基于MES+系统的钣金加工智能车间设计与应用
文/资明庚、张涛、黄一明·格力电器（珠海）股份有限公司
导 语
目前钣金加工行业以离散型的生产模式为主，从计划到生产均需人工全程进行处理跟进，各生产工序存在明显的孤岛作业现象，耗费大量人力管理且物料状态更新滞后，生产进度不明，各种成本浪费层出不穷。为进一步提高生产过程可控性，发挥资源的最大效益，基于MES+系统开发，打造钣金智能化生产车间。本文重点围绕以钣金MES+信息化管理系统开发应用为基础，介绍钣金智能化生产车间的构建过程与应用效果，助力企业达成高质量发展目标。
随着我国商用电器行业市场需求的不断发展，客户越来越倾向于高质量、定制化、多样化及快速交付的订单交付模式，钣金件作为电器产品的主要零部件，其交付要求与订单交付要求是同步的，这就要求钣金加工企业的生产交付标准更高，高效稳定、柔性化的生产优势更加突显。而传统的离散型生产模式容易形成孤岛作业，信息无法得到及时流通，不能有效帮助管理者快速决策，生产过程中各种浪费层出不穷，产品质量得不到稳定有效的保障，对于企业的发展极为不利。近年来，随着钣金加工行业对MES 系统的研究不断深入，越来越多企业引入MES 系统作为生产管理的重要工具，而智能化生产车间的构建更是离不开MES 系统的应用。
智能化生产车间特点及设计模型
智能车间是数字化、网络化、自动化、智能化技术与制造技术的交叉融合，以协调生产流程、优化生产工艺为核心，实现计划、生产、检验、物流等各环节优化和整合的一种高效生产制造模式。目前，许多国内学者也对离散制造业的MES 系统进行过研究，如马天明等学者根据离散制造业多品种、小批量的特性设计了通用性和扩展性均良好的MES 系统；朱先萌等学者将非支配排序与遗传算法相结合对离散制造业的多目标计划排程问题进行求解，并验证了该方法的有效性及可行性。
构建智能车间的基础及核心是信息化及自动化管理，钣金智能车间结构设计模型如图1 所示，通过MES 制造执行系统、ERP 资源计划系统、WMS 仓储系统以及智能化、自动化等设备的互联互通、高效协同实现。为进一步打造空调钣金生产智能化车间、减少生产管理过程中人员的投入、提高各类异常响应解决效率，现有的MES 系统显然缺少了决策、调动和互通的功能，需结合生产实际进一步开发更加智能的钣金MES+信息化管理系统。
图1 钣金智能车间结构设计模型
智能化钣金生产车间的构建
智能化钣金生产车间的建设基于钣金MES+信息化管理系统，通过产能分析、车间作业管理、车间管理看板、信息定向推送等功能，帮助管理者实现对自动线、自动加工中心、手工操作设备群、物流转运等的指挥决策，并在首页集中展示车间产出工时的数据，如图2 所示，以方便生产效率的统筹管理。徐海、徐庆波等学者就智能工厂集成方法进行了相关研究，提出了生产资源的集中管理相关理论，这对钣金MES+信息化管理系统的功能细化提供了思路。车间生产任务配发后，整个车间生产人员、物流人员、质检人员按照系统生产计划任务有条不紊开展生产活动，逐步进行自发式的作业，从而实现车间的高效运作。
图2 MES+系统首页产出工时管理看板
产能分析功能
车间产能状况是在规定期限内生产交付的基础保障，而车间产能涉及到人员、设备、物料、工装、运力、仓储等多个维度的资源综合配置，提前期、系统能力约束、资源配置等各种随机干扰情况会导致计划排程调整变得更加频繁，因此实际生产过程中要统筹评估好整个车间的产能并发挥出资源的最大效益。通常情况下，钣金加工作为企业加工的最后一道工艺，缓冲时间较少，加工变化较大，对管理者准确判断资源的可靠性水平要求极高，而钣金MES+信息化管理系统的产能分析功能主要是基于对异常资源的管控，是将设备异常、人员出勤异常、工装运力异常等部分转换成生产工时，从而结合历史累积数据对异常资源影响的工时进行平衡扣减，进而推算出车间的实际产能状况，能够为计划排程优化调整提供基础数据支撑。
同时系统还将异常数据分类推送到计划管理人员，帮助管理人员进行排程的调整优化。如智慧加工中心N1-03 冲剪复合机所用1.45mm 间隙T087-DJ 多边形模具异常，操作人员在MES+系统上报模具异常后，系统将该异常推送到模具保全维修人员，维修人员确认异常原因及修复时间，系统自动推送到计划管理人员，同步将1.45mm 间隙T087-DJ 多边形模具涉及到的订单零件一并提示标记，这样管理者即可快速调整非1.45mm 间隙模具的订单上N1-03 冲剪复合机，设备产能迅速恢复。
原材料、工装运力等的异常处理与模具异常处理过程类似，所有真实和可能影响产能的异常资源，MES+系统都将其汇总成产能损失百分比例，管理者点击产能损失比例图即可得到具体的损失原因，管理者对异常作进一步分析，标记原本可挽回损失数据并补充解决方案，系统对关键数据进行储存，下次若有同样异常将直接推送到相关人员，以便快速解决问题，恢复车间产能。
车间作业管理
系统在ERP 获取订单数据自动生成钣金加工订单排程后，车间就有了当前的生产任务，生产任务则需要车间作业来完成。车间作业涉及到手工操作设备群生产与自动线生产，由于手工操作设备群的加工受操作人员的影响，因此钣金MES+信息化管理系统对于手工操作设备群的作业管理也区别于对自动线的管理。Yu.M.Solomentsev 等研究人员以机床负荷最小和订单完成速度最快为目标进行MES系统的各设备工作安排，实现多目标计划排程，这也是管理者对特殊生产形势的一种应对方式。
⑴手工操作设备群作业管理。手工操作设备群的操作人员接到生产任务后，首先要核对相关原材料是否已经送到本岗位，其次要完成对设备模具更换、程序图纸核对，操作人员在更换与确认齐套无误后，按照系统加工排程指示手工操作设备进行钣金零件加工，系统对各工序设备群进行集成状态管理，手工线折弯设备集成产出状态看板如图3 所示。操作人员按照订单对应的零件在系统进行报工，手工加工完第一个零件的质检需求自动推送到辖区质检员，质检员对照系统的图纸、质量标准进行首次检验，检验合格则在系统标绿，操作员继续生产，检验不合格则将质量异常数据上传到系统，由系统对照质量数据库找到异常原因，若系统没有记录类似质量异常处理方案，则由质量技术人员解决异常后维护方案到系统质量数据库，下次异常即可得到快速处理。
图3 手工线折弯设备集成产出状态看板
⑵自动线体作业管理。自动线对应的为具备自动上下料功能、零件码垛分拣功能的自动加工单元，自动线的订单由MES+系统依据TOC约束理论的限制条件，按照优先级顺序逻辑筛选出批量、非首次加工的零件订单，且按照立体库原材料进行任务排序。自动线接到MES+系统派发的生产任务后，员工只需核对加工程序无误、生产环境安全，启动设备加工即可，折弯中心将按照程序NC 代码进行自动换模准备，MES+系统同步派发对应订单的原材料出库任务给立体库，原材料由自动单元取料加工，自动化线体实时状态看板如图4 所示。加工完同样推送质检需求信息到质检员。系统自动获取自动线体的加工信息，无需操作人员进行报工维护操作，若无异常，整个生产过程MES+系统都将指挥线体自发完成订单。
图4 自动化线体实时状态看板
⑶车间管理看板。车间管理看板主要帮助管理者对车间生产涉及的各项指标进行统筹管理。
①订单的生产进度。MES+系统依据车间作业的生产数据，对各订单进行进度统筹，将异常订单、特殊加急订单、交期临近订单显示在最前列。管理者还可看到对应订单专项负责人，对最终订单结果进行记录，月度进行数据汇总分析，得出最佳保障人员并进行生产保障专项奖励。
②设备管理看板。MES+系统依据联网数据对设备分类管理，汇总显示异常设备，管理者可查看设备异常原因，汇总影响的工时产能信息。MES+系统对接设备能源网的数据，对周期能耗数据进行监控，对异常能耗进行提示，以发现隐蔽的设备问题。
③质量管理看板。系统依据检验数据，对质量问题进行分类汇总，按照六西格玛质量异常率设定的PPM 值进行预警，同步更新质量信息库。各类质量异常在月度生成数据报告，帮助管理者进行复盘预防。
④出勤管理看板。按照车间作业实时更新员工上岗情况，记录缺勤人员缺勤原因，自动生成缺勤影响产能数据，月度进行数据汇总，作为绩效考评依据。
云物流系统与MES+交互设计
精益物流转运是推动车间持续生产的动力，准确高效的物流方式一直以来都是制造业探求的重点方向之一，陆国强等学者对通过MES 系统促进精益生产进行了相关论述。为保障车间的准确高效物料流转，除了精益化的布局规划设计、自动化的转运设备投入外，智能化物流转运系统应用也同样重要。
云物流管理平台与钣金MES+信息化管理系统进行实时信息交互，MES+系统按照车间作业指导的订单生产工序流、设备流将转运需求传达到云物流管理平台，基于云物流管理平台的车间智能物流系统构建如图5 所示。云物流管理平台根据维护的零件工艺尺寸外形资料匹配对应的工装载具，转运条件成熟齐套后下达指令，精准地对多台AGV 进行调度指挥，实现设备之间点对点的高效运输，各订单转运信息实时显示在所涉及的设备机台，生产人员能够第一时间掌握所要生产的零件信息，提前准备图纸、模具等生产辅助配套资料，真正做到运输指导推动生产。
图5 车间智能物流系统构建
WCS 仓储系统与MES+交互设计
传统的仓储模式是平面库人工运维模式，该类以铁框架划分库位的仓储模式需要大量的运维人员和机动叉车，物料的查找、分拣、齐套均需靠人工进行操作，出入库记录也完全使用纸质工单进行记录，很难做到信息化、智能化管理，立体库没有得到高效应用，对此，合肥工业大学的朱华炳等学者就制造业生产物流系统规划与调度技术进行了相关理论研究，这为钣金智能工厂物流仓储系统集成提供了参考。为此，MES+系统将依据订单信息对前后端的出入库需求进行提前预排，以保障车间仓储运输的高效运行。
WCS 仓储管理系统具备本立体库自身仓储信息，按照MES+系统提供的前后端数据获取外协厂物料库存情况、物资中心物料库情况以及输送到喷涂车间、各总装车间的物料信息，对生产订单与库存进行扣减管理，同时按照总装上线时间对订单进行出库提示，保障安全库存的同时最大限度发挥车间产能。且MES+系统物流管理板块月度对物料进行落地反冲盘点，确保空调钣金生产物料能够被准确地定额收支。
结 束 语
基于MES+系统的钣金加工智能车间设计与应用，兼容了自动化生产与手工作业生产两种模式，实现客户订单排程、生产作业管理、设备信息管理、质量信息管理、物流转运管理、仓储调动管理、人员工时管理、生产管理看板等生产保障的多个维度数字化，并具备一定的数据分析汇总与异常决策功能，促进智能车间生产自发性开展，帮助管理者快速决策，减少非生产人员投入，最终实现企业的高效益运营。
——摘自《钣金与制作》2023年第4期