1 MES系统简介

1.1 MES系统的定义

制造执行系统(简称MES)是美国AMR公司在 20 世纪 90 年代初提出并在物资需 求计划系统(MRP)的基础上发展起来的，其将 MRP和车间作业现场控制整合起来，实现了生产计划管理、生产过程控制、产品质量管理、车间库存管理等生产全流程精益管理。

1.2 MES系统的主要功能

MES系统一般包含四大类、11 项基本功能，如图 1 所示，基本功能如下。

图 1 MES系统主要功能图

1.2.1 数据管理类

①数据采集：通过多种方法采集生产过程中的数据，包括产品的生产过程信息、工艺流程信息、部品追溯信息、品质检查信息，以及生产线运转、人员作业、物料搬运、作业流程、工厂环境等信息，并将其作为生产控制和生产追溯的重要依据。数据采集方式有自动和手动，重点是要保证数据采集的及时性、准确性和可靠性。

②数据存储：对采集的数据进行数据化存储，包含存储所需的硬件和数据库，一般会根据数据的重要程度来分级别存储。

③数据分析：对数据库中的数据进行总结和分析，得出一段时间内的生产经营报表，主要是总结工厂生产效率、资源利用率、人员作业效率、设备运行效率、物料使用状况、产品品质状况等信息，并反映当前工厂运营状况。

④文件管理：管理生产制造相关文件，如产品技术文件，物料清单，工艺流程、生产指示、品质管理文件，生产报表等。

1.2.2 生产管理类

①计划管理：对销售订单进行合理的分配，制成月度/周度/日度/时度等不同级别的生产计划，同时对生产计划的完成情况进行有效管理。

②过程控制：通过对人员作业状况、设备运行状况、在制品状况、部品供应状况、品质状况等方面的目视化实现对工厂整体生产过程的有效控制，对可能导致质量问题和效率降低的环节进行重点监控，对已经发生或可能发生的问题及时对应。

1.2.3 品质管理类

①品质管理：主要包括作业中品质保证流程、自动作业防误装置、各工程最终检查流程、自动化检查系统、问题产品的维修流程和进度管理。

②追溯管理：主要是对产品生产过程的追溯和部品使用的追溯，部分追溯信息要按照法规要求上传至相关政府部门，部分追溯信息在工厂MES服务器或数据中心长久保存。

1.2.4 资源配置类

①人员管理：根据人员的能力合理安排人员配置，管理员工信息(包括出勤情况、工时、绩效等)，把握员工的工作效率，从而有效提升整体生产效率和消除作业瓶颈。

②资源分配：对设备、工具、物料、能源等企业生产资源进行合理分配，在生产过程中，对生产资源进行合理调度，动态消除生产瓶颈，保证稳定生产。

③单元分配：对于离散型企业和部分流程型企业来说，作业单元的合理分配是非常重要的，不仅在单元作业计划阶段需要合理分配，在生产过程中也应根据生产进度实时调整，以提高设备的利用率和保证流程各环节的交货期。

2 MES系统的导入流程及注意事项

2.1 MES系统的导入流程

MES系统的导入一般分为 4 个阶段、8 个步骤，如图 2 所示。

图 2 MES系统的导入流程图

2.1.1 软件决裁阶段

①目标分析：首先要明确开发软件的目标，即解决什么问题、实现什么功能、投入什么资源、创造什么价值。

②软件决裁和招标：将软件的目标、功能、投入、产出、日程等项目制作成软件决裁书，并提交公司经管会审批，审批通过后，通过招标流程选定软件开发服务商。

③制作要件书：调查最终用户的需求，对需求进行分类整理和详细分析，剔除不能实现的需求和投入产出比差的需求，明确软件满足哪些具体需求，设计软件系统的硬件架构、功能模块、前台交互画面和后台数据库等，最终做成软件要件书。

2.1.2 系统开发阶段

①程序编写：按照软件要件书的内容编写程序，对数据结构、算法分析和模块机能等方面开始具体的程序编写，以实现各模块的功能，从而达到系统功能、性能、接口、界面等方面的要求。

②软件测试：测试主要分为模块测试、整体测试、设备联动测试、多系统联动测试，通过测试发现系统问题，并及时进行系统修补和更新。

2.1.3 系统验收阶段

①软件启动：当软件测试完成后，软件开发者应给用户安装软件、提供使用手册、数据库字典、测试完成报告等双方合同约定的内容。

②软件验收：软件能够稳定运行，且所有功能均可实现，性能达到标准，软件开发服务商正式交付项目，客户交付尾款。

2.1.4 系统运维阶段

根据合同规定，软件开发者或委托公司对系统进行运营监控和维护(一般为 24 h对应)，对用户应用过程中的问题进行及时解决。

2.2 MES系统的导入注意事项

2.2.1 决裁阶段注意事项

①重点是既要满足生产经营管理者对投资回报率的诉求，也要满足最终用户对软件实际功能的诉求。

②招标过程中，既要满足流程的合法合规，也要对软件开发服务商的能力进行严格的审核。③制作要件书时，要详细说明应实现什么具体功能、软件响应速度是多久，以及交互页面要求、服务器备份能力和存储时长、可扩展性和前台可编辑性等主要项目，也要说明系统功能说明书的编写要求、软件使用方法培训要求和维保人员配置等辅助项目。

2.2.2 系统开发阶段注意事项

①从项目管理者的角度来说，主要是和软件开发商协商管理软件开发日程，对可能影响软件开发的因素进行把握，提前做好解决预案，及时进行日程调整。

②在设备联动测试和多系统联动测试阶段，应制定明确的联协测试体制，对测试过程进行控制，对测试中的问题进行记录和解决，直至系统达到合格标准。

2.2.3 系统验收阶段注意事项

①软件正式启用后，应建立应用异常联络体制，明确问题解决流程。在实际运用过程中，确认系统功能和流程是否正确，对系统漏洞及时解决;确认系统功能和流程是否健全，设计阶段未考虑的功能和流程要及时添加;确认人机交互是否高效，对用户体验差的功能和流程进行改善。

②用户使用方面，建立系统功能培训和传承机制，要对初始用户进行全面培训，降低人员变更对系统使用的影响。

2.2.4 软件维保阶段注意事项

①由于工厂生产对系统的高度依赖，故应建立24 h全天候的系统现场维保机制和异常对应机制，制定异常对应预案，明确责任分工。

②对维保人员的业务能力提出明确的要求，须经系统性培训和业务能力考核通过后方可上岗。

3 一汽丰田某整车厂新一代工厂MES系统的应用

3.1 新一代工厂MES系统简介

一汽丰田某整车厂采用丰田全球系统和现地系统相结合的方式，将各业务单元系统紧密连接，形成了功能强大的系统集群。其中生产控制系统是这些系统的核心，大部分制造执行功能都在此系统中，具体见图 3。

图 3 工厂系统连协关系图

一汽丰田工厂MES系统历经几十年的发展，于2021 年末研发完成了最新一代系统，并在一汽丰田某整车厂率先导入，至 2022 年 10 月系统全部功能均告完善，可以顺畅地实施商品车生产。

3.2 新一代工厂MES系统的主要机能

新一代工厂MES系统主要有四大模块，分别为生产控制模块、车辆数据模块、生产指示模块、生产目视化模块，如图 4 所示。

图 4 新一代MES系统的主要机能图

3.2.1 生产控制模块

生产控制模块是工厂MES系统最重要的机能，新一代MES系统实现了对装焊、涂装、总装全工艺流程的生产控制，如图 5 所示，实现了一套系统对所有设备的高精度控制，在行业中处于领先水平。

图 5 新一代MES系统生产控制机能图

3.2.2 车辆数据库模块

新一代工厂MES系统配备了功能强大的后台数据库，一方面对生产过程实时监控，对设备通信日志、生产控制指令日志、生产指示日志等过程信息予以短期(一般为一周)保存，以便于对生产过程进行短期精确追溯;另一方面对车辆生产履历和部品追溯信息予以长期(3 个月以上)保存。

表 1 车辆SF信息表

表 1 是车辆SF(日程文件)信息录入的过程，简单来说，就是在不同的生产阶段在车辆SF的相应区域中登录车辆基本信息、生产信息和品质追溯信息。

3.2.3 生产指示模块

为了提高生产效率和降低生产成本，乘用车整车厂基本都采用多车型平准化的生产方式，车型的生产订单会平准地分配至每个时间段(单位为小时)，车型的顺序也是随机的，加之同一车型配置较多，且时常发生设计变更。因此，无论是生产设备，还是作业人员，都要依靠精确的生产指示来作业。

图 6 新一代MES系统生产指示机能图

如图 6 所示，生产指示机能是工厂MES系统最核心的机能，生产指示工作也是生产准备阶段最为重要的业务，生产指示的错误可能会造成设备损坏、部品误装、作业失误、检查失效、安全事故等严重问题。因此，生产指示精度对生产的稳定性和商品车的品质具有决定性的影响。

3.2.4 生产目视化模块

生产目视化是将生产状态、在库状态、车辆位置、生产进度、生产统计等信息通过电脑、大屏幕、手机等媒介直观地展示出来，是生产控制和达产管理的重要工具，其发展的最新前沿是工厂数字孪生工程。新一代工厂MES系统具备较为完善的生产目视化功能，可以目视化子线级别的生产状态、生产进度、在库状态、停线时长等信息，也可以目视化单台车辆级别的所在位置，图 7 是生产目视化看板的导入流程。

图 7 新一代工厂MES系统生产目视化机能图

①生产目视信息明确。

首先要明确目视化的项目，一般来说分为基本信息类、生产实绩类、生产在库类、生产状态类、生产效率类等项目，需要对工厂的软硬件条件进行初步调查，即哪些信息可以直接获取、哪些信息需要通过追加软硬件才能获取，并在此基础上确定目视化项目。

②目视项目清单制作。

将确定要目视化的项目制作成项目清单，清单中要对项目进行编号、命名、说明。

③项目信息来源明确。

明确项目清单中各个项目的信息来源，提前告知相关部门信号需求，并明确通信格式和信号要件书格式。信息来源一般分为工厂设计工艺图纸、工程安东系统、工厂MES系统内部等。

④信息获取。

对于取自工程安东系统的信号，要制作信号要件书和通信式样书，并做好信号收发测试。对于取自工厂MES系统内部的信息，要做好系统设定。

⑤目视项目系统设定。

在工厂MES系统中设定目视项目数据库，将所有的目视化项目都录入到系统中。

⑥目视看板版面设定。

首先要设定看板索引目录，然后要设定工程布局和工艺流程，做到尽可能和现场现状相一致;设定生产实绩、在库、状态、效率项目等，最终做成完整的生产目视化看板。

⑦生产目视看板展示。

按照需要，通过电脑、大屏幕、手机等方式打开目视化看板网页，将其作为生产控制的主要工具指导生产。

4 新一代工厂MES系统的提示和不足

4.1 新一代工厂MES系统的革新

新一代工厂MES系统在前代的基础上做了全方位的提升，主要体现在以下几点。

①将多个系统协同完成的生产指示机能和生产控制机能集成到一个工厂MES系统中，实现了功能的强化和效率的提升，同时大幅减少了系统的投入成本和维保成本。

②强化了对生产过程和部品的追溯能力，更好地支撑了打造更高品质的汽车目标。

③强化了总成生产的对应能力，用类似于对车辆的控制方式来控制总成的生产，是生产控制精度从主线级别向辅线级别提升的重要保证。

④强化了目视化系统的机能，从信号获取、看板设计、看板展示都实现了用户定制化，每个用户都可以按照技术指导书制作需要的看板并实现目视化，距离工厂数字孪生的最终目标更近了一步。

⑤强化了对新型设备的支持能力，在新一代MES系统的支持下，工厂内全自动物流系统、AI视觉检查系统等前沿技术得以应用，极大地提升了工厂升级的潜力。

4.2 新一代工厂MES系统的不足

新一代工厂MES系统同样存在一些不足，未来需要进一步改进，主要方面如下。

①虽然实现了多个系统机能的整合，但是多个独立模块对应原系统的机能，未能做到统一标准，对于运营管理者来说，要分别学习不同模块的具体功能和运用方法，提高了系统使用的门槛。

②不同于之前各工程系统通过专线网络和生产指示设备相连，新系统通过工厂公共有线网和所有生产指示设备相连，工厂公共有线网的拓扑结构中包含多层级的网络交换机，从工厂MES系统到最终的生产指示设备可能会有多个交换机，当交换机基数足够大时，网络异常的可能性会增加，虽然设定了A/B两套网络，但在出现网络异常时仍需要大量时间来分析和处置，对生产的稳定性构成了潜在的隐患。

③新系统的整体定位还是传统的数据处理中心，在数据分析方面未能有较大进步，未能匹配大数据分析的前沿技术，数据价值的挖掘能力不足。

④虽然在生产目视化方面有所强化，但距离工厂数字孪生的目标还相差很远，生产管理方面也更多地依靠生产管理者的分析和判断。

5 结语

当前制造业处于从工业 3.0 自动化制造向工业4.0 智能制造的变革期，汽车制造业作为大工业中自动化程度最高的产业，也必将引领这一变革，生产制造中最核心的MES系统从整体设计、系统构建、功能设置、系统联动、实际运用等各个层面都要向智能制造方向发展，打造数字化、智能化、物联化的下一代工厂MES系统是未来行业的新方向。