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离散型电装车间制造执行系统的应用实践

2018/10/31    来源:e-works    作者:柏纪元  郑景珍      
关键字:制造执行系统  MES  电装车间  
制造执行系统(MES)的实施能够在生产制造过程的控制和改进方面发挥重要作用,成为企业信息化的关键基础信息系统。

    国家战略“中国制造2025”及“互联网+”等行动计划明确指出了方向,MES系统的应用已经逐渐成为航空航天等装备制造业的主流生产管控系统,在不增加工人劳动强度以及工时成本的前提下,通过MES合理组织生产并对车间生产过程数据透明化管理,有效提升制造车间管控水平,进一步提升了车间生产制造信息化水平。航天企业电装车间生产模式属于典型的多品种、小批量,研制与批产混合生产,齐套与缺料生产并存的离散型制造;产品制造过程复杂多样,生产影响因素纷繁复杂,生产状态变化多样,生产制造过程的可控性和信息化程度较低。制造执行系统(MES)的实施能够在生产制造过程的控制和改进方面发挥重要作用,成为企业信息化的关键基础信息系统。

1 航天某部电装车间制造执行系统的实施背景

    航天某部采用多品种小批量的制造方式,生产、物流、质量管理的复杂性日益提高,管理人员忙碌于日常生产管理,信息流通存在滞后、不畅等管理瓶颈,很大程度上制约了生产效率,增加了生产成本,降低了产品质量。希望通过制造执行系统的实施,解决如下生产管理方面的主要问题:

    (1)生产准备周期长,由于制造资源优化调度手段落后,导致生产准备周期相对过长,在单件小批量的生产模式下,生产准备时间时常大于切削加工时间,造成设备的极大浪费。

    (2)生产计划协调性差,作业调度困难。生产作业计划主要依靠调度员经验制定,计划协调性不好,导致设备利用率低,设备效能得不到充分发挥;任务执行进度难以监控,物料状态难以跟踪,任务拖期/赶工频繁发生,紧急插单普遍、生产过程不确定性多,导致作业计划安排赶不上变化,计划任务执行失控现象严重。

    (3)在制品管理困难。由于零件品种多,工艺路线长,给人工管理在制品带来诸多困难,现场生产情况得不到及时反馈。

    (4)质量管理采取事后检验为主的管理方式,废品率得不到有效控制。因此,企业应用MES技术能够将管理人员从不断地人工追踪零件、调整计划的疲劳战中解放出来,将更多的精力投入在思考决策性问题、优化现场管理等方面,使得管理人员更多地发挥“防”的作用,实现“防”“消”的有效配合,是提高离散型工业企业生产管理水平和制造执行力的有效手段,近年来得到越来越多国内企业的高度重视。

    在准备和实施制造执行系统的前期,航天某部还存在着如下具体困难:

    计划流程多样化:产品临时计划多、订货周期长、缺件生产多,生产计划是一个指令性计划,它明确了产品的数量和完成时间等要求,但是它并没有按照工序进行任务排产,没有帮助车间生产管理人员派工到工人、设备;在应用MES的过程中需要首先解决从计划到生产过程的各类细节流程问题。

    生产资源来源丰富:生产业务主要涉及计划管理、工艺管理、物资管理、生产过程管理、资源管理、库管理等方面,与生产有关的系统多而杂,数据交换过程较为复杂,MES系统的输入数据不易获得。MES与相关信息系统的数据传递如图所示。

MES与相关信息系统的数据传递关系

图1 MES与相关信息系统的数据传递关系

    典型的离散生产模式:企业的电气装联产品种类多,批量小,生产过程以手工作业为主,自动化程度低,数据采集依赖手工,是典型的离散型生产模式。存在制造BOM不能自动获取、缺料生产情况多、过程中状态变化多等特点。

    需要在MES策划实施过程中深入业务分析和现场业务应用实地解决,借助成形MES产品行业经验,合理梳理车间实际业务来切合电装车间实施MES系统的规范化应用,助力企业提升智能制造水平。

2 航天某部电装车间制造执行系统的方案设计

    电装车间MES系统建设思路为,以生产计划核心流程为主线依托,围绕状态、进度、质量、资源、成本等关键要素管理生产计划到生产工单一体化管理体系;以MES系统为中心主线,实现MES与工艺管理、ERP、多项目等系统的纵向集成;以IC卡登录和身份验证、扫描枪扫描二维码识别、多媒体采集技术的高紧密度集成,为工业互联网建设打下坚实的基础;以全面实现产品设计、工艺、生产、交付等数据总线,达到数据共享及产品全寿命周期的产品履历管理,构建可控高效的生产过程管理信息化系统;建立产能综合分析工具(覆盖生产设备能力、生产人力资源、电装能力、装配能力、调试能力、检验能力、库仓存储能力等指标),初步形成以数据驱动的生产辅助决策能力。电装车间MES系统总体设计如图所示。

MES系统总体设计图

图2 MES系统总体设计图

    基于现状,MES系统的实施采取分阶段建设的方案。第一阶段解决派工、生产执行等各类信息的电子化,主要包括生产计划管理、生产资源管理、生产执行管理、生产现场监控、生产信息追溯、生产质量管理、数据分析与看板管理、基础数据管理和系统集成构成,其中重点实现生产执行管理、生产现场监控、生产质量管理、生产资源管理等四项核心功能。

MES系统的功能组成模块

图3 MES系统的功能组成模块

    在制造执行系统的实施过程中,解决了如下具体的问题:

    ●计划和工单的衔接与管理

    生产业务主要涉及计划管理、工艺管理、物资管理、生产过程管理、资源管理、库管理等方面。其中计划主要在多项目系统中编制、下达;多项目系统中计划类别较多,而在生产中计划需要驱动物资配料、工艺准备和生产三项主要工作,为此,从生产管理角度在多项目系统中分别下达工艺计划、物料准备计划和生产计划。他们之间的逻辑关系为工艺人员将配套表导入后物资保障人员将配套表生成领料单发送生产处库房,分料后根据工单进行配料和领料。

    具体设计思路是,技术助理接收到生产综合计划后,系统判断是否存在创建的对应计划,若存在,则由技术助理员进行绑定。绑定后进行后续操作。

    工单由现场调度生成,设定了创建、调整、确认等多个环节的操作,工单以工艺路线为依据进行创建和拆分,在配套明细表、质量跟踪卡、工艺文件目录这些信息确认的基础上完成。下图显示了生产工单创建的界面。

生产工单创建

图4 生产工单创建

    ●制造BOM的生成

    航天某部目前使用KMCAPP进行工艺文件编制,设计图纸中的相关数据信息(元器件型号、执行标准、厂家、数量、物料编码等)不能转换为工艺部门的相关报表和工艺文件,新的设计和工艺系统正在开发中,按照整体的方案,KMCAPP不再和MES系统开发接口,因此制造BOM的生成成为MES系统开发最主要的问题。

    为此企业分析了生产过程必须的数据,进一步分析现有工艺文件模式,发现现有工艺文件目录基本可以指向各工序,而任务分配也基本是按照工艺文件来进行,因此工艺文件目录可以作为MES系统中的工艺路线。这个目录和质量跟踪卡、工艺文件、配套表都有唯一的对应关系。工艺员将KMCAPP中的配套明细表、质量跟踪卡、工艺文件目录导入到MES系统,在生产前进行状态确认后就可以供工单下达、物料领用和产品装配使用。制造BOM的生成过程如下图所示。

制造BOM生成

图5 制造BOM生成

    ●缺料生产的解决方案

    由于器件订货周期长,研制产品存在边设计边生产的情况,缺料生产基本属于常态,为了在MES系统中解决缺料生产中可能存在的生产中断问题,项目组深入分析了领料、分料、配料、发料和生产过程,采取了不控制物料齐套情况,可以多次发料的策略,物料状态根据领出、发出的状态随时更新和绑定。

    MES系统根据生产计划进行物料分料和物料分箱,进行生产备料;料箱管理:对物料料箱的产品容器进行编码,通过扫描二维码的方式,建立物料与容器的对应关系,物料分料,根据产品工艺设计信息及工序BOM对产品进行物料分拣,按照产品的单台套、单工序、多台套、多工序等多种方式进行分料;物料分箱,生产工单具体生产数量和排产方式,在物料分料方式不确定时,进行对分料后的料箱进行二次物料分箱操作,目的是分箱到适合生产工单配料的物料;物料核实,物料配料前的核实操作,主要是核实物料是否按照产品计划要求的配置,物料的系统信息和物料的实物信息三种信息是否一致,并对物料的超期超储信息进行检查。物料管理完全使用扫描技术与二维码技术相融合解决数据正确性,如下图所示。

缺料分料

图6 缺料分料

    ●互检的管理方式

    MES系统实施将质量跟踪卡导入到系统,传统的跟踪方式是工序完成后操作者进行自检并填写自检信息,提交后互检、专检均可看到。而互检是电装车间多年来保证产品质量强大手段,本次MES系统实施,车间管理层希望能够将纸质的互检记录信息电子化保存在系统中,为以后车间知识管理和质量监察提供原始数据积累;但是目前电装车间互检环节不在跟踪卡中体现,实际车间业务管理经验也不完全需要互检详细到每一道工序,根据该业务的特点,项目规划和实现采用可配置方式,完美解决互检可以根据车间实际业务来自行设置。

    MES系统在软件中增加了自检后是否需要互检的选项,不互检则直接跳转到专检,需要互检则选中互检,互检后流程到专检。这样,互检过程既不体现在跟踪卡中,数据也得以记录和保存。互检采集过程如图7所示。

互检界面

图7 互检界面

    ●工艺技术状态控制

    MES系统中使用的工艺数据是手动从CAPP中导出再导入MES系统,如何保证数据的有效性?项目总体规划和实施时,通过对现场文档管理的多次调研,并结合后期工艺设计软件TC的规划,对每次生产使用的数据文件采用版本控制的方式,并且每次生产前进行版本确认和提交,如果和以前使用的一致也需要进行“复用”的操作,以保证发到现场的工艺文件状态可控。如果出现生产过程中有工艺通知单等临时文件,会在工艺准备中填入单据信息并随文件流转,以便于现场调度、资料人员、现场操作人员了解和使用。为以后工艺的一体化数据管理和车间电子化作业指导书预留接口。

    ●任务暂停和终止的处理

    生产中遇到缺料、状态变化、不合格等情况,工单会暂停执行,暂停由现场操作人员填写,但是现场人员没有终止的权限,任务终止只能由调度操作完成,以控制任务进行中对各种情况的掌握和控制,各种异常情况均在系统里进行记录和保存。暂停时,由现场人员选择暂停原因,系统可以详细记录暂停原因,也为电装车间分析一定时间生产影响提供数据依据;终止则由生产调度和班组长才有该权限,同样,终止工单也需要填写相关的终止原因(同时关联异常事件管理),也为电装车间分析工单终止奠定数据基础。

    ●将跟踪卡填写和报工关联完成报工

    系统最初设计时将报工和填写跟踪卡两项分开填报,操作人员需要两次进入到系统不同界面,填写自检信息,并由操作人员自行填写完工信息,估算填写进度信息,根据现场反馈,我们将两个功能在系统内进行关联,直接将自检信息的完工工序代入进度中,系统自动计算进度,采取相对模糊的进度跟踪方式,简化了操作人员的填报工作,数据收集也更为合理。

3 航天某部电装车间制造执行系统的实施经验总结

    3.1 以原型开发沟通需求,让需求方更容易理解和接受系统

    在沟通需求环节,开发方首先开发出系统原型,以形象的方式和需求方进行沟通,让使用方在需求阶段了解到系统的功能,了解到系统的运转样貌,这样的沟通更加有效,也更加便捷。

    系统的易用性更多地是在各种确认和试用环节得到改善,在开发方的想法和使用方的想法出现不一致的时候,项目组及时召开线下或者线上会议,共同协调沟通,最后达成一致意见。

    3.2 MES系统路演和试用

    项目组在系统开发过程中先后几次进行大的沟通活动,开发方、需求方和使用人员就每个流程逐一确认,以流程实操的方式进行试用,经历了流程确认、功能演示确认、模拟环境确认和实际环境试用等环节,最终才得以上线运行。

    在系统确认和试用环节,项目组组织了大量的培训,一方面通过培训和沟通,不断地传递MES系统的理念和管理思路,一方面进行实际软件操作培训,并对流程进行更进一步的梳理和明确,这个过程使各方的思想逐步协调统一,为MES的正式实施创造了条件。

    3.3 有效团队沟通需求是系统顺利实施的保障

    需求方和开发方都以团队形式出现,每个岗位都能就自己负责的流程和业务提出自己的需求,避免负责人一言堂,使需求偏离;项目组组织了需求调研,深入现场逐一进行访谈,对双方理解有差异的环节反复沟通,并填写需求确认单,避免项目周期中因为记忆偏差造成的理解差异。

    3.4 注重以管理信息化的思路调整和推演流程

    由于原来生产环节都是依赖纸质的单据、口头或者邮件等形式沟通,流程和职责不是很严密,将这些形式转为计算机信息,需要进行重新推演并调整,项目组一起进行推演,先后调整了领料、制造BOM、计划接受和下达、工单生成和调整、报工、特殊情况记载、互检、合格证生成等多个流程的细节,使管理信息化后的生产过程能够顺畅流转。

    MES系统实施运行后,MES的理念和该航天企业实际结合过程中存在的问题得能解决,为航天电装类企业规划和实施MES系统的工作展开,提供规划实施经验和行业问题延伸解决,在信息化、智能化的进程中,航天企业将继续以流程为基准,以业务为铺垫,以问题为导向,以沟通为手段,突破制造执行系统实施的众多难题,逐步推进生产制造的信息化和智能化深度融合,小步迈进离散型航天企业电装车间智能制造新领域。

责任编辑:程玥
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