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面向汽车模具行业的MES研究与应用
面向汽車模具行業的MES研究與應用
1 前言
隨著製造業日益激烈地競爭，很多企業實施了MRPⅡ/ERP系統加強生產治理，但由於缺乏足夠的車間控制資訊而無法滿足企業生產的隨機性、動態性的要求，無法做到與車間環境的緊密相連，因而無法有效指導車間生產計畫的執行。隨著企業資訊化應用的不斷推廣，企業資訊化應用水準逐漸進步，企業越來越需要車間執行層的治理資訊系統。
目前，大多數汽車模具企業車間生產主要靠人工進行治理，計畫層和控制層相互脫節，無法適應生產過程的動態變化，極大地制約了生產治理水準的進一步進步。製造執行系統（MES）的出現，填補了車間層治理的空缺。MES以作業調度為核心，以降低生產本錢、進步生產效率為目標，收集生產過程中的即時資訊，並對實時勢件及時處理，同時又與計畫層和控制層保持雙向通訊能力，從上下兩層接收相關資訊並回饋處理結果和生產指令，從而實現了整個生產過程的優化。本文就是基於汽車模具行業生產特點和資訊化治理現狀，提出了汽車模具MES的構建和應用。
2 汽車模具生產特點和資訊化應用現狀
2.1 汽車模具生產特點
模具作為汽車產業的重要工藝裝備，是汽車製造業的工藝基礎，由於產品本身的複雜性，及其典型的單件訂單生產方式，決定了其生產不同於一般產品，特點如下：
（1） 面向訂單生產。由於訂單規格、數目、交貨期變化大，每個產品都有其特殊性，從產品訂貨決策到製造全過程，每一套模具都具有一定的獨立性，企業必須按訂單組織生產。
（2） 生產進度難以控制。由於產品是單件生產，幾乎每個產品都需要重新進行設計、工藝、技術預備等工作，因此經常無法及時把握生產進度變化，難以控制整個生產過程。
（3） 計畫多變。由於產品種類繁多，影響生產過程的不確定因素多，經常出現緊急訂單、設備故障、零部件返工返修等情況，使得計畫多變，甚至出現計畫跟不上變化，與生產實際脫節的現象。
（4） 生產治理困難。模具製造過程複雜，並且生產過程中不確定因素多，憑經驗調度無法保證整個生產過程的協調，程序控制困難，治理難度大。
2.2 汽車模具行業資訊化應用現狀
目前，我國汽車模具行業資訊化建設剛剛起步，網路化、資訊化發展水準還比較低，經過具體調研，發現主要存在以下題目：
（1） 車間治理主要依靠人工進行，無法實現生產過程中海量資料的有效治理，難以保證各個生產活動所需資訊正確一致，難以及時、快速回應生產動態變化。
（2） 大部分汽車模具企業網路化程度較低，“信息孤島”現象突出，各個部分的資料不能即時共用，從而影響了企業資料的一致性和正確性，嚴重阻礙了模具產品的開發效率。
（3） 模具生產過程缺乏有效地監控，無法實現製造過程資訊及時回饋，難以及時把握生產進度和生產能力，難以對在製品進行有效跟蹤。
上述題目的存在，不利於車間生產過程資訊的集成與共用，嚴重阻礙了企業資訊化發展水準的進步，從而影響了企業生產效益和競爭力的進一步提升。
3 面向汽車模具行業的MES
3.1 體系結構
以大型關係型數據庫技術為基礎，採用物件導向技術、軟匯流排技術，建立開放的、靈敏的製造執行系統，從而實現對生產資訊的監測、控制以及生產過程的優化治理。
圖1表示了汽車模具MES的體系結構。
頂層的計畫層是MRPⅡ/ERP等系統，其作用是治理企業中的各種生產資源、制定廠級生產計畫等，主要負責企業活動的計畫與生產決策。
處於中間層的是MES執行層，主要負責生產計畫的執行與控制。
生產控制層包括DCS（分散式控制系統）、PLC（可程式設計邏輯控制器）和DNC（分散式數控設備）等電腦控制系統，主要用來控制生產過程和設備。
MES提供了一種系統地在同一平臺上集成計畫排產、物料跟蹤、生產調度等功能的方式，通過與計畫層的治理系統（ERP）和底層控制系統的集成，將計畫、生產與控制緊密聯繫起來，從而在計畫層和控制層之間建立了一座溝通的橋樑和紐帶。
3.2 各模組的功能
MES系統主要包括計畫排產與作業調度、工位元電子看板、物料跟蹤、生產本錢治理、生產統計與分析和系統治理等主要模組，各模組功能如下：
（1） 計畫排產與作業調度模組
計畫排產與作業調度模組是汽車模具MES的核心。在與MES其他模組和ERP系統進行有效集成的基礎上，通過有限能力的作業排產，確定所有工件在設備上的加工順序，以及設備加工每道工序的開始、完工時間。當生產現場出現緊急訂單、設備故障、返工返修、生產拖期等情況時，採用公道的優化技術和方法進行生產調度，調整作業計畫和調度資源，使之與實際生產條件相適應，從而進步生產過程的連貫性，確保生產高效運行。
（2） 工位元電子看板模組
電子看板是建立在電腦網路基礎上的一種面向車間操縱工位的視覺化看板。工位元電子看板模組通過車間電腦網路將生產任務清單及相關工藝資訊及時呈現在操縱工位的看板上，向操縱職員下達生產指令，從而實現網路派工，並向其提供操縱規程、設備、工具、物料、輔料等作業指導資訊。
（3） 物料跟蹤模組
物料跟蹤模組運用條碼技術跟蹤整個模具生產的全過程，即時採集在製品工序活動以及物料消耗、產品返工返修及報廢等資訊，獲得每套模具的具體歷史記錄，從而使產品生產過程透明化，實現每套模具生產過程的可追溯性。
（4） 生產本錢治理模組
按照動態作業本錢法，將用度按不同作業具體分類、回集和分配，正確劃分可變本錢和固定本錢、可控本錢和非可控本錢，依據產品BOM所描述的加工裝配過程，結合即時的資料獲取資訊，從低層向高層逐層累積，從而計算出車間生產本錢。它反映了產品動態增值的實際過程，能夠即時、正確地實現本錢的精確統計。
（5） 生產統計與分析模組
生產統計與分析模組將在和MES其他模組及ERP系統進行有效集成的基礎上，實現對生產計畫、生產執行進度、品質檢驗、資源利用率等資訊的統計與分析，為更好的優化生產過程，進步產品品質，維持最優的生產狀態提供支援。
（6） 系統治理模組
對系統使用者按角色進行治理，治理其部分、崗位、職員、許可權等資訊，保存系統登錄記錄，保證產品資訊的安全性、保密性，提供系統資料備份和資料恢復功能，確保系統安全運行。
3.3 關鍵技術
MES是汽車模具行業車間資訊化建設的重點，是否成功開發與應用關係著汽車模具企業資訊化建設的成敗，其關鍵技術主要包括：
（1）作業排序優化技術
作業排序優化是計畫排產與作業調度的核心功能，決定了工件在設備或工作中心上的最佳加工順序。採用啟發式演算法的優先調度規則法進行作業排序優化，以預先定義好的優先規則作為啟發條件，從等待的作業中選取優先順序最高的作業安排加工。在加工優先順序的設定中，將交貨期、零件、設備三者綜合考慮，以交貨期先後設定模具優先順序；根據實際情況和經驗人為設定零件優先順序；按照已排定的任務最少原則設定設備優先順序。這種方法易於實現、計算複雜度低，並且加工優先順序可以人為調整，使得排定的作業順序更符合生產實際。
（2）條碼資料獲取技術
條碼資料獲取技術是以電腦技術、光電技術和通訊技術為基礎的一項綜合科學技術，是一種資訊識別、採集的重要方法和手段，它具有速度快、正確率高、操縱簡單、採集信息量大等優點。利用條碼自動識別技術對生產過程的物流資訊進行採集跟蹤，能夠對整個生產過程進行即時監控，記錄和處理生產中的大量資料，實現資料的可追溯、反查、報表等功能，進步治理效率和品質。
（3） 系統集成技術
為了實現異構系統產品資訊的共用和交換，採用XML（可延伸標記語言）中性檔的方式來實現MES與ERP系統和控制系統的集成。XML技術具有開放性、易擴展性等特點，能夠在不同程式之間交換和共用資料。MES與ERP系統集成的資訊包括生產計畫、BOM資訊、工藝資訊和物料資訊等。這種集成方式，不僅能夠進步系統之間傳遞資料的正確性和一致性，還能夠進步資訊的回饋速度，有利於資訊共用。
4 MES發展趨勢
MES是面向車間層的資訊治理系統，它的應用給企業帶來了巨大的經濟效益。隨著資訊技術發展和製造企業競爭需求，企業對 MES應用技術提出了更高的要求，滿足可集成性、可適應性、開放性和協同性要求是MES的發展趨勢。具體表現以下各個方面:
（1） 採用XML技術解決MES與ERP和底層控制系統之間的資料異構題目，使系統更具開放性、可集成性，融合的更緊密；
（2） 在對汽車模具MES軟體產品研究的基礎上，建立面向離散行業的通用解決方案，以適應離散行業各種具體實際需要；
（3） 資料採擷、知識治理、最優化技術、精益思想等治理技術和理念將在MES中得到廣泛應用，推動MES理論向前發展；
（4） 隨著資訊和網路技術的發展，協同MES成為研究的熱門。
5 結論
通過分析汽車模具生產特點和資訊化應用現狀，提出了以計畫排產和作業調度為核心的製造執行系統的體系結構和功能，進一步闡述了系統實現的關鍵技術和未來發展趨勢。通過汽車模具MES的構建，建立了生產資訊共用的機制和平臺，加強了生產資源及生產過程的數位化治理與控制，並且在計畫層與控制層之間架起了一座溝通的橋樑，從而實現生產的“管控一體化”。
[參考文獻]
[1] 劉德忠，費仁元，吳國蔚.製造工程組織學.科學出版社,2005.
來源：中國百科網
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