制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）能通過信息傳遞，對從訂單下達到產品完成整個的生產過程進行優化管理，當車間里面有實時事件發生時，MES能對此及時做出反應、報告，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。
近10 年來，MES技術已經在石油、化工、能源、食品和造紙等行業得到了廣泛的實施和應用，國內許多企業也逐漸開始采用這項技術來增強自身的核心競爭力。然而在MES系統建設方面，國內目前大多企業仍然側重于MES 的軟件開發及其建模，主要停留在思想、內涵及體系結構方面的研究上，應用系統開發一般局限于單一功能，在技術深度與應用廣度上都存在差距。本文結合中國電子科技集團公司第38 研究所（以下簡稱中國電科38所）在精密加工車間實施MES 的過程，分析并解決MES 實施過程中關鍵技術及難點問題，開發了集工藝過程全流程追蹤和質量控制等多功能集成于一體的MES 系統，達到了預期目標，對提高企業信息化管理水平具有重要意義。
1 MES 系統應用背景
中國電科38 所主要從事電子裝備研制與生產，是典型的離散型企業，具有科研與生產一體化特征，生產模式為多品種、小批量生產，在研產品生產、試制產品生產、小批量投產產品生產同時進行，生產計劃會經常改變和調整 。由于離散型企業的上述特點，增加了企業在生產、物流和質量等方面的管理難度，大大降低了企業的生產效率和產品的質量。中國電科38 所目前已經運用多種信息化系統OA、PDM、CAPP 等來解決工作中的問題，并發揮了重要作用，但生產現場的管理還處于人工管理的狀態，缺少信息化平臺支撐，導致浪費大量人力物力。生產現場主要存在以下幾方面薄弱環節： a．無法及時了解生產過程情況，對生產進度缺乏準確及時的數據，缺少有效的統計和考核手段。b．加急計劃多，對原有生產安排的沖擊較大，缺少有效的方法和手段來對生產資源進行重新合理安排。c．工藝信息的變更迫使正在加工的零件重新制訂加工計劃，影響后續工序和其他零件的加工生產。d．制造設備與工具未實施信息化管理，設備加工情況監控不到位，缺少設備運行狀態信息，設備有效利用率較低。e．型號和零件種類較多，實時狀態靠人工現場查看，無法及時了解產能情況，人工管理效率無法滿足生產計劃進度要求，遺漏生產任務情況時有發生。f．生產實時狀況、人員狀況以及設備的運行參數和性能指標缺乏有效的監控與科學化管理。g．工時信息依靠人工統計，既浪費人力物力，又時有錯誤發生。h．質量信息依靠紙質方式統計，質量信息不能快速統計來指導生產。i．手工填寫報表，不能及時統計各種信息來指導生產。
總之，企業生產現場的計劃準確性、實時性比較差，影響企業對生產的快速反應能力。對車間中大量的不確定因素，缺乏科學決策方法，缺乏系統間的有效集成，使得各個方面的信息系統成為一個孤島，信息無法傳遞。
2 MES 系統總體方案研究
MES 系統是面向車間層次的管理信息系統，在上層資源計劃管理系統（EntERPrise Resource Planning，ERP）與下層工業控制執行系統（Process Control System，PCS）之間架起了一座橋梁，圖1 所示為MES 在企業信息集成體系中的關系。系統總體方案設計思路是：應用面向生產過程的設計理念，以生產信息基礎庫／數據庫為核心，采用B／S模式的Web －Service 技術的3 層結構模型，與企業原有產品數據管理系統（Product Date Management，PDM）、工藝數據管理系統（Computer Aided Process Planning，CAPP）、制造信息系統（Manufacturing Iformation System， MIS）、車間分布式數字控制系統（Direct Numerical Control， DNC）和物流系統（Logistic System，LS） 等相集成，獲得生產計劃信息、產品數據、生產工藝信息和物流信息等，將生產計劃和車間作業現場控制聯系起來，從而可彌補計劃層與控制層之間的空隙，實現企業連續的信息流，提高企業的敏捷性。
圖1 MES 在企業信息集成體系中的關系
2.1 功能結構規劃
系統功能結構規劃以數控增效、提高產能為出發點，實現生產現場計劃、機床、刀具、質量等數據的全面集成，建立完善的生產管理數據體系，圖2 所示為MES 系統功能規劃。中國電科38 所的MES 系統是在標準MES 業務組件基礎上，針對離散型企業的典型需求，實現工藝過程全流程追蹤、機床監控、計劃排產、計劃管理、車間管理、庫房管理、檢驗管理、外協管理、決策支持與分析和數據集成等功能。
圖2 MES 系統功能規劃
2.2 數據流程設計
數據流程設計的目標是在設計任務進入系統，到設計結果輸出的整個過程中，信息、數據流通始終保持暢通，圖3 所示為MES 系統工作數據流程圖。MES 系統通過與企業現有的MIS、PDM、CAPP、DNC和LS 等基礎數據的集成，提取產品BOM、三維圖形、工序、工時、程序、刀具及投產令號信息等，實現圖形化高級計劃與排產，并對工作現場數據、機床運行狀態、刀具庫存、質量狀態實時采集、監控，為計劃調度、質量控制提供決策支持與分析。
圖3 MES 系統工作數據流程
2.3 關鍵技術分析
2.3.1 集成技術
基于信息共享的PDM／CAPP／MIS／DNC／LS／MES 的集成是企業實施的重點。通過開放MES 的數據結構，開發數據接口程序，在PDM／CAPP／MIS／LS／DNC 系統數據保存時，數據庫自動調用觸發器，實時在MES 數據庫中創建生產任務，實現動態設計數據，快速響應工藝變更，全流程跟蹤生產計劃執行，實時采集現場數據，以及產品模型數據、工藝數據、生產過程數據和質量數據的動態共享和聯動，從而實現信息化系統上下游的銜接。
2.3.2 離散排產技術
遺傳算法是模擬達爾文生物進化論的自然選擇及遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，是基于“適者生存”的一種高度并行、隨機和自適應優化算法，具有很高的靈活性和并行處理能力等特點 。系統中采用遺傳算法，將影響離散型企業計劃排產的關鍵因素（如：產品的BOM 關系、同一整件中的長短工序、每個零件的計劃節點、不同工序的定額工時與實際加工用時之間的關系系數、同一零件不同工序之間的離散度、產品優先級、每個工序的產能、緊急插單等排產因素）及其內在邏輯關系參數化為排產基礎數據，實現自動排產。自動排產結果如圖４ 所示，圖中顯示了每臺機床承擔的任務情況及相應任務完成情況。
圖4 自動排產結果
2.3.3 工藝過程全流程追蹤技術
工藝過程全流程追蹤技術是通過與CAPP 系統集成工藝過程的方法實現，零部件經過計劃排產后，MES 根據工藝過程自動傳遞到規定的班組，然后由班組長登錄系統后對任務進行分配，員工采用條碼掃描方式登錄系統，通過觸發方式實現制造狀態的信息獲取。工藝過程全流程追蹤實現了所有產品從工藝設計結束到制造信息系統下達生產計劃的任務派送以及計劃人員的直接派工，提高了班組對未來任務的預判，做到了項目經理和計劃人員“足不出戶”就能對現場工作進行掌控，增強了產品后續質量的歷史追蹤，并為產品全生命周期管理提供了良好的數據支撐，改變了員工工時分配的紙質化管理，為車間基礎數據的統計提供了信息化手段。這樣就提高了工作效率、準確度，降低了勞動力成本。工藝過程全流程追蹤技術實現的詳細流程如圖5 所示。
圖5 工藝過程全流程追蹤流程圖
3 應用系統實踐
通過對精密加工車間MES 實際需求分析，結合離散型企業特點，完成了MES 功能結構規劃和數據流程設計，解決了開發過程中集成技術、離散排產技術和工藝過程全流程追蹤技術等關鍵技術，建成了一套可行的MES 系統。通過MES 工藝流程管理及質量追溯系統解決方案的實施，大大提高了生產效率，減少了外協工作量，提高了產品的質量和穩定性。通過全流程質量追溯的實施，提高了產品的質量和穩定性。通過全流程查詢系統的實施，提高了領導層對項目總體計劃的全局掌控和決策的科學性、可行性。截至目前，在中國電科38 所該系統已有涉及5 個產品6000 多個零件運行成功。通過測試，系統排產計劃履約率達到80％，數據錄入和統計時間縮短50％，問題的追溯率提高到90％，設備的利用率提高10％，為產品的質量統計、全生命周期管理提供了數據支撐。
4 結束語
面對電子整機產品快速發展、多品種小批量生產模式的行業背景，本文開展了以數控增效、提高產能為出發點，以“產品過程控制”為核心的ＭＥＳ系統應用技術研究。系統成功實現與企業現有MIS、PDM、CAPP、DNC 和LS 的集成，改善了企業信息化集成制造水平。系統應用后，設備利用率、車間的生產能力、產品的質量都得到了提高，并為提高后續產品計劃安排的科學性和可行性及后續車間實現無圖化打下了堅實的基礎。
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本文標題：面向離散型企業的MES/ERP技術研究
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