汽车齿轮变速箱装配生产线制造执行系统的功能模型.doc

汽车齿轮变速箱装配生产线制造执行系统的功能模型彭慧（ 中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016）摘 要：针对多个工程项目的实际需求，结合MESA提出的MES功能模型，提出了针对汽车齿轮变数箱装配生产线的制造执行系统的功能模型。该模型由管理层次模型和管理内容模型两部分组成，并给出了层次模型和内容模型之间的偶合关系。关键词：制造执行系统；功能模型；汽车齿轮变数箱中图分类号： TP29 文献标识码：BThe MES Functional Model Oriented to Auto Transmission Assembling LinesPENG Hui( Shenyang Institute of Automation of Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China )Abstract: Based on the practical several projects requirements and MESA functional model , the manufacturing execution system functional model oriented to the auto transmission assembling Lines was constructed . This model is formed by two parts, one is the administrative level model, the other one is administrative content model. The relation of the two sub models is described .Key words: manufacturing execution system; functional model; transmission 0 引言MES是美国管理界90年代提出的新概念。美国先进制造研究机构AMR(Advanced Manufacturing Research)通过对大量企业的调查发现现有的企业生产管理系统普遍由以ERP/MRPII为代表的企业管理软件，以SCADA、HMI(Human Machine Interface)为代表的生产过程监控软件，和以实现操作过程自动化、支持企业全面集成的MES软件群组成。MES着重生产的控制和协调。它使现代制造信息系统不仅有了一个很好的计划系统，而且还具备了一个使计划能落实到实处的执行系统。因此MES在国内外各行各业的企业中迅速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益。企业认识到只有将信息从生产设备中取出，穿过操作控制层，送达管理层，通过连续信息流来实现企业信息全集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。在将MES的理念应用与实际工程中，企业遇到的首要问题是如何确定满足自身实际需求的MES系统的功能。由于不同行业制造企业的生产组织方式和生产工艺过程的不同，不同行业制造企业对MES的要求和着重点是完全不同的。例如电子工业通常要求MES着重于建立精确的产品记录，即使在产品经常变化以及工艺和设计经常变化的情况下仍有精确记录。纺织行业、食品工业以及许多批量处理的行业使用MES是为了改善设备利用率，保证不问断的批量记录，进行配方管理和加速生产过程。宇航和军工企业需要MES能满足在线的工作指令，在加工过程中保持出错几乎为零，对产品进行完整的历史记录以保证法规和用户的检验，以及跟踪大项目的进程。制药行业通常要求MES能精确地进行便于管理的批量记录，证明产品符合法规。甚至同一个行业中不同的制造企业也各具特色。所以MES软件总是针对某一个行业的特定要求而开发的。作者在MESA给出的MES功能模型的基础上，结合我们承担的山西大同齿轮集团有限责任公司齿轮变速箱装配生产线MES项目、陕西法士特齿轮传动公司齿轮变速箱装配生产线MES项目、伊顿法士特齿轮有限责任公司齿轮变速箱装配生产线MES项目需求，以及东风汽车变速箱有限公司齿轮变速箱装配生产线MES项目需求，给出了汽车变速箱装配生产线MES的功能模型，为今后面向汽车变速箱装配生产线MES项目工程应用及产品开发打下基础。1 MESA的MES功能模型1.1 MES定义按照MESA1所给出的定义，MES提供了用于对从订单接收到最终产品整个过程的生产活动进行优化所必须的信息。随着生产活动的进行，MES采用当前的和精确的数据，对各种生产活动进行指导，发起相应的生产活动，并对相关的生产活动做出恰当的响应，同时要给出涉及到的各种生产活动的相关报告。通过对随时可能发生变化的生产环境做出快速反应，并把工作的重点放在减少不会产生附加值的活动上，MES可以使工厂的各种生产操作和过程更为高效地进行。MES改进了生产资产的投资回报，并改善按时交货、库存周转、毛利和现金流通等方面的指标。通过双向通信，MES提供了完成跨企业和供应链的各种生产活动所必须的关键使命信息。在MES的定义中强调了三点：(1) MES的优化目标是整个生产过程。(2) MES需要收集生产过程中大量的实时数据，并且对实时事件能及时进行处理。(3) MES需要同时与计划层和控制层保持双向通信能力，从上、下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。1.2 MESA的MES功能模型 MESA的功能模型2由11个子功能构成，它们是：1.2.1 资源分配和状态管理（Resource Allocation and Status）该功能管理机器、工具使用人员的技能、物料、其它设备以及其它实体（例如进行加工必须准备的工艺文件）等制造资源。该功能提供了资源使用情况的详细历史记录，确保设备能够已经准备好用于生产加工过程，同时提供资源的实时状态信息。对这些资源的管理，还要求能支持编制作业计划时所要求的预留和分配功能。1.2.2 作业计划编制（Operations/Detail Scheduling）该功能提供了基于与特定生产单元相关的优先级（Priorities）、属性（Attributes）、特征（Characteristics）以及配方等因数的作业排序功能。例如，如果顺序编排得好的话，按颜色或其他特征进行排序，将使生产准备时间最小化。该功能是一种基于有限作业能力的计划编制系统。该系统能识别出生产过程中的交替、重叠或并行操作，据此能够详细地计算出准确的时间或设备负荷，并依据实际的班次模式进行调。1.2.3 生产单元调度（Dispatching Production Units）该功能负责管理作业、订单、批次、批量和操作指令单等形式的生产单元间的工作流。当现场发生了某个生产事件时，该功能将生成新的调度指令序列，现场生产活动据此做出实时响应，并按此新的调度指令序列进行生产活动。生产单元调度功能有能力对生产现场已有的作业计划作出调整，对返修品和废品进行处理，以及使用缓冲管理技术控制任意位置的在制品数量。1.2.4 文档控制（Document Control）此功能管理着必须与生产单元一同维护的信息文档，包括工作指令、配方、工程图纸、标准工艺规程、零件的数控加工程序、批次加工记录、工程更改通知以及各种转换操作间的通讯记录，并提供了信息编辑功能。文档控制功能将各种指令下达给操作层，包括向操作者提供操作数据或向设备控制层提供生产配方。此外，它还包括对其它重要数据(例如与环境、健康和安全制度有关的数据以及诸如正确操作步骤方面的ISO信息)的控制与完整性维护。该功能还提供了历史数据存储功能。1.2.5 数据采集（Data Collection/Acquisition）该功能通过数据采集接口来获取各个生产单元所必需的各种内在的生产数据和参数。这些数据，可以从生产现场以手工方式录入或从现场设备中以分钟一级的精度自动获取。1.2.6 劳动力管理（Labor Management）该功能以分钟一级的精度，提供现场人员的状态信息。提供工作时间和出勤报告、各种资质认证追踪功能。还提供了为了进行基于生产活动的成本核算而追踪各种间接接生产活动（如物料准备工作或工具准备工作）的能力。该功能可以同资源分配功能交互，以决定最优的人员分配。1.2.7 质量管理该功能提供了对从生产制造过程采集到的质量方面的测量数据的实时分析功能，确保正确的产品质量控制并识别出需要引起注意的问题。该功能可以提出为改进已存在问题而要采取某些措施的建议。根据工程目标来实时记录，跟踪和分析产品和加工过程的质量，以保证产品的质量控制和确定生产中需要注意的问题。1.2.8 过程管理（Process Management）该功能监控生产过程，能自动纠正生产中的错误，同时向操作人员提供决策支持以改正并改善生产过程中的各项活动。这些活动很可能是操作内部的，特别集中在被监视和被控制的机器设备上，也可能是操作之间的，它们跟踪从一个生产操作到下一个生产操作的流程。该功能可以包含报警管理功能，以使工厂人员清楚地了解到生产过程发生的超出可接受范围的变化。该功能，很可能通过数据采集功能，提供了智能设备与制造执行系统之间的接口。1.2.9 维护管理该功能追踪并指导机器和工具维护方面的各项活动，已保证机器和工具在制造过程中的可用性，并确保提供对机器和工具进行周期性、预防性维护计划，同时也要确保能对现场出现的紧急问题（如报警）做出响应。该功能维护了一个过去发生的事件或出现的问题的历史记录，以辅助有关部门人员对问题做出诊断。1.2.10 产品跟踪和产品谱系该功能提供了产品在生产全过程所处位置和部署情况的可视化能力。状态信息可以包括当前正在加工产品的是谁，供应商提供的部件材料，批次号，序列号，当前的生产条件，以及出现的任何报警，返工，或与该产品相关的其它各种异常。此联机追踪功能也创建了一个历史记录，该记录提供了每一最终产品的零部件构成及使用情况的可追溯性。1.2.11 性能分析该功能提供了实际制造操作结果分钟一级的报告，该报告可以同过去的历史记录以及预期业务结果相比较。性能分析结果包括了诸如：资源利用率，资源有效性，产品单元周期时间，与计划和性能指标的符合程度。也可能包括了由来自对生产过程中的操作参数进行定量测量的各种不同功能所收集到的信息而绘制出的SPC/SQC图表。1.3 MESA的MES功能模型特点分析MESA的MES功能模型，是在总结了MESA成员在MES方面的工程实践的基础上提出的，具有相当高的普遍的指导意义和重要的学术价值。但其并没有考虑到MES的行业特点，当然也不可能关注不同行业的特殊之处，否则也就不会有其普遍的意义。MESA的MES功能模型的设计，更多的是基于优化生产执行过程和实现整个企业生产管理系统的高度集成进行的。在文献3中对MES系统的功能做了进一步的划分，同样没有考虑到MES的行业特点。依据我们的工程实践，MESA的MES功能模型对实际的工程应用的指导作用，仅具有参考意义。由于没有考虑到行业及企业的特殊性，如果生搬硬套，还会给实际MES应用工作带来相当大的损失。如何在其普遍性的基础上，结合不同行业的特殊之处，才是我们在MES工程应用中应该重点考虑的问题。2 汽车齿轮变速箱装配生产线MES需求分析2.1 汽车齿轮变速箱装配生产线的组成汽车齿轮变速箱装配生产线一般是由若干条总装生产线、分装线、质量检测线、喷涂线等构成。而每一条生产线又是由数十个装配工位或若干个质量检测工位、喷涂和包装工位所构成。每一工位配置了若干个操作工，以及各种装配设备（主要是各种气动或电动的拧紧工具，通用或专用压装机等）或检测设备。在分装生产线上，齿轮变速箱的零部件顺次经过每一个工位，操作工按照装配工艺要求进行部件装配，最终形成了中间产品各种总装部件。在齿轮变速箱壳体进入总装配生产线后，顺次经过各个总装工位。在每一个工位按照装配工艺要求安装好相应的总装部件和零部件后，齿轮变速箱然后进入到下一工位。总装生产完成后，经检测合格，并喷涂和包装后，入库，装配完成。装配中的变速箱及部件在各工位之间的移动，是由物流输送系统完成的。最简单的物流输送系统可以是由人力推动的小车、滚道。自动化程度较高的装配生产线还可以采用RGV或AGV，以提供工作效率、降低操作工的劳动强度。2.2 装配工艺与装配工艺参数不同类型齿轮变速箱依据其产品结构和组成零部件的不同以及用户特定的要求，其装配工艺存在着一定的差异。在实际装配过程中，要求能依据当前待装配的类型齿轮变速箱的型号给出装配工艺要求（装配步骤，装配图等），并能够将装配工艺参数（给定值、报警值）自动下载到装配设备中（如电动拧紧工具所须的拧紧力矩，压机的压力值、位移值）。2.3 生产组织方式为了最大化装配效率，齿轮变速箱的装配生产的组织方式通常是按客户定单以相同型号的一组变速箱构成一个生产批次一个接一个地连续进行装配。当某一变速箱在装配过程中出现异常，会从总装生产线上暂时退出，经过处理后，重新上总装配线装配，这时候会出现按单件组装的情况。由于变速箱行业竞争十分激烈，为了以最短时间响应客户的要求，经常会出现终止当前正在执行的定单，执行紧急定单的情况。在装配生产线上，除了能正常生产完整的变速箱产品外，还要求能生产变速箱上的某些部件。2.4 防止错漏装在变速箱的装配生产过程中，由于各种型号的变速箱所用部件从外形、尺寸上来看相差不大，存在着零部件错装的可能性。而且有些型号的变速箱之间，仅仅存在着选装件上的差别，存在着漏装的可能性。如何能防止错漏装现象的发生，是MES所必须要考虑的问题。2.5 制造管理生产计划管理人员在将客户定单下达到装配生产线后，要求能够随时了解到各个生产定单的执行情况，据此并结合当时的内外部情况，做出生产调整的决策，销售人员据此做出是否承接新定单及产品交货期方面的决策。装配现场的计划人员要能够接收制造管理部门下达的装配生产指令（通常是通过ERP完成的），结合现场的制造资源（如人力、设备、物料）情况，编制出班次班组装配作业计划。作业计划包括总装作业计划、分装作业计划，物料配送作业计划，物料运输作业计划。装配现场的调度人员要能够实时、准确地将装配作业计划下达到各个装配工位。在出现异常情况时，进行作业计划的调度。2.6 变速箱产品的售后服务与召回在变速箱产品的售后服务工作中，需要了解出现问题的零部件是由哪个厂家生产的，生产日期与批次信息，为零部件的更替提供准确依据。同时可以进行质量问题原因与供应商零部件质量的相关性分析，为今后对供应商的评价提供准确依据。特别是在出现大批次变速箱质量事故时，能够为变速箱召回提供及时准确信息，尽可能减少产品召回带来的损失。2.7 产品质量管理 为了提高变速箱产品的质量，要能够准确记录下变速箱装配过程中检测到的各种质量数据，如电动拧紧工具实际的拧紧力矩，压机的实际压力值、位移值，性能检测数据，并能对检测到的质量数据进行联机的统计质量控制（SPC），及时发现装配过程中存在的各种问题。2.8 生产线性能分析要能够对生产过程中记录的各种信息进行分析处理，找出决定生产线性能提升的瓶颈因素，为以后生产工艺和生产组织方式的改进，提供科学的依据。要能够对装配生产过程中出现的废品进行统计分析，找出废品产生的原因。2.9 生产过程追踪要能够准确、及时地记录下变速箱装配生产全过程的相关信息，如每一工位装配开始时间、结束时间、操作人员、有没有装配异常情况、物料使用情况，以及检测到的质量数据，建立产品生产档案。在此基础上，进行相关的生产统计。当出现质量事故时，为追查责任人提供准确的依据。2.10 现场物料配送与运输由于市场竞争的加剧，总装车间每天要生产十余种不同型号的变速箱，如何在恰当的时间，将恰当数量的物料，送到恰达的装配工位，就成为能否按照规定的时间完成规定的数量的产品的关键因素之一。 要求系统能够按照装配作业计划和实际装配作业计划的执行情况实现物料配送功能。2.11 生产过程数据的采集在变速箱装配生产过程中，会产生大量的实时数据及手工输入数据，如AGV、RGV的运行位置数据，各种质量检测数据，喷涂线的工作参数，变速箱及零部件的条码数据等。要求能够准确、及时地采集到并保存相关数据，为实现装配生产线科学准确的管理打下基础。3、 汽车变速箱装配生产线MES功能模型一个MES系统的功能模型，从不同角度会给出完全不同的功能模型。我们基于MESA的MES功能模型和我们的变速箱装配生产的工程实践，从管理层次的不同以及管理内容的不同给出了如下图所示的汽车变速箱装配生产线MES的功能模型。3.1 管理层次模型按MES的管理层次，我们将汽车变速箱装配生产线MES的功能分为如图1所示的管理层次模型。图1 汽车变速箱装配生产线MES的管理层次模型其中最下一层是数据采集层。该层实现对生产过程中涉及到的自动化的设备和人机交互产生的各种数据的实时采集。考虑到系统的可扩展性和通用性，在该层的技术实现中通常采用OPC接口技术标准。第二层是操作控制层。该层实现对生产过程中涉及到的人员动作的控制。确保操作人员的各种装配动作与装配工艺（动作的内容、顺序等）的要求严格一致。当发现问题时，锁定该工位的操作。与设备控制层的控制不同，该层的控制节拍为分钟量级。第三层是操作监督指导层。该层实时监督装配操作全过程，当发现问题时，在现场的计算机等设备上给出报警提示；并依据现场装配产品的不同、装配工位的不同以及装配工艺的不同将相关的装配工艺（图与文字描述、提示等）信息显示在装配现场设置的计算机上，指导装配操作。第四层是计划调度层。该层接收ERP或手工输入装配生产计划，并将其分解为分装生产线装配作业计划、总装生产线装配作业计划，在此基础上编制物料配送计划，并将计划下达到各个生产工位。计划下达后，监督各个计划的执行情况，依据现场情况对计划进行调整。第五层，也是最上一层，是执行智能分析层。该层对生产全过程采集到的生产历史数据进行商业智能分析处理，可以得到装配生产线的性能指标、效率指标。还可以对生产全过程采集到的质量历史数据进行SPC处理，得到与质量原因相关的各种数据3.2 管理内容模型 依据我们的工程实践及MESA 11模型，我们将汽车变速箱装配生产线MES的功能分为如下若干部分：3.2.1 装配计划管理从ERP自动接收或人工手工录入日装配作业计划。依据作业优先级、班次之间任务量均衡等原则自动或手动编制班次装配作业计划。还可根据实际需要，依据物料配送周期的不同、物料配送批量的不同以及料架上物料的最大存量等因素的不同，将班次作业计划分解为批次作业计划，并确定各批次计划的时间间隔。作业计划的下达与监控。装配过程异常调度。3.2.2 物料配送管理接收装配作业计划。依据装配BOM和装配作业计划规定的数量计算出每一装配工位所需物料的品种及数量，形成配送单。依据配送单完成物料的分拣、清洗、装箱工作。下达物料运输指令。接受物料运输系统的完工回报，并向生产调度报完工。3.2.3 物料运输管理接收物料运输指令。按照物料需求的优先级以及运输成本较低等原则编制物料运输计划。下达运送指令并监控运输作业的完成情况。向物料配送系统报完工。3.2.4 装配工艺管理装配工艺指令数据库的建立与维护。装配工艺指令数据的工位下达与展示。装配工艺参数数据库的建立与维护。装配工艺参数据的下达。3.2.5 生产过程数据采集产品在每一工位开工时间、完工时间的采集。产品在每一工位装配人员信息的采集。产品在每一工位使用的装配设备工作实际参数的采集。产品在每一工位装配的物料的条码（单件条码或批次条码）数据的采集。3.2.6 装配作业中的防错漏装管理装配动作控制。按装配工艺指令要求，将每一工位的装配作业分解为可检测的基本动作，系统自动监测每一基本动作完成得质量，及基本动作的完成次序，防止错漏装现象的发生。在易发生装错物料的工位，设置智能料架。利用智能料架，可以检测出当前装配工位使用的物料是否是正确的。3.2.7 装配质量控制 利用采集到的生产过程的数据，比对装配工艺给出技术参数要求，实时监测产品的装配质量。当发现质量问题时，实时在工位计算机或其他设备上给出报警提示。3.2.8 生产过程追踪 利用采集到的生产过程的数据，系统自动记录下每一件产品经过了那些工位，由那些工人完成的装配，使用了什么样的装配设备，当时的设备工作参数如何，每一工位使用哪个厂家哪个批次的物料等信息。3.2.9 产品谱系建立 利用采集到的物料条码数据，系统自动建立起每一产品的物料构成谱系，并存档。为日后售后服务部门的提供服务依据，为采购部门进行供应商评价提供依据，为发生产品质量事故而进行产品召回提供召回范围的依据。3.2.10 生产过程监控 利用采集到的生产过程数据，现场管理人员可以实时监控整个装配生产线的工作情况，对生产过程发生的异常情况实时做出相应，提供整个生产线的工作效率。3.2.11 生产统计 利用采集到的生产过程数据，现场管理人员可以完成各种生产统计： 产品产量的班次、班组、日、周、月、年的统计报表。人员工作量的班次、班组、日、周、月、年的统计报表。产品的一次检测合格率统计。质量原因统计3.2.12 装配过程质量分析利用采集到的生产过程数据，质量管理人员可以对整个装配过程进行在线或离线的SPC分析。尽可能早的发现装配过程中存在的各种问题。3.2.13 生产线性能分析利用采集到的生产过程数据，工艺及管理人员可以进行每一装配工位，以及生产线整体运行效率的相关分析，进而发现各个装配工位存在的问题，以及整个生产线的瓶颈工位，为进行生产线工位人员的调整及生产节拍的调整提供科学的依据。3.2.14 基础数据维护为实现各种管理控制功能，系统要进行大量基础数据的维护工作，如：装配BOM的维护。人员维护。班组、班次维护。工位维护。3.3 管理层次模型与管理内容模型的关系虽然我们将MES的功能从管理层次与管理内容上进行了划分，但二者间存在着相当紧密的偶合关系，如图2所示。4、 结论本文在我们多个的工程实践的基础上，并参考了MESA 11功能模型，提出了的汽车齿轮变速箱装配生产线制造执行系统的功能模型，该模型由管理层次模型和管理内容模型构成，并给出了它们之间的偶合关系。同时该功能模型还适用于类似汽车变数箱的其他机械行业大尺寸产品的装配生产线的管理，基于该功能模型，我们还成功地实施了东风朝阳柴油机有限责任公司柴油机装配生产线的制造执行系统。图2 汽车变速箱装配生产线MES的管理内容模型参考文献 1 MESA International, “MES Explained: A High Level Vision” White Paper6 (Pittsburgh: Manufacturing Execution Systems Assoc., 1997) 2 MESA International, “MES Functionalities & MRP to MES Data Flow Possibilities” White Paper2 (Pittsburgh: Manufacturing Execution Systems Assoc., 1997). 3胡春,李平, 宋执环等，制造执行系统体系结构中功能模型的研究J . 信息与控制, 2002,31 (6): 561 566.