面向汽车模具行业的 MES 研究与应用

随着制造业日益激烈地竞争，很多企业实施了 MRP Ⅱ /ERP 系统加强生产管理，但由于缺乏足够的车间控制信息而无法满足企业生产的随机性、动态性的要求，无法做到与车间环境的紧密相连，因而无法有效指导车间生产计划的执行。随着企业信息化应用的不断推广，企业信息化应用水平逐渐提高，企业越来越需要车间执行层的管理信息系统。

目前，大多数汽车模具企业车间生产主要靠人工进行管理，计划层和控制层相互脱节，无法适应生产过程的动态变化，极大地制约了生产管理水平的进一步提高。制造执行系统 (MES) 的出现，填补了车间层管理的空白。 MES 以作业调度为核心，以降低生产成本、提高生产效率为目标，收集生产过程中的实时信息，并对实时事件及时处理，同时又与计划层和控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相关信息并反馈处理结果和生产指令，从而实现了整个生产过程的优化。本文就是基于汽车模具行业生产特点和信息化管理现状，提出了汽车模具 MES 的构建和应用。

2 汽车模具生产特点和信息化应用现状

2.1 汽车模具生产特点

模具作为汽车工业的重要工艺装备，是汽车制造业的工艺基础，由于产品本身的复杂性，及其典型的单件订单生产方式，决定了其生产不同于一般产品，特点如下：

(1) 面向订单生产。由于订单规格、数量、交货期变化大，每个产品都有其特殊性，从产品订货决策到制造全过程，每一套模具都具有一定的独立性，企业必须按订单组织生产。

(2) 生产进度难以控制。由于产品是单件生产，几乎每个产品都需要重新进行设计、工艺、技术准备等工作，因此经常无法及时掌握生产进度变化，难以控制整个生产过程。

(3) 计划多变。由于产品种类繁多，影响生产过程的不确定因素多，经常出现紧急订单、设备故障、零部件返工返修等情况，使得计划多变，甚至出现计划跟不上变化，与生产实际脱节的现象。

(4) 生产管理困难。模具制造过程复杂，并且生产过程中不确定因素多，凭经验调度无法保证整个生产过程的协调，过程控制困难，管理难度大。

2.2 汽车模具行业信息化应用现状

目前，我国汽车模具行业信息化建设刚刚起步，网络化、信息化发展水平还比较低，经过详细调研，发现主要存在以下问题：

(1) 车间管理主要依靠人工进行，无法实现生产过程中海量数据的有效管理，难以保证各个生产活动所需信息准确一致，难以及时、快速响应生产动态变化。

(2) 大部分汽车模具企业网络化程度较低，“信息孤岛”现象突出，各个部门的数据不能实时共享，从而影响了企业数据的一致性和准确性，严重阻碍了模具产品的开发效率。

(3) 模具生产过程缺乏有效地监控，无法实现制造过程信息及时反馈，难以及时掌握生产进度和生产能力，难以对在制品进行有效跟踪。

上述问题的存在，不利于车间生产过程信息的集成与共享，严重阻碍了企业信息化发展水平的提高，从而影响了企业生产效益和竞争力的进一步提升。

3 面向汽车模具行业的 MES

3.1 体系结构

以大型关系型数据库技术为基础，采用面向对象技术、软总线技术，建立开放的、敏捷的制造执行系统，从而实现对生产信息的监测、控制以及生产过程的优化管理。图 1 表示了汽车模具 MES 的体系结构。

图 1 汽车模具 MES 体系结构

顶层的计划层是 MRP Ⅱ /ERP 等系统，其作用是管理企业中的各种生产资源、制定厂级生产计划等，主要负责企业活动的计划与生产决策。

处于中间层的是 MES 执行层，主要负责生产计划的执行与控制。

生产控制层包括 DCS （分布式控制系统）、 PLC （可编程逻辑控制器）和 DNC （分布式数控设备）等计算机控制系统，主要用来控制生产过程和设备。

MES 提供了一种系统地在统一平台上集成计划排产、物料跟踪、生产调度等功能的方式，通过与计划层的管理系统（ ERP ）和底层控制系统的集成，将计划、生产与控制紧密联系起来，从而在计划层和控制层之间建立了一座沟通的桥梁和纽带。

3.2 各模块的功能

MES 系统主要包括计划排产与作业调度、工位电子看板、物料跟踪、生产成本管理、生产统计与分析和系统管理等主要模块，各模块功能如下：

(1) 计划排产与作业调度模块

计划排产与作业调度模块是汽车模具 MES 的核心。在与 MES 其他模块和 ERP 系统进行有效集成的基础上，通过有限能力的作业排产，确定所有工件在设备上的加工顺序，以及设备加工每道工序的开始、完工时间。当生产现场出现紧急订单、设备故障、返工返修、生产拖期等情况时，采用合理的优化技术和方法进行生产调度，调整作业计划和调度资源，使之与实际生产条件相适应，从而提高生产过程的连贯性，确保生产高效运行。

(2) 工位电子看板模块

电子看板是建立在计算机网络基础上的一种面向车间操作工位的可视化看板。工位电子看板模块通过车间计算机网络将生产任务列表及相关工艺信息及时呈现在操作工位的看板上，向操作人员下达生产指令，从而实现网络派工，并向其提供操作规程、设备、工具、物料、辅料等作业指导信息。

(3) 物料跟踪模块

物料跟踪模块运用条形码技术跟踪整个模具生产的全过程，实时采集在制品工序流动以及物料消耗、产品返工返修及报废等信息，获得每套模具的详细历史记录，从而使产品生产过程透明化，实现每套模具生产过程的可追溯性。

(4) 生产成本管理模块

按照动态作业成本法，将费用按不同作业详细分类、归集和分配，正确划分可变成本和固定成本、可控成本和非可控成本，依据产品 BOM 所描述的加工装配过程，结合实时的数据采集信息，从低层向高层逐层累积，从而计算出车间生产成本。它反映了产品动态增值的实际过程，能够实时、准确地实现成本的精确统计。

(5) 生产统计与分析模块

生产统计与分析模块将在和 MES 其他模块及 ERP 系统进行有效集成的基础上，实现对生产计划、生产执行进度、质量检验、资源利用率等信息的统计与分析，为更好的优化生产过程，提高产品质量，维持最优的生产状态提供支持。

(6) 系统管理模块

对系统用户按角色进行管理，管理其部门、岗位、人员、权限等信息，保存系统登录记录，保证产品信息的安全性、保密性，提供系统数据备份和数据恢复功能，确保系统安全运行。

3.3 关键技术

MES 是汽车模具行业车间信息化建设的重点，是否成功开发与应用关系着汽车模具企业信息化建设的成败，其关键技术主要包括：

(1) 作业排序优化技术

作业排序优化是计划排产与作业调度的核心功能，决定了工件在设备或工作中心上的最佳加工顺序。采用启发式算法的优先调度规则法进行作业排序优化，以预先定义好的优先规则作为启发条件，从等待的作业中选取优先级最高的作业安排加工。在加工优先级的设定中，将交货期、零件、设备三者综合考虑，以交货期先后设定模具优先级；根据实际情况和经验人为设定零件优先级；按照已排定的任务最少原则设定设备优先级。这种方法易于实现、计算复杂度低，并且加工优先级可以人为调整，使得排定的作业顺序更符合生产实际。

条形码数据采集技术是以计算机技术、光电技术和通信技术为基础的一项综合科学技术，是一种信息识别、采集的重要方法和手段，它具有速度快、准确率高、操作简单、采集信息量大等优点。利用条形码自动识别技术对生产过程的物流信息进行采集跟踪，能够对整个生产过程进行实时监控，记录和处理生产中的大量数据，实现数据的可追溯、反查、报表等功能，提高管理效率和质量。

(3) 系统集成技术

为了实现异构系统产品信息的共享和交换，采用 XML （可扩展标记语言）中性文件的方式来实现 MES 与 ERP 系统和控制系统的集成。 XML 技术具有开放性、易扩展性等特点，能够在不同程序之间交换和共享数据。 MES 与 ERP 系统集成的信息包括生产计划、 BOM 信息、工艺信息和物料信息等。这种集成方式，不仅能够提高系统之间传递数据的正确性和一致性，还能够提高信息的反馈速度，有利于信息共享。

4 MES 发展趋势

MES 是面向车间层的信息管理系统，它的应用给企业带来了巨大的经济效益。随着信息技术发展和制造企业竞争需求，企业对 MES 应用技术提出了更高的要求，满足可集成性、可适应性、开放性和协同性要求是 MES 的发展趋势。具体表现以下各个方面：

(1) 采用 XML 技术解决 MES 与 ERP 和底层控制系统之间的数据异构问题，使系统更具开放性、可集成性，融合的更紧密；

(2) 在对汽车模具 MES 软件产品研究的基础上，建立面向离散行业的通用解决方案，以适应离散行业各种具体实际需要；

(3) 数据挖掘、知识管理、最优化技术、精益思想等管理技术和理念将在 MES 中得到广泛应用，推动 MES 理论向前发展；

(4) 随着信息和网络技术的发展，协同 MES 成为研究的热点。

5 结论

通过分析汽车模具生产特点和信息化应用现状，提出了以计划排产和作业调度为核心的制造执行系统的体系结构和功能，进一步阐述了系统实现的关键技术和未来发展趋势。通过汽车模具 MES 的构建，建立了生产信息共享的机制和平台，加强了生产资源及生产过程的数字化管理与控制，并且在计划层与控制层之间架起了一座沟通的桥梁，从而实现生产的“管控一体化”。

参考文献

[1] 刘德忠，费仁元，吴国蔚 . 制造工程组织学 . 科学出版社 ,2005.