MES系统功能构架建设中的IE应用实践.pdf

装备制造技术 2023 年第 7 期0引 言随着信息化技术的发展，尤其是汽车行业“电动化、智能化、网联化、共享化”的新四化提出，基于数据采集与分析技术的应用发展起来的 MES 系统（生产制造执行系统）被越来越多的汽车企业所广泛使用。工业工程（Industrial Engineering，简称 IE）是对人、物料、设备、能源和信息等所组成的集成系统，进行设计、改善和实施的一门学科，它综合运用数学、物理和社会科学的专门知识和技术，结合工程分析和设计的原理与方法，对该系统所取得的成果进行确认、预测和评价1。IE 作为企业效率化管理的有效工具，关注过程效率，追求在有限条件下的效益最大化。如果只是单纯追求 MES 系统的信息化集成，而忽略了对公司数据使用需求的识别，则容易因为缺乏必要的基础数据支撑而导致 MES 系统束之高阁而无法发挥应有的作用。同时,不同企业间的特性各有差异，唯有与企业运营体系深度结合才能有效发挥 MES 系统的效率化特性。为此，需要将 MES 系统与 IE 应用结合，提升企业的管理效率。1MES 系统的应用现状1992 年，美国的 MESA 国际协会（ManufacturingExecution System Association，MESA International）成立，MESA 是以宣传 MES 思想和产品为宗旨的组织2。MESA 认为，能通过信息的传递，MES 对从下发订单到产品制造完成的整个生产过程进行管理，并在管理过程中及时反馈过程信息进而优化管理效率，并应用从现场准确收集的数据对生产过程进行指导和异常情况处理3。当前国内的 MES 系统集成商大多遵循该理念进行 MES 系统构建。1.1 MES 系统的功能MES 的主要功能体现为 3 个方面：（1）它基于企业的运营计划，自主排程生产什么以及什么时候生产保证按照订单规定日期交付准确的产品。（2）它基于设定的产线型谱，决定哪个产线通过什么方式进行生产通过优化全域资源配给，提供最高效的资源应用。（3）它基于硬件的数据收集与分析，输出生产时MES 系统功能构架建设中的 IE 应用实践黄华星，韦海燕（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州 545000）摘要：MES 系统作为当下企业制造过程信息化进程的主要载体之一，能帮助企业大幅提升制造过程数据统计分析效率，进而提升企业的数据管理效率。工业工程（Industrial Engineering，简称 IE）作为企业效率化管理的有效工具，关注过程效率，追求在有限条件下的效益最大化。如果只是单纯追求 MES 系统的信息化集成，而忽略了对本公司的数据使用需求的识别，则容易因为缺乏必要的基础数据支撑而导致 MES 系统束之高阁而无法发挥应有的作用。通过实施 MES 系统可以为 IE 提供快捷的基础数据支持，缩短改善效果分析时间，便于开展基于数字信息化的过程改善通过将 MES 系统与工业工程应用结合，有利于企业管理效率的提升。在实施 MES 系统建设的过程中，基于工业工程的理论与方法应用，对企业业务体系的关键点进行识别和逻辑连接，对瓶颈点进行业务流分析并寻求更高效的执行方式，进而建立与企业业务体系相匹配的 MES 系统功能构架。以该功能构架为核心框架，实施 MES 系统搭建，可缩短系统磨合试运行周期，提升MES 系统运行效率，进而提升企业的数据应用效率，帮助企业向信息化快速迈进。关键词：MES 系统；功能构架；工业工程中图分类号：TH186文献标志码：A文章编号：1672-545X（2023）07-0213-03收稿日期：2023-03-28第一作者：黄华星（1983-），男，广西柳州人，学士，高级工程师，研究方向:工业工程应用及生产制造智能化.213Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023间、产品质量等信息帮助管理者实施系统过程/产出分析。为了实现 MES 系统的功能构架，MES 系统集成商通常采用的模式，都注重与应用企业间进行业务需求调研，通过向应用企业讲解自身系统功能、收集并解读应用企业的功能要求来进行 MES 系统设计。1.2 MES 应用企业的系统需求MES 系统的应用企业以制造型企业居多。制造型企业的关键业务主要围绕“人机料法环测”六个方面开展，而以对象实体来说，可以定义人员、物料、设备、能源、信息为管理对象，而这，既是 MES 系统功能构架的基础服务对象也是管理对象，其基础期望是通过 MES 系统的应用，提升对受管理信息收集的准确性、及时性，以此提升管理响应速度与准确性。而为契合当下信息化、智能化的时代特征，越来越多的制造企业在搭建 MES 系统的功能构架时，会需求搭建一些带有基于数据收集的系统自动化操作，如，高度集成的数字报表目视化呈现、能够基于现场采集到的数据进行自动比对并拦截不合格产品继续往下游流动、针对刀具/工具/工装使用频次的预警等。集成的数字化企业的发展目标是通过全面采用先进的信息技术，实现产品研发数字化、制造过程数字化、生产过程数字化、管理数字化，并通过集成实现企业数字化4。2IE 在 MES 系统功能构架建设中的应用优势和方式在工作研究、人因工程、质量管理、设施规划与物流分析、生产计划与控制中，作为工业工程的组成模块，完全契合企业对其自身的业务体系提质增效的需求。2.1 搭建 MES 系统的过程也是对企业实施业务流程效率化验证与改善的过程在 MES 系统功能构架过程中，对业务流进行程序逻辑分析，并实施模拟验证，我们可以找到业务流程中的短板或阻滞点。因为工业工程涉及企业整个生产经营全过程，且独立于研发、采购、质量、生产等主业务模块之外，为工业工程开展业务流改善提供了其他技术模块所不具备的全局改善视角。立足于“消除浪费”的工业工程思维，在 MES 系统的功能构架方案规划上，我们不是寻求性价比最极致或单一模块性价比最大化的方案，而应该在评估各方实际的有限投入基础上，制定综合性价比最适宜的方案，并持续探寻该综合性价比不断提升的方案。正是基于这个工业工程的全局视角，可最大化避免了其他专业模块因业务知识面的范围不足而导致局部效益大于综合效益的情况发生。为此，借助于 5W1H 与 ECRS 等工业工程改善手法的应用，对业务流程短板进行改善，是提升 MES 系统功能构架运行效率的有效路径，而这，也是对系统工程师的核心技能需求。2.2 IE 在 MES 功能构架建设过程中的应用方式IE 工程师可以应用 5G，在工厂、车间中实施网络互联，在生产线设计、实施和持续优化过程中推动工业制造的智能化，提高生产率和效率，更好地达到工业工程目标5，而 MES 系统则是最佳载体之一。首先，在实施 MES 系统功能构架的前期需求调研时，需要建立起企业的通用业务模型，以“人机料法环测”为对象，界定系统功能的服务边界。其次，在 MES 功能构架蓝图设计时，基于霍尔三维模型6，对各功能子项的关联关系进行筛分，识别并定义类别与管理方式，对构建的各功能子项建立业务流矩阵网。而后，基于全局视角，评估/测试各子项功能运作逻辑的闭环有效性，并结合 ECRS 手法（即，取消 Eliminate、合并 Com原bine、重排 Rearrange、简化 Simplify）6实施及时的流程业务优化与功能设计更新。3MES 系统的功能构架应用实例本人所在团队在建设新的智能工厂 MES 系统时，组建了一个 MES 系统功能构架策划小组，该小组涵盖工业工程、工艺、质量、生产、物流、设备、IT 等业务人员，负责实施 MES 系统的顶层功能策划。在完成各业务的功能策划后，小组内部开展横向的功能关联性评估，与 MES 系统集成商、设备厂家结合需求调研进行 MES 系统功能构架的锁定。历时 6 个多月，该MES 系统各功能构架建成，该 MES 系统通过网联化布局实时收集整个工厂的质量、计划、效率、设备、人图 1霍尔三维模型6知识维（专业学科）自然科学社会科学工程技术管理学心理学法律逻辑维（步骤）问题阐述目标探索方案综合系统分析最优化决策实施计划规划计划研制生产安装运行更新时间维（进程）214装备制造技术 2023 年第 7 期员、能耗等综合信息并实施实时统计测算，将分析数据反馈至产线实施智能化自动控制，扼制异常件流出到下工序；同时，通过信息化技术，可将整个生产信息分类推送至管理者电脑及手机等终端，并可与供应商和客户实现产业数据共享，以支持快速运营决策。3.1 实施要点（1）构建具有工业工程全局视角的 MES 系统功能构架策划小组。有不少企业在实施时是由 IT 或工艺牵头组建的实施团队，而我们由工业工程部门牵头组建，基于工业工程全局视角评估功能设计的必要性及实施效率，平衡各职能权限的设置。通过该模式，极大地避免了单一技术模块主导带来的短板效应，保持有限投入下获得较为优良的综合性价比。在某 MES 系统建设中，各模块是独立完成本区域的业务流程，因缺乏系统性预评价导致在区域交叉业务中出现了低效的流程设计。在最初系统逻辑设计时，物料响应流程需要操作者进行手工发起的设置（图 3），因为对人的依赖过多，程序流程设置复杂，存在操作者无法保证及时发起指令而导致物料配送延误的高风险事项。而本次新产线搭建策划初期，通过工业工程的视角进行业务统筹，在各业务部门完成业务流程初稿编订后，基于动作经济原则与流程分析，识别业务流程中的关联区域及关键路径，识别并分析可能的风险点，并结合人机工程分析组织跨区域评审，使新的物料响应流程更清晰简洁且可自动执行并防错（图 4）。与此同时，因为取消了非必要的人工确认环节，员工的动作也得到简化。（2）自主实施 MES 系统功能构架策划。相较于直接选用 MES 系统集成商提供的通用模型，自主策划固然会带来特性设计的成本影响，但通过借鉴通用模型开展自主策划能保证系统在可控成本下提升企业业务的适配性，与此同时，也为企业后续提升维保自主性与持续改善搭建基础团队。（3）结合企业技术资源条件定义 MES 系统的功能构架目标。从工业工程的角度，追求有限条件下的性价比最优化，为此，并不是越先进越好。如果企业未具备某项功能的技术资源，则相应设计有可能是一种盈余设计，无法基于数据化应用带来效益。我们通过对企业的设备维保框架的调研发现：企业在 MTTR（Mean Time To Repair）做了基础统计，也开展了一些改善，但应用不充分；而在 MTBF（Mean Time BetweenFailure）方面基础统计与应用仍处于空白。基于此，在MES 系统功能设计阶段，我们对 MTTR 的设计进行了全功能策划，而 MTBF 则仅设计了基础数据收集与统计。这样做的好处在于，通过数字化手段提升MTTR 的统计与分析效率，减少了非必要的数据端口收集进而降低服务器的数据负荷，而通过基础端口预留为 MTBF 的探索保留了关键数据支持。3.2 应用实例的经验与教训（1）以工业工程的全局视角指导 MES 系统的功能构架建设，是提升建设速度与系统有效性达成的有效手段之一。工业工程关注全局综合效力，可有效平衡各业务模块之间的效力博弈，有助于达成有限条件下的综合效力最佳。（2）对应小组成员的选择，要评估其是否具备主动改善特性与学习特性。MES 系统的建设不同于设备投入，需要更多地对企业自身业务的分析，并结合MES 系统效率性与其他企业的业务流程优点进行自我革新，为此，拥有学习与改善自主性的成员是关键因素之一，而这恰是工业工程的优势领域之一。（3）MES 系统的功能构架建设是一个持续改善的过程。完成 MES 系统的建设只是业务优化的起点，为了持续提升流程效率，必须定期回顾评估流程效力，并结合企业业务的调整进行及时的更新始终以提升企业业务流程效力为目标。图 4案例物料响应逻辑员工MES物流组取料是否需要补料Y传递信息接收信息物料到位确认送料Y任务关闭图 3原有物料响应逻辑员工MES物流组取料是否需要补料Y传递信息接收信息收料确认送料Y任务关闭按键按键闭环图 2MES 系统开发的流程需求调研&确认方案确认系统开发系统测试试运行&整改系统验收（下转第 223 页）215装备制造技术 2023 年第 7 期4结 语综上所述，基于工业工程的全局视角，从 MES 系统策划初期运用工业工程的流程分析等方法进行功能构架的效率化分析，可降低 MES 系统功能构架中的业务流设计不平衡，进而降低特性需求的系统适配难度，提升 MES 系统功能构架的有效性；与此同时，立足于工业工程的改善功能发挥，持续开展业务流程优化，可以减少过量的冗余功能设计，提升 MES 系统运行效率，进而保持企业的运营效率持续优化。参考文献：1 姚佐平，袁竑，李赤林.汽车制造信息系统 AMIS 与工业工程IE 集成研究J.机电产品开发与研究，2006（9）：49-51.2 饶运清，李培根，李淑霞，等.制造执行系统的现状与发展趋势J.机械科学与技术，2002（6）：1012-1017.3 MESA International.The Benefits of MES：A Report from theFieldR.MESA International White Paper Number1，1997.4 https：/www.iise.org/details.aspxid=295.EB/OL.5 卢佩琳.工业工程、5G 与智能制造J.工业技术创新，2021（1）：101-106.6 薛伟，蒋祖华.工业工程概论M.北京：机械工业出版社，2009.（上接第 215 页）减少了能量损失。稳定性提升：传动效率的提升不仅仅意味着能量的更有效传递，还意味着钟表的稳定性得到了改善。优化后的传动系统具有更稳定的传动特性，能够更准确地测量时间并保持更长时间的稳定运行。5结 语钟表传动效率的优化是一个综合考虑多个因素的复杂问题。减小摩擦损失需要精确设计和制造传动部件，并选择适当的润滑剂和轴承，以减少传动中的能量损失。同时，通过减少惯性负载，可以降低传动系统的负荷，提高传动效率。还有其他一些因素也会对钟表传动效率产生影响，如传动部件的质量和精度、齿轮的设计和加工等。通过对钟表传动效率的分析和优化，可以使钟表具有更高的精确性、更长的使用寿命和更低的能量消耗。这将为钟表制造商和钟表用户带来更好的使用体验和经济效益。参考文献：1 林嘉，陈茂胜，陈卓，等.手动变速器传动效率影响因素分析与优化J.中国新技术新产品，2021（4）：57-60.2 张慧芳，张立荣.手动变速器传动效率的影响因素分析与改善对策研究J.制造业自动化，2011，33（4）：3.3 李振，王义，张艳利，等.某手动变速器敲齿噪音分析与优化J.汽车实用技术，2021，46（22）：137-140.4 高世平.基于机器视觉的双联齿轮尺寸精密测试系统D.广州：广东工业大学，2023.变的用户需求，极大的提高数据处理效率，具有很强的通用性。参考文献：1 Z Lin.The research on data acquisition，processing，and ap原plication of multi-type environmentC.2019 IEEE InternationalConference on SignalInformation and Data Processing（IC原SIDP），2019：1-4.2 孙安健，王星，闫晓瑜.通用 ETL 工具的研究与实现J.计算机应用与软件，2012，29（12）：175-178，210.3 郑皓，许琦.数据仓库视角下多源异构专利数据集成研究J.科技创新发展战略研究，2020，4（3）：14-17.4 赵亚伟.一种基于 Kettle 的无损增量数据同步方法研究J.软件导刊，2019，18（10）：55-58.5 刘云生，梁爽.实时数据库的定时调度策略J.小型微型计算机系统，2001（11）：1375-1377.6 张新聚，陈宁，马秀红.基于 TCP/IP 协议的 PLC 远程数据采集系统设计J.组合机床与自动化加工技术，2020（4）：91-94.7 卢伟，孟婥，孙以泽，等.基于 Modbus/TCP 及 FINS/TCP 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