橡胶轮胎行业MES软件开发及应用

来源:  北京软件开发公司

引言

        橡胶轮胎企业信息化系统是由企业资源计划系统(ERP)、制造执行系统（MES）和过程控制系统(PCS)三个支持系统构成的体系结构。三种系统从上到下，分别代表企业中的三种不同应用层次，它们相辅相成，资源共享互补,共同支撑着橡胶轮胎企业的信息化应用。

        目前，随着工业自动化程度的提高，大部分的轮胎企业都拥有了底层的控制系统（PCS）；也随着企业规模的增大、管理水平的提高，不少企业都实施了ERP 系统，但大多数轮胎企业车间生产还主要依靠人工进行管理,管理层(ERP)数据和控制层(PCS)数据之间缺乏有效联系和沟通，形成“信息孤岛”，致使ERP 系统缺乏足够的车间控制信息而无法满足企业生产的随机性、动态性的要求，无法有效指导车间生产计划的执行，是企业生产管理水平提高的瓶颈，严重制约了企业生产管理水平的提高。

1 轮胎生产特点和轮胎企业信息化应用现状

1.1 轮胎生产特点

    由于轮胎生产涉及炼胶、半制品、成型、硫化和成品质检等多个流程工序，而且轮胎规格众多，工序间物料对应关系复杂，决定了其生产不同于一般产品的生产，特点如下：

    轮胎生产过程各工序生产、工艺、质量均要求严格。前工序生产过程的生产、工艺、质量要求都必须达标，稍微有一点偏差，就有可能生产出大批量的次品、废品，给企业带来巨大损失；

    轮胎生产计划和销售计划制定的准确性。每个班次数十种规格数千条的产量、每天数万条发货量、仓库数十万条的存放能力，企业需要获取轮胎的实时库存数据，以准确的制定生产计划和销售计划；

    轮胎生产设备的精益管理。轮胎企业制造车间中生产设备众多，不同设备之间的运行匹配程度决定了企业的整体生产效率。企业必须有效的获取和分析当前设备实时状态、设备开机率、故障率等数据，实现对生产设备的精益管理；

        轮胎生产过程中各工序的质量、质检、工艺等历史数据的积累。轮胎生产过程中各工序的质量、质检、工艺等参数要求严格，历史数据的积累对质量提高、工艺改善、信息追溯的意义重大。因此企业必须要实现对轮胎生产过程中各个工序的工艺配方、温压曲线等数据的实时记录和历史数据分析。

1.2 橡胶轮胎行业信息化应用现状以及存在的问题

        目前轮胎企业在企业资源计划系统（ERP）和过程控制系统(PCS)方面建设的比较完善，都达到了比较高的应用水平，但经过对一些轮胎制造企业的调查和分析，发现车间生产主要靠人工管理，缺少管理系统，即使有些企业上了一些车间级的管理软件，也都是某一个或某一些工序的管理，车间网络化、信息化发展水平比较低，“信息孤岛”现象比较突出，无法实现生产过程中海量数据的有效管理，难以保证各个生产活动所需信息准确一致，难以及时、快速响应生产动态变化，大多数轮胎企业管理者普遍面临下列问题：

    产品投诉方面:由于轮胎工序复杂、规格众多，当出现用户产品投诉的时候，企业不能根据产品唯一标识追溯产品的生产过程信息及原料供应商、操作机台、操作人员、生产时间和关键工艺参数。

    生产过程方面:多条生产线需要配合生产产品时，不能自动校验和操作提示以防止工人物料批次使用错误、产品工艺设置错误以及过去某一段时间内产、次品缺陷率分析。

    物料库存方面:库存产成品及各生产线上的在制品数量模糊，对供应商供货、交货期限、数量不清楚。

    设备产能方面:企业车间内的生产线和加工设备的负荷率没有可靠的分析数字，影响设备生产潜能的最主要原因不明确（设备故障？调度失误？材料供应不及时？工人培训不够？工艺指标不合理？）。

    质量控制方面:不能有效地对产品质量检测数据自动进行统计、分析，不能精确区分产品质量的随机、异常波动，从而不能将质量隐患消灭于萌芽之中，并且质量异常情况不能及时传递到相关岗位人员。

    生产报表方面:还主要依靠人工报表，不能自动统计每个过程的生产数量、合格率和缺陷代码。不能自动、实时统计每个机台、班次的物料损耗、能源消耗、人工成本等数据。

    以上问题的存在，阻碍了车间生产过程信息的集成和共享，阻碍了企业信息化发展水平的提高，从而影响了企业的效益和竞争力的进一步提升，也阻碍了企业的高速发展。

2 橡胶轮胎企业MES

2.1 体系结构

        乾元坤和MES 产品以大型关系数据库、实时数据库为基础，集成B/S、C/S、智能客户端为一体的体系架构，采用面向对象技术。在统一平台上集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能，使用统一的数据库和通过网络联接可以同时为生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。该系统结合国际ISA-95 标准和多年的项目开发实施经验，采用先进的自动控制技术、条形码技术、RFID 设备技术和先进的车间生产管理理念，覆盖了轮胎企业生产的全工序，实现了轮胎全生命周期的信息化管理。系统通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产， 协助企业建立一体化和实时化的ERP/MES/PCS 信息体系。体系结构如图1 所示：

图1 轮胎行业MES 软件体系结构图

    2.1.1 体系结构中各部分的主要内容

    顶层是企业资源计划系统(ERP)，企业领导、决策者利用ERP 系统制定企业的生产经营决策、近远期各类发展规划和生产制造大纲；并且利用ERP 系统完成原材料采购、市场营销、生产计划、财务管理和制造资源规划等管理、事物性工作。

    中间层是制造执行系统（MES），车间领导利用MES 按照ERP 下发的各项指令制定车间生产作业计划、选择最优加工流程方案、进行制造资源的最优分配等，对整个生产过程进行动态优化管理。

    从体系结构图中我们可以看到轮胎企业MES的生产过程管理和ERP 的生产管理是相辅相成、息息相关的。为了更好的实现生产，必须将MES生产过程管理和ERP 生产管理有效的结合在一起。ERP 对于轮胎企业的生产管理主要涉及三个方面：物流计划管理、生产成本计划管理、生产计划与排产管理。通过接口系统，把生产管理指令下发给制造执行系统（MES）。MES 对指令进行分解，进行相应的轮胎生产物流控制与管理、生产成本控制与管理、生产调度与生产实时调度，实现对轮胎生产过程的执行、控制与管理。

    底层是过程控制系统(PCS),其作用是解决设备的自动控制问题，使生产装备按照生产指令有序运行，以保证生产过程的连续、平稳、生产出合格轮胎产品。

    2.1.2 各层信息系统之间的关系

       轮胎企业在生产运营过程中，管理决策层利用ERP 进行资源调配、制定方案、组织生产，并优化生产管理、经营决策等，做出企业经营的整体策略，制定出企业要生产轮胎的种类、质量以及有关这些轮胎的生产计划等有关企业整体战略的决定，并将这些优化调整后的信息通过ERP 系统传递给生产执行系统(MES). MES 系统根据ERP下发的指令，结合企业的生产设备、原材料等情况，由生产调度模块编制生产调度指令，对企业内各生产设备、人力进行资源优化计算、配置，做出最优生产方案，并把据此制定的操作指令、控制参数、加工方法等传递给过程控制系统(PCS)。过程控制系统（PCS）根据MES 下发的指令,按照优化的配方或生产方案对底层生产过程进行实时操作与控制。同时，过程控制系统(PCS)采集生产过程中产生的生产状态、测量数据、质量数据、设备状态等信息传递给生产调度模块，作为生产调度模块进行生产绩效分析、资源状况分析、质量分析的基础数据，也为调整生产经营计划提供依据。这样，实际上是完成了计划指令下达和生产执行情况反馈的闭环过程。

    各层次上的应用系统通过接口系统进行业务数据传递：

    过程控制系统(PCS)主要将过程控制中产生的过程数据传递给生产执行(MES)层的生产实时数据库，并通过数据整合和平衡手段，进行相应的生产数据平衡。

    生产执行系统(MES)将相关生产计划数据进行优化，并且平衡投入产出等生产数据，传递给管理决策系统(ERP)。

    在管理决策的ERP 系统中，整合了原材料采购、库存、生产、质量管理、销售分销、设备维修、人力资源以及质量、财务等业务数据。并汇总、分析企业经营所需的各种业务数据，为领导决策层提供有力的决策支持数据。

2.2 功能模块

       乾元坤和轮胎行业MES 产品围绕车间现场生产过程中的操作人员、设备状态、原料产品、生产工艺四个重要因素设计全面完善的功能结构。功能模块主要包括：在制品实时管理；成品仓库管理；生产物流控制与管理；生产成本控制与管理、生产调度（实时调度）；设备管理（实时监控、维修、润滑、点检、校验、故障、备品备件、KPI（Key Performance Indicators）分析）；人员管理；物料管理；产品跟踪与追溯；生产过程决策与分析；文档管理；过程管理；质量管理（标准、数据、SPC（Statistical Process Control））；工艺管理等。以全方位收集车间生产的数据信息，控制生产流程，管理施工标准和工艺配方参数，规范现场人员操作，防止不良产品的出现。

    生产调度（实时调度）：生产调度是轮胎企业运维的核心，也是轮胎制造执行系统（MES）的核心，轮胎企业的决策者根据轮胎国内外市场以及本企业中、长期计划，对企业内部生产系统进行综合协调与平衡，合理的配置资源，使综合效益调度利益最大化，主要考虑物流平衡、反应能力、存储能力、运输能力等平衡及环保要求；

    生产成本控制与管理：该系统通过对生产物耗能耗分析、原材料进货价格管理、半成品、产成品质量监控等手段，降低物耗能耗、降低原材料成本、增大产成品的合格率，使企业利润最大化。

    生产物流控制与管理：该模块与供应链及库存管理系统紧密联系，通过接口系统实现实时数据传输，统计物料出入库、使用、消耗的数据，并控制物料的储运和使用；

    设备管理：乾元坤和MES 产品提供了设备管理模块。通过设备自身的传感器和控制机构，MES 系统可读取并记录设备运行的状态参数；如设备发生故障，操作人员可快速的使用系统对故障进行申报，系统会详尽的记录故障处置过程信息，为设备维护人员积累故障档案信息。

    人员管理：乾元坤和MES 产品提供了人员信息管理模块。在MES 系统中，维护和保存有操作人员的基础信息，通过方便的交接班操作功能，准确的获取人员到岗离岗的信息；通过严格的权限分级控制管理，有效避免操作人对设备和生产运行关键参数的无意识改动，避免错误的发生；通过详细的操作日志记录功能，详细的记录对系统进行操作的人员、时间、内容等信息，方便对问题原因的查找。

    物料管理：乾元坤和MES 产品可通过条码管理的方法对机台耗用物料和产出品的数据信息进行记录，并在生产时可智能判断原料、产品与当前工艺、施工标准是否一致，防止用错料、使用错误工艺导致生产废次品情况的出现。同时，MES 系统还可对生产计划信息进行维护，自动记录执行的情况，并对产品产量数据进行实时准确记录和统计，为管理人员提供直观、方便的分析手段。

    产品跟踪与追溯：系统可以根据轮胎胎号追溯它的生产过程信息及原料供应商、操作机台、操作人员、生产时间和关键工艺等参数，这些参数为以后工艺、质量的改进具有重要价值。

    生产过程决策、支持分析：对生产过程中的数据进行汇总分析、优化、处理，提供实际生产操作与历史记录，提供基于轮胎行业知识、信息的支持，为车间级领导及公司决策者提供科学的数字依据。

    过程管理：该模块实现在轮胎生产过程中对密炼工序、半成品、成型、硫化、质检等所有工序的生产、质量、工艺等的全程实时监控。

    质量管理：该模块对轮胎生产过程中的半成品、产成品的质量档案进行管理，提供可度量的实时分析数据来保证轮胎半成品、产成品质量控制并鉴定需注意的问题，提出更正的建议，也包括SPC/SQC 的跟踪和离线检查操作的管理以及LIMS 的分析等；

    工艺管理：乾元坤和MES 产品提供了技术管理和质量管理模块的功能。系统可按照用户规定的流程，准确记录产品的质量点检项目信息，将原有的纸面书写改为数据化永久保存；系统可对工艺配方数据进行统一管理，并在系统的严格权限管理和合法性验证后下传至PLC 或其它控制设备执行，且可将工艺信息与产品数据产品数据绑定保存，便于对历史工艺数据的追溯查询；系统可对重要的温度、压力等重要数据实时采集，并以曲线图形式提供直观显示和远程监控。

2.3 关键技术

    该系统通过积极与国内高等院校和研究所合作，消化吸收国外技术，成功掌握整套的轮胎行业的机械、控制等核心技术，采用无线终端应用服务、ProfiBus 工业现场总线技术、应用组件技术、ADO.Net 技术、OOA/D 面向对象技术、WEBService 技术、数据分析挖掘等关键技术，确保系统的先进性、适用性。依托强大的软件设计能力，在掌握核心底层技术的同时，适时的研发轮胎MES 管控网络系统，为轮胎行业的MES 标准化奠定了坚实的基础。其关键技术涉及：

    生产过程模型化：

    轮胎生产过程模型化就是把生产过程中的生产要素在系统中仿真、模拟、还原真实现场操作，从而看到虚拟的逼真实际生产过程中生产要素的全动作过程及状态，以及发生阻塞和瓶颈的位置和情况。

    轮胎生产制造模型化通常需要经过三个步骤：首先，建立轮胎生产要素三维仿真场景；其次，仿真模型参数设置和仿真流程控制；最后，仿真模型的运行、验证与结果分析。

    在系统中，通过改变参数输入，模拟实际生产情况及波动对系统造成的冲击，呈现形象、直观的阻塞、瓶颈解决方案。轮胎生产过程模型化不仅能够精确真实模拟生产设备的空间布置、运行状况、生产物流、计划调度、生产工艺、质量过程控制、生产成本控制，验证设备产能、物流存储等规划设计要素的合理性，发现系统运行的阻塞、瓶颈和对方案进行优化、调整，使生产布局、生产物流、计划调度、生产工艺、质量过程控制更合理有效；而且，能够预测生产设备性能、制造成本，从而更经济有效地、灵活地组织制造生产，使各种相关资源得到合理配置，从而提高生产效率、节能降耗以及生产宏观掌控能力。

    设备监控系统：

    轮胎企业的标准监控组件库，定义标准组件对象（包括轮胎的各个工序：压延工序（钢丝帘布），复合挤出（胎面、胎侧、垫胶、填充胶），内衬（卷胶片、气密层）、零度带束层、钢圈、多刀纵裁、直裁、斜裁、两鼓成型机、硫化机，检测设备等），用户自定监控组态功能。实现生产数据的实时采集、设备状态的实时采集、物料消耗的实时采集、设备故障的在线诊断、在线诊断以及设备群控智能接口（硫化、成型等）。

    轮胎车间管控网络系统：

    在设备监控系统基础之上，实现轮胎行业原材料、半成品部件（WIP）、胎胚、成品轮胎的管理、各工序的组态设定、计划高级排产、能源动力监控、设备管理（实时监控、维修、润滑、点检、校验、故障、备品备件、KPI）、车间员工管理、在线检验系统；在线生产数据采集；工序工艺参数管理；轮胎检测系统；轮胎条码系统和成品出库系统；轮胎三包理赔追溯（召回）系统。

    强大的接口系统：

    接口系统总体架构图如图2 所示,从需求的角度来看，信息化系统的功能必须通过系统间交互才能满足需求。MES 作为联结ERP 系统与PCS 系统环境的一个中间应用层，需要承担的重要工作之一就是在底层的工序系统和上层的ERP 系统间加工与传递信息，进行系统间的纵向整合。例如对自动化设备作业的工序产量统计，通过获取工控设备提供作业信号，应用MES 系统进行汇总加工，作为最终的详细产量数据传递给ERP是一个典型的信息传递过程。为了做到这一类的信息传递，ERP 与MES 系统、MES 与PCS 系统间的接口，是保证数据顺利传递的关键。

 

3 管理、经济效益分析

    MES 系统的实施可为企业带来生产效率的提高、企业形象的提高、产品质量的提高、管理上的改善、经济效益的提高等，主要概括为以下内容：

    在生产管理方面：

    1） MES 产品的实施可以帮助企业优化生产过程管理，平均生产周期缩短15％到20％。通过系统对从生产命令下发到产品完成的整个生产过程进行优化管理。MES 能及时对事件做出反应、报告，并用准确数据对它们进行约束、处理。

    2） 科学调度、优化计划排产，提高生产能力，计划下达效率提高大于80％。

    3） 精确生产，提高轮胎产品质量。

    4） 提高生产计划灵活性和响应能力。

    5） 提高生产收益率。把设备绩效、产品质量和产量结合起来分析，来平衡“交货速度”和“生产成本”。

    6） 降低生产成本。通过确认原料损耗、实际的设备成本和生产量的变化提高财务及生产计划精确性。

    在工艺管理方面：

    1） 提高轮胎生产各个工序的工艺保密性。统一将生产工艺利用系统，网络化管理、统一分配权限、根据计划直接下达到生产机台。改变了传统的工艺管理模式，使人参与的因素降低，使直接可以读取到工艺参数的人员限制在设置权限内，最大限度的保证工艺参数的保密性。

    2） 降低工艺维护出错率，提高配方执行的正确性，确保工艺配方执行准确率达到100％。

    3） 产品信息自动收集，工艺统计分析效率提高10 到100 倍。

    在质量管理方面：

    1） 原材料质量控制。轮胎产品质量的控制将转化成对原材料来料的质量的控制、设备的控制参数的要求、对人的行为规范的要求。通过质检数据快速采集系统与质检设备建立标准数据接口，提高质检数据录入采集的效率和准确性，录入手段由原来的手工录入变为应用后的自动导入，工作效率提高40％以上。

    2） 建立相关流程，阻止不达标的产品的流出，将质量事故减少98％。

    3） 通过帮助工厂人员实时地对质量问题做出响应，并使生产和过程质量信息与产品追溯、设备性能建立联系，可提高工厂生产响应能力, 质量结果反馈时间缩短1 个小时以上。

    在设备管理方面：

    1） 系统通过对设备状态的信息采集、监控、故障诊断以及历史数据的分析，实现设备的预警性管理，从而降低设备故障停机率，一般厂家停机率可以降低40％到80％。同时能能够及时发现系统的隐患和问题，进行有效的处理，减少事故的危害和发生概率，降低故障成本和保障安全生产，设备故障发现和维修时间缩短大于50%。

    2） 通过稳定一致的设备/生产线操作和原料使用，保证设备正常的工作状态，提高品牌信誉。

    3） 鉴别无计划停工的原因和增进操作员的配合，提高现有资产生产能力。

    在物料管理方面：

    1） 利用实时、精确的产能信息，在制品区（WIP）和库存状态，更好地编制生产计划，提高产能。

    2） 通过缩短生产周期和交货期，提高产量，提高产品一次合格率到90％以上，原料浪费减少80％。

    3） 将在制品区（WIP）和存货量减到最少，可降低生产及资本成本。

    4） 通过减少原料可变性和数据人工输入量，减少不同班次之间的书面工作，可提高产品一致性，物料数据统计效率提高大于一倍。

    在成本管理方面：

    1） 通过提高生产的连续性、提高生产效率、降低不良品的概率、有效降低生产成本。

    2） 降低成本管理费用、损耗费用并且为细化职工绩效考核提供依据。

    3） 为管理决策提供科学的、可靠的、全面的计量数据。通过计算机对采集的计量检测的历史数据和当前数据进行科学的分析、计算、统计、分类，并对未来的计量数据给出一定的预测。这将对减少生产指挥上的盲目性，提高生产指挥决策的科学性，产生积极的指导作用。

    4） 系统对数据的自动采集、自动的导入导出替代了人工抄录方式，提高数据分析的效率，改变过去报表工作量大，滞后的弊端，提高了数据管理的简便性和科学性。使管理者从繁杂的重复性劳动中解脱出来，而专注于及时、科学的系统分析和决策；减轻了工作人员的工作量，提高了工作效率，为生产提供了有力支持。

4 总结

       随着WTO 在国内橡胶行业的深化，竞争日益激烈，橡胶行业传统的生产、运行管理模式已不能适应多变的市场需求，借助信息化手段，以信息化带动工业化，优化企业的生产运作和管理体系，是提升企业竞争力的根本途径。制造执行系统(MES) 软件能够弥合企业计划层(ERP)和生产车间过程控制系统(PCS)之间的间隔，解决“信息孤岛”，在制造过程信息集成中起到纽带的作用。制造执行系统(MES)的实施，为企业引入了现代企业生产管理理念，对企业生产管理流程进行重组和制造过程的整体优化，帮助企业实施完整的闭环生产，同时也为敏捷制造企业的实施提供了良好的基础。

 北京乾元坤和 www.qykh2009.com ，ERP系统介绍，OA系统整合方案,MES系统方案介绍      ;