1 MES系统简介

　　1.1 MES系统的定义

　　制造执行系统(简称MES)是美国AMR公司在 20 世纪 90 年代初提出并在物资需 求计划系统(MRP)的基础上发展起来的，其将 MRP和车间作业现场控制整合起来，实现了生产计划管理、生产过程控制、产品质量管理、车间库存管理等生产全流程精益管理。

　　1.2 MES系统的主要功能

　　MES系统一般包含四大类、11 项基本功能，如图 1 所示，基本功能如下。

　　图 1 MES系统主要功能图

　　1.2.1 数据管理类

　　①数据采集：通过多种方法采集生产过程中的数据，包括产品的生产过程信息、工艺流程信息、部品追溯信息、品质检查信息，以及生产线运转、人员作业、物料搬运、作业流程、工厂环境等信息，并将其作为生产控制和生产追溯的重要依据。数据采集方式有自动和手动，重点是要保证数据采集的及时性、准确性和可靠性。

　?、谑荽娲ⅲ憾圆杉氖萁惺莼娲ⅲ娲⑺璧挠布褪菘?，一般会根据数据的重要程度来分级别存储。

　?、凼莘治觯憾允菘庵械氖萁凶芙岷头治觯贸鲆欢问奔淠诘纳ū?，主要是总结工厂生产效率、资源利用率、人员作业效率、设备运行效率、物料使用状况、产品品质状况等信息，并反映当前工厂运营状况。

　　④文件管理：管理生产制造相关文件，如产品技术文件，物料清单，工艺流程、生产指示、品质管理文件，生产报表等。

　　1.2.2 生产管理类

　?、偌苹芾恚憾韵鄱┑ソ泻侠淼姆峙洌瞥稍露?周度/日度/时度等不同级别的生产计划，同时对生产计划的完成情况进行有效管理。

　　②过程控制：通过对人员作业状况、设备运行状况、在制品状况、部品供应状况、品质状况等方面的目视化实现对工厂整体生产过程的有效控制，对可能导致质量问题和效率降低的环节进行重点监控，对已经发生或可能发生的问题及时对应。

　　1.2.3 品质管理类

　?、倨分使芾恚褐饕ㄗ饕抵衅分时Ｖち鞒?、自动作业防误装置、各工程检查流程、自动化检查系统、问题产品的维修流程和进度管理。

　?、谧匪莨芾恚褐饕嵌圆飞痰淖匪莺筒科肥褂玫淖匪?，部分追溯信息要按照法规要求上传至相关政府部门，部分追溯信息在工厂MES服务器或数据中心长久保存。

　　1.2.4 资源配置类

　?、偃嗽惫芾恚焊萑嗽钡哪芰侠戆才湃嗽迸渲?，管理员工信息(包括出勤情况、工时、绩效等)，把握员工的工作效率，从而有效提升整体生产效率和消除作业瓶颈。

　?、谧试捶峙洌憾陨璞?、工具、物料、能源等企业生产资源进行合理分配，在生产过程中，对生产资源进行合理调度，动态消除生产瓶颈，保证稳定生产。

　　③单元分配：对于离散型企业和部分流程型企业来说，作业单元的合理分配是非常重要的，不仅在单元作业计划阶段需要合理分配，在生产过程中也应根据生产进度实时调整，以提高设备的利用率和保证流程各环节的交货期。

　　2 MES系统的导入流程及注意事项

　　2.1 MES系统的导入流程

　　MES系统的导入一般分为 4 个阶段、8 个步骤，如图 2 所示。

　　图 2 MES系统的导入流程图

　　2.1.1 软件决裁阶段

　?、倌勘攴治觯菏紫纫魅房⑷砑哪勘?，即解决什么问题、实现什么功能、投入什么资源、创造什么价值。

　?、谌砑霾煤驼斜辏航砑哪勘辍⒐δ?、投入、产出、日程等项目制作成软件决裁书，并提交公司经管会审批，审批通过后，通过招标流程选定软件开发服务商。

　?、壑谱饕椋旱髦沼没У男枨?，对需求进行分类整理和详细分析，剔除不能实现的需求和投入产出比差的需求，明确软件满足哪些具体需求，设计软件系统的硬件架构、功能?？?、前台交互画面和后台数据库等，做成软件要件书。

　　2.1.2 系统开发阶段

　　①程序编写：按照软件要件书的内容编写程序，对数据结构、算法分析和?？榛艿确矫婵季咛宓某绦虮嘈矗允迪指髂？榈墓δ埽佣锏较低彻δ?、性能、接口、界面等方面的要求。

　?、谌砑馐裕翰馐灾饕治？椴馐?、整体测试、设备联动测试、多系统联动测试，通过测试发现系统问题，并及时进行系统修补和更新。

　　2.1.3 系统验收阶段

　?、偃砑舳旱比砑馐酝瓿珊?，软件开发者应给用户安装软件、提供使用手册、数据库字典、测试完成报告等双方合同约定的内容。

　?、谌砑槭眨喝砑芄晃榷ㄔ诵?，且所有功能均可实现，性能达到标准，软件开发服务商正式交付项目，客户交付尾款。

　　2.1.4 系统运维阶段

　　根据合同规定，软件开发者或委托公司对系统进行运营监控和维护(一般为 24 h对应)，对用户应用过程中的问题进行及时解决。

　　2.2 MES系统的导入注意事项

　　2.2.1 决裁阶段注意事项

　?、僦氐闶羌纫闵芾碚叨酝蹲驶乇实乃咔螅惨阌没Ф匀砑导使δ艿乃咔?。

　　②招标过程中，既要满足流程的合法合规，也要对软件开发服务商的能力进行严格的审核。③制作要件书时，要详细说明应实现什么具体功能、软件响应速度是多久，以及交互页面要求、服务器备份能力和存储时长、可扩展性和前台可编辑性等主要项目，也要说明系统功能说明书的编写要求、软件使用方法培训要求和维保人员配置等辅助项目。

　　2.2.2 系统开发阶段注意事项

　?、俅酉钅抗芾碚叩慕嵌壤此?，主要是和软件开发商协商管理软件开发日程，对可能影响软件开发的因素进行把握，提前做好解决预案，及时进行日程调整。

　　②在设备联动测试和多系统联动测试阶段，应制定明确的联协测试体制，对测试过程进行控制，对测试中的问题进行记录和解决，直至系统达到合格标准。

　　2.2.3 系统验收阶段注意事项

　?、偃砑狡粲煤螅⒂τ靡斐Ａ缣逯?，明确问题解决流程。在实际运用过程中，确认系统功能和流程是否正确，对系统漏洞及时解决;确认系统功能和流程是否健全，设计阶段未考虑的功能和流程要及时添加;确认人机交互是否高效，对用户体验差的功能和流程进行改善。

　?、谟没褂梅矫?，建立系统功能培训和传承机制，要对初始用户进行全面培训，降低人员变更对系统使用的影响。

　　2.2.4 软件维保阶段注意事项

　?、儆捎诠こ韵低车母叨纫览?，故应建立24 h全天候的系统现场维保机制和异常对应机制，制定异常对应预案，明确责任分工。

　?、诙晕Ｈ嗽钡囊滴衲芰μ岢雒魅返囊螅刖低承耘嘌岛鸵滴衲芰己送ü蠓娇缮细?。

　　3 一汽丰田某整车厂新一代工厂MES系统的应用

　　3.1 新一代工厂MES系统简介

　　一汽丰田某整车厂采用丰田全球系统和现地系统相结合的方式，将各业务单元系统紧密连接，形成了功能强大的系统集群。其中生产控制系统是这些系统的核心，大部分制造执行功能都在此系统中，具体见图 3。

　　图 3 工厂系统连协关系图

　　一汽丰田工厂MES系统历经几十年的发展，于2021 年末研发完成了新一代系统，并在一汽丰田某整车厂率先导入，至 2022 年 10 月系统全部功能均告完善，可以顺畅地实施商品车生产。

　　3.2 新一代工厂MES系统的主要机能

　　新一代工厂MES系统主要有四大?？?，分别为生产控制?？椤⒊盗臼菽？椤⑸甘灸？椤⑸渴踊？?，如图 4 所示。

　　图 4 新一代MES系统的主要机能图

　　3.2.1 生产控制?？?/span>

　　生产控制?？槭枪こES系统重要的机能，新一代MES系统实现了对装焊、涂装、总装全工艺流程的生产控制，如图 5 所示，实现了一套系统对所有设备的高精度控制，在行业中处于领先水平。

　　图 5 新一代MES系统生产控制机能图

　　3.2.2 车辆数据库模块

　　新一代工厂MES系统配备了功能强大的后台数据库，一方面对生产过程实时监控，对设备通信日志、生产控制指令日志、生产指示日志等过程信息予以短期(一般为一周)保存，以便于对生产过程进行短期精确追溯;另一方面对车辆生产履历和部品追溯信息予以长期(3 个月以上)保存。

　　表 1 车辆SF信息表

　　表 1 是车辆SF(日程文件)信息录入的过程，简单来说，就是在不同的生产阶段在车辆SF的相应区域中登录车辆基本信息、生产信息和品质追溯信息。

　　3.2.3 生产指示?？?/span>

　　为了提高生产效率和降低生产成本，乘用车整车厂基本都采用多车型平准化的生产方式，车型的生产订单会平准地分配至每个时间段(单位为小时)，车型的顺序也是随机的，加之同一车型配置较多，且时常发生设计变更。因此，无论是生产设备，还是作业人员，都要依靠精确的生产指示来作业。

　　图 6 新一代MES系统生产指示机能图

　　如图 6 所示，生产指示机能是工厂MES系统核心的机能，生产指示工作也是生产准备阶段重要的业务，生产指示的错误可能会造成设备损坏、部品误装、作业失误、检查失效、安全事故等严重问题。因此，生产指示精度对生产的稳定性和商品车的品质具有决定性的影响。

　　3.2.4 生产目视化?？?/span>

　　生产目视化是将生产状态、在库状态、车辆位置、生产进度、生产统计等信息通过电脑、大屏幕、手机等媒介直观地展示出来，是生产控制和达产管理的重要工具，其发展的新前沿是工厂数字孪生工程。新一代工厂MES系统具备较为完善的生产目视化功能，可以目视化子线级别的生产状态、生产进度、在库状态、停线时长等信息，也可以目视化单台车辆级别的所在位置，图 7 是生产目视化看板的导入流程。

　　图 7 新一代工厂MES系统生产目视化机能图

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　　首先要明确目视化的项目，一般来说分为基本信息类、生产实绩类、生产在库类、生产状态类、生产效率类等项目，需要对工厂的软硬件条件进行初步调查，即哪些信息可以直接获取、哪些信息需要通过追加软硬件才能获取，并在此基础上确定目视化项目。

　　②目视项目清单制作。

　　将确定要目视化的项目制作成项目清单，清单中要对项目进行编号、命名、说明。

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　　明确项目清单中各个项目的信息来源，提前告知相关部门信号需求，并明确通信格式和信号要件书格式。信息来源一般分为工厂设计工艺图纸、工程安东系统、工厂MES系统内部等。

　　④信息获取。

　　对于取自工程安东系统的信号，要制作信号要件书和通信式样书，并做好信号收发测试。对于取自工厂MES系统内部的信息，要做好系统设定。

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　　在工厂MES系统中设定目视项目数据库，将所有的目视化项目都录入到系统中。

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　　首先要设定看板索引目录，然后要设定工程布局和工艺流程，做到尽可能和现场现状相一致;设定生产实绩、在库、状态、效率项目等，做成完整的生产目视化看板。

　　⑦生产目视看板展示。

　　按照需要，通过电脑、大屏幕、手机等方式打开目视化看板网页，将其作为生产控制的主要工具指导生产。

　　4 新一代工厂MES系统的提示和不足

　　4.1 新一代工厂MES系统的革新

　　新一代工厂MES系统在前代的基础上做了全方位的提升，主要体现在以下几点。

　?、俳喔鱿低承瓿傻纳甘净芎蜕刂苹芗傻揭桓龉こES系统中，实现了功能的强化和效率的提升，同时大幅减少了系统的投入成本和维保成本。

　?、谇炕硕陨毯筒科返淖匪菽芰Γ玫刂С帕舜蛟旄咂分实钠的勘?。

　?、矍炕俗艹缮亩杂δ芰?，用类似于对车辆的控制方式来控制总成的生产，是生产控制精度从主线级别向辅线级别提升的重要保证。

　?、芮炕四渴踊低车幕?，从信号获取、看板设计、看板展示都实现了用户定制化，每个用户都可以按照技术指导书制作需要的看板并实现目视化，距离工厂数字孪生的目标更近了一步。

　?、萸炕硕孕滦蜕璞傅闹С帜芰?，在新一代MES系统的支持下，工厂内全自动物流系统、AI视觉检查系统等前沿技术得以应用，极大地提升了工厂升级的潜力。

　　4.2 新一代工厂MES系统的不足

　　新一代工厂MES系统同样存在一些不足，未来需要进一步改进，主要方面如下。

　?、偎淙皇迪至硕喔鱿低郴艿恼?，但是多个独立?？槎杂υ低车幕埽茨茏龅酵骋槐曜?，对于运营管理者来说，要分别学习不同?？榈木咛骞δ芎驮擞梅椒?，提高了系统使用的门槛。

　　②不同于之前各工程系统通过专线网络和生产指示设备相连，新系统通过工厂公共有线网和所有生产指示设备相连，工厂公共有线网的拓扑结构中包含多层级的网络交换机，从工厂MES系统到生产指示设备可能会有多个交换机，当交换机基数足够大时，网络异常的可能性会增加，虽然设定了A/B两套网络，但在出现网络异常时仍需要大量时间来分析和处置，对生产的稳定性构成了潜在的隐患。

　　③新系统的整体定位还是传统的数据处理中心，在数据分析方面未能有较大进步，未能匹配大数据分析的前沿技术，数据价值的挖掘能力不足。

　?、芩淙辉谏渴踊矫嬗兴炕嗬牍こ致仙哪勘昊瓜嗖詈茉?，生产管理方面也更多地依靠生产管理者的分析和判断。

　　5 结语

　　当前制造业处于从工业 3.0 自动化制造向工业4.0 智能制造的变革期，汽车制造业作为大工业中自动化程度高的产业，也必将引领这一变革，生产制造中核心的MES系统从整体设计、系统构建、功能设置、系统联动、实际运用等各个层面都要向智能制造方向发展，打造数字化、智能化、物联化的下一代工厂MES系统是未来行业的新方向。