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作者：譚愛紅，揚州市職業大學機械工程學院
許常武，揚州電力設備修造廠有限公司
導讀
在數字化轉型建設過程中，機械制造企業的難點是智能車間的設計。隨著5G技術的發展，大量的帶網絡接口的智能設備的投入使用，智能車間的實施成為可能。本文從車間生產計劃調度、過程管控、設備管理、質量管理、能耗管理和物流倉儲等方面提出了車間MES執行系統設計的要求，同時對企業實施 MES 的過程提出了四個注意事項。
01
引言
隨著網絡信息技術的進一步發展，工業 4.0、工業互聯網、物聯網、大數據、云計算及人工智能等有了更強大的基礎支撐，很多企業在此基礎上進行了規模較大的數字化轉型建設工作，經過近幾年的努力，許多企業成功地完成了數字化轉型的初步階段，辦公協助系統、企業資源信息管理系統、計算機三維設計和 3D 打印等先進管理手段已經成為標配。企業的信息化水平得到了顯著提升。
數字化轉型對企業提出全方位的要求，而且，在一些企業中，雖然實施了信息化改造，但由于認識、水平和基礎條件的限制，各個信息系統往往各自為政，互不協調，造成信息的物理隔絕，企業信息沒有真正流通起來。究其原因，一方面是由于企業信息化的基礎不夠扎實、缺少互聯互通的平臺系統；另一方面是一些復雜過程如機械制造企業車間生產管理，難以用數字化來描述，許多設備上又缺少信息互通的接口等，再加上以前網絡傳輸速度較慢、受環境因素影響較大的原因，許多機械制造企業不敢也不愿去做這項工作。
隨著信息技術的發展，目前，5G網絡技術在傳輸速率、覆蓋面和深度、信號時延、終端接入量等方面取得了質的飛躍，逐漸成為新一代的無線網絡技術。這讓制造車間的數字化建設成為了可能。如何在 5G 環境下建立一套制造車間的智能管理系統，本文對此進行了探討。
02
企業信息化管理平臺的要求 要建立智能制造車間，企業首先要建設包括產品數據管理系統（PLM）、企業資源計劃系統（ERP）和辦公自動化系統（OA）等的企業數字化管理集成平臺，如圖1 所示。通過各業務系統實現業務管理數字化并實現了各系統之間的互聯互通。
利用 5G 網絡核心設備與接入設備進行專門的 5G 通信網絡建設，形成企業全 5G 網絡傳輸氛圍，實現超低時延和超大帶寬需求，為更多的 5G 智能制造應用構建良好的網絡基礎環境。構建 5G 專網頻段，實現 5G 信號保障，提供 5G 端到端的連接。 為了確保企業數字化網絡的安全可靠，企業 5G 網絡最好要能夠提供雙冗余信號，確保能夠實現公有云平臺數據存儲和數據安全。只有建立了強大的 5G 網絡環境，智能車間的建設才更加容易實現。 ?
03
基于5G環境下的機械制造企業
智能車間MES 的設計
智能車間的建設，最核心的是要建立一套在5G環境下的制造執行系統（MES）。用該系統來實現車間生產計劃調度、生產過程控制、設備管理、質量管理、倉儲管理、能耗管理和現場文明生產等數據管理，同時該系統還要能夠整合車間各個模塊之間的數據，實現車間全面數據平臺及報表可視化平臺，讓數據賦能業務，實現生產管理可視化到智能決策的提升，推動智慧車間的全面升級，增強企業綜合競爭力。據此，設計出機械制造企業智能車間MES執行系統框架，如圖2所示。 ?
3.1 車間生產計劃管理
通過 MES 與 ERP 互通，實現智能車間生產計劃的排產。MES 對 ERP 系統中的生產管理計劃 MRP 進行解讀，使之變成車間的生產計劃。ERP 系統中的總生產計劃比較粗放，不能有效指導車間的具體生產，而MES 則必須在接受到ERP 系統的指令后，能夠迅速將主生產計劃根據 PLM 系統中的產品加工工藝流程、產品裝配 BOM等技術文件將車間生產要求轉化為車間可執行的數字指令，同時 MES 根據車間人員、智能設備的生產能力及流水線的工作節拍將生產計劃準確地傳輸到加工人員和加工工位。物流、加工過程、零部件的加工進度、產品的裝配和入庫等信息通過 5G+ 的相關設備進入 MES，同時加工質量的信息數據通過5G+檢測設備同步進入MES中，實現從 ERP 主生產計劃到 MES 計劃調度的全面對接和雙向傳輸，最終實現 MES 和 ERP 的集成。通過集成，企業可以實現車間加工數據在整個系統的流通，保證信息的追溯和應用，實現企業數字化和可視化的進度管理。
3.2 車間生產過程控制管理
MES 貫穿生產制造的全過程，通過 MES 建立重要零部件的追溯體系，用激光刻碼機等特定設備在定義好的零件上標刻 QR Code，追溯原材料批次、加工工單、生產廠家和加工人員等。智能設備之間進行互聯，通過多種傳感器技術、數據采集卡等方式，采集機床運行的多種加工參數、零件測量數據和報警信息等，并將數據反饋給 MES 和 PMC。車間管理者可以通過設備互聯頁面，實時了解加工狀態，并分析機床 OEE 值。在發生報警的情況下，系統可以發信息提示相關人員進行處理。
在過程控制中，車間通過 PLC 數據采集、生產者輸入等方式采集設備和生產者加工信息并輸入 MES。
3.3 車間智能設備管理
采用 5G+ 設備互聯，實現設備狀態全面感知、信息高效處理，實現車間柔性生產。對各類智能設備（如圖 3所示）、生產線等進行 5G 網絡采集，在相關總線和網絡接口的基礎上，通過 5G 模組轉為 5G 信號，再通過 5G專線網絡，將采集的設備數據實時上傳，再通過邊緣計算 MEC 移動實時響應并處理。提升了工業數據實時采集能力。
通過對設備運行狀況實時監控，運行效率監控，設備故障異常管理，設備維修保養預警管理，減少設備宕機導致的非計劃停機，提升設備利用效率、延長設備使用壽命。同時控制生產過程中因設備故障導致的不良品流出。對生產過程中的設備故障進行實施監控及設置故障預警值，提前預測并實時監控設備故障情況，縮短故障的處理時間，確保安全生產。
3.4 車間質量管理 設計質量管控系統 QMS，對車間加工質量進行控制。依據 BOM 清單，對零部件進行實體編碼標識或批次碼標識。車間質檢員可通過 5G+IPAD 在 QMS 中獲取零部檢、過程檢、來料檢、成品檢和抽檢等質檢數據，比對基礎數據及標準，實現進料質量管理、過程質量管理、成品質量管理、不合格品處理，以及報表和看板等功能。同時智能檢測設備也可對加工過程進行檢測，將合格/不合格數據信息通過 MES 反饋給 QMS，從而實現對車間加工質量的有效控制。 對于出廠產品的管理，則可以通過相關工業物聯碼標識系統實現標牌智能標識，客戶通過相關系統可以查詢到生產產品的關鍵工藝信息、物料信息、流程信息和設備調試記錄等信息。
3.5 物流倉儲管理 車間按照節拍化生產理念組織生產，工藝規劃細分到各個工位，將物料的相關屬性寫入產品 MBOM 和工藝路線。 AGV 智能小車連接 5G 或 WiFi，用于成品庫、原料庫、車間裝配線運輸、檢測線運輸和涂裝線運輸，實現原料入庫、產品裝配及包裝、入庫等流轉自動化，實現倉庫物流優化。 建立自動化立庫（包含原料庫、成品庫）及智能倉儲系統 WMS。通過 WMS 對倉庫實行全庫位管理，并建立數字化的庫位模型，物料的分布和庫存量一目了然。依據 BOM 清單，物料通過 5G+IPAD 掃碼入物料庫，物料數據同步到 WMS 中。WMS 根據物料的出入庫情況，分析出常用物料、呆滯品等信息。在物料使用頻率數據的基礎上，靈活設定 WMS 的入庫原則，確保常用物料的庫位盡量靠近出庫口，減少物流的行程，提高出入庫效率。 通過 WMS，對時效性物料實行“先進先出”和“先失效先出”的出庫策略管理。通過對每種物料設定合理的安全庫存、采購周期等屬性，將信息流轉變為物流，最大限度的減少采購量和實現最小庫存量，提高經濟效益。
3.6 車間能耗管理 設計生產能源管理模塊，實施對智能電表、天然氣流量計、自來水和壓縮空氣流量計等計量儀表的數據采集，自動統計車間、生產線和智能設備等多個管理層級的能源消耗，按年、月、周和班次等時間維度統計能源消耗；并結合產量、產值等錄入模塊，實現各個管理層級和時間維度的單耗計量。對高耗能設備的三相電流、三相電壓、三相功率、功率因數和諧波等參數的監測，對設備的運行狀態和運行時長進行統計分析；當設備參數超過限值時，自動發出告警提示；對設備的重點工藝參數進行實時監測，并結合工藝參數，綜合分析設備的能源效率。對于有多個設備組成的連續生產線，分析產線各個設備的協調運行情況，避免當主產線停止運行時，輔助設備還在空轉運行。 結合生產計劃和能源單耗的歷史數據，對未來的能源消耗進行月度和年度預測；實時監測工廠的最大需量曲線，當最大需量達到閾值時，通過調整可中斷負荷來控制最大需量，節約能源。
3.7 車間現場管理 由于智能車間中采用大量的自動化生產線和智能設備等，因此對現場管控的要求就非常嚴格。如何做好智能車間的現場管理，采用 5G+ 工具是一個非常有效的辦法。 安裝 5G+AI 攝像頭。實施安防視頻監控系統，通過采集人員行為數據智能圖像識別，對未佩戴安全帽、吸煙、玩手機、煙火、人員逗留、人員出入預警和通道異物等情況分析報警。同時通過智能 AI 監測分析，實現對現場生產環境的安全監測。 采用各類傳感器、溫控器等智能設備及時將車間現場的不安全因素傳送給各個監控點，實現車間全方位、無死角的監管。 ?
04
MES 與其他信息管理系統的集成
實施智能車間的 MES 與企業的 CRM、PLM、ERP、SRM 和 OA 等系統的集成，實現研發設計協同、供應鏈協同、生產制造一體化和車間管理協同。
MES 與 ERP 集成。ERP 中的生產計劃、產品交貨信息及全程的生產管控要能夠及時傳輸到 MES 中，MES 根據 ERP 主生產計劃建立車間的生產計劃，車間對產品的生產過程的各種信息要能夠反饋到 ERP 系統中。
MES 與 PLM 集成。研發人員通過 PLM 系統將與產品相關信息（包括零件信息、配置、文檔、圖紙文件和結構信息等）及所有與產品相關過程（包括過程定義和管理）傳遞到 MES，實現項目全過程跟蹤管控，實現設計標準化、編碼規范化、圖紙數字化、工藝數字化、審批流程化和簽字電子化。
MES 與 SRM 集成。采購部門通過 SRM 系統與車間MES 對接，實現供應鏈的協同管理。通過系統評估供應商績效，實現績效和供貨配額規范透明化管理，實現了傳統業務流程變革，通過電子對賬，減少人工對賬出錯率，提高工作效率，通過條碼管理、送貨通知，實現快速出入庫，提高庫存周轉率。
MES 與 OA 系統集成。OA 系統是企業辦公管理的重要手段，企業決策和具體管理一般都是要通過 OA 系統，而車間管理的一些重要數據也必須能夠及時通過 OA 系統傳遞到企業的決策部門。MES 中績效考核、人員管理等數據要能與 OA 系統進行相互傳輸。
05
MES 設計過程中的注意事項
5.1 智能車間設計全面考慮、按需分步進行
智能車間的設計從一開始就要有通盤的考慮，不能因為目前有許多條件不具備就不考慮。正確的做法是在全面評估企業實施 MES 的信心后，建議企業可以將容易實施的先做起來，對于目前有難度或條件不具備的要預留接口空間，不能出現一起上，一個都用不好的情況。
5.2 MES 軟件模塊的選擇
現在能夠完全做好全系統的 MES 軟件的供應商并不多，MES 的各子模塊的設計也千差萬別。由于軟件設計人員和車間管理的人員對車間管理需求的理解不一致，導致許多 MES 不能很好地適應車間管理的需求。
5.3 實施過程中要預留應急通道
作為管理工具，MES 也不是萬能的，尤其是在剛開始實施的階段。企業實施 MES 的目的是為了提高效率，降低人工成本和管理成本，如果因為某些突發因素導致系統出現問題，則一定要預留人工處理的流程，不能被系統所困。
5.4 要加強現場操作人員技能水平的培訓，提高系統的可靠性
數據收集和處理是 MES 運行的關鍵，而數據的處理原則是企業制定的，合理、科學的處理方法會極大提高系統的效率。因此現場操作管理人員要能夠根據車間管理的實際不斷修正一些流程，優化數據處理的環境，確保 MES 的高效可靠。
06
結束語
根據《國家智能制造標準體系建設指南（2021 版）》的相關要求，企業數字化轉型建設已經提上了議事日程。要真正實現企業數字化轉型，一方面廣大軟件設計企業要能夠根據企業特點設計出相應的信息化管理軟件，社會要能夠提供出大量的高素質信息化操作使用人才，同時也要有相應的網絡支撐。5G 的發展適逢其時，高效、安全、傳輸速率高的優勢可以為 MES 的實施提供極大的便利。
5G 網絡的優勢客觀上為車間智能化打下基礎，而MES 模塊的成熟應用又為企業實施管理提升打開了便利之門。相信，隨著 MES 的進一步推廣，大量的“黑燈”制造工廠將成為現實。
編輯：黃飛
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工商網監
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