生產監控、車間視頻監控、生產任務進度跟蹤及車間報警事件管理。隨活卡管理主要是為任務計劃在車間制造終端上流轉執行提供信息管理，也為生產加工執行信息進行記錄提供載體，并為后續數據追溯查詢與統計分析提供數據支持，圖3為車間用的電子隨活卡。班組任務管理主要是對隨活卡中記錄的任務計劃進行動態調度管理和細化執行過程管理，主要包括車間班組長分配任務給工人、工人接收任務、匯報提交任務、車間異常事件報警等操作，圖4為車間班組長觸摸屏的相關操作界面。
圖3 車間電子隨活卡
圖4 車間班組長觸摸屏的相關操作界面
物料轉移通告主要是為及時地了解跟蹤目前需要轉移的物料情況所提供的看板；車間生產監控細分為任務執行進度、設備狀態與報警事件監控，這些均以看板方式通過車間大屏幕實時地了解車間現場生產進度、設備運行狀況及車間突發事件，及時地響應和處理車間生產現場所發生的問題，盡最大限度地保證生產現場能夠持續穩定的推進生產，從而提高車間的生產效率，圖5為車間計劃的生產進度監控界面。
圖5 車間生產計劃的加工進度監控界面
車間視頻監控可通過監控探頭監控車間生產現場各個工位上的實時生產現狀，也可以查看以往的生產視頻，追溯過往的生產過程信息；生產任務進度跟蹤是為了對一些考核的任務進行實時掌控其生產執行進度，以保證其能夠按期完成；車間報警事件管理是對車間發生的各種異常事件進行統一的維護和管理，可供方便的查詢和統計分析，為后續生產持續改進提供數據支持。
4 車間生產數據采集
生產車間的運行狀態監控擔負著整個生產過程管理系統所需要的生產狀態信息的采集與處理，在生產過程涉及大量的制造設備、多變的工藝因素，因而所需要采集的信息包含了復雜的環境和狀態信息。在機加車間MES系統中，對如下信息進行了現場采集或統計分析：設備狀態信息、生產進度信息、物料信息、質檢信息、故障信息。在MES系統中提供了相應的模塊進行相應信息的采集與處理分析。
5 統計與分析
在機加車間MES系統中，使用報表管理模塊進行報表定義以及統計分析；在報表管理模塊中，提供了報表、線型圖、餅狀圖、柱狀圖等數據的展示手段。該功能模塊的主要操作人員和角色包括：授權的車間管理人員、計調人員、統計人員。
實施效果和項目示范點
1 KMMES實施的效果
北京航星機器制造公司生產車間通過實施KMMES系統，建立了企業制造執行系統的信息化支撐平臺，實現了車間資源數字化建模、車間計劃的優化排產、車間生產過程無紙化作業和透明化管理、企業各應用系統間的有效集成，提高企業有限資源的合理配置能力和使用效率，使企業在面臨日益復雜的生產制造業務的各種不同需求方面具有較大的柔性空間，提高了企業適應市場變化的能力，幫助企業更快地研發并制造出滿足市場要求的各種新型產品；減少了企業生產過程中人為因素的干擾；系統中的各種生產監控和管理手段施保證了生產過程的正常進行及故障的及時排除，為產品質量的穩定和提高、增強企業信譽提供了有利條件；KMMES系統所具有的合理規劃與調度能力，能及早預測產品生產過程或企業運行中可能出現的問題，從而減少產品研發和制造過程中的失誤和時間，降低產品生產管理成本。
2 KMMES項目示范點
(1)建立起適合企業信息化的總體解決方案。
北京航星機器制造公司MES信息化支撐平臺的實施，提出了“計劃—制造—執行”的信息化平臺解決方案和實施方法，主要包括業務模型、車間資源模型、生產計劃排產、生產過程管理、企業一體化集成架構、企業生產過程數據的統計與分析等，以及完整的實施過程規范，成為該行業制造企業信息化的整體解決方案。通過在北京航星機器制造公司的實施驗證，對整個行業起到一定的示范作用。
(2)構建企業“計劃—制造—執行”一體化集成框架。北京航星機器制造公司生產部門以前的生產計劃、設計、工藝、設備狀態、運行等信息都是分散在各個應用系統中，無法整合企業從上層到下層整個信息鏈，出現了所謂的“信息孤島和斷層”。實施MES系統后，將突破傳統的主要依靠人為或外部數據文件進行不同應用系統間信息傳遞與共享，通過數據中心方式實現系統之間的有效集成，規范數據的流通和共享，極大地減少了企業數據的冗余度和提高了企業信息的共享度。通過面向車間的制造執行系統在上層計劃層與底層控制層架起一座信息的橋梁實現上中下3層模式的企業級集成應用，實現計劃—制造—執行的一體化作業，提高企業有限資源的利用效率，解決了困擾企業的高端數控設備利用率低的問題。
(3)實現企業車間生產過程有效管理。通過實施MES項目，建立起車間各種主體資源數字化管理模型，實現車間資源統一管理，各主體資源基本信息統一在MES系統維護；通過MES系統無縫集成的高效排產引擎實現以計算機為主的自動化排產過程，改變了企業原有以人為主的生產排產模式，極大地降低了生產排產調整難度，提高了生產排產的靈活性，增強了生產計劃調度的柔性以適應離散制造業需求；通過高效快速排產生成的工作任務，導出供MES平臺派工生成車間所用的電子隨活卡，以記錄和追蹤零部件加工執行信息，生產現場工作人員通過制造終端接受上級下達的工作任務計劃、匯報生產信息與反饋生產現場各種異常情況，車間管理者通過MES平臺提供多種看板實時了解和監控車間生產活動，極大地提高了企業生產過程的無紙化作業程度與企業生產活動的透明化監管程度；MES平臺通過細化檢驗人員的工作，采集檢驗人員匯報的質量信息，結合企業質量管理業務流程通過工作流技術對生產中質量問題進行管理，加強了企業對質量的控制與管理；系統提供基本報表與支持用戶自定義報表進行對生產過程相關的數據進行統計分析，更好地改善了生產歷史數據的可追溯性，通過統計分析不斷發現生產過程中的內在問題，從而持續的改進企業的生產活動，提高企業的生產效率。
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