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一、MES系統(tǒng)介紹

      MES系統(tǒng)為美國(guó)AMR公司在上世紀(jì)九十年代首次提出的概念，其主要目的是為了促進(jìn)制造生產(chǎn)活動(dòng)管控水平提升，把計(jì)劃生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)管控緊密結(jié)合起來(lái)。依托于MES系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)流程實(shí)施優(yōu)化配置，確保生產(chǎn)效率提升。MES系統(tǒng)涉及到PLC、二維碼、各類機(jī)電設(shè)備、傳感器以及工業(yè)機(jī)器人等，它借助于更加準(zhǔn)確可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)響應(yīng)，合理指導(dǎo)并記錄企業(yè)車間各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)，可以對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)變化進(jìn)行快速響應(yīng)，進(jìn)而避免了非增值活動(dòng)，促進(jìn)生產(chǎn)效率提升。MES系統(tǒng)的應(yīng)用不單單能夠促進(jìn)生產(chǎn)收益率的提升，在很大程度上也保障產(chǎn)品及時(shí)交付，促進(jìn)存貨周轉(zhuǎn)，提升制造企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。MES系統(tǒng)利用多通道數(shù)據(jù)信息傳輸模式，在企業(yè)和供應(yīng)鏈之間構(gòu)建更加通暢的聯(lián)系，其發(fā)展更新至今逐漸演變?yōu)橐惶赘映墒斓尼槍?duì)制造企業(yè)的生產(chǎn)信息綜合管控系統(tǒng)，由各類新興智能設(shè)備以及人類專家構(gòu)成了人機(jī)一體化系統(tǒng)，更加關(guān)注和重視生產(chǎn)制造過(guò)程中的可調(diào)節(jié)性，依托于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)來(lái)對(duì)人類專家的思維方式予以模擬，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)及時(shí)數(shù)據(jù)采集、信息分析、判斷決策等，從而降低生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率。

二、MES在工業(yè)4.0中的價(jià)值與應(yīng)用

      進(jìn)入新世紀(jì)之后，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在制造業(yè)中得以廣泛運(yùn)用，全球化工業(yè)升級(jí)開(kāi)始邁入實(shí)質(zhì)階段。不管是德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是中國(guó)制造2025，這些戰(zhàn)略決策都是基于信息技術(shù)和制造業(yè)充分結(jié)合為出發(fā)點(diǎn)，以促進(jìn)智能制造高速發(fā)展為目標(biāo)而制定的。在工業(yè)4.0背景下，依托于智能處理系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建人和人、人和物、物和物的緊密聯(lián)系，形成智能化信息管控綜合體。工業(yè)4.0的重點(diǎn)研究主要集中在智能工廠與智能生產(chǎn)兩個(gè)方面，前者一般是針對(duì)智能生產(chǎn)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行研究，后者通常關(guān)系到整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理以及人際互動(dòng)等[1] 。工業(yè)智能化發(fā)展水平直接決定了智慧工廠的建設(shè)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為典型的智慧工廠和智能生產(chǎn)屬于MES系統(tǒng)運(yùn)用發(fā)展的必經(jīng)階段。所以智慧工廠的建設(shè)必然會(huì)涉及到MES系統(tǒng)，MES系統(tǒng)屬于工業(yè)4.0的核心所在，是未來(lái)國(guó)內(nèi)制造企業(yè)必須要充分關(guān)注并重視的內(nèi)容。

      從管理學(xué)層面來(lái)說(shuō)，MES系統(tǒng)屬于制造系統(tǒng)信息集成的重要樞紐，能夠給制造企業(yè)帶來(lái)包含數(shù)據(jù)信息管理、生產(chǎn)調(diào)度控制、生產(chǎn)計(jì)劃安排、產(chǎn)品庫(kù)存管理、生產(chǎn)質(zhì)量控制、材料采購(gòu)管理、生產(chǎn)成本管控、生產(chǎn)流程優(yōu)化、項(xiàng)目看板管理以及上層數(shù)據(jù)集成分解等多個(gè)不同子系統(tǒng)。

      從實(shí)際應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)，MES系統(tǒng)是制造企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、工藝管控系統(tǒng)、物料管理系統(tǒng)、質(zhì)量信息管理系統(tǒng)以及制造資源管理系統(tǒng)的集成接口，促進(jìn)生產(chǎn)、工藝、物流、設(shè)備以及檢驗(yàn)等相關(guān)信息的有效傳輸。借助于運(yùn)用MES系統(tǒng)來(lái)確保制造企業(yè)生產(chǎn)車間的智能化和自動(dòng)化控制，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，優(yōu)化了相關(guān)工藝流程，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，確保實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)目標(biāo)，還有效減少資源損耗，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提升。此外，MES系統(tǒng)的運(yùn)用還能夠?yàn)橹圃炱髽I(yè)管理人員決策帶來(lái)更多數(shù)據(jù)支持，可以對(duì)市場(chǎng)變化情況第一時(shí)間做出反應(yīng)。

三、機(jī)械制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

      近年來(lái)，我國(guó)制造業(yè)持續(xù)發(fā)展，各種高端新興設(shè)備已經(jīng)在諸多制造企業(yè)中得以普及運(yùn)用。但從整體情況來(lái)看，其自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化水平還有待提升。對(duì)一些中小型企業(yè)而言，高端數(shù)控加工設(shè)備只能夠滿足數(shù)字化加工，部分零件加工依舊必須要依靠手動(dòng)編程的方式來(lái)完成，數(shù)控僅發(fā)揮出自動(dòng)加工功能，較為復(fù)雜的零件基本上屬于單崗操作。而其他很多智能設(shè)備在實(shí)踐應(yīng)用中也只是發(fā)揮出了基礎(chǔ)功能，并未實(shí)現(xiàn)更加深入高效地應(yīng)用[2] 。

      對(duì)一些大型制造企業(yè)而言，即便現(xiàn)代信息技術(shù)得以廣泛運(yùn)用，但很多時(shí)候單純限制在上層計(jì)劃管理的ERP系統(tǒng)中。企業(yè)計(jì)劃管理系統(tǒng)和底層工業(yè)控制在實(shí)際生產(chǎn)流程控制上，信息管理平臺(tái)應(yīng)用較為表面，實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息不能夠第一時(shí)間進(jìn)行采集分析，生產(chǎn)管理工作人員無(wú)法對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃、實(shí)際進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量、人員設(shè)備狀況等進(jìn)行實(shí)時(shí)了解，導(dǎo)致生產(chǎn)活動(dòng)的開(kāi)展處于“黑箱”模式下。隨著制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)壓力逐步增加，訂單式生產(chǎn)慢慢開(kāi)始被更多加工企業(yè)所青睞，但對(duì)信息化、自動(dòng)化管控提出了更高的要求。部分中小型制造企業(yè)市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力日益降低，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能管控成為其最薄弱之處。在這樣的形勢(shì)下，MES系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效處理好生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“黑箱”問(wèn)題，將ERP和車間管理系統(tǒng)進(jìn)行連接，受到了更多制造企業(yè)的好評(píng)。中國(guó)制造2025的提出和中德工業(yè)4.0合作戰(zhàn)略讓MES系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更加顯著，也開(kāi)始成為中小型制造企業(yè)促進(jìn)自身生產(chǎn)管控水平提升的有效工具。

四、MES智能制造協(xié)同管理體系構(gòu)建

（一）系統(tǒng)框架

      基于MES系統(tǒng)的智能制造系統(tǒng)管理體系能夠充分整合計(jì)劃管理、生產(chǎn)控制以及產(chǎn)品質(zhì)量管理等相關(guān)功能，同時(shí)利用與智能制造相關(guān)的管理軟件，可以讓協(xié)同管理系統(tǒng)提供如下功能：一是提供多元化數(shù)據(jù)信息采集渠道；二是符合離散化的生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備以及工藝等各個(gè)模塊的智能管控需要；三是和智能制造體系中存在的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行信息傳送；四是實(shí)現(xiàn)更加高效的人機(jī)交互；五是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

      從上述功能需求出發(fā)，智能制造協(xié)同管理體系應(yīng)當(dāng)配置2臺(tái)服務(wù)器，將其應(yīng)用到生產(chǎn)監(jiān)管和信息管理中，用于生產(chǎn)監(jiān)管的服務(wù)器和傳感器直接聯(lián)系，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。該系統(tǒng)基于SSH架構(gòu)，涉及到數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層以及表現(xiàn)層，數(shù)據(jù)層選擇Hibernate作為ORM工具；業(yè)務(wù)層利用Spring框架形成SOA模式，同時(shí)利用Web Service接口和其他子系統(tǒng)實(shí)施連接；表現(xiàn)層基于MVC架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)前后端業(yè)務(wù)邏輯的獨(dú)立性。系統(tǒng)設(shè)置了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，把制造企業(yè)ERP以及MES系統(tǒng)實(shí)施整合，實(shí)現(xiàn)更加高效的信息傳輸與共享。

（二）計(jì)劃管理

      對(duì)于制造企業(yè)計(jì)劃管理而言，ERP進(jìn)行MRP計(jì)算獲取項(xiàng)目計(jì)劃，相關(guān)設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃在PLM中進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作，隨后需要計(jì)劃工作人員根據(jù)BOM架構(gòu)以及實(shí)際產(chǎn)能、生產(chǎn)資料等相關(guān)條件，得到和企業(yè)產(chǎn)品相符合的生產(chǎn)訂單，把這一訂單信息傳輸?shù)組ES系統(tǒng)之內(nèi)。借助于對(duì)應(yīng)接口，MES系統(tǒng)能夠第一時(shí)間獲得PLM的圖紙和工藝信息，企業(yè)生產(chǎn)車間工作人員按照MES系統(tǒng)中的訂單信息來(lái)對(duì)生產(chǎn)線實(shí)施合理調(diào)整，科學(xué)確定開(kāi)工時(shí)間節(jié)點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)MES系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏自動(dòng)進(jìn)行任務(wù)配置。對(duì)于智能制造而言，把產(chǎn)品生產(chǎn)流程和工藝路線進(jìn)行充分整合，從而得到的工單屬于MES系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)，在這一前提下進(jìn)行計(jì)劃執(zhí)行以及跟蹤反饋等，把整個(gè)智能制造活動(dòng)流程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一收集到系統(tǒng)之內(nèi)。依靠大數(shù)據(jù)分析把生產(chǎn)資料、技術(shù)文件以及產(chǎn)品和工位一一對(duì)應(yīng)，得到自動(dòng)化計(jì)劃管理方案[3] 。工作人員能夠依靠MES系統(tǒng)中提供的BOM物料數(shù)據(jù)，工單下發(fā)后自動(dòng)向相關(guān)工位匹配物料需求計(jì)劃，從而得到能夠被倉(cāng)庫(kù)直接使用的物料配送清單。

（三）生產(chǎn)管理

      在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)線不同工位對(duì)應(yīng)不同操作人員，工單計(jì)劃能夠按照人員配置數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)不同工位作業(yè)人員提供相應(yīng)的操作任務(wù)要求，工作人員只需要登錄自己獨(dú)有的賬號(hào)便能夠查看任務(wù)詳情。結(jié)合生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，調(diào)度人員能夠?qū)ιa(chǎn)任務(wù)實(shí)施合理分配，同時(shí)對(duì)任務(wù)完成狀態(tài)予以實(shí)時(shí)掌握，第一時(shí)間了解延遲或者遺漏工單。在實(shí)際執(zhí)行環(huán)節(jié)，工單依靠物料識(shí)別技術(shù)實(shí)施管控，一般來(lái)說(shuō)可運(yùn)用條碼系統(tǒng)，MES內(nèi)置條碼系統(tǒng)表現(xiàn)出準(zhǔn)確率高的優(yōu)勢(shì)。借助于掃碼槍對(duì)產(chǎn)品條碼進(jìn)行掃描能夠非常詳細(xì)地獲取工單信息，系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品信息、工單狀態(tài)和作業(yè)人員的合理匹配。在工序起始階段選擇掃碼槍對(duì)重要物料條碼進(jìn)行掃描作為信號(hào)，仔細(xì)核對(duì)工序與物料信息，防止生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤。

（四）質(zhì)量管理

      質(zhì)量管理屬于智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也屬于協(xié)同管理體系的核心模塊之一。智能制造涉及到的生產(chǎn)工藝流程內(nèi)都配置了對(duì)應(yīng)的質(zhì)量控制點(diǎn)，包含了停檢、過(guò)檢以及自檢等功能，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)自動(dòng)給出合理的質(zhì)檢方案。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢工作人員可以直接通過(guò)移動(dòng)終端對(duì)產(chǎn)品條碼進(jìn)行掃描來(lái)獲得質(zhì)檢要求與記錄單，掃描設(shè)備條碼也能夠直接和相關(guān)計(jì)量器具進(jìn)行連接，獲取一手?jǐn)?shù)據(jù)信息。若數(shù)據(jù)錄入不達(dá)標(biāo)，則系統(tǒng)能夠自動(dòng)啟動(dòng)異常處理流程，把工單反饋到責(zé)任人；若持續(xù)出現(xiàn)不良工序則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。MES系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集分析，提供完善的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，幫助相關(guān)人員更加全面地掌握生產(chǎn)環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。

（五）工藝管理

      在MES系統(tǒng)內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)工藝流程建模，借助于物料編碼以及產(chǎn)品描述和相關(guān)產(chǎn)品直接關(guān)聯(lián)，同時(shí)關(guān)聯(lián)工序卡、工時(shí)、檢驗(yàn)記錄以及物料等。工時(shí)屬于智能制造精細(xì)化管理的重要信息，也屬于生產(chǎn)計(jì)劃編制以及全流程管理的有效參考數(shù)據(jù)，若生產(chǎn)過(guò)程中柔性作業(yè)占比更大，容易出現(xiàn)工時(shí)誤差的現(xiàn)象，依托于MES系統(tǒng)對(duì)工時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)施全面采集，對(duì)工序顆粒數(shù)實(shí)施更加精細(xì)化地分解，能夠做到對(duì)工時(shí)數(shù)據(jù)的及時(shí)采集，結(jié)合持續(xù)迭代確保數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)收集記錄各個(gè)工序執(zhí)行的消耗工時(shí)和預(yù)設(shè)工時(shí)的差異而形成差值報(bào)表，能夠更加科學(xué)準(zhǔn)確地掌握工作人員的實(shí)際績(jī)效[4] 。

（六）技術(shù)創(chuàng)新

      智能制造協(xié)同管理系統(tǒng)基于Web前后端獨(dú)立的開(kāi)發(fā)模式，在這一基礎(chǔ)上對(duì)MES系統(tǒng)予以更新與完善，確保系統(tǒng)能夠在前端進(jìn)行大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息處理，顯著減緩了系統(tǒng)運(yùn)行壓力?？蛇x擇Angular JS代碼對(duì)系統(tǒng)前端予以編寫(xiě)，確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰明確，促進(jìn)其拓展性提升。由于該系統(tǒng)對(duì)html的影響有限，能夠與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行充分溝通，把系統(tǒng)后端調(diào)整為SSH架構(gòu)，通過(guò)對(duì)象需求分析得到相關(guān)模型，利用Hibernate的DAO實(shí)現(xiàn)Java與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。