基于APS与MES的精益化生产

lihuolin958

      现代制造业已经不再是一个暴利行业，而是已经进入微利时代。产品价格不断降低，生产成本却没有明显降低，要想取得高利润，就要在生产管理的各个方面降低成本，消除生产过程中的各种浪费现象，提升效率。

        制造过程是最大的成本消耗中心，降低成本就要在每个生产步骤中杜绝浪费现象，也就是要实现制造过程的精益化。那种“大概可以”的粗略式生产管理模式已经不能适应当今制造业这种微利时代。材料的浪费、过高的库存、设备与人工的闲置、计划不周造成的混乱、品质问题造成的返工等都会降低企业的利润。

        采用信息化技术是实现精益化生产的一个重要途径，目前制造业采用的信息化技术包括ERP、CRM、SCM 、MES、APS等。ERP通常是企业第一个引入的信息系统，是一个高层次的信息管理平台，主要处理财务、订单、物料等企业运行的基本数据，但ERP不能解决生产现场的问题。而要实现制造过程的信息化，对生产中的每个环节全面优化和监管，还需要其它的信息系统帮助。

        实现制造过程的信息化，企业要从计划和执行两个方面进行改进。APS是高级计划系统，也就是用软件帮助企业编制更加优化的生产计划。而MES是制造执行系统，采集和记录生产过程中的各种数据，实时监控现场状态，一方面控制产品品质，另一方面，保存生产中的各种数据便于以后追踪。

高级计划排程系统APS

        APS系统的基本概念是使用数学方法优化生产计划，还可以优化采购计划、运输计划等，属于供应链优化软件的一部分。

        传统的生产计划都是手工编制，这种方式的弊端是非常明显的。虽然有很多人认为有经验的生管排出的计划不比软件差，但是，人工排程的弊端是难免的，其中一个很大的问题在于对未来的预见性不足。因为数据量的关系，即使是有经验的生管，也是短期的调度能力强而长期的分析能力不足。大部分企业，生管只排未来2-3天的详细计划，对于长期需求的分析只能是粗略的。因此，对于设备、员工、工具等资源与需求的匹配都不能进行精确的分析，工厂常常因为准备不足而造成交货延迟。另一方面，因为未来的计划不精确，工厂的采购计划也往往是粗略的，这就会造成库存积压，增加了库存成本。

        APS系统有两方面的应用，长期的分析和短期的排程。对未来几个月的需求进行排程计算，是为了对未来的生产有一个总体的计划，分析各种资源是否能满足需求，以便提早做出准备，同时可以回复客户准确的交货期。

        短期的详细计划用于指导日常的实际生产。要让软件能计算出生产计划，就需要将企业的计划要求描述给APS系统，这就是系统模型。APS系统的模型定义了排程的约束条件，系统根据约束条件采用一些优化算法寻找解决方案。APS的模型主要包括几个主要方面：

        1. 产品和物料
        2. 生产流程和工序
        3. 主要生产资源，包括生产线、主要的加工设备等
        4. 产品使用什么流程生产，经过哪些工序，加工顺序是什么
        5. 每种产品／工序允许使用什么资源生产，单位产品的生产周期时间
        6. 产品在每个生产工序上需要消耗的物料和半成品（BOM）
        7. 辅助资源，例如模具、治具、测试仪器等，数量是多少，哪些产品/工序需要使用这些工具

        上面是主要的模型内容，不同的企业会有不同的约束条件，在模型中还有很多具体的约束条件。例如，注塑工业中有颜色的切换限制，电子产品有产品相似度的切换限制等，工序之间又有前后和时间的关系。模型就是要将生管的经验转换为精确的数据，系统依据模型排程，排程不再依赖于个人经验, 工厂可以实现知识的积累并保证计划的稳定性，

        在实际的项目中，APS系统还需要从外部获取排程目标数据，即需求、库存等，如果是以工单方式生产的企业，还需要当前的工单清单。上面这些数据通常都从ERP中获取，可以通过ERP输出报表由APS系统读入的方式获取。在排程结束后，APS系统输出生产计划报表，ERP再读入计划报表作为MRP计算的依据。

        生产计划的优化是所有企业共同的愿望，APS系统可以为企业带来巨大的利益，不过遗憾的是，引入APS系统的企业却比较少。一方面是目前优秀的APS系统还不多，在国内，大部分的研究还在理论阶段，另一方面，企业管理者还没有接受用软件编制生产计划的理念。 很多企业管理人员都认为企业生产排程上只能是手工去完成，因为计算机制定出的计划过于理想化，很多人为因素和复杂情况都考虑不到，而生产实际的变动频繁，计划每天都需要改动，排出来的计划并不能按照执行。但是我们认为，理想化的计划对于企业是非常重要的，先有理想的计划，再追踪每日的变化，才能找到理想与实际的差异，逐步进行改进。采用自动排产与人工修改相结合的方式，是企业生产计划的正确模式。

        APS系统除了实现优化排程外，一般还提供甘特图供用户维护和修改计划。甘特图提供一种非常直观的工具，使用户可以方便地对计划进行分析修改，跟踪每日的计划变动。尤其对于多工序的生产企业，甘特图可以方便地显示出工序之间的关系，标示出瓶颈资源位置，便于企业分析生产流程寻找改进途径。

        鉴于制造业的差异巨大，适合所有行业的排程系统很难找到，不过可以考虑开发商的行业背景寻找适合特定行业的系统。目前国内已经有一些APS系统在特定的工业领域有成功经验，例如北京小吉星的PRM排程系统已经应用于飞机制造业，深圳瑞特的PlanMate排程系统适用于电子和注塑工业，另外还有些国外的产品也已经进入中国大陆市场，企业可以考虑软件公司的行业经验，找到适合自己的产品。

制造执行系统MES

       制造执行系统(MES)在工厂中也叫ShopFloor，其核心就是采集生产现场的各方面的数据，保存数据并对这些数据进行统计分析，将数据送达需要的人。MES的实施需要达到几个方面的目的：

        1. 可追溯性：一个产品生产出来，可以从MES系统查到，这个产品经过哪些生产工序、使用哪台设备、生产的时间、操作员是谁、消耗了哪些物料（物料批次）、生产时的各种条件参数、经过哪些测试步骤、测试的结果是什么等等。也就是，从这些数据，可以重现整个制造过程。当发生品质问题时，可以很快追踪到原因，包括源材料的生产批次等信息。
        2. 制造过程防呆：制程中规定产品要按照一定的顺序经过多个生产和测试工序，如果前面的工序没有完成，或测试结果不合理，就不允许进入后面的工序。在MES系统的控制下，可以避免不良品进入仓库流入市场．
        3. 实时监控：各条生产线现在在做什么产品？进度是否正常？哪条线发生停线或进度延误？各测试站点测试数据的分布是否正常？不良率是否超出合理范围？在线上发生异常时，系统立即报警，相关人员可以及时进行处理。
        4. 统计分析：对测试数据进行统计分析，发现数据分布是否合理，从数据分布分析产品可能的品质问题。

        数据采集的方法有多种。主要包括：条码扫描、手工输入数据、与设备实时通讯获取数据等几种方式。

        条码扫描设备包括自动和手持式。自动扫描设备通常安装在生产线的头尾，当产品从线上流过时，自动扫描产品上贴的条码。手持式的扫描器由人工操作，经常用于测试站点，例如需要记录测试结果是否成功时，可以先扫描产品上的条码，然后再扫描结果编码(ErrorCode)，ErrorCode编码可以有多个，例如Success、ErrorA、ErrorB等，通过对各种ErrorCode的统计，知道主要的不良原因。 另外，如果需要具体的测试数据而不只是成功与否的结果，可以先扫描产品编码再采用小键盘输入数据的方法。

        采用扫描和键盘输入方式，实施比较简单。如果需要更精确的数据，例如炉温数据等，可以采用与设备通讯的方式，实时采集设备提供的测试结果，不过这种方式需要设备自身有通讯功能。如果设备不支持，有的测试数据也可以采用安装探测器测量的方式，例如上面提到的炉温，可以使用温度探测器。压力、容器内液面高度等测试也可用安装探测器方式。不过这些都数据采集都需要额外的实施成本。

        MES系统不只是进行数据采集，同时要对采集到的数据进行分析处理。在实施了MES的企业，各工作岗位的负责人、企业的管理者、客户等都能随时了解到生产现场的状态。通过对记录的生产数据的分析，企业可以找到制造过程中的问题点，持续进行改良。近几年，MES系统的需求越来越大，一方面企业自身需要改进流程，另一方面，中国有很多企业是接收订单为客户进行委托加工，国外客户要求企业提供制造过程数据。相信未来几年，MES会成为制造业信息化系统的一个热点。

        MES 系统的难点在于数据处理技术，当企业规模比较大时，反应速度是关键。目前国外已经有比较成熟的MES产品，例如美国的UGS公司的FactoryLink／XFactory等，也有一些台湾的软件公司提供MES系统。这些系统有成功案例，性能比较稳定，但价格较高，适合大型企业。因MES需要比较长的实施过程，又需要经常性维护，本地化的开发和实施是必然趋势，否则就会出现维护费用过高、实时性差等问题，限制系统的推广。

APS与MES的集成

        将APS与MES集成，可实现计划->执行->监督->计划修改的循环，对现场的异常及时调整，使整个企业的运行更加有序。在没有实施MES系统的工厂，APS系统是通过读入每日生产报表的方式获得生产进度，并根据进度调整生产计划。而对于有MES系统的企业，要将二者结合在一起，APS与MES系统应共用部分模型数据，并可以进行数据的交流。MES系统从APS中得到工单的生产计划，按计划启动生产，而现场的执行状态要可以及时提供给APS系统，用以比较计划和实际之间的差异，一旦实际执行状态与计划不同，生管可以及时调整计划，避免造成连锁反应使损失扩大。

        各企业的生产形态不同，信息化的重点也会有所不同。不过APS与MES都是企业应该重点评估的系统。掌控和优化生产过程中的每个环节，是每个企业走向强大的必经之路。

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MES:真正实现制造业企业信息集成

        在市场竞争日益激烈的今天，各企业为了自身的发展，正大力的走向管理、向技术要效益、要速度、要质量的发展之路。市场对制造业的要求越来越苛刻，最高的产品规范、最低的成本、最快的上市时间和最佳的产品质量等给制造业施加了巨大的压力。

        目前的IT架构通常难以管理大量与集成相关的企业事务，比如：缺乏供应链内的生产同步；缺乏评估生产绩效和生产跟踪的统计数据；在停机时调整资源规划管理的需求；生产跟踪和可追溯性的需求等问题。对制造业企业来讲，都是很重要的问题。因此有必要在生产过程级系统(产品制造)和企业管理级系统(生产决策)之间建立一种高效集成的中间系统——制造执行系统。制造执行系统(MES)不仅可以提供企业管理级系统与生产过程级系统间的信息沟通，还提供了一套能优化生产过程所有阶段的工厂活动的相应功能。

        2006年6月23日，制造执行系统(MES)软件供应厂商西门子（中国）有限公司在上海国际会议中心举办了“2006西门子工厂信息化高峰论坛”，围绕如何利用MES制造执行系统进行生产控制与管理的无缝集成，真正实现制造业企业的信息集成。此次盛会吸引了两百余名业内专家、集成商及最终用户聚集一堂，会场气氛热烈，上海市国资委信息中心主任马东阐述了上海市现阶段产业发展方向与信息化建设的重要性，“通过企业信息化，推动上海提出的两个优先，优先发展先进制造业和优先发展现代服务制造业，这两个优先发展中，信息化是最重要的基础平台，信息化是发展先进制造业与现代服务制造业的开路先锋。”

        ARC研究机构资深顾问王智勇就中国软件市场与国内企业实施MES的难点进行了分析，目前，中国的软件市场发展中自主开发占主导地位，套装软件非常有限，半套装软件占很强的优势。企业实施MES的关键是，第一要有基础数据；第二有基本的管理流程，目前国外优秀的管理理念还没有着陆到国内的管理流程中；第三是软件实施人员水平，最大的障碍来源于人们固化的工作习惯与新的工作方法的挑战。但是，另外一个不容忽视的问题是，中国是全球制造中心，大量的外资在不断的涌入中国市场，每天都在发生合并吞并，包括国有大型企业的改制，可见国际的市场竞争日趋激烈。

        作为工业自动化领域的供应商，西门子A&D自动化与驱动集团在制造领域积累了多年的经验，在制造业信息化方面有着得天独厚的优势。MES是西门子A&D在此领域迈出的重要一步，它是西门子全集成自动化（TIA）理念的重要产物之一，目标是将先进的工业自动控制与业务管理相结合。西门子的MES产品SIMATIC IT以其独特的Framework加组件的架构、与控制层设备的高效集成以及专业的行业库等长期保持了在行业中的领先地位。通过其在不同行业（流程、离散）的成功应用，赢得了众多客户的信任，为国内外的制造企业带来了显著的改善和经济效益。

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制造企业如何实现ERP和MES之间的互动？

        在没有实施MES之前，公司ERP系统与生产现场之间透过人为方式沟通，使生产现场如同黑箱作业，无法掌握实时正确信息。而导入MES之后除了提供现场信息流自动化之外，它扮演承上启下的功能。我们不难看出：MRP(Manufacturing Resource Planning)或ERP(Enterprise Resource Planning)系统之间的互动关系，一个是上层的规划系统(Planning)，一个是下层实际的执行系统(Execution)。
下面看下某企业部门之间的希望和实际的一些东动吧！

        某公司是一家美国上市的光电元器件制造商，在中国几大城市设有制造基地，该公司制造工艺过程所采用的机械化程度不高，主要还是靠员工加工水平和能力。由于光电元器件的加工工艺仍不成熟，其成品率仅为50%左右。

        该公司所用的ERP软件是1995年在美国买进的“四班(FOURTH SHIFT)”。该软件属于中等规模的ERP系统，比较适应中小公司的资源计划和管理，其优点是功能模块化，逻辑关系明确。但几年下来，使用人员发现这套系统没有办法很好地解决计划和生产之间不平衡的矛盾。在新产品试制阶段，工程人员和生产管理人员会提供元器件成品率，计划人员则相应地将其输入到系统中，然后产生原材料需求计划供采购人员执行。可是随着产品的不断成熟和生产员工学习曲线的上升，过去的元器件成品率使得采购回来的元器件浪费很大。尽管计划人员通过一些技术手段如在系统中调整采购批量，还是造成了大量的呆料。

        2001年该公司决定引进MES系统并为相关人员进行了培训，这时大家才明白ERP并不能解决所有的企业中的问题，即使那些更加强大的ERP软件，在计划的执行即生产控制方面的功能也往往有限。
   
        为了更好地了解各个部门对MES的要求，公司在内部进行一系列的问卷调查和座谈会，向相关职能部门了解其具体需求，看MES到底在可以哪些具体的地方起到作用。各个职能部门的反馈如下：

        公司的管理层：希望得到一些ERP系统软件无法实现的实时管理报表功能，容易学习容易使用，为科学决策提供科学依据。

        工程部门：制造工程师希望可以很容易地获得产品制造过程的关键信息，最好是即时获得，从而使工艺改进优化方面的根据更具体充分。具体来说，MES要能协助各种格式的电子工程文件如图纸的存储、管理和控制；可以方便车间使用者轻松查阅作业指导文件；可以在MES系统中定义工艺路线。

        质量部门：品质工程师希望通过MES系统实现6 Sigma，达到ISO9002标准，降低质量成本并提高客户满意度。具体内容包括对所有质量不符合事件(包括来料检验、制造过程、成品、销售区域的产品和质量系统评估方面)能够提供完全闭环的管理。可以允许质量工程师跟踪、报告制造环境中的不符合活动。可以通过系统有效地管理受影响的物料，按照改正措施的流程分析问题发生的根本原因，提供基本的改正措施计划，主动改进相关因素防止同类问题的再次发生。

        生产管理部门：可以在MES系统中随时看到每一个工作订单的执行状况和状态；可以分派工作项目到每一个工作区域去；可以进行劳动力资源的管理，对生产线的员工的效率、工作质量能提供数据支持，不是停留在模糊的概念描述上；可以为员工在关键工艺的操作提供认证检查工作，提高效率和降低返修率。

        物料管理和采购部门：过去的原材料在供应链的其他环节都是一清二楚，只是到了生产线以后就变成了“黑洞”，到底是什么状态只有通过盘点才清楚，确实给物料管理带来很多困扰。因此他们希望MES系统可以提供供应商品质管理系统的更加细节信息，比如同一关键料件到底是哪一个供应商经常出现质量问题，相对应的比例是多少，造成的损失到底有多少，而不是仅仅停留在原材料来料检验的初级层次上。

        这样，在明确了项目的目标和项目成败的判断标准之后，该公司成功地实施了MES系统，并使自己的ERP系统得到了更好的功能发挥。结果显示，该公司呆料减少了40%，成品率提高20%，存货周转率提高20%。

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