1 MES系統簡介
1.1 MES系統的定義
制造執行系統(簡稱MES)是美國AMR公司在 20 世紀 90 年代初提出并在物資需 求計劃系統(MRP)的基礎上發展起來的，其將 MRP和車間作業現場控制整合起來，實現了生產計劃管理、生產過程控制、產品質量管理、車間庫存管理等生產全流程精益管理。
1.2 MES系統的主要功能
MES系統一般包含四大類、11 項基本功能，如圖 1 所示，基本功能如下。
圖 1 MES系統主要功能圖
1.2.1 數據管理類
①數據采集：通過多種方法采集生產過程中的數據，包括產品的生產過程信息、工藝流程信息、部品追溯信息、品質檢查信息，以及生產線運轉、人員作業、物料搬運、作業流程、工廠環境等信息，并將其作為生產控制和生產追溯的重要依據。數據采集方式有自動和手動，重點是要保證數據采集的及時性、準確性和可靠性。
②數據存儲：對采集的數據進行數據化存儲，包含存儲所需的硬件和數據庫，一般會根據數據的重要程度來分級別存儲。
③數據分析：對數據庫中的數據進行總結和分析，得出一段時間內的生產經營報表，主要是總結工廠生產效率、資源利用率、人員作業效率、設備運行效率、物料使用狀況、產品品質狀況等信息，并反映當前工廠運營狀況。
④文件管理：管理生產制造相關文件，如產品技術文件，物料清單，工藝流程、生產指示、品質管理文件，生產報表等。
1.2.2 生產管理類
①計劃管理：對銷售訂單進行合理的分配，制成月度/周度/日度/時度等不同級別的生產計劃，同時對生產計劃的完成情況進行有效管理。
②過程控制：通過對人員作業狀況、設備運行狀況、在制品狀況、部品供應狀況、品質狀況等方面的目視化實現對工廠整體生產過程的有效控制，對可能導致質量問題和效率降低的環節進行重點監控，對已經發生或可能發生的問題及時對應。
1.2.3 品質管理類
①品質管理：主要包括作業中品質保證流程、自動作業防誤裝置、各工程檢查流程、自動化檢查系統、問題產品的維修流程和進度管理。
②追溯管理：主要是對產品生產過程的追溯和部品使用的追溯，部分追溯信息要按照法規要求上傳至相關政府部門，部分追溯信息在工廠MES服務器或數據中心長久保存。
1.2.4 資源配置類
①人員管理：根據人員的能力合理安排人員配置，管理員工信息(包括出勤情況、工時、績效等)，把握員工的工作效率，從而有效提升整體生產效率和消除作業瓶頸。
②資源分配：對設備、工具、物料、能源等企業生產資源進行合理分配，在生產過程中，對生產資源進行合理調度，動態消除生產瓶頸，保證穩定生產。
③單元分配：對于離散型企業和部分流程型企業來說，作業單元的合理分配是非常重要的，不僅在單元作業計劃階段需要合理分配，在生產過程中也應根據生產進度實時調整，以提高設備的利用率和保證流程各環節的交貨期。
2 MES系統的導入流程及注意事項
2.1 MES系統的導入流程
MES系統的導入一般分為 4 個階段、8 個步驟，如圖 2 所示。
圖 2 MES系統的導入流程圖
2.1.1 軟件決裁階段
①目標分析：首先要明確開發軟件的目標，即解決什么問題、實現什么功能、投入什么資源、創造什么價值。
②軟件決裁和招標：將軟件的目標、功能、投入、產出、日程等項目制作成軟件決裁書，并提交公司經管會審批，審批通過后，通過招標流程選定軟件開發服務商。
③制作要件書：調終用戶的需求，對需求進行分類整理和詳細分析，剔除不能實現的需求和投入產出比差的需求，明確軟件滿足哪些具體需求，設計軟件系統的硬件架構、功能模塊、前臺交互畫面和后臺數據庫等，做成軟件要件書。
2.1.2 系統開發階段
①程序編寫：按照軟件要件書的內容編寫程序，對數據結構、算法分析和模塊機能等方面開始具體的程序編寫，以實現各模塊的功能，從而達到系統功能、性能、接口、界面等方面的要求。
②軟件測試：測試主要分為模塊測試、整體測試、設備聯動測試、多系統聯動測試，通過測試發現系統問題，并及時進行系統修補和更新。
2.1.3 系統驗收階段
①軟件啟動：當軟件測試完成后，軟件開發者應給用戶安裝軟件、提供使用手冊、數據庫字典、測試完成報告等雙方合同約定的內容。
②軟件驗收：軟件能夠穩定運行，且所有功能均可實現，性能達到標準，軟件開發服務商正式交付項目，客戶交付尾款。
2.1.4 系統運維階段
根據合同規定，軟件開發者或委托公司對系統進行運營監控和維護(一般為 24 h對應)，對用戶應用過程中的問題進行及時解決。
2.2 MES系統的導入注意事項
2.2.1 決裁階段注意事項
①重點是既要滿足生產經營管理者對投資回報率的訴求，也要滿足用戶對軟件實際功能的訴求。
②招標過程中，既要滿足流程的合法合規，也要對軟件開發服務商的能力進行嚴格的審核。③制作要件書時，要詳細說明應實現什么具體功能、軟件響應速度是多久，以及交互頁面要求、服務器備份能力和存儲時長、可擴展性和前臺可編輯性等主要項目，也要說明系統功能說明書的編寫要求、軟件使用方法培訓要求和維保人員配置等輔助項目。
2.2.2 系統開發階段注意事項
①從項目管理者的角度來說，主要是和軟件開發商協商管理軟件開發日程，對可能影響軟件開發的因素進行把握，提前做好解決預案，及時進行日程調整。
②在設備聯動測試和多系統聯動測試階段，應制定明確的聯協測試體制，對測試過程進行控制，對測試中的問題進行記錄和解決，直至系統達到合格標準。
2.2.3 系統驗收階段注意事項
①軟件正式啟用后，應建立應用異常聯絡體制，明確問題解決流程。在實際運用過程中，確認系統功能和流程是否正確，對系統漏洞及時解決;確認系統功能和流程是否健全，設計階段未考慮的功能和流程要及時添加;確認人機交互是否高效，對用戶體驗差的功能和流程進行改善。
②用戶使用方面，建立系統功能培訓和傳承機制，要對初始用戶進行全面培訓，降低人員變更對系統使用的影響。
2.2.4 軟件維保階段注意事項
①由于工廠生產對系統的高度依賴，故應建立24 h全天候的系統現場維保機制和異常對應機制，制定異常對應預案，明確責任分工。
②對維保人員的業務能力提出明確的要求，須經系統性培訓和業務能力考核通過后方可上崗。
3 一汽豐田某整車廠新一代工廠MES系統的應用
3.1 新一代工廠MES系統簡介
一汽豐田某整車廠采用豐田全球系統和現地系統相結合的方式，將各業務單元系統緊密連接，形成了功能強大的系統集群。其中生產控制系統是這些系統的核心，大部分制造執行功能都在此系統中，具體見圖 3。
圖 3 工廠系統連協關系圖
一汽豐田工廠MES系統歷經幾十年的發展，于2021 年末研發完成了新一代系統，并在一汽豐田某整車廠率先導入，至 2022 年 10 月系統全部功能均告完善，可以順暢地實施商品車生產。
3.2 新一代工廠MES系統的主要機能
新一代工廠MES系統主要有四大模塊，分別為生產控制模塊、車輛數據模塊、生產指示模塊、生產目視化模塊，如圖 4 所示。
圖 4 新一代MES系統的主要機能圖
3.2.1 生產控制模塊
生產控制模塊是工廠MES系統重要的機能，新一代MES系統實現了對裝焊、涂裝、總裝全工藝流程的生產控制，如圖 5 所示，實現了一套系統對所有設備的高精度控制，在行業中處于領先水平。
圖 5 新一代MES系統生產控制機能圖
3.2.2 車輛數據庫模塊
新一代工廠MES系統配備了功能強大的后臺數據庫，一方面對生產過程實時監控，對設備通信日志、生產控制指令日志、生產指示日志等過程信息予以短期(一般為一周)保存，以便于對生產過程進行短期精確追溯;另一方面對車輛生產履歷和部品追溯信息予以長期(3 個月以上)保存。
表 1 車輛SF信息表
表 1 是車輛SF(日程文件)信息錄入的過程，簡單來說，就是在不同的生產階段在車輛SF的相應區域中登錄車輛基本信息、生產信息和品質追溯信息。
3.2.3 生產指示模塊
為了提高生產效率和降低生產成本，乘用車整車廠基本都采用多車型平準化的生產方式，車型的生產訂單會平準地分配至每個時間段(單位為小時)，車型的順序也是隨機的，加之同一車型配置較多，且時常發生設計變更。因此，無論是生產設備，還是作業人員，都要依靠精確的生產指示來作業。
圖 6 新一代MES系統生產指示機能圖
如圖 6 所示，生產指示機能是工廠MES系統核心的機能，生產指示工作也是生產準備階段重要的業務，生產指示的錯誤可能會造成設備損壞、部品誤裝、作業失誤、檢查失效、安全事故等嚴重問題。因此，生產指示精度對生產的穩定性和商品車的品質具有決定性的影響。
3.2.4 生產目視化模塊
生產目視化是將生產狀態、在庫狀態、車輛位置、生產進度、生產統計等信息通過電腦、大屏幕、手機等媒介直觀地展示出來，是生產控制和達產管理的重要工具，其發展的新前沿是工廠數字孿生工程。新一代工廠MES系統具備較為完善的生產目視化功能，可以目視化子線級別的生產狀態、生產進度、在庫狀態、停線時長等信息，也可以目視化單臺車輛級別的所在位置，圖 7 是生產目視化看板的導入流程。
圖 7 新一代工廠MES系統生產目視化機能圖
①生產目視信息明確。
首先要明確目視化的項目，一般來說分為基本信息類、生產實績類、生產在庫類、生產狀態類、生產效率類等項目，需要對工廠的軟硬件條件進行初步調查，即哪些信息可以直接獲取、哪些信息需要通過追加軟硬件才能獲取，并在此基礎上確定目視化項目。
②目視項目清單制作。
將確定要目視化的項目制作成項目清單，清單中要對項目進行編號、命名、說明。
③項目信息來源明確。
明確項目清單中各個項目的信息來源，提前告知相關部門信號需求，并明確通信格式和信號要件書格式。信息來源一般分為工廠設計工藝圖紙、工程安東系統、工廠MES系統內部等。
④信息獲取。
對于取自工程安東系統的信號，要制作信號要件書和通信式樣書，并做好信號收發測試。對于取自工廠MES系統內部的信息，要做好系統設定。
⑤目視項目系統設定。
在工廠MES系統中設定目視項目數據庫，將所有的目視化項目都錄入到系統中。
⑥目視看板版面設定。
首先要設定看板索引目錄，然后要設定工程布局和工藝流程，做到盡可能和現場現狀相一致;設定生產實績、在庫、狀態、效率項目等，做成完整的生產目視化看板。
⑦生產目視看板展示。
按照需要，通過電腦、大屏幕、手機等方式打開目視化看板網頁，將其作為生產控制的主要工具指導生產。
4 新一代工廠MES系統的提示和不足
4.1 新一代工廠MES系統的革新
新一代工廠MES系統在前代的基礎上做了全方位的提升，主要體現在以下幾點。
①將多個系統協同完成的生產指示機能和生產控制機能集成到一個工廠MES系統中，實現了功能的強化和效率的提升，同時大幅減少了系統的投入成本和維保成本。
②強化了對生產過程和部品的追溯能力，更好地支撐了打造更高品質的汽車目標。
③強化了總成生產的對應能力，用類似于對車輛的控制方式來控制總成的生產，是生產控制精度從主線級別向輔線級別提升的重要保證。
④強化了目視化系統的機能，從信號獲取、看板設計、看板展示都實現了用戶定制化，每個用戶都可以按照技術指導書制作需要的看板并實現目視化，距離工廠數字孿生的目標更近了一步。
⑤強化了對新型設備的支持能力，在新一代MES系統的支持下，工廠內全自動物流系統、AI視覺檢查系統等前沿技術得以應用，極大地提升了工廠升級的潛力。
4.2 新一代工廠MES系統的不足
新一代工廠MES系統同樣存在一些不足，未來需要進一步改進，主要方面如下。
①雖然實現了多個系統機能的整合，但是多個獨立模塊對應原系統的機能，未能做到統一標準，對于運營管理者來說，要分別學習不同模塊的具體功能和運用方法，提高了系統使用的門檻。
②不同于之前各工程系統通過專線網絡和生產指示設備相連，新系統通過工廠公共有線網和所有生產指示設備相連，工廠公共有線網的拓撲結構中包含多層級的網絡交換機，從工廠MES系統到生產指示設備可能會有多個交換機，當交換機基數足夠大時，網絡異常的可能性會增加，雖然設定了A/B兩套網絡，但在出現網絡異常時仍需要大量時間來分析和處置，對生產的穩定性構成了潛在的隱患。
③新系統的整體定位還是傳統的數據處理中心，在數據分析方面未能有較大進步，未能匹配大數據分析的前沿技術，數據價值的挖掘能力不足。
④雖然在生產目視化方面有所強化，但距離工廠數字孿生的目標還相差很遠，生產管理方面也更多地依靠生產管理者的分析和判斷。
5 結語
當前制造業處于從工業 3.0 自動化制造向工業4.0 智能制造的變革期，汽車制造業作為大工業中自動化程度高的產業，也必將引領這一變革，生產制造中核心的MES系統從整體設計、系統構建、功能設置、系統聯動、實際運用等各個層面都要向智能制造方向發展，打造數字化、智能化、物聯化的下一代工廠MES系統是未來行業的新方向。
