装配流程可配置的制造执行系统的研究与应用 - 文章

装配流程可配置的制造执行系统的研究与应用

作者：王炳刚周伟饶运清何非

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0 引言

制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统。MES的实施可以给车间生产带来以下益处：

1）对车间物料和生产工艺等的流动进行实时监控。
2）对车间现场进行实时操作，及时获取车间信息，为不同的管理功能提供信息输入。
3）提高产品的质量和生产效率，以及企业的市场适应能力。

MES还能提供详细的产品跟踪，包括所有订单的状态、工时报告、派工单、资源管理和完成情况的状态报告。而且，更高级的MES能提供详细的生产管理报告，同时能支持统计过程控制（Statistical Process Control，SPC）和统计质量控制（Statistical Quality Control，SQC）。

MES在国外应用广泛且取得了显著的效益，在国内一些典型企业应用已取得了成功，且正在大力推广。

传统MES存在以下几方面不足：

1）应用范围窄、通用性差。传统MES一般只解决某个特定的领域问题，如车间质量管理、生产单元分配等，或者针对一个特定的行业，在特定的、规范化的环境下进行系统设计，只满足特定的生产业务流程，缺少通用性。

2）缺乏柔性，不易修改和扩充，可配置性差。不同行业、不同企业的生产组织模式不尽相同，同一企业的业务流程也在动态变化中，但传统MES针对特定行业或企业的固定业务流程开发，系统不能随业务过程的变化进行功能配置和动态改变。传统MES缺乏柔性，不易修改、扩充和配置，当将其移植到其他生产环境中或组织结构、业务流程等改变时，它将失去应有的作用。此外，由于传统MES在开发时不注意系统的可配置性，并且缺乏一定的技术规范指导，针对不同行业或企业的MES功能基本上无法借鉴和使用，因而使得系统的开发周期长，开发和使用成本较高，不利于MES在广大中小制造企业的迅速推广。

针对传统MES在发展过程中的一些不足，国内外学者和有关研究机构在MES的可集成性、可配置性、智能化和敏捷性上进行了积极的探索。构建可配置的MES必须首先进行系统分析，收集领域需求，分析系统环境，并在系统分析的基础上划分管理功能模型，在这些管理功能的基础上，形成功能构件，建立功能构件的对象模型，在不同的企业或同一企业的不同车间实施MES时，能够通过“搭积木”和软件重用来满足不同的要求。

为提高MES系统对装配流程变化的适应能力，本文首先结合装配车间的特点，对装配流程进行建模，设计装配车间装配流程的数据模型，提出了不同产品的装配流程配置的方法，然后，将此模型和方法应用于背景企业的MES系统开发与实践中。

1 装配流程建模及配置的方法

装配车间的特点：更加注重装配的质量，更加强调产品的可追溯性。为确保质量，在每件产品的装配过程中，装配工人在完成本工位的装配操作后，首先要进行自检，确认操作无误后，在装配记录本上签名，然后交给专门的质量检验人员进行详细的质检，质检人员将实际检测数据填入装配记录本，并与质量合格标准数据进行比较，判断质量是否合格，只有合格品才能转入下一装配工序，否则会被转入质量问题分析与处理工序，质检人员要对记录的实际检测数据和所作的判断签字负责。对每件产品，尤其是装配完成又发现质量问题的成品，要求能追溯到组成该件产品关键零/部件的编号、批次、装配人员、质检人员、完成时间及装配质量记录等信息，利于追踪处理。因此，装配流程模型要能体现装配工艺路线工序间的关系，并能在每道工序绑定质量记录表单和需要追踪的物料。

针对装配车间的特点，设计的装配流程数据模型如图1所示。

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图1 装配流程数据模型

1.1 工艺路线配置

确定每条工艺路线包含的各工序之间的先后顺序、分支/合并关系及工序与工位的对应关系，是正确配置装配工艺路线的基础。为完整体现出这种关系，首先定义以下几种工序类型：开始工序、操作工序、虚工序、分支工序、合并工序和结束工序，并在数据库中设计了如下表格，各表之间通过工艺路线号相关联。

1）工艺路线表：维护了产品型号、工艺路线号及工艺路线名称的对应关系（见表1）。

表1 工艺路线表
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2）工序表：将不同工艺路线的各工序号与工位号进行绑定（见表2）。

表2 工序表
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3）工序顺序表：描述了工艺路线中各工序的先后顺序关系，包含工艺路线号、当前工序号、下一步工序号及下一步工序类型（见表3）。

表3 工序顺序表
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4）工序分支表：反映了工艺路线中工序的分支关系，可体现出在哪道工序发生了分支、发生分支后的紧后工序以及紧后工序类型（见表4）。

表4 工序分支表
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5）工序合并表：反映了工艺路线中工序的合并关系，可体现出在哪道工序发生了合并、发生合并的紧前工序以及合并后的下一步工序类型（见表5）。

表5 工序合并表
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为方便装配流程驱动引擎开发过程中的条件判断，分别用不同的数字代号表示工序表中工序类型、工序分支表中紧后工序类型号和工序顺序表及工序合并表中的下一步工序类型。

1.2 绑定质量记录表单

同种型号的不同产品所用到的装配质量记录表单是相同的，为了既能够完整准确地记录装配过程质量数据，又能避免重复编程，此处采用模板技术，将所有的记录表单先作成模板，然后将工序与本工序用到的记录表单模板进行绑定。为此，在数据库中采用中间表技术，用工序与模板关系表（见表6）中建立的工序序号和模板号的对应关系，将工序表与质量记录模板表（见表7）进行关联；操作人员在动态的模板表单中逐项填入质量数据，然后这些表单数据被取出，按照产品编号分别存入数据库的记录表对应的项目中。

表6 工序与模板关系表
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表7 质量记录模板表
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1.3 绑定需追踪的物料

为了能更好地对产品的关键零/部件进行追踪，需在每道工序绑定需追踪的物料。为此，在数据库中，将工序表与物料表通过工序表中自增的序号进行关联，物料表（见表8）中体现了每种物料的编号、物料使用类型与使用数量的对应关系，对每一件产品，操作人员只需录入本工序需追踪的零/部件物料编号。

表8 物料表
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2 可配置装配流程的制造执行系统的应用

本文背景企业是某军品装配分厂，共有六个装配车间，每个车间装配一种或工艺相似的几种产品。经过详细调研，确定各车间计划管理、任务分解与执行状况追踪、物料管理、工具管理、设备管理、故障处理、统计分析流程是相同的，区别在于各车间的人员、工位布置、装配工艺路线、填写的装配记录表格和需追踪的物料不同。依照企业信息化先试点实施、后逐步推广的原则，企业首先选择现代化程度较高的车间作为MES系统的试点单位，该车间只装配一种型号的产品。

2.1 系统功能简介

1）基本信息维护：完成装配分厂的车间、工位及人员的配置与维护；装配分厂装配的所有产品的型号、名称及所在装配车间的定义与维护；对每种产品的物料清单（BOM）进行展开和维护，对需要跟踪的物料进行标识，对每种产品的装配流程进行配置。

2）生产计划管理：完成装配计划的录入与维护；分批次编制产品的总装进度计划；依据总装进度计划对装配计划进行分解（细分到天）；查询每个计划的执行情况，并可查询该计划每道工序的任务完成情况。

3）工具管理完成对工具、工装的入库、出库及库存情况的管理，并对需定期校验和检测的工具进行到期提示。

4）物料管理：完成对物料的入库、出库及库存情况的管理。

5）人员管理：完成对使用本系统的所有人员的联系方式、通讯地址、登录系统的密码等信息进行管理和维护。

6）设备管理：完成对设备名称、设备型号、主要技术参数等基本信息的管理与维护；设备大中修、维护保养等各种计划的管理与维护；查询设备的点检、运行记录、故障记录、事故记录、维修记录、精度检查记录、维护保养记录、设备换油记录、仪表检验记录、技术监督局定检、完好检查、状态检测记录和安全技术操作规程。

7）装配流程管理：操作者登录系统后，在装配流程驱动引擎的驱动下，查看本工位尚未完成的任务列表，每一件未完成产品的本工位任务作为一条记录，操作工人选定一条任务，开始工作，将操作过程中使用到的需追踪的物料编码录入系统，操作完成后，确认操作无误后，在装配记录表中记录该任务的完成时间，并签名，之后，将任务转移到质量检验工位，同时操作工位任务列表中删除该条记录，在该工位已完成任务列表中增加该条记录；质检员进行检测，将检测数据填入质量记录表中，判断是否合格，如果质量合格，转入下一装配工序，否则，则写明质量不合格的原因，转入质量问题分析与处理工序，同时检测工位任务列表中删除该条记录，在该工位已完成任务列表中增加该条记录（质量合格的情况下）或在待处理任务列表中增加该条记录（质量有问题的情况下）。对质量有间题产品的处理在隔离区进行，将处理后的质量检测数据、操作人员、质量检测人员、处理结果以及处理完成时间记录到系统中。下一条任务的工作过程与上述过程相同。

8）产品追踪：通过产品编号查询并追溯每件成品及各部件的完成时间、操作人员、检测人员、质量状况以及所有的装配记录表格；可查询所有在制品当前所在位置和工序，查看已完成工序和已完成装配的部件的完成时间、操作人员、检测人员、质量状况以及所有的装配记录表格；可查询所有返修任务的处理过程，查看返修任务的执行状态及完成时间、操作人员、检测人员、质量状况以及所有的装配记录表格。

9）统计分析：根据收集到的生产过程数据，生成生产日报表、生产月报表、期终盘存表和产品质量月报，能够查询半成品结存情况。

10）系统权限管理：根据人员角色的不同，分配不同的试用系统的权限。

2.2 装配流程配置

在试点车间实施时，采用前述模型和方法可对本车间装配产品的装配流程进行配置，限于篇幅，此处只截取该产品装配工艺路线的前一部分（如图2所示），并将真实的工序名称暂用工序A1、工序A2等代替，将各工序填写的质量记录表分别用form1、form2等代替，将各工序绑定的物料用W1、W2等代替。配置结果如表1-表8所示。

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图2 产品A装配工艺路线

当已有产品的装配流程发生改变或有新产品装配或将该系统在其他车间实施时，只需利用该模型和方法重新配置装配流程，此处不再重复叙述。

2.3 系统软件架构

应用Java技术，采用B/S的三层体系结构来构建企业的生产业务解决方案，以便重用业务逻辑，为企业提供灵活部署的能力。系统的软件体系架构如图3所示。

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图3 系统软件架构

1）表示层：负责与用户进行交互，接受用户的指令，表现系统处理结果等等。
2）业务逻辑层：根据用户的指令和企业业务处理逻辑，对数据信息进行相关的处理，并将处理结果返回表示层。
3）数据访问层：负责处理系统与数据库系统和其他应用服务的通信。

3 结语

目前，可配置装配流程的制造执行系统已在企业生产管理中试运行。实践表明：本系统提供的功能符合企业实际生产需求，当装配流程发生改变或有新产品装配时或将该系统在其他车间实施时，只需开发新增的质量记录表单模板，并在基本信息维护模块中对工位和人员关系进行配置、按照本文设计的模型和提出的方法配置装配流程，其他模块可完全复用，不用重新编写程序，具有较好的可扩充性、可配置性和较高的模块复用率，可大大缩短系统开发周期，节约企业信息化成本。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/16/2008)


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