【典型案例】新一代MES系统在一汽丰田某整车厂的导入和应用
2023-08-16 来源：新工业网
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。
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。
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。
②数据存储：对采集的数据进行数据化存储，包含存储所需的硬件和数据库，一般会根据数据的重要程度来分级别存储。
③数据分析：对数据库中的数据进行总结和分析，得出一段时间内的生产经营报表，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
①计划管理：对销售订单进行合理的分配，制成月度/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
①品质管理：主要包括作业中品质保证流程、自动作业防误装置、各工程最终检查流程、自动化检查系统、问题产品的维修流程和进度管理。
1.2.4 资源配置类
①人员管理：根据人员的能力合理安排人员配置，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。
②资源分配：对设备、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。
MES系统的导入一般分为 4 个阶段、8 个步骤，如图 2 所示。
2.1.1 软件决裁阶段
①目标分析：首先要明确开发软件的目标，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。
②软件决裁和招标：将软件的目标、功能、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。
③制作要件书：调查最终用户的需求，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、功能模块、前台交互画面和后台数据库等，最终做成软件要件书。
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、算法分析和模块机能等方面开始具体的程序编写，以实现各模块的功能，从而达到系统功能、性能、接口、界面等方面的要求。
②软件测试：测试主要分为模块测试、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
①软件启动：当软件测试完成后，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。
②软件验收：软件能够稳定运行，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。
2.2.1 决裁阶段注意事项
①重点是既要满足生产经营管理者对投资回报率的诉求，也要满足最终用户对软件实际功能的诉求。
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
①从项目管理者的角度来说，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
①软件正式启用后，应建立应用异常联络体制，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。
②用户使用方面，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
①由于工厂生产对系统的高度依赖，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。
②对维保人员的业务能力提出明确的要求，须经系统性培训和业务能力考核通过后方可上岗。
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
3.2.1 生产控制模块
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 生产指示模块
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。
如图 6 所示，生产指示机能是工厂MES系统最核心的机能，生产指示工作也是生产准备阶段最为重要的业务，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 生产目视化模块
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，其发展的最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。
①生产目视信息明确。
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。
③项目信息来源明确。
④信息获取。
⑤目视项目系统设定。
⑥目视看板版面设定。
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，最终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。
②强化了对生产过程和部品的追溯能力，更好地支撑了打造更高品质的汽车目标。
③强化了总成生产的对应能力，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。
①虽然实现了多个系统机能的整合，但是多个独立模块对应原系统的机能，未能做到统一标准，对于运营管理者来说，要分别学习不同模块的具体功能和运用方法，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系统到最终的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。
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最高的产业，也必将引领这一变革，生产制造中最核心的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。
作者：一汽丰田汽车有限公司 张巍 赵宏鹏 陆明
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