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【MES】机械加工轻量化MES解决方案

秋风起兮白云飞,草木黄落兮雁南归。机械加工行业在国民经济体系中有举足轻重的作用,最近笔者参加了德国北威州—中国创新峰会,应邀参加了相关主题讨论。结合我们多年的项目行业项目服务经验,简要介绍一下精易会在机械加工行业的方案和研究成果。

一、离散型与流程型制造业对MES需求的区别

苏格拉底说认识你自己。在讨论我们如何提出MES需求和方案之前,我们要知悉自己所属行业的特性?对MES的需求有哪些不同?我们有必要了解—离散型与流程型制造业对MES需求的区别。

离散型制造业的特点

离散型生产行业主要是通过对原材料物理形状的改变、组装,成为产品,使其增值。典型的离散型行业包括:机械、电子、航空、汽车等行业。这些企业既有按订单生产(MTO),也有按照库存生产(MTS),既有批量生产也有小批量生产。一般将产品分解成若干个零件,每个零件经过一系列并不连续工序的加工,最后将每一个零件按一定的顺序装配而形成产品。在离散型制造业的生产过程中,基本没有发生物质改变,只是物料的物理性状和结构组合发生改变,产品与所需物料之间有确定的数量比例。

离散型制造业产品种类繁多,生产过程复杂,非标程度高,工艺路线和设备使用灵活,车间形态多样,运营维护复杂,有以下三个典型的特点:

01. 产品结构层此清晰:离散型制造业的产品结构可以用树状结构进行描述,最终产品一般由固定数量的零件或部件组成,相互之间的关系根据图纸和BOM是明确和固定的。

02. 产品工艺流程复杂:离散型制造业的产品生产过程是断续的、离散的,主要的生产工艺方法有锻造、铸造、焊接、机加工、涂镀、装配等,不同零件的生产过程有所不同,同一零件当产量不同时,其工艺路径也会有所差别。

03. 生产计划管理要求高:典型的离散型制造企业大多是按单生产的(MTO)的生产组织方式,多品种、小批量、短交期、工艺环节较多、生产组织难度大,对供应链和生产系统的快速响应提出了较高的要求。

离散型与流程型制造业对MES需求的不同

流程型行业根据自身的特性,将制造过程中各种不同的自动化控制系统联网,自动采集生产过程的数据实现企业的生产信息集成,建立全企业范围的实时和历史数据库,是流程行业企业的实现MES应用最关键、核心,也是最基础的任务。

离散型行业有其自身的特性,其MES更关注生产计划的制定和生产过程的快速响应。离散型行业与流程型行业MES的区别可以从几个方面简述如下:

01. 需求差异方面:流程生产行业,主要是通过对原材料进行混合、分离、粉碎、加热等物理或化学方法,使原材料增值。通常,他们以批量 或连续的方式进行生产。离散工业主要是 通过对原材料物理形状的改变、组装,成为产品,使其增值。在MES需求、应用环境等诸多方面,两者都有较大的差异。

02. 产品结构方面:流程生产行业MES中,一般采用配方的概念来描述这种动态的产品结构关系。其次,在流程生产行业每个工艺过程中,伴随产出的不只是产品或中间产品, 还 可 能细分为主产品、副产品、协产品、回流物和废物。MES在描述这种产品结构的配方的时候,还应具有批量、有效期等方面的要求。 离散制造企业的产品结构,可以用“树”的概念进行描述——其最终产品一定是由固定个数的零件或部件组成,这些关系非常明确并且固定。流程企业的产 品 结 构,则有较大的不同,它们往往不是很固定—上级物料和下级物料之间的数量关系,可能随温度、压力、湿度、季节、人员技术水平、工艺条件不同而不同。

03. 工艺流程方面:流程生产行业企业的特点是品种固定,批量大,生产设备投资高,而且按照产品进行布置。通常,流程生产行业企业设备是专用的,很难改作其他用途。MES系统 规划的时候,要考虑到不同行业生产设备布置的特点,做好配置。离散制造业,其特点是多品种和小批量。因此,生产设备的布置不是按产品而是按照工艺进行布置 的。例如,离散制造业往往要按车、磨、刨、铣等 工艺 过程来安排机床的位置。因为每个产品的工艺过程都可能不一样,而且可以进行同一种加工工艺的机床有 多台。因此,离散制造业需要对所加工的物料进行调 度。并且中间品需要进行搬运。

04. 自动化水平方面:流程生产行业企业,则大多采用大规模生产方式,生产工艺技术成熟,广泛采用PCS,控制生产工艺条件的自动化设备比较成熟。因此,流 程 生产行业企业生产过程多数是自动化的,生产车间的人员主要是管理、监视和设备检修。离散制造业企业由于是离散加工,产品的质量和生产率很大程度依赖于工人 的技术水平。离散制造业企业自动化主要在单元级,例如数控机床、柔性制造系统。因此,离散制造业企业一般是人员密集型企业,自动化水平相对较低。

05. 生产计划方式方面:流程企业根据市场的需求进行生产的观念已经逐步加深。但一般情况下,特别是对市场需求量大的产品,是“以产促销”——通过大批量生 产,降低成本,提高竞 争 力。因此,作为流程企业生产计划的依据,主要是市场预测。离散企业一方面可以根据定单进行生产,另一方面也可以根据市场预测作为生 产计划制订的依 据。离散企业的MRPII/ERP系统向MES下达作业计划指令主要以“工作令”(Job Order或Work Order)的方式,而流程企业的作业 计划下达主要以指令计划形式方式。

06. 成本核算方式方面:流程企业的成本核算方式一般采用平行结转法,在其成本组成中,生产成本中占比例最大的是原材料。通常,原 材料占产品成本的70%~80%,人工成本所占 比例较小,约占2%~5%,其他为分摊成本。离散企业的计算产品成本是按照产品BOM所描述的加工装配过程,从低层向高层逐层累积得出的。这种按照成本发 生的实际过程计算成本 的方法称为逐层累积法,或称成本滚加计算法(cost roll-up),它反映了产品增值的实际过程。

07. 设备管理方面:流程生产行业的产品比较固定,而且一旦生产就有可能是十几年不变;机械制造等行业的产品,寿命相对要小得多。体现在设备上,流程企业的设备是一条 固 定 的生产线,设备投资比较大、工艺流程固定。其生产能力有一定的限制,生产线上的设备维护特别重要,不能发生故障。离散加工业则不是这样,可以单台 设备 停下 来检修,并不会影响整个系统生产。离散行业的生产设备的布置,不是按产品而是按照工艺进行布置的。可以进行同一种加工工艺的机床一般有多台。单台设备的故障不会对整个产品的工艺过程产生严重的影响,一般需要重点管理关键、瓶颈设备。在流程生产行业的流水线生产中,生产线上的设备维护特别重要,每台设备都是关键设备,不能发生故障,一台设备的故障会导致整个工艺流程的终止。

08. 批号管理和跟踪方面:流程生产行业的生产工艺过程中,会产生各种协产品、副产品、废品、回流物等,对物资的管理需要有严格的批号。例如,制药业中的药品生产过程要求有十分严格的批号记录和跟踪,从原材料、供应商、中间品以及销售给用户的产品,都需要记录。一旦出现问题,企业要可以通过批号反查出是谁的原料、哪个部门、何时生产的,直到查出问题所在。离散制造业一般对这种要求并不十分强调,虽然现在很多离散制造业企业也在逐渐完善批号跟踪管理。

09. 作业计划调度方面:流程企业的产品,是以流水生产线方式组织、连续的生产方式,只存在连续的工艺流程,不存在与离散企业对应的严格的工艺路线。因此,在作业计划调度方面,不需要也无法精确到工序级别,而是以整个流水生产线为单元进行调度。从作业计划的作用和实现上,比离散企业相对简单。离散企业的生产作业计划 调度,需要根据优先级、工作中心能力、设备能力、均衡生产等方面对工序级、设备级的作业计划进行调度。这种调度,是基于有限能力的 调度并通过考虑生产 中的交错、重叠和并行操作来准确地计算工序的开工时间、完工时间、准备时间、排队时间以及移动时间。通过良好的作业顺序,可以明显地提高生产效率。 

10. 数据采集方面:MES的数据采集功能,可以实现对生产现场各种数据的收集、整理工作,是进行物料跟踪、生产计划、产品历史记录维护以及其它生产管理的基础。流程生产行业的自动 化程度较高,设备控制级大量采用DCS、PLC。在检测驱动方面,各种智能仪表、数字传感器已普遍应用;过程控制则广泛采用以、小型机为主的自动控制系统。传统的“计、电、仪”分工界限已不再明显,计算机技术的应用已深入各个领域。这些自动化设备,能自动准确记录各种生产现场信息。离散企业的数据采集,以手工上报为主,并可以结合条形码采集等半自动信息采集技术进行工时、设备、物料、质量等信息的采集。这种数据采集方式,时间间隔较大,容易受到人为因素的影响,要特别注意保障数据的准确性。

11. 作业指令的下达方面:流程生产行业的MES中,不仅要下达作业指令以及PDI(Panel Data Interface,面板数据接口)数据,而且要将作业指令转化为各个机组及设备的操作指令和各种基础自动化设备的控制参数,并下达给相应的PCS系统。在离散行业的中,将作业计划调度结果下达给操作人员的方式一般采用派工单、施工单等书面方式进行通知,或采用电子看板方式让操作人员及时掌握相关工序的生产任务。作业计划的内容,包括该工序的开工、完工时间、生产数据等方面。

12. 反冲处理方面:流程生产行业的生产完工上报,广泛采用反冲处理。一般在工艺流程的最后设置完工上报点,而对前面工序流程实行反冲处理,如人工工时反冲、设备工时反冲、物 料反冲,从而对在制品和成本进行跟踪。离散制造中的完工上报,一般对每道工序都要进行上报,或在关键工序设置反冲点,对前面工序进行反冲处理。MES系统 在配置相应模块的时候,要注意这些差异,以符合企业的需求。

13. 物料管理方面:流程生产行业中,对连续生产方式,一般不设中间半成品库房,配方原料的库位一般设置在工序旁边。配方领料不是根据工序分别领料,而是根据生产计划一次领料放在工序库位中。离散行业中,一般对半成品库也设有相应的库房,各工序根据生产作业 计划以及配套清单分别进行领料。

14. 质量管理方面:无论离散行业还是流程生产行业的质量检验和管理都相当重要,但在MES中对质量检验和管理的方式有所区别。流程生产行业中,一般采用对生产批号产品进行各 工序上的抽样检验。离散行业中,对单件小批生产,一般需要检验每个零件、每道工序的加工质量;对批量生产,一般采用首检、抽检、SPC分析相结合。‍

在对离散型制造业自身的特点,以及对MES需求的典型性和独特性有了清晰了解之后,我们对MES需求的提出和方案的设计以及后续的项目工作,更有目的性和目标性。‍‍

二、数字化转型方法论

时下人们在谈到数字化专转型和智能化升级的话题时,热衷于探讨“精益与数字化的关系”这个论题。笔者也有相当长时间的精益相关咨询工作的经历。探讨这个问题的背后的本质是什么?我们的答案是有良好的精益表现,固然是一个很好的基础。没有做精益的企业,也未尝不可。殊途同归,前提都需要有良好的运营基础。

数字化是智能制造路径的第一阶段(数字化、数字化网络化、数字化网络化智能化)。从学术、科研方法、可用性、实践性等维度,我们更倾向于研发在一定时期内更具有科学性的转型方法论、路径、方法和工具。‍‍简要介绍如下:

系统性的数字化转型建议

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A. 愿景

流程梳理标准化;价值流程图梳理;因果关系明晰化

B. 战略规划

项目阶段 ;展开步骤;项目计划

C. 核心能力

KSF—关键成功要素‍

现状与标杆对标,指定阶段路径image.png

数字化转型评测工具箱image.png

在数字化转型与智能化升级诊断阶段,我们与鸿信等服务商有长足的合作,作为服务商参加了数百场诊断服务,有独特的视角和系统的思路,成熟的媲美RPA的测评方法。

三、轻量化MES方案介绍

机械加工行业MES从形式上可以分为SaaS产品与定制化开发产品,我们提供的产品主要是定制化开发,在大量个案的基础上总结、验证、提升,形成具有一定代表性的标准基础系统。下面介绍的是机械加工行业比较轻量级的工单排程和生产数据追溯系统。

系统大功能模块

包含基础设置、公司架构、工艺管理、生产管理、包装管理、打印管理、报表管理主要的几个部分,从功能性、实用性、经济性、可拓展性、可复用性和软件工程几个维度衡量,完全满足生产现场的使用要求。

基础设置模块

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基础设置部分是系统的基础,体现管理需要的主要字段、参数、模块,采用标准化、模块化与定制化相结合敏捷配置、快速响应的方式,并支持自由设置增删改查和导出功能,一定程度上体现管理的颗粒度!是下面系统功能的基础!

公司设置模块

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采用结构树的展现方式,内嵌流程管理的思维,对全公司的生产系统进行虚拟建模,包括工厂、车间、产线、设备、工站等!细化到具体的工作站,进一步细化系统管理的颗粒度!实现生产组织的目视化!真正打下宏观把握、微观处理、高屋建瓴、谨小慎微的科学严谨基础!

工艺管理模块

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1. 采用结构树和WBS的展现方式,内嵌工艺流程管理的思维,建立产品BOM,生成物料需求清单!对接ERP或SRM系统,生成物料采购PO单!

2. 同时支持系统进行BOM的增删改查,进行BOM版本管理,自动保存历史BOM数据!为精益设计和追溯提供历史数据支持! 

3. 同时支持QFD质量功能展开的工艺路径设置需求和数据支持!‍

工艺防错管理

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1. 系统采用流程管理思维,可以设置多种工艺流程,根据产品族和产品工艺矩阵自动匹配部分工艺知识库,以满足不同产品的工艺需求,实现智能推荐和匹配功能!

2. 系统对工艺路径进行关联,在生产过程中如果未按工艺流程作业,出现跳站、漏站的情况,系统将实现防呆!

3. 对于实验和小批量订单的工艺,采用“边研边产”和“泛机器学习”的方式,支持小批量生产模式,工站以及本站参数可以自由调整,系统记录全过程并对比获取最优路径和参数!

4. 系统内嵌从试制到量产的思路,符合PPAP、FMEA、MSA、SPC和APQP逻辑!‍

生产管理模块

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1. 根据生产工艺,提供生产类型选择、工单计划、工单排程、过站(进、出、检测)、首检\巡检、复盘不良统计以及单据(流转单)管理功能,内嵌质量管理和统计管理模块!

2. 通过自动采集和手工收入等方式,详细的记录生产过程的人、机、料、法、环、测等数据!实现追溯功能!

3. 过站功能模块,不仅提供出入站记录,同时提供生产数据的防错、工艺流程的防错功能!

4. 内嵌Jidoka,精益生产自働化的自工序完结理念,不接收、不制造、不流转不良品!坚持“三不”原则!‍

工单计划管理

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1. 工单计划服务于OTD(order todelivery)订单和产品生产全生命周期流程,从ERP订单开始,一直到订单关闭,产品发货!

2. 内嵌精益生产生产JIT管理思维,尽量缩短LT时间,根据工艺流和信息流,识别订单执行过程种的VSM(value stream mapping),统计每个过程的时间节点,根据TAKT定拍工序,倒推工单计划!

3. 工单计划中的关键字段包括:ERP工单、产品编码、产品名称、计划数量、已排程数、投入数量、可完工数、生产类型、计划开始日期、计划结束日期、工艺版本、关闭时间等!

4. 通过关键字段的投入和产出数量对比,可以计算生产效率、生产成本、设备利用率等显性和隐性数据!对运营和财务管理提供支持!

5. 计划开始、结束日期与关闭时间对比,可以反应安排的合理性,同时验证工艺的优越性与否!同时对生产效率起到监控作用!

6. 根据生产进度能够实时反应订单的优先级别和完成速度!

工单排程管理

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1. 根据工单计划,进行工单排程,调用前端工艺管理的标准产能/良率数据,作为工单排程的基础数据,同时也是实际完成情况的对比基准!形成管理和监控闭环!

2. 通过选择工单、车间、班次、工站等参数,进行新建排程、删除排程、修改计划操作!真正实现人机交互,充分体现和尊总计划管理人员智慧!

3. 适用国际通用的项目计划管理工具——甘特图进行目视化管理!直观、简单、易理解、易维护!

4. 计划开始、结束日期与关闭时间对比,可以反应安排的合理性,同时验证工艺的优越性与否!同时对生产效率起到监控作用!

5. 根据生产进度能够实时反应订单的优先级别和完成速度!‍

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包装管理

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1. 包装管理作为单独的模块设置,符合模块化设计的里面,可以作为单独的功能使用,包装工艺和包材BOM与产品生产工艺和物料BOM分开,更具有灵活性!

2. 提供容器类型选择,维护、包装,拆包作业、包装记录和成品检测管理功能,内嵌质量管理和统计管理模块!

3. 提供最小包装管理功能!

记录生产过程的人、机、料、法、环、测等数据!实现追溯功能!

4. 成品检查功能,内嵌Jidok,精益生产自働化的自工序完结理念,不接收、不制造、不流转不良品!坚持“三不”原则!降低不良成本,变事后管理为事前管理!‍

标签打印系统

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精易会自主研发的标签打印系统,在功能上和部署便捷性以及使用成本完全可以替代bartender标签打印。

报表管理

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管理看板

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四、项目管理介绍

MES项目从开始到成功验收,需要经过一个科学、严谨的流程,涉及诸多的相关方。主要的阶段有需求立项、需求分析、需求确认、方案编写、方案检讨、开发规格书编写、软件开发、内部测试、部署实施、上线验收等。按照大类可以分为售前阶段、项目阶段和售后阶段。其中项目阶段包含开发阶段,很大程度上决定了项目的进度和最终交付制质量。我们的项目管理严格遵守PMP标准的前提下,结合自身的经验灵活作业。

项目管理和知识转移

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以上简要的叙述,一个典型的机械加工工厂的轻量化MES管理系统从需求提出、转型路径选择、方案设计、系统功能模块设置、系统开发、实施、验收,整个项目管理的简要流角度,对精易会的产品做了简介。篇幅有限,很多细节未能详尽,欢迎留言交流!

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