1 MES系統(tǒng)簡介
1.1 MES系統(tǒng)的定義
制造執(zhí)行系統(tǒng)(簡稱MES)是美國AMR公司在 20 世紀(jì) 90 年代初提出并在物資需 求計劃系統(tǒng)(MRP)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其將 MRP和車間作業(yè)現(xiàn)場控制整合起來，實現(xiàn)了生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量管理、車間庫存管理等生產(chǎn)全流程精益管理。
1.2 MES系統(tǒng)的主要功能
MES系統(tǒng)一般包含四大類、11 項基本功能，如圖 1 所示，基本功能如下。
圖 1 MES系統(tǒng)主要功能圖
1.2.1 數(shù)據(jù)管理類
?、贁?shù)據(jù)采集：通過多種方法采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品的生產(chǎn)過程信息、工藝流程信息、部品追溯信息、品質(zhì)檢查信息，以及生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)、人員作業(yè)、物料搬運、作業(yè)流程、工廠環(huán)境等信息，并將其作為生產(chǎn)控制和生產(chǎn)追溯的重要依據(jù)。數(shù)據(jù)采集方式有自動和手動，重點是要保證數(shù)據(jù)采集的及時性、準(zhǔn)確性和可靠性。
②數(shù)據(jù)存儲：對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)化存儲，包含存儲所需的硬件和數(shù)據(jù)庫，一般會根據(jù)數(shù)據(jù)的重要程度來分級別存儲。
③數(shù)據(jù)分析：對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和分析，得出一段時間內(nèi)的生產(chǎn)經(jīng)營報表，主要是總結(jié)工廠生產(chǎn)效率、資源利用率、人員作業(yè)效率、設(shè)備運行效率、物料使用狀況、產(chǎn)品品質(zhì)狀況等信息，并反映當(dāng)前工廠運營狀況。
?、芪募芾恚汗芾砩a(chǎn)制造相關(guān)文件，如產(chǎn)品技術(shù)文件，物料清單，工藝流程、生產(chǎn)指示、品質(zhì)管理文件，生產(chǎn)報表等。
1.2.2 生產(chǎn)管理類
?、儆媱澒芾恚簩︿N售訂單進(jìn)行合理的分配，制成月度/周度/日度/時度等不同級別的生產(chǎn)計劃，同時對生產(chǎn)計劃的完成情況進(jìn)行有效管理。
?、谶^程控制：通過對人員作業(yè)狀況、設(shè)備運行狀況、在制品狀況、部品供應(yīng)狀況、品質(zhì)狀況等方面的目視化實現(xiàn)對工廠整體生產(chǎn)過程的有效控制，對可能導(dǎo)致質(zhì)量問題和效率降低的環(huán)節(jié)進(jìn)行重點監(jiān)控，對已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的問題及時對應(yīng)。
1.2.3 品質(zhì)管理類
?、倨焚|(zhì)管理：主要包括作業(yè)中品質(zhì)保證流程、自動作業(yè)防誤裝置、各工程檢查流程、自動化檢查系統(tǒng)、問題產(chǎn)品的維修流程和進(jìn)度管理。
②追溯管理：主要是對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的追溯和部品使用的追溯，部分追溯信息要按照法規(guī)要求上傳至相關(guān)政府部門，部分追溯信息在工廠MES服務(wù)器或數(shù)據(jù)中心長久保存。
1.2.4 資源配置類
?、偃藛T管理：根據(jù)人員的能力合理安排人員配置，管理員工信息(包括出勤情況、工時、績效等)，把握員工的工作效率，從而有效提升整體生產(chǎn)效率和消除作業(yè)瓶頸。
?、谫Y源分配：對設(shè)備、工具、物料、能源等企業(yè)生產(chǎn)資源進(jìn)行合理分配，在生產(chǎn)過程中，對生產(chǎn)資源進(jìn)行合理調(diào)度，動態(tài)消除生產(chǎn)瓶頸，保證穩(wěn)定生產(chǎn)。
?、蹎卧峙洌簩τ陔x散型企業(yè)和部分流程型企業(yè)來說，作業(yè)單元的合理分配是非常重要的，不僅在單元作業(yè)計劃階段需要合理分配，在生產(chǎn)過程中也應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度實時調(diào)整，以提高設(shè)備的利用率和保證流程各環(huán)節(jié)的交貨期。
2 MES系統(tǒng)的導(dǎo)入流程及注意事項
2.1 MES系統(tǒng)的導(dǎo)入流程
MES系統(tǒng)的導(dǎo)入一般分為 4 個階段、8 個步驟，如圖 2 所示。
圖 2 MES系統(tǒng)的導(dǎo)入流程圖
2.1.1 軟件決裁階段
?、倌繕?biāo)分析：首先要明確開發(fā)軟件的目標(biāo)，即解決什么問題、實現(xiàn)什么功能、投入什么資源、創(chuàng)造什么價值。
?、谲浖Q裁和招標(biāo)：將軟件的目標(biāo)、功能、投入、產(chǎn)出、日程等項目制作成軟件決裁書，并提交公司經(jīng)管會審批，審批通過后，通過招標(biāo)流程選定軟件開發(fā)服務(wù)商。
③制作要件書：調(diào)終用戶的需求，對需求進(jìn)行分類整理和詳細(xì)分析，剔除不能實現(xiàn)的需求和投入產(chǎn)出比差的需求，明確軟件滿足哪些具體需求，設(shè)計軟件系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、功能模塊、前臺交互畫面和后臺數(shù)據(jù)庫等，做成軟件要件書。
2.1.2 系統(tǒng)開發(fā)階段
①程序編寫：按照軟件要件書的內(nèi)容編寫程序，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析和模塊機能等方面開始具體的程序編寫，以實現(xiàn)各模塊的功能，從而達(dá)到系統(tǒng)功能、性能、接口、界面等方面的要求。
?、谲浖y試：測試主要分為模塊測試、整體測試、設(shè)備聯(lián)動測試、多系統(tǒng)聯(lián)動測試，通過測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題，并及時進(jìn)行系統(tǒng)修補和更新。
2.1.3 系統(tǒng)驗收階段
?、佘浖樱寒?dāng)軟件測試完成后，軟件開發(fā)者應(yīng)給用戶安裝軟件、提供使用手冊、數(shù)據(jù)庫字典、測試完成報告等雙方合同約定的內(nèi)容。
?、谲浖炇眨很浖軌蚍€(wěn)定運行，且所有功能均可實現(xiàn)，性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，軟件開發(fā)服務(wù)商正式交付項目，客戶交付尾款。
2.1.4 系統(tǒng)運維階段
根據(jù)合同規(guī)定，軟件開發(fā)者或委托公司對系統(tǒng)進(jìn)行運營監(jiān)控和維護(一般為 24 h對應(yīng))，對用戶應(yīng)用過程中的問題進(jìn)行及時解決。
2.2 MES系統(tǒng)的導(dǎo)入注意事項
2.2.1 決裁階段注意事項
?、僦攸c是既要滿足生產(chǎn)經(jīng)營管理者對投資回報率的訴求，也要滿足用戶對軟件實際功能的訴求。
?、谡袠?biāo)過程中，既要滿足流程的合法合規(guī)，也要對軟件開發(fā)服務(wù)商的能力進(jìn)行嚴(yán)格的審核。③制作要件書時，要詳細(xì)說明應(yīng)實現(xiàn)什么具體功能、軟件響應(yīng)速度是多久，以及交互頁面要求、服務(wù)器備份能力和存儲時長、可擴展性和前臺可編輯性等主要項目，也要說明系統(tǒng)功能說明書的編寫要求、軟件使用方法培訓(xùn)要求和維保人員配置等輔助項目。
2.2.2 系統(tǒng)開發(fā)階段注意事項
?、購捻椖抗芾碚叩慕嵌葋碚f，主要是和軟件開發(fā)商協(xié)商管理軟件開發(fā)日程，對可能影響軟件開發(fā)的因素進(jìn)行把握，提前做好解決預(yù)案，及時進(jìn)行日程調(diào)整。
?、谠谠O(shè)備聯(lián)動測試和多系統(tǒng)聯(lián)動測試階段，應(yīng)制定明確的聯(lián)協(xié)測試體制，對測試過程進(jìn)行控制，對測試中的問題進(jìn)行記錄和解決，直至系統(tǒng)達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。
2.2.3 系統(tǒng)驗收階段注意事項
?、佘浖絾⒂煤螅瑧?yīng)建立應(yīng)用異常聯(lián)絡(luò)體制，明確問題解決流程。在實際運用過程中，確認(rèn)系統(tǒng)功能和流程是否正確，對系統(tǒng)漏洞及時解決;確認(rèn)系統(tǒng)功能和流程是否健全，設(shè)計階段未考慮的功能和流程要及時添加;確認(rèn)人機交互是否高效，對用戶體驗差的功能和流程進(jìn)行改善。
?、谟脩羰褂梅矫?，建立系統(tǒng)功能培訓(xùn)和傳承機制，要對初始用戶進(jìn)行全面培訓(xùn)，降低人員變更對系統(tǒng)使用的影響。
2.2.4 軟件維保階段注意事項
?、儆捎诠S生產(chǎn)對系統(tǒng)的高度依賴，故應(yīng)建立24 h全天候的系統(tǒng)現(xiàn)場維保機制和異常對應(yīng)機制，制定異常對應(yīng)預(yù)案，明確責(zé)任分工。
②對維保人員的業(yè)務(wù)能力提出明確的要求，須經(jīng)系統(tǒng)性培訓(xùn)和業(yè)務(wù)能力考核通過后方可上崗。
3 一汽豐田某整車廠新一代工廠MES系統(tǒng)的應(yīng)用
3.1 新一代工廠MES系統(tǒng)簡介
一汽豐田某整車廠采用豐田全球系統(tǒng)和現(xiàn)地系統(tǒng)相結(jié)合的方式，將各業(yè)務(wù)單元系統(tǒng)緊密連接，形成了功能強大的系統(tǒng)集群。其中生產(chǎn)控制系統(tǒng)是這些系統(tǒng)的核心，大部分制造執(zhí)行功能都在此系統(tǒng)中，具體見圖 3。
圖 3 工廠系統(tǒng)連協(xié)關(guān)系圖
一汽豐田工廠MES系統(tǒng)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，于2021 年末研發(fā)完成了新一代系統(tǒng)，并在一汽豐田某整車廠率先導(dǎo)入，至 2022 年 10 月系統(tǒng)全部功能均告完善，可以順暢地實施商品車生產(chǎn)。
3.2 新一代工廠MES系統(tǒng)的主要機能
新一代工廠MES系統(tǒng)主要有四大模塊，分別為生產(chǎn)控制模塊、車輛數(shù)據(jù)模塊、生產(chǎn)指示模塊、生產(chǎn)目視化模塊，如圖 4 所示。
圖 4 新一代MES系統(tǒng)的主要機能圖
3.2.1 生產(chǎn)控制模塊
生產(chǎn)控制模塊是工廠MES系統(tǒng)重要的機能，新一代MES系統(tǒng)實現(xiàn)了對裝焊、涂裝、總裝全工藝流程的生產(chǎn)控制，如圖 5 所示，實現(xiàn)了一套系統(tǒng)對所有設(shè)備的高精度控制，在行業(yè)中處于領(lǐng)先水平。
圖 5 新一代MES系統(tǒng)生產(chǎn)控制機能圖
3.2.2 車輛數(shù)據(jù)庫模塊
新一代工廠MES系統(tǒng)配備了功能強大的后臺數(shù)據(jù)庫，一方面對生產(chǎn)過程實時監(jiān)控，對設(shè)備通信日志、生產(chǎn)控制指令日志、生產(chǎn)指示日志等過程信息予以短期(一般為一周)保存，以便于對生產(chǎn)過程進(jìn)行短期精確追溯;另一方面對車輛生產(chǎn)履歷和部品追溯信息予以長期(3 個月以上)保存。
表 1 車輛SF信息表
表 1 是車輛SF(日程文件)信息錄入的過程，簡單來說，就是在不同的生產(chǎn)階段在車輛SF的相應(yīng)區(qū)域中登錄車輛基本信息、生產(chǎn)信息和品質(zhì)追溯信息。
3.2.3 生產(chǎn)指示模塊
為了提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，乘用車整車廠基本都采用多車型平準(zhǔn)化的生產(chǎn)方式，車型的生產(chǎn)訂單會平準(zhǔn)地分配至每個時間段(單位為小時)，車型的順序也是隨機的，加之同一車型配置較多，且時常發(fā)生設(shè)計變更。因此，無論是生產(chǎn)設(shè)備，還是作業(yè)人員，都要依靠精確的生產(chǎn)指示來作業(yè)。
圖 6 新一代MES系統(tǒng)生產(chǎn)指示機能圖
如圖 6 所示，生產(chǎn)指示機能是工廠MES系統(tǒng)核心的機能，生產(chǎn)指示工作也是生產(chǎn)準(zhǔn)備階段重要的業(yè)務(wù)，生產(chǎn)指示的錯誤可能會造成設(shè)備損壞、部品誤裝、作業(yè)失誤、檢查失效、安全事故等嚴(yán)重問題。因此，生產(chǎn)指示精度對生產(chǎn)的穩(wěn)定性和商品車的品質(zhì)具有決定性的影響。
3.2.4 生產(chǎn)目視化模塊
生產(chǎn)目視化是將生產(chǎn)狀態(tài)、在庫狀態(tài)、車輛位置、生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)統(tǒng)計等信息通過電腦、大屏幕、手機等媒介直觀地展示出來，是生產(chǎn)控制和達(dá)產(chǎn)管理的重要工具，其發(fā)展的新前沿是工廠數(shù)字孿生工程。新一代工廠MES系統(tǒng)具備較為完善的生產(chǎn)目視化功能，可以目視化子線級別的生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度、在庫狀態(tài)、停線時長等信息，也可以目視化單臺車輛級別的所在位置，圖 7 是生產(chǎn)目視化看板的導(dǎo)入流程。
圖 7 新一代工廠MES系統(tǒng)生產(chǎn)目視化機能圖
?、偕a(chǎn)目視信息明確。
首先要明確目視化的項目，一般來說分為基本信息類、生產(chǎn)實績類、生產(chǎn)在庫類、生產(chǎn)狀態(tài)類、生產(chǎn)效率類等項目，需要對工廠的軟硬件條件進(jìn)行初步調(diào)查，即哪些信息可以直接獲取、哪些信息需要通過追加軟硬件才能獲取，并在此基礎(chǔ)上確定目視化項目。
?、谀恳曧椖壳鍐沃谱?。
將確定要目視化的項目制作成項目清單，清單中要對項目進(jìn)行編號、命名、說明。
③項目信息來源明確。
明確項目清單中各個項目的信息來源，提前告知相關(guān)部門信號需求，并明確通信格式和信號要件書格式。信息來源一般分為工廠設(shè)計工藝圖紙、工程安東系統(tǒng)、工廠MES系統(tǒng)內(nèi)部等。
?、苄畔@取。
對于取自工程安東系統(tǒng)的信號，要制作信號要件書和通信式樣書，并做好信號收發(fā)測試。對于取自工廠MES系統(tǒng)內(nèi)部的信息，要做好系統(tǒng)設(shè)定。
?、菽恳曧椖肯到y(tǒng)設(shè)定。
在工廠MES系統(tǒng)中設(shè)定目視項目數(shù)據(jù)庫，將所有的目視化項目都錄入到系統(tǒng)中。
⑥目視看板版面設(shè)定。
首先要設(shè)定看板索引目錄，然后要設(shè)定工程布局和工藝流程，做到盡可能和現(xiàn)場現(xiàn)狀相一致;設(shè)定生產(chǎn)實績、在庫、狀態(tài)、效率項目等，做成完整的生產(chǎn)目視化看板。
?、呱a(chǎn)目視看板展示。
按照需要，通過電腦、大屏幕、手機等方式打開目視化看板網(wǎng)頁，將其作為生產(chǎn)控制的主要工具指導(dǎo)生產(chǎn)。
4 新一代工廠MES系統(tǒng)的提示和不足
4.1 新一代工廠MES系統(tǒng)的革新
新一代工廠MES系統(tǒng)在前代的基礎(chǔ)上做了全方位的提升，主要體現(xiàn)在以下幾點。
?、賹⒍鄠€系統(tǒng)協(xié)同完成的生產(chǎn)指示機能和生產(chǎn)控制機能集成到一個工廠MES系統(tǒng)中，實現(xiàn)了功能的強化和效率的提升，同時大幅減少了系統(tǒng)的投入成本和維保成本。
?、趶娀藢ιa(chǎn)過程和部品的追溯能力，更好地支撐了打造更高品質(zhì)的汽車目標(biāo)。
③強化了總成生產(chǎn)的對應(yīng)能力，用類似于對車輛的控制方式來控制總成的生產(chǎn)，是生產(chǎn)控制精度從主線級別向輔線級別提升的重要保證。
④強化了目視化系統(tǒng)的機能，從信號獲取、看板設(shè)計、看板展示都實現(xiàn)了用戶定制化，每個用戶都可以按照技術(shù)指導(dǎo)書制作需要的看板并實現(xiàn)目視化，距離工廠數(shù)字孿生的目標(biāo)更近了一步。
?、輳娀藢π滦驮O(shè)備的支持能力，在新一代MES系統(tǒng)的支持下，工廠內(nèi)全自動物流系統(tǒng)、AI視覺檢查系統(tǒng)等前沿技術(shù)得以應(yīng)用，極大地提升了工廠升級的潛力。
4.2 新一代工廠MES系統(tǒng)的不足
新一代工廠MES系統(tǒng)同樣存在一些不足，未來需要進(jìn)一步改進(jìn)，主要方面如下。
?、匐m然實現(xiàn)了多個系統(tǒng)機能的整合，但是多個獨立模塊對應(yīng)原系統(tǒng)的機能，未能做到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對于運營管理者來說，要分別學(xué)習(xí)不同模塊的具體功能和運用方法，提高了系統(tǒng)使用的門檻。
②不同于之前各工程系統(tǒng)通過專線網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)指示設(shè)備相連，新系統(tǒng)通過工廠公共有線網(wǎng)和所有生產(chǎn)指示設(shè)備相連，工廠公共有線網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含多層級的網(wǎng)絡(luò)交換機，從工廠MES系統(tǒng)到生產(chǎn)指示設(shè)備可能會有多個交換機，當(dāng)交換機基數(shù)足夠大時，網(wǎng)絡(luò)異常的可能性會增加，雖然設(shè)定了A/B兩套網(wǎng)絡(luò)，但在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常時仍需要大量時間來分析和處置，對生產(chǎn)的穩(wěn)定性構(gòu)成了潛在的隱患。
③新系統(tǒng)的整體定位還是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，在數(shù)據(jù)分析方面未能有較大進(jìn)步，未能匹配大數(shù)據(jù)分析的前沿技術(shù)，數(shù)據(jù)價值的挖掘能力不足。
?、茈m然在生產(chǎn)目視化方面有所強化，但距離工廠數(shù)字孿生的目標(biāo)還相差很遠(yuǎn)，生產(chǎn)管理方面也更多地依靠生產(chǎn)管理者的分析和判斷。
5 結(jié)語
當(dāng)前制造業(yè)處于從工業(yè) 3.0 自動化制造向工業(yè)4.0 智能制造的變革期，汽車制造業(yè)作為大工業(yè)中自動化程度高的產(chǎn)業(yè)，也必將引領(lǐng)這一變革，生產(chǎn)制造中核心的MES系統(tǒng)從整體設(shè)計、系統(tǒng)構(gòu)建、功能設(shè)置、系統(tǒng)聯(lián)動、實際運用等各個層面都要向智能制造方向發(fā)展，打造數(shù)字化、智能化、物聯(lián)化的下一代工廠MES系統(tǒng)是未來行業(yè)的新方向。
