0 引言
××炮產品結構中關重零部件的工藝復雜、生產要求高、加工難度大，而目前工廠對生產過程的管理還是傳統的人工方式，存在著生產調度難度大、過程控制不及時、現場管理效率低、生產進度延期等問題。隨著產品生產任務急劇增加，生產任務朝著快速響應、小批量、變品種的方向發展，對生產管理提出了快速、準確、高效的精益生產管理要求。
因此，筆者依據國際行業標準ANSI/ISA-S95，在對現有制造過程管理控制模式進行規范和優化的基礎上，結合工廠正在實施的精益生產管理模式進行設計，并采用目前主流的面向服務的軟件架構體系和J2EE 技術，定制開發了××炮廠制造執行系統(manufacturing execution system，MES)系統。該系統是專門針對××炮關重零部件生產過程及先進的精益生產管理模式定制的，為××炮產品的生產過程管理提供了協同化的信息平臺，實現了工廠產品制造執行過程的標準化、信息化和規范化管理，增加了制造執行過程的透明度，便于管理人員及時掌握生產任務執行情況及準確、迅速進行決策指揮。
1 系統功能模塊設計
該 MES 系統針對××炮關重零部件的生產過程，實現產品從生產計劃、生產準備、制造執行與生產資源管理控制等各個環節信息的高度集成和充分共享，按工廠精益生產的管理模式進行流程的定制和信息的組織，在相關部門間建立起生產任務協同執行平臺。
系統采用模塊化的設計思想，將需要實現的業務功能劃分成功能獨立、接口標準的功能模塊。各功能模塊通過統一的軟件框架集成為一體化的軟件系統。MES 系統功能模塊結構如圖1 所示。
圖1 MES 系統功能模塊結構
每個功能模塊實現特定的管理業務，模塊間的信息交互體現了實際生產中的業務流程。生產計劃驅動生產準備(包括物料、工藝、工具等），生產過程實現從物料出庫、建卡、開工到工件加工完成整個過程的信息采集和管理。其余的功能模塊實現生產過程需要的資源條件管理和生產過程采集數據的統計、分析、查詢。個人工作臺和觸摸屏工作臺是系統的2 個主要功能集成界面，提供不同的界面形式實現功能模塊的集成，方便不同用戶對系統功能的操作。該炮廠MES 系統功能模塊間的信息交互流程如圖2 所示。
圖2 系統功能模塊信息交互流程
2 系統體系結構
該炮廠MES 系統依據平臺化的設計原則，采用面向服務、組件化、面向對象和多層架構等技術構建基于SOA 架構上的增量迭代系統，同時采用B/S 模式，實現了業務邏輯、數據存儲和客戶端界面的分離，保證了系統的擴展性、高維護性和可復用性，以便適應企業不斷變化的需求而做出快速響應。整個系統采用層次化的軟件體系結構，整體結構如圖3 所示。
圖3 MES 系統體系層次結構
圖 3 中，底層是系統的運行支撐環境，包括網絡、主機、操作系統、數據庫管理系統等。左右兩邊是系統設計需要遵循的標準規范、安全管理與控制體系，中間部分為MES 系統的體系層次結構。每層說明如下：
數據存儲層：在關系數據庫的基礎上，建立系統業務需要的數據實體，實現業務數據的結構化存儲。不同類別的數據實體構成不同邏輯數據庫，實現數據的分類存放。同時建立與PDM 等第三方系統的數據庫連接。
數據交換層：實現不同格式數據的轉換和不同系統之間數據的交互。封裝面向數據庫的連接與操作，使模塊與數據庫之間不用直接交互，保證了模塊的可重構性。
應用支撐層：提供應用層模塊需要的通用構件、保證系統正常運行的基礎構件以及實現系統平臺化的相關模塊，保證了系統的靈活性和可維護性。
應用層：依據具體的業務功能，定制開發的軟件模塊。模塊基于基礎構件快速開發，接口標準，能很方便地集成進系統框架，保證了系統的可定制性和可擴展性。
展現層：將系統的功能模塊按不同的使用需求進行直觀展現，展現的形式與使用的用戶群、使用的硬件環境、使用的習慣有關。展現界面可以快速定制。
用戶層：針對不同的用戶，賦予不同的角色，具有不同的權限，可以使用不同的功能。充分保證了使用的方便性和信息的安全性。
3 系統軟硬件架構
1) 系統軟件架構。
圖 4 采用J2EE 技術開發三層B/S 系統軟件架構在開發三層B/S 架構的軟件系統技術中，J2EE技術在應用前景和應用廣泛性上都是最好的。該炮廠MES 選用J2EE 技術進行開發。其架構如圖4。
圖4 采用J2EE技術開發三層B/S系統軟件架構
SQLServer2008 是以高級結構化查詢語言(SQL)為基礎的大型關系數據庫，是目前最流行的數據庫之一。同時SQLServer2008 提供了高級安全性解決方案，保證數據的安全性和完整性；因此，數據庫平臺選用MS SQLServer2008 數據庫。
2) 系統硬件架構。
該炮廠MES 系統采用數據集中管理、分布式應用的三層B/S 系統架構模式，系統的數據和應用集中部署在總廠技術處的機房，各個分廠的計算機通過集團內部網絡以網頁的形式訪問MES 系統。系統總體網絡結構如圖5 所示。
圖5 MES 系統總體網絡結構
在每個工廠內部包括計算機、觸摸屏、掃描槍、交換機等硬件設備。硬件架構如圖6 所示。
圖6 工廠MES 系統硬件架構
4 系統作用及實施效果分析
該炮廠MES 系統為企業建立起了規范的生產過程信息管理平臺，使生產現場控制層與管理層之間的信息互聯互通，提高了生產管理的效率，促進了精益生產管理的推行。通過MES 系統的成功實施應用，證明系統具有以下作用和效果。
1) 生產計劃與生產準備計劃同步生成，促進生產準備全面及時執行。
生產準備情況關系到生產過程中是否需要停頓、等待的問題，對生產過程的連續性有重要影響。在實施系統前，生產準備情況通常只能靠人員電話或跑各部門進行了解，費時費力，很難全面及時。
MES 系統以生產計劃為驅動模型，全面推進工廠生產準備工作。當分廠計調人員編制的月生產計劃經領導審批后，MES 系統自動根據月生產計劃生成生產準備信息內容，發布月生產計劃的同時發布生產準備計劃給相關部門。在計劃執行前可以隨時檢查生產資源準備情況，以保證生產開始時及時可用。
2) 生產過程數據及時采集和統計報表自動生成，便于精確掌控生產過程。
在系統實施前，生產過程的管理存在“黑箱”問題，如分廠到底生產了什么、生產了多少、如何生產的、生產品質怎么樣等。這些信息的獲取，只能通過人員填寫的報表反饋，或是電話匯報，信息獲取非常不及時，導致分廠的管理層不能及時有效地下達管理指令，制約了管理措施的有效實施。該炮廠MES 系統通過工人生產現場掃描數據，收集工廠生產實時數據，以過程數據為驅動，實現各類過程統計報表、情況分析報表的自動生成，為分廠領導精確掌握分廠的生產進度、任務達成度、產品品質等生產過程狀況并作出科學決策提供依據。
3) 各類電子看板直觀顯示， 保障順利推進生產。
在實際生產過程中，生產圖紙、工藝文件、隨同卡等文件資料是隨著工件一起在生產各環節進行流轉。在開始加工工件前，需要人工查找、翻閱加工相關的配套資料，費時費力、效率低下。實施MES 系統后，由于系統提供了一種信息集中共享的手段——電子看板。加工過程中的工藝、物料、進度等相關數據通過處理、分析，整理成適合看板顯示的信息格式進行展示。看板種類包括生產進度看板、工藝看板、工具看板、物料看板、設備負荷看板、質量看板等。電子看板通過觸摸屏、車間的大屏幕顯示終端等進行顯示，加工人員能方便地查詢需要的加工工藝、零件設計圖、物料、工裝、工具、加工進度等信息。這種方式克服了傳統人工管理查詢生產資料的弊端，大大提高了查詢效率，使工件的生產順利推進。
4) 生產異常及時采集、主動上報，有助于異常的及時有效處置。
生產中的異常情況嚴重影響生產的進度和質量。在實際的生產過程中，生產管理人員不能及時掌握生產異常，待生產拖期或生產報廢情況出現，造成重大損失時，再對異常情況進行追查，但往往于事無補。MES 系統實施后，建立了閉環的異常匯報處置機制，提供了順暢的通道。現場人員可以將異常情況(設備故障異常、生產質檢廢品異常、自定義異常等)輸入系統，啟動異常處置流程，系統的流程引擎自動將異常情況推送到處理人員的桌面上，并以明顯的方式主動提醒。這樣便于及時處理異常，快速恢復生產，保證了生產任務的順利執行。
5) 數控設備加工實現全數字化管理，有效提升數控設備的利用率。
數控設備是產品加工過程中的關鍵設備，承擔了各零件關鍵工序的加工任務。提高數控設備的利用率，能有效縮短零件的加工周期。在實際生產中，數控設備的任務處于加工的中轉環節，任務臨時性強、生產準備復雜、調度管理難度大。MES 系統實施后，在DNC 系統實現數控設備聯網運行的基礎上，實現了數控設備生產管理的全數字化。由于每個環節的數據能通過現場的觸摸屏和條碼掃描設備及時方便地輸入系統中，因此數控設備能實現生產任務的及時獲取，系統能根據設備的加工能力安排設備當天的加工任務。加工需要的NC 程序能在線傳輸到機床，加工工藝及三維立體圖能通過觸摸屏及時在線查看，加工工具及物料需求能與生產任務一起編制，并下發到相關部門同步準備，這樣減少了加工準備時間和設備的等待時間。加工完成后，工廠MES 系統能在線實時采集完工信息，便于管理人員根據設備情況靈活進行生產調度安排，盡量減少設備的空閑時間。以上措施有效提高了數控機床利用率。
6) 產品加工數據歸檔管理，有利于產品生產過程的全程追溯。
產品生產過程數據包括加工人員、設備、物料、工具、工藝數據、質量數據等，由于××炮零件品種繁多、工藝復雜，因此過程數據量大，存在海量數據的管理、檢索問題。人工管理時，所有數據均記錄在紙質的單據或零散的辦公文檔中，不便于管理、檢索，產品加工過程追溯更是費時費力。MES系統對海量的生產過程數據進行分類歸檔管理，提供強大的生產過程追溯功能，可重現生產過程情況，使相關人員能非常清楚地了解產品的原材料是什么時間提供的，接收人是誰，檢驗的參數，產品在生產過程中各環節的時間、技術參數、操作人員、加工設備、檢驗數據等信息。根據這些信息，可以綜合分析產品的加工效率、加工質量、加工成本等問題，以便在后續批次的生產中進行調整和改進。
5 結束語
筆者采用了先進的面向服務的系統架構技術和J2EE 開發技術，構建了體系開放、功能可配置、模塊可定制的MES 平臺系統。該炮廠MES 系統目前已成功應用到××炮產品的生產過程管理中，并取得了良好的效果。同時在實施過程中建立了一套完善的建設規范，能很好地指導新系統的建設和實施，非常適合在生產模式類似的企業內進行推廣應用。
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