作者：譚愛紅，揚州市職業(yè)大學機械工程學院

許常武，揚州電力設備修造廠有限公司

導讀

在數(shù)字化轉型建設過程中，機械制造企業(yè)的難點是智能車間的設計。隨著5G技術的發(fā)展，大量的帶網(wǎng)絡接口的智能設備的投入使用，智能車間的實施成為可能。本文從車間生產(chǎn)計劃調度、過程管控、設備管理、質量管理、能耗管理和物流倉儲等方面提出了車間MES執(zhí)行系統(tǒng)設計的要求，同時對企業(yè)實施 MES 的過程提出了四個注意事項。

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引言

隨著網(wǎng)絡信息技術的進一步發(fā)展，工業(yè) 4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算及人工智能等有了更強大的基礎支撐，很多企業(yè)在此基礎上進行了規(guī)模較大的數(shù)字化轉型建設工作，經(jīng)過近幾年的努力，許多企業(yè)成功地完成了數(shù)字化轉型的初步階段，辦公協(xié)助系統(tǒng)、企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)、計算機三維設計和 3D 打印等先進管理手段已經(jīng)成為標配。企業(yè)的信息化水平得到了顯著提升。

數(shù)字化轉型對企業(yè)提出全方位的要求，而且，在一些企業(yè)中，雖然實施了信息化改造，但由于認識、水平和基礎條件的限制，各個信息系統(tǒng)往往各自為政，互不協(xié)調，造成信息的物理隔絕，企業(yè)信息沒有真正流通起來。究其原因，一方面是由于企業(yè)信息化的基礎不夠扎實、缺少互聯(lián)互通的平臺系統(tǒng)；另一方面是一些復雜過程如機械制造企業(yè)車間生產(chǎn)管理，難以用數(shù)字化來描述，許多設備上又缺少信息互通的接口等，再加上以前網(wǎng)絡傳輸速度較慢、受環(huán)境因素影響較大的原因，許多機械制造企業(yè)不敢也不愿去做這項工作。

隨著信息技術的發(fā)展，目前，5G網(wǎng)絡技術在傳輸速率、覆蓋面和深度、信號時延、終端接入量等方面取得了質的飛躍，逐漸成為新一代的無線網(wǎng)絡技術。這讓制造車間的數(shù)字化建設成為了可能。如何在 5G 環(huán)境下建立一套制造車間的智能管理系統(tǒng)，本文對此進行了探討。

02

企業(yè)信息化管理平臺的要求 要建立智能制造車間，企業(yè)首先要建設包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PLM）、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）和辦公自動化系統(tǒng)（OA）等的企業(yè)數(shù)字化管理集成平臺，如圖1 所示。通過各業(yè)務系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務管理數(shù)字化并實現(xiàn)了各系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。

利用 5G 網(wǎng)絡核心設備與接入設備進行專門的 5G 通信網(wǎng)絡建設，形成企業(yè)全 5G 網(wǎng)絡傳輸氛圍，實現(xiàn)超低時延和超大帶寬需求，為更多的 5G 智能制造應用構建良好的網(wǎng)絡基礎環(huán)境。構建 5G 專網(wǎng)頻段，實現(xiàn) 5G 信號保障，提供 5G 端到端的連接。 為了確保企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡的安全可靠，企業(yè) 5G 網(wǎng)絡最好要能夠提供雙冗余信號，確保能夠實現(xiàn)公有云平臺數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)安全。只有建立了強大的 5G 網(wǎng)絡環(huán)境，智能車間的建設才更加容易實現(xiàn)。 ?

03

基于5G環(huán)境下的機械制造企業(yè)

智能車間MES 的設計

智能車間的建設，最核心的是要建立一套在5G環(huán)境下的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。用該系統(tǒng)來實現(xiàn)車間生產(chǎn)計劃調度、生產(chǎn)過程控制、設備管理、質量管理、倉儲管理、能耗管理和現(xiàn)場文明生產(chǎn)等數(shù)據(jù)管理，同時該系統(tǒng)還要能夠整合車間各個模塊之間的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車間全面數(shù)據(jù)平臺及報表可視化平臺，讓數(shù)據(jù)賦能業(yè)務，實現(xiàn)生產(chǎn)管理可視化到智能決策的提升，推動智慧車間的全面升級，增強企業(yè)綜合競爭力。據(jù)此，設計出機械制造企業(yè)智能車間MES執(zhí)行系統(tǒng)框架，如圖2所示。 ?

3.1 車間生產(chǎn)計劃管理

通過 MES 與 ERP 互通，實現(xiàn)智能車間生產(chǎn)計劃的排產(chǎn)。MES 對 ERP 系統(tǒng)中的生產(chǎn)管理計劃 MRP 進行解讀，使之變成車間的生產(chǎn)計劃。ERP 系統(tǒng)中的總生產(chǎn)計劃比較粗放，不能有效指導車間的具體生產(chǎn)，而MES 則必須在接受到ERP 系統(tǒng)的指令后，能夠迅速將主生產(chǎn)計劃根據(jù) PLM 系統(tǒng)中的產(chǎn)品加工工藝流程、產(chǎn)品裝配 BOM等技術文件將車間生產(chǎn)要求轉化為車間可執(zhí)行的數(shù)字指令，同時 MES 根據(jù)車間人員、智能設備的生產(chǎn)能力及流水線的工作節(jié)拍將生產(chǎn)計劃準確地傳輸?shù)郊庸と藛T和加工工位。物流、加工過程、零部件的加工進度、產(chǎn)品的裝配和入庫等信息通過 5G+ 的相關設備進入 MES，同時加工質量的信息數(shù)據(jù)通過5G+檢測設備同步進入MES中，實現(xiàn)從 ERP 主生產(chǎn)計劃到 MES 計劃調度的全面對接和雙向傳輸，最終實現(xiàn) MES 和 ERP 的集成。通過集成，企業(yè)可以實現(xiàn)車間加工數(shù)據(jù)在整個系統(tǒng)的流通，保證信息的追溯和應用，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化和可視化的進度管理。

3.2 車間生產(chǎn)過程控制管理

MES 貫穿生產(chǎn)制造的全過程，通過 MES 建立重要零部件的追溯體系，用激光刻碼機等特定設備在定義好的零件上標刻 QR Code，追溯原材料批次、加工工單、生產(chǎn)廠家和加工人員等。智能設備之間進行互聯(lián)，通過多種傳感器技術、數(shù)據(jù)采集卡等方式，采集機床運行的多種加工參數(shù)、零件測量數(shù)據(jù)和報警信息等，并將數(shù)據(jù)反饋給 MES 和 PMC。車間管理者可以通過設備互聯(lián)頁面，實時了解加工狀態(tài)，并分析機床 OEE 值。在發(fā)生報警的情況下，系統(tǒng)可以發(fā)信息提示相關人員進行處理。

在過程控制中，車間通過 PLC 數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)者輸入等方式采集設備和生產(chǎn)者加工信息并輸入 MES。

3.3 車間智能設備管理

采用 5G+ 設備互聯(lián)，實現(xiàn)設備狀態(tài)全面感知、信息高效處理，實現(xiàn)車間柔性生產(chǎn)。對各類智能設備（如圖 3所示）、生產(chǎn)線等進行 5G 網(wǎng)絡采集，在相關總線和網(wǎng)絡接口的基礎上，通過 5G 模組轉為 5G 信號，再通過 5G專線網(wǎng)絡，將采集的設備數(shù)據(jù)實時上傳，再通過邊緣計算 MEC 移動實時響應并處理。提升了工業(yè)數(shù)據(jù)實時采集能力。

通過對設備運行狀況實時監(jiān)控，運行效率監(jiān)控，設備故障異常管理，設備維修保養(yǎng)預警管理，減少設備宕機導致的非計劃停機，提升設備利用效率、延長設備使用壽命。同時控制生產(chǎn)過程中因設備故障導致的不良品流出。對生產(chǎn)過程中的設備故障進行實施監(jiān)控及設置故障預警值，提前預測并實時監(jiān)控設備故障情況，縮短故障的處理時間，確保安全生產(chǎn)。

3.4 車間質量管理 設計質量管控系統(tǒng) QMS，對車間加工質量進行控制。依據(jù) BOM 清單，對零部件進行實體編碼標識或批次碼標識。車間質檢員可通過 5G+IPAD 在 QMS 中獲取零部檢、過程檢、來料檢、成品檢和抽檢等質檢數(shù)據(jù)，比對基礎數(shù)據(jù)及標準，實現(xiàn)進料質量管理、過程質量管理、成品質量管理、不合格品處理，以及報表和看板等功能。同時智能檢測設備也可對加工過程進行檢測，將合格/不合格數(shù)據(jù)信息通過 MES 反饋給 QMS，從而實現(xiàn)對車間加工質量的有效控制。 對于出廠產(chǎn)品的管理，則可以通過相關工業(yè)物聯(lián)碼標識系統(tǒng)實現(xiàn)標牌智能標識，客戶通過相關系統(tǒng)可以查詢到生產(chǎn)產(chǎn)品的關鍵工藝信息、物料信息、流程信息和設備調試記錄等信息。

3.5 物流倉儲管理 車間按照節(jié)拍化生產(chǎn)理念組織生產(chǎn)，工藝規(guī)劃細分到各個工位，將物料的相關屬性寫入產(chǎn)品 MBOM 和工藝路線。 AGV 智能小車連接 5G 或 WiFi，用于成品庫、原料庫、車間裝配線運輸、檢測線運輸和涂裝線運輸，實現(xiàn)原料入庫、產(chǎn)品裝配及包裝、入庫等流轉自動化，實現(xiàn)倉庫物流優(yōu)化。 建立自動化立庫（包含原料庫、成品庫）及智能倉儲系統(tǒng) WMS。通過 WMS 對倉庫實行全庫位管理，并建立數(shù)字化的庫位模型，物料的分布和庫存量一目了然。依據(jù) BOM 清單，物料通過 5G+IPAD 掃碼入物料庫，物料數(shù)據(jù)同步到 WMS 中。WMS 根據(jù)物料的出入庫情況，分析出常用物料、呆滯品等信息。在物料使用頻率數(shù)據(jù)的基礎上，靈活設定 WMS 的入庫原則，確保常用物料的庫位盡量靠近出庫口，減少物流的行程，提高出入庫效率。 通過 WMS，對時效性物料實行“先進先出”和“先失效先出”的出庫策略管理。通過對每種物料設定合理的安全庫存、采購周期等屬性，將信息流轉變?yōu)槲锪鳎畲笙薅鹊臏p少采購量和實現(xiàn)最小庫存量，提高經(jīng)濟效益。

3.6 車間能耗管理 設計生產(chǎn)能源管理模塊，實施對智能電表、天然氣流量計、自來水和壓縮空氣流量計等計量儀表的數(shù)據(jù)采集，自動統(tǒng)計車間、生產(chǎn)線和智能設備等多個管理層級的能源消耗，按年、月、周和班次等時間維度統(tǒng)計能源消耗；并結合產(chǎn)量、產(chǎn)值等錄入模塊，實現(xiàn)各個管理層級和時間維度的單耗計量。對高耗能設備的三相電流、三相電壓、三相功率、功率因數(shù)和諧波等參數(shù)的監(jiān)測，對設備的運行狀態(tài)和運行時長進行統(tǒng)計分析；當設備參數(shù)超過限值時，自動發(fā)出告警提示；對設備的重點工藝參數(shù)進行實時監(jiān)測，并結合工藝參數(shù)，綜合分析設備的能源效率。對于有多個設備組成的連續(xù)生產(chǎn)線，分析產(chǎn)線各個設備的協(xié)調運行情況，避免當主產(chǎn)線停止運行時，輔助設備還在空轉運行。 結合生產(chǎn)計劃和能源單耗的歷史數(shù)據(jù)，對未來的能源消耗進行月度和年度預測；實時監(jiān)測工廠的最大需量曲線，當最大需量達到閾值時，通過調整可中斷負荷來控制最大需量，節(jié)約能源。

3.7 車間現(xiàn)場管理 由于智能車間中采用大量的自動化生產(chǎn)線和智能設備等，因此對現(xiàn)場管控的要求就非常嚴格。如何做好智能車間的現(xiàn)場管理，采用 5G+ 工具是一個非常有效的辦法。 安裝 5G+AI 攝像頭。實施安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過采集人員行為數(shù)據(jù)智能圖像識別，對未佩戴安全帽、吸煙、玩手機、煙火、人員逗留、人員出入預警和通道異物等情況分析報警。同時通過智能 AI 監(jiān)測分析，實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境的安全監(jiān)測。 采用各類傳感器、溫控器等智能設備及時將車間現(xiàn)場的不安全因素傳送給各個監(jiān)控點，實現(xiàn)車間全方位、無死角的監(jiān)管。 ?

04

MES 與其他信息管理系統(tǒng)的集成

實施智能車間的 MES 與企業(yè)的 CRM、PLM、ERP、SRM 和 OA 等系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)研發(fā)設計協(xié)同、供應鏈協(xié)同、生產(chǎn)制造一體化和車間管理協(xié)同。

MES 與 ERP 集成。ERP 中的生產(chǎn)計劃、產(chǎn)品交貨信息及全程的生產(chǎn)管控要能夠及時傳輸?shù)?MES 中，MES 根據(jù) ERP 主生產(chǎn)計劃建立車間的生產(chǎn)計劃，車間對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程的各種信息要能夠反饋到 ERP 系統(tǒng)中。

MES 與 PLM 集成。研發(fā)人員通過 PLM 系統(tǒng)將與產(chǎn)品相關信息（包括零件信息、配置、文檔、圖紙文件和結構信息等）及所有與產(chǎn)品相關過程（包括過程定義和管理）傳遞到 MES，實現(xiàn)項目全過程跟蹤管控，實現(xiàn)設計標準化、編碼規(guī)范化、圖紙數(shù)字化、工藝數(shù)字化、審批流程化和簽字電子化。

MES 與 SRM 集成。采購部門通過 SRM 系統(tǒng)與車間MES 對接，實現(xiàn)供應鏈的協(xié)同管理。通過系統(tǒng)評估供應商績效，實現(xiàn)績效和供貨配額規(guī)范透明化管理，實現(xiàn)了傳統(tǒng)業(yè)務流程變革，通過電子對賬，減少人工對賬出錯率，提高工作效率，通過條碼管理、送貨通知，實現(xiàn)快速出入庫，提高庫存周轉率。

MES 與 OA 系統(tǒng)集成。OA 系統(tǒng)是企業(yè)辦公管理的重要手段，企業(yè)決策和具體管理一般都是要通過 OA 系統(tǒng)，而車間管理的一些重要數(shù)據(jù)也必須能夠及時通過 OA 系統(tǒng)傳遞到企業(yè)的決策部門。MES 中績效考核、人員管理等數(shù)據(jù)要能與 OA 系統(tǒng)進行相互傳輸。

05

MES 設計過程中的注意事項

5.1 智能車間設計全面考慮、按需分步進行

智能車間的設計從一開始就要有通盤的考慮，不能因為目前有許多條件不具備就不考慮。正確的做法是在全面評估企業(yè)實施 MES 的信心后，建議企業(yè)可以將容易實施的先做起來，對于目前有難度或條件不具備的要預留接口空間，不能出現(xiàn)一起上，一個都用不好的情況。

5.2 MES 軟件模塊的選擇

現(xiàn)在能夠完全做好全系統(tǒng)的 MES 軟件的供應商并不多，MES 的各子模塊的設計也千差萬別。由于軟件設計人員和車間管理的人員對車間管理需求的理解不一致，導致許多 MES 不能很好地適應車間管理的需求。

5.3 實施過程中要預留應急通道

作為管理工具，MES 也不是萬能的，尤其是在剛開始實施的階段。企業(yè)實施 MES 的目的是為了提高效率，降低人工成本和管理成本，如果因為某些突發(fā)因素導致系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則一定要預留人工處理的流程，不能被系統(tǒng)所困。

5.4 要加強現(xiàn)場操作人員技能水平的培訓，提高系統(tǒng)的可靠性

數(shù)據(jù)收集和處理是 MES 運行的關鍵，而數(shù)據(jù)的處理原則是企業(yè)制定的，合理、科學的處理方法會極大提高系統(tǒng)的效率。因此現(xiàn)場操作管理人員要能夠根據(jù)車間管理的實際不斷修正一些流程，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理的環(huán)境，確保 MES 的高效可靠。

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結束語

根據(jù)《國家智能制造標準體系建設指南（2021 版）》的相關要求，企業(yè)數(shù)字化轉型建設已經(jīng)提上了議事日程。要真正實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化轉型，一方面廣大軟件設計企業(yè)要能夠根據(jù)企業(yè)特點設計出相應的信息化管理軟件，社會要能夠提供出大量的高素質信息化操作使用人才，同時也要有相應的網(wǎng)絡支撐。5G 的發(fā)展適逢其時，高效、安全、傳輸速率高的優(yōu)勢可以為 MES 的實施提供極大的便利。

5G 網(wǎng)絡的優(yōu)勢客觀上為車間智能化打下基礎，而MES 模塊的成熟應用又為企業(yè)實施管理提升打開了便利之門。相信，隨著 MES 的進一步推廣，大量的“黑燈”制造工廠將成為現(xiàn)實。

編輯：黃飛

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