面向离散制造业的生产执行系统

本文对离散制造特点的制造执行系统进行了研究，以沈飞公司数控加工厂制造执行系统的研发过程为依据，提出了将企业中系统管理活动分离，形成静态管理和动态配置两种模式，并对其分别进行论述，最后结合MES实施的实际情况对此模式予以肯定，形成了一套具有离散型制造企业特色的制造执行系统。

制造执行系统（MES，Manufacturing Execution System）能够优化从订单投入到产品完成的生产活动所需的全部信息：其运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录生产活动，从而能够对条件的变化做出迅速的反应、减少非增值活动、提高工厂运作过程的效率。MES系统不但可以改善设备投资回报率，而且有助于加快库存周转、提高收益。

MES在企业和供应链间以双向交互的形式提供生产活动的基础信息，使计划、生产、资源三者密切配合，从而确保决策者和各级管理者可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，做出准确的判断并制定快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速的修正、生产流程畅通、资源充分有效地得到利用，进而最大限度地发挥加工效率。

一、MES技术存在的问题

构建和实现一个有效的制造执行系统，将会在一定程度上解决信息集成和实现过程中所带来的问题。首先要评估集成的现有状况和基础结构的有效性，另外，设计的系统框架要针对具体车间的现实条件。

近年来，我国制造业MES的研究和实施有了较大的发展：流程型制造业的水平普遍高于离散型制造业。离散制造特点带来的任务繁重，零件流量庞大，数据量庞大、信息分散及信息交流不畅等现象，使得无论是在MES技术深度上还是在应用广度上都存在一些问题，主要表现为以下几点。

（1）缺乏MES技术标准。MES的设计、实施和维护缺乏技术标准，影响了MES产品的技术性能，加大了系统开发和应用的成本。

（2）集成性差。由于缺乏统一的工厂数据模型，MES各功能子系统之间以及MES与企业其他相关信息系统之间缺乏必要的集成。

（3）通用性和可配置性较差。现有系统通常针对特定需求，很难应对企业业务流程的变更或重组。

（4）实时性不强。MES作为面向制造车间的实时信息系统，实时性是实现MES功能的基础。但现有系统缺乏准确、及时、完整的数据采集与信息反馈机制，因此在底层数据的实时采集、多源信息融合、复杂信息处理及快速决策等方面非常薄弱。

（5）智能化程度不高。MES中所涉及的信息及决策过程非常复杂，由于缺乏智能机制，现有MES大多只提供了一个替代经验管理方式的系统平台，通常需要大量的人工干预，因此难以保证生产过程的高效和优化。

二、离散制造业MES分析

考察以上问题可知，MES系统应该在架构上实现模块化、标准化、柔性化和智能化，才能随着实施的广度和深度不断进化，形成产品化的系统，大量减少客户化工作，快速满足企业的实际需求。

研究典型的离散制造企业主流程，可以发现，不论哪一类车间生产管理，其实质都是完成一个事先约定的流程规范，每个流程都可能涉及到具体的人员和活动，消耗一定的资源和时间。我们注意到：流程的管理与控制和资源、数据等的管理具有完全不同的特点，并且可以将企业中的这两种管理活动分离，从而形成静态管理（针对资源、数据等）和动态配置（针对活动、流程等）。

1.静态管理

支持工业活动的静态管理是一种针对资源等管理活动以及在此活动中所必需的信息的管理方式。它的目标是在业务过程中，为资源的使用和管理及所有相关信息提供一种描述方式。图1所示为静态管理资源模型的结构形式（该模型遵照国际标准）。

为提高与环境的兼容度，满足不同任务的需求，该模型以一种模块化的方式被构造。用户可以根据自身的需求灵活定义和表达，并在特定的工业过程中使用。

2.动态配置

动态配置可分为输入部分、转换部分和输出部分，如图2所示。资源支持使得工业活动对工业对象的转换过程能够顺利完成。

其中，工业活动是企业业务逻辑层面的一个概念，是一种目标驱动的对一个或多个对象的改变过程。一个活动可能调用某个软件功能完成对输入的转换或只是对一个手工（由人工或机器完成）转换过程的数字化表述，具有输入和输出两个接口，输入和输出的内容是资源及其状态。

工业过程是一种流程，可能由不同部门、不同设备和不同人员等在时间域内共同完成的任务，它是一系列基本功能的联结，可以认为工业活动是最基本的、最小粒度的工业过程。因而，一个工业过程可以分为若干个子过程，且具有自递归的性质。

存在于工业过程中的“流”可以分为物料流、信息流和资金流等，与工业过程相应，“流”随着工业过程的推进会产生一系列的变化，发生一系列的数据交换。对于物料流来说，物料的形状、功能和价值等随着流的移动而发生变化，最终从原材料变成产品。信息不断发生着增加、减少、变更、存档和转换等动作，随着时间具有不同的意义。在此过程中，资源和制造管理数据也伴随产品数据一同流动。

因此，在MES实施过程中，贯彻上述柔性化、模块化思想，从系统框架入手，重视静态管理基础工作，基于动态配置完成各类标准、核心功能模块的定义，并可针对不同的企业应用需求随需应变，提高实施效率，降低实施成本。

三、离散制造业MES实施

沈飞公司的生产模式是非常典型的离散型制造企业，生产关系、零件结构复杂，又是批产和科研混线的多品种、小批量生产模式。因此，制造执行系统的应用实施难度非常大。沈飞公司采用静态管理和动态配置相结合的管理方式，攻克上述困难，建立了资源管理、资源配送管理、现场状态采集、问题反馈及处理和可视化五个模块，形成了符合航空行业具备离散型制造企业特色的制造执行系统。系统的总体功能模块架构如图3所示。

1.资源管理

MES系统接收公司部件级生产交付计划，计划人员利用MES系统完成排产后，通过该资源需求计划管理模块处理，可自动生成相关各类零件级资源的需求计划，如：毛料计划、工装计划、刀具计划、样板计划和成品半成品计划等（图4）。生成的资源需求计划直接传递给各类资源库房，由库房及时反馈资源准备状况，所有资源依据反馈的需求时间、需求设备、零件加工周期、风险系数和紧急程度等信息，进行资源的优化组合，控制资源有效利用。至此，资源准备工作完成，将数据传递给资源配送管理模块。

2.资源配送管理

各类生产资源设立专门的配送部门负责资源配送，经资源需求计划管理模块处理后，由需求工段进行确认申请配送。配送过程严格由管控平台进行管理控制，资源在传递的过程中，设备操作者无须离开设备或沟通协调资源配套问题，从而大幅降低了数控设备停机时间，有效提升了设备利用效率。针对离散行业的资源配送管理包含：刀具配送、工装配送、毛料配送和样板配送等。如图5所示列举了刀具配送流程和工装的配送过程。

3.现场状态采集

静态资源配送到位后，进入转换为产品的加工阶段，该阶段也是信息较为繁杂和分散的阶段。为增加车间生产现场的透明度，系统通过DNC设备监控功能和现场采集终端手动采集功能，将车间所有工序级作业任务的加工信息实时反馈给计划调度部门。由于生产现场作业任务的进度可实时反馈，计划部门计划员与工段计划每周定期核对计划完成情况的工作可取消了，取而代之的是计划员通过进度监控随时了解重要订单的加工进度，对可能逾期的任务及时进行调整，体现了离散型制造业动态管理的特性。由于计划调度部门及时进行调整， 系统会依据调整结果重新对资源进行重组，因此提高了生产作业的连贯性，降低设备闲置率，提高了生产效率。

4.问题反馈及处理

车间生产过程中各类偶发事件难以及时反馈以及处理过程的低效问题，是导致离散制造行业生产效率低下的一个重要原因，也是MES系统要解决产品转换过程中信息不畅的问题之一。针对此问题，我们特别设计了现场问题反馈及升级处理机制（图6），处理人员的响应及处理效率将纳入绩效考核，从而实现了问题及时反馈与处理能力，有效提升了管理水平。

5.可视化

可视化模块是对资源动态转换过程和产品输出结果最直接的信息获取渠道。结合LED屏幕和现场液晶看板等现代化信息输出设备，可实现生产信息的动态显示，为各部门协同作业提供直观、实时的进度信息，为决策层提供客观、准确的统计分析结果。

四、结语

MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。离散制造MES技术在过去十年来不断地成熟，但MES的发展和应用是一个过程，其实施绝不是可以一蹴而就的。