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：机界面设备(PLC 触摸屏)、工业平板触 屏电脑、PDA 手机、条码采集器、传感器、I/O、DCS、RFID、LED 生产看板等多 类硬件与设备实时通讯获取数据等几种方式。 PLC 触摸屏、工业平板触屏电脑指把这类硬件安装在车间现场，根据生产需 要进行任务、图纸及所有生产所需的要求指令的下发，并把生产数据采集及时传 送回主机服务器； PDA 智能手机是指现场人员配备此硬件后根据生产需要进行任务、图纸及所 有生产所需的要求指令的下发， 并把生产数据手工输入 PDA 及时传送回主机服务 器； 传感器是把不同功能的各种传感部件根据生产需求安装固定到生产流水线 上，进行数量、温度、频率、转速等数据自动采集。 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。 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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