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智能制造mes系統(tǒng)：生產(chǎn)執(zhí)行與控制活動的具體形式和要求

2022-04-14
對于訂單交付中的生產(chǎn)供應而言，生產(chǎn)指令一旦下達，企業(yè)就要進行具體的生產(chǎn)執(zhí)行與控制活動。以PDCA管理循環(huán)的視角來看，生產(chǎn)執(zhí)行就是“Do”，Do it，Make it happen，是按產(chǎn)品工藝和生產(chǎn)訂單的要求進行工單打印、零部件或原材料配送、零件或半成品加工、工單確認、（半）成品收貨，等等；而生產(chǎn)控制則是“Check”，是生產(chǎn)調(diào)度，是實時地監(jiān)控生產(chǎn)過程，一旦出現(xiàn)偏差就進行糾偏等控制活動。

生產(chǎn)執(zhí)行與控制活動的具體形式和要求，主要受產(chǎn)品的復雜度、工藝特點和生產(chǎn)方式等的影響。大體來說，制造型企業(yè)的生產(chǎn)方式主要有四種：離散式生產(chǎn)、流程式生產(chǎn)、重復式生產(chǎn)和項目式生產(chǎn)。
本文中，筆者就以離散式生產(chǎn)為例，兼顧流程式生產(chǎn)和離散式生產(chǎn)，簡要地介紹生產(chǎn)執(zhí)行與控制活動的內(nèi)容和要求。至于項目式制造，主要適用于特定行業(yè)且企業(yè)群體比較小，還需要與ETO、項目管理等進行結合，讀者可自行參考相關書籍。 
1.  離散式生產(chǎn)
離散式生產(chǎn)的主要特點是產(chǎn)品的加工有多道工序，每道工序分別在不同的設備或工作單元上進行，且每臺設備的生產(chǎn)節(jié)奏可能不同，每道工序的最小經(jīng)濟批量也不一樣。離散式生產(chǎn)通常是按一定的經(jīng)濟批量來組織，不同工序之間有不同數(shù)量的在制品，故而也有人稱之為按批生產(chǎn)。
如圖2所示，離散式生產(chǎn)的執(zhí)行過程主要包括生產(chǎn)訂單或工單的創(chuàng)建、物料和產(chǎn)能的可用性檢查、訂單下達、訂單數(shù)據(jù)和工藝要求下載到MES等執(zhí)行系統(tǒng)、訂單打印、備料/領料/發(fā)料、工序或訂單的完工確認、（半）成品入庫、以及財務和成本核算層面的在制品計算（訂單跨月）、制造成本差異分析、訂單成本結算，等等。從數(shù)字化的角度看，離散式生產(chǎn)的執(zhí)行和控制等活動，都要依托于生產(chǎn)訂單這個信息對象或載體來完成。
如圖3所示，生產(chǎn)訂單為我們回答了這么幾個問題：（1）生產(chǎn)什么？即，產(chǎn)品的編碼、描述；（2）何時生產(chǎn)？即，計劃開始和完工日期，以及執(zhí)行過程的已下達日期、已完工日期；（3）生產(chǎn)多少？即，訂單需要完工的數(shù)量；（4）為誰生產(chǎn)？即，訂單的成本向什么地方歸集，或者說誰將受益；（5）物料消耗？即，需要消耗哪些零部件或原材料，消耗數(shù)量分別是多少；（6）過程操作？即，生產(chǎn)時的工藝過程或工藝路線；（7）資源占用？即，需要用到哪些設備或工具；等等。 
 生產(chǎn)訂單中所記錄的信息主要有三個來源：相關的物料、BOM、工藝路線等主數(shù)據(jù)，銷售訂單或生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)，以及訂單執(zhí)行過程中的過程數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)越具體、越全面，企業(yè)就可以進行顆粒度更細的生產(chǎn)執(zhí)行和控制活動。下面，筆者就選取可用性檢查、訂單確認等關鍵活動為代表，來看看離散式生產(chǎn)的管控要求。
（1）可用性檢查
在訂單交付中，生產(chǎn)訂單執(zhí)行時物料和產(chǎn)能的可用性檢查是一個非常重要的管控點，其目的是對產(chǎn)能管理和詳細排程環(huán)節(jié)的可用性檢查結果再做一次產(chǎn)前確認，以確保生產(chǎn)現(xiàn)場具有生產(chǎn)訂單所需的足夠物料和產(chǎn)能，從而平順地推進后續(xù)生產(chǎn)執(zhí)行活動。從實際情況來看，很多企業(yè)要么沒有可用性檢查的概念，要么沒有將這個管控點落實到位，經(jīng)常是生產(chǎn)訂單執(zhí)行到一半，才發(fā)現(xiàn)缺這料、缺那料，抑或是某些設備的負荷太大，從而導致大量不具備完工條件的在制品積壓，實際也影響了其他訂單的準時交貨。
通過物料和產(chǎn)能的可用性檢查，我們可以將相關生產(chǎn)訂單所需的物料和產(chǎn)能進行預留。如果不能滿足，還可以通過缺件單、設備超負荷等形式進行報警，而可用性檢查出現(xiàn)異常的生產(chǎn)訂單也不應下達到車間去執(zhí)行。
（3）訂單確認
生產(chǎn)訂單的工序確認和完工確認，是企業(yè)反饋和掌握生產(chǎn)執(zhí)行情況的主要手段，它將實時觸發(fā)訂單執(zhí)行進度、物料消耗、工時消耗、制造成本、產(chǎn)能釋放等信息的更新。上述信息的可視化，對于上下游環(huán)節(jié)的高效協(xié)同，以及計劃與執(zhí)行之間的信息閉環(huán)，具有重要意義。 
在數(shù)字化建設中，通過ERP、MES、SCADA、PLC等管理系統(tǒng)或工具軟件的應用，可以幫助企業(yè)做好生產(chǎn)執(zhí)行的可視化，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)則為生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)采集、OT與IT的融合等方面提供了更多、更好的可能。
2.  流程式生產(chǎn)
流程式生產(chǎn)主要應用于鋼鐵、化工、食品、制藥等流程行業(yè)。通常，與離散式制造相比較，流程式制造具有自動化程度高、基于批次的制造過程可追溯、生產(chǎn)過程的合規(guī)性管理、過程質(zhì)量的實時控制等鮮明特點和管控要求。 
如圖5所示，除了前文所述的特點和管控要求外，在物料和產(chǎn)能的可用性檢查、訂單下達、工序和完工確認、成本差異計算、訂單結算、歸檔/刪除等方面，流程式生產(chǎn)和離散式生產(chǎn)的內(nèi)容和要求大體類似。
（1）高度自動化
通常，流程式生產(chǎn)的作業(yè)環(huán)境，要么是高溫、高熱，要么是輻射性強，要么要使用到對人體有危害的原材料，因此，相關的在制品要存在于密閉的環(huán)境中，整個作業(yè)過程也是高度地自動化。與高度自動化相關的是，企業(yè)的ERP、MES等IT系統(tǒng)需要與產(chǎn)線的DCS等系統(tǒng)做雙向的信息傳遞，且生產(chǎn)過程要做到實時可視。
（2）基于批次的可追溯
在流程式生產(chǎn)中，有的原材料是以混合液的形式存在，生產(chǎn)過程中還會產(chǎn)出聯(lián)產(chǎn)品或副產(chǎn)品，有些產(chǎn)品則需要做全過程的可追溯，這些都需要結合批次管理來進行。可以這么說，批次管理是流程式生產(chǎn)的共同要求。
（3）合規(guī)的遵從
在食品、飲料、危險品等細分行業(yè)，對生產(chǎn)過程具有合規(guī)等方面的要求，并要求企業(yè)把對合規(guī)的遵從落實到管理體系和管理系統(tǒng)中，自然就對相關IT系統(tǒng)的功能提出了相應要求。
（4）過程質(zhì)量的實時控制
從原材料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的角度看，在流程式生產(chǎn)中，不可能以拆裝等形式將產(chǎn)品所消耗的原材料進行還原，也就不存在所謂的不合格品返工等業(yè)務操作，資源再循環(huán)則另當別論。因此，在流程式生產(chǎn)中，必須對生產(chǎn)過程和在制品質(zhì)量進行實時控制，這為計算機視覺檢測、人工智能等數(shù)字化技術提供了豐富的應用場景。
3.  重復式生產(chǎn)
在生產(chǎn)執(zhí)行的復雜度方面，與離散式生產(chǎn)或流程式制造相比較，重復式生產(chǎn)則顯得更為簡單。在重復式生產(chǎn)中，所有的設備或工作站通過流水線或物流小車連接（剛性物理連接或柔性邏輯連接）在一起，以共同的節(jié)奏來運行，因而也有人稱之為基于節(jié)拍（takt-based）的生產(chǎn)。 
 如圖6所示，離散式生產(chǎn)具有基于節(jié)拍、連續(xù)WIP流、生產(chǎn)批量大、基于期間的成本核算等特點，并廣泛應用于汽車制造、消費電子等行業(yè)?；仡櫄v史，福特汽車正是通過引入流程線的概念，得以大幅地提高其T型車的生產(chǎn)能力，而豐田汽車更是在此基礎上做了進一步的改造和完善，形成了豐田生產(chǎn)方式，也就是歐美國家所謂的精益生產(chǎn)。
4. 方法與工具
針對生產(chǎn)執(zhí)行與控制領域所存在的要求或問題，比如，市場需求變動性的應對、過程質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性管理、產(chǎn)能最大化、成本優(yōu)化，等等，管理學家們開發(fā)了豐富的管理方法和工具，并在企業(yè)中得到了廣泛的應用和驗證。其中，比較典型的有精益/JIT、TOC、6 Sigma、conWIP、操作研究、SPC、全能班組，等等，具體可參見圖7所示。 
精益生產(chǎn)/JIT的核心理念是按需生產(chǎn)（Pull）和單件流（Single Piece Flow），以消除生產(chǎn)過程中的各種浪費，是以制造過程中的“減法（精）”來實現(xiàn)運營績效上的“加法（益）”。如果將單件流的概念推廣到整個工廠或離散式生產(chǎn)中，那就是《工廠物理學》所倡導的連續(xù)在制品流生產(chǎn)方式（conWIP）。
TOC以瓶頸管理作為切入口，一切圍繞瓶頸工位的產(chǎn)出最大化來開展各項工作，以實現(xiàn)工廠產(chǎn)出的最大化，其核心之處在DBR，即”鼓（Drum）”、“緩沖（Buffer）”和“繩子（Rope）”的設置和協(xié)同上。
6 sigma、SPC等方法或工具，將統(tǒng)計學方法引入到質(zhì)量管理中，以達到偏差消除、質(zhì)量穩(wěn)定和可靠性提高等目的，其操作程序是DMIAC，即，包括定義（Define）、度量（Measure）、改進（Improve）、分析（Analyze）和控制（Control）等在內(nèi)的過程改進方法。
全能班組以員工主人翁精神的塑造為核心，以員工的技能建設為載體，通過充分激發(fā)員工的潛能來應對生產(chǎn)現(xiàn)場的各種問題。與全能班組中將管理抓手落實到人的理念相類似，還有合理化建議、阿米巴，等等。
在筆者看來，在上述的管理辦法和工具中，不管是哪一種，只要企業(yè)的背景與工具的前提條件相匹配，只要企業(yè)選對了方法和工具，只要企業(yè)認真地去使用，都能給生產(chǎn)的執(zhí)行和控制帶來一定的正面效果，也有助于訂單交付和運營績效的提升。
5. 智能制造
智能制造有廣義和狹義之分，廣義的智能制造涵蓋了訂單交付的各個環(huán)節(jié)，狹義的智能制造則主要聚焦在生產(chǎn)執(zhí)行與控制等活動上。就狹義的智能制造而言，從能力的角度，可分為操作自動化、運營數(shù)字化和決策智能化；從發(fā)展階段或成熟度等角度，可分為可視化、透明化、可預測、可配置和自適應。
如圖8所示，在使能技術上，狹義智能制造的技術支撐有操作技術（OT）、信息技術（IT）和通訊技術（CT），并要求確保OT/IT的高度融合、基于流程的有序和集成（具體包括：縱向集成、端到端集成和橫向集成），以及數(shù)據(jù)驅(qū)動的業(yè)務運營，等等。
在這里，筆者還是想再強調(diào)兩點：
（1）智能制造需要腳踏實地，循序漸進。
作業(yè)標準化，協(xié)同流程化、過程可視化、因果透明化、發(fā)展可預測、能力可配置和應對自適應等五個階段，是企業(yè)推行智能制造的必然路徑。任何企業(yè)不可能，也不要妄想跳過任何的中間環(huán)節(jié)，不要總想著直接從初級階段跨入到高級階段，直接從作業(yè)尚未標準化的現(xiàn)狀就直接，或是快速就跨入應對自適應的階段。
因此，在訂單交付的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，企業(yè)雖然可以有借助數(shù)字化手段來實現(xiàn)生產(chǎn)執(zhí)行過程的可視化、透明化，乃至可預測、可配置和自適應的想法，但這都是建立在作業(yè)標準化和協(xié)同流程化的基礎之上的。企業(yè)如果不把標準化和流程化等基礎功課補上來，數(shù)字化轉(zhuǎn)型也很難有大的成效。
當前，在智能制造的導入上，存在著普遍的急躁情緒。有的企業(yè)，在服務廠商或其他機構的蠱惑下，不是從標準化、流程化等基礎工作做起，以為花巨資購置了某個軟件，或是做個智能制造咨詢而不經(jīng)過長期的輔導和實踐，就可以快速地實現(xiàn)智能制造，這是癡心妄想。
（2）“防火”遠比“救火”更重要得多。
在生產(chǎn)執(zhí)行和控制等領域，出現(xiàn)生產(chǎn)異常后的人工干預或調(diào)度就是“救火”。有的企業(yè)，忙于“救火”的生產(chǎn)調(diào)度員被大家視為英雄。一旦發(fā)生物料短缺、設備異常、質(zhì)量缺陷、員工操作不當、緊急插單等突發(fā)情況，總是能看到生產(chǎn)調(diào)度員的聲音。一旦“火”被撲滅，生產(chǎn)又能照常進行，企業(yè)卻很少從根本上，從管理歸零和技術歸零的角度，去考慮如何杜絕異常的發(fā)生。
通常，局部的最優(yōu)往往意味著整體的更差。就“救火”式生產(chǎn)調(diào)度而言，異常的解決只能是暫時的、局部的。不管是所處崗位的局限性，還是問題解決的緊迫性，生產(chǎn)調(diào)度員采取的基本是“治標不治本”的辦法，很難從企業(yè)的整體最優(yōu)和長遠發(fā)展的立場去制訂解決方案。
另外，生產(chǎn)執(zhí)行過程中之所以會出現(xiàn)這樣或那樣的異常，本質(zhì)上是相關的計劃工作沒做到，做全，做好。從這個角度來說，執(zhí)行過程中的問題解決后，企業(yè)還要進一步考慮將解決舉措開發(fā)成工作標準（SOP）的可能性，并著手改善自己的生產(chǎn)計劃體系和能力。
因此，相對于“救火”，計劃體系和能力的改善、流程優(yōu)化和組織落實上的管理歸零、生產(chǎn)防錯等工具應用的技術歸零才是“防火”，它們比“救火”要重要得多。 


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