MES标准体系三大管理区域介绍

发布时间 : 2019-01-09     来源 :

  今天,MES管理的对象无非就是工厂五要素:人、机、料、法、环。本文要介绍一下MES的标准体系——管理了哪些业务要求。当然,介绍标准体系不仅仅是从业务应用出发,也要考量系统功能的实现技术。

  为什么要从两个方面来阐述MES的标准体系?这是因为是MES前期立项过程中主要考量的两个方面。通常企业的最高层首先是决定企业是不是要上MES,然后再确定应该如何确定需求规范。需求规范的整理过程中,用户方两个主要的角色业务和IT部门将向最高层分别提出“我们需要什么”。这两个角色相辅相成,“业务驱动IT,IT实现业务”。

  笔者见过很多企业在MES选型中因为这两个主要角色的工作对实施MES项目不甚了解,或者以部门利益考虑,而为企业最终MES系统失败埋下祸根。比如,业务部门认为IT不懂生产,不让IT参与项目,结果往往是业务需求范围的不合理。应该是ERP完成的功能放在MES里去解决,或者是只是片面考虑本部门的狭隘需求,导致企业内部孤岛系统林立。我经常听到客户说我们这次要上条码系统、设备管理系统等等之类的业务需求。反过来,有些企业的IT部门喜欢越俎代庖,绕过业务部门去规划MES的业务应用,在不明白需要解决什么问题的情况下,认为把数据采集上来开发一些报表就是实现了MES。我经常听到客户业务部门说那个MES都是IT的人在搞,我们也不知道干嘛,只管派人在系统里录数据,我们自己生产管理有自己的手工帐。还有一种情况是IT的人往往只考虑系统本身的功能,而忽略了应用需求。笔者有时参与所谓的投标前技术交流,准备了一大堆关于对业务需求的响应方案。结果在现场却发现几乎都是IT人员在主导,更关注的这是什么语言开发的、数据安全保证的、大数据量时系统的响应速度等等纯系统功能性方面的问题,而完全忽略了业务应用解决方案。皮之不存、毛将焉附?

MES标准体系三大管理区域介绍

  所以,笔者首先从业务应用层面阐述MES的标准体系,因为这是根本。

  从企业信息化系统发展历史来看,现有ERP / WMS/ HR等公司级系统,在生产车间对现场管理的要求也是从简单的满足ERP报工、提高设备绩效等工具类软件开始。经过一二十年的实践总结,在上世纪90年代初形成了系统化的理念,并正式命名为MES系统。仅仅从业务范围来看,软件系统覆盖的范围远超过软件工具。笔者在很多项目上碰到一些MES厂商,他们往往做了一个追溯系统或者设备绩效管理就号称提供了MES解决方案。也有一些ERP厂商和SCADA集成商分别向下向上延伸业务范围,也摇身一变成为MES厂商。

  MES究竟应该实现哪些业务范围,目前国际上遵循的是两个标准体系,分别是美国的ISA-95和德国的VDI5600标准。两者实质上相同,只是表述方式上不一致。美国标准是对生产管理进行抽象,以IT系统的概念进行演绎,受众面更多是企业IT人员。德国标准的阐述方式更是接近实际生产业务的管理逻辑,受众面更多是业务部门。笔者希望首先是让生产人员清晰明白MES应该管理的业务范围究竟有哪些,故而在本文中选择阐述德国标准。

  VDI5600把制造管理分成三大区域:生产、质量和人员。

  【生产管理】

  其中生产管理是MES的核心业务,它回答了什么时候、做什么、如何做和谁来做?

  工单管理是整个MES的业务应用基石,在MES中所有的数据都是与工单进行交叉关联的,产生对应的控制、计划、统计和分析等相关的应用。工单,顾名思义是工作任务。一个工单最基本的信息是加工什么产品(或零件)、多少数量和加工时间。工单管理的基本要素是时间和数量。其中时间可以包括生产时间、等待时间、换线时间、工序周转时间等等,而数量可以是良品量、不良品量、报废品、欠交品等等。在生产过程中,工单的时间和数量被不断采集,在MES中通过数据处理,形成了丰富的管理信息。如笔者在上一篇所述,MES中的信息呈现是分三个层面的,即实时生产监控、历史绩效统计和原因分析。因此,工单信息的呈现也必须包含实时的工单作业状态(开始、完成、中断或取消)、工单作业进度(产出、未结、剩余加工时间);历史统计包含工单的良品率、时间利用率、交期达成率等;当绩效指标有偏差时,可以分析相关原因,比如通过工单作业时间成本分析,可以了解到每个产品最优的生产成本是多少,没有达到最佳生产成本的是由于计划不合理还是设备绩效差,甚至不同班次员工造成的。从而为管理层提供决策依据,对生产优化对症下药。

  设备是最重要的生产资源,对于管理层而言最关注“我的高价值设备是否发挥出高价值应用”。设备绩效管理两个要素:状态和速度。首先是设备有多少时间处于增值的生产状态,即为企业“印钞”的时间有多少。以一台车床为例,假设一公斤的钢棒是10元,经过一次切削加工,卖出去就是15元。这5元的增值只是发生在设备处于“切削”加工状态下完成的,而设备在其他状态都是非增值时间。其次是设备在增值状态下的生产速度,即产出数量。同样,数据经过处理后形成的有效信息也按三个层次呈现:即实时的设备状态和产出;历史统计包括设备效率、OEE等;可以分析设备停机原因,以便有效制定整改措施。

  既然已经知道工单的时间情况,并掌握设备产能,这时可以考虑有限产能计划。许多客户在提MES需求时总是说需要自动排产,但是无法提出明确的排产规则。事实上,由于各种生产资源的约束,没有满足所有约束条件的最佳排产结果,只有最合适的。比如,上海到北京的交通方式,可以是坐飞机、高铁、普快、自驾甚至骑摩托车,你无法说哪个是最佳的方式,而是考虑相应的约束条件,到底是追求不晚点还是最便宜。总之,在车间排产的世界里,没有“既要马儿不吃草,又要马儿跑得快”的优化规则,而是选择约束条件并制定权重。由于提高设备利用率的直接结果就是增加“增值生产时间”,因此往往考虑的第一个维度是在满足交付期的情况下实现设备利用率最大化。

  高级排产的第二个约束维度是物料的可用性,尤其是在离散制造多工序之间,由于排产不合理,导致许多在制品在工序间“睡觉”(等待),延长了制造周期。因此,生产物流管理的要素是物料的位置和数量,其最终给出的信息是什么物料,什么时候,需要多少数量,从什么位置移动到什么位置,是最合理的。

  而物料管理还有重要的一项业务需求就是跟踪追溯,在许多制造领域是强制性的要求,相当于汽车上路必须有交强险。追溯应用分两个层面,其一是批次追溯,即从原材料到半成品乃至成品的追溯链的建立;其二是在批次追溯链的基础上加载过程信息,回答了谁在哪个设备 / 工位上、什么时间做哪个工单,使用什么批次的输入材料又产出哪些批次,加工过程的工艺参数实际值是多少,过程检验结果是多少等。

  工装、模具等生产辅助设施都是作为生产资源管理。在做有限产能排产时,不仅考虑满足工单交期时设备的可用性、产能利用率的约束条件,还有考虑其他生产资源的可用性。此外,另有两个对生产资源的管理。既然已经知道设备的实际产出数量或工作时间,完全可以据此制定生产资源的预防性保养计划。生产资源的使用历史评估可以了解生产资源对产品质量、产出数量的影响。

  过程参数是只有在加工过程中产生,如温度、压力、速度。它们通常是连续变化的值。过程参数对产品质量有影响,必须进行管理,并且关联到工单、设备和批次进行交叉比对,统计分析。

  在多品种小批量的生产环境中,换产的频率非常高。设备的设置参数和加工程序应该能够随着工单下达到设备后也同步自动传送到设备的控制系统,以减少人工出错。此外,在首件生产时需要调试,当工艺稳定后,需要从设备控制器中把更新后的设置参数上传到中央系统储存。MES在这个过程中相当于邮递员,在编程系统和设备控制传递设置参数,并且对参数变化进行比对确认。

  如同家用冰箱,都有能耗等级标识。德国绿色制造标准不仅规定了设备本身的能耗等级作为考核设备质量的重要评价;另一方面也考核企业使用该设备的真正能耗。这不是简单的生产车间的总体用电量抄表,而是真实记录每台设备做每个产品的能耗。甚至在做计划排产时,可以考虑把能耗高的产品排在夜班生产。

  【质量管理

  在提高设备绩效、优化排产、降低在制品库存后,接下来就是要考虑如何进一步提高产品质量。质量是企业生存的根本,在改进质量问题所花的精力和成本远高于改进设备绩效。因此,在提高生产效率产生经济效益后,用节约出来的成本去改进质量。无论做任何产品,总是离不开来料检验、过程检验和成品检验。这些检验过程都是以检验计划为控制。检验计划规定了对什么物料进行检验,在哪个工位检验,检验哪些特征值(定量和定性),使用什么样的检测设备,检测频率,样本,检验特征的标准值和容差,检验结果的控制图。

  在来料区,根据收货通知寻找检验计划,并生成检验工单,执行检验后,把检验结果发送给仓库,把收货通知单结束后向ERP上报。来料检验需要考虑动态抽检。来料检验的结果可以用于供应商评估。

  在生产过程中的检验也同样由检验工单来驱动。当生产工单被执行时,系统自动寻找本工序的检验计划,并触发检验工单的生成。检验结束后提供使用决策,是否判定为废品、返修、降级还是让步通过。

  对于某些行业,如医疗或汽车安全电子行业,所有的质检数据必须记录使用了哪个检测设施。根据使用次数或检测结果需要校准检测实施的精度。此外,包括生产数据和检测数据的录入和修改都必须满足FDA的规范要求,即四眼法则、电子签名和主数据更改跟踪等。

  FMEA是一种缺陷修正规范。在产品设计时已经定义可能发生的各种缺陷,产生每种缺陷的各种原因以及对应的解决措施。在生产过程中,如果某种缺陷以预先定义的某种模式出现时,自动触发相应的解决措施。

  对于某种缺陷的解决措施的管理是在投诉管理中实现。投诉的缺陷可能来自生产过程中,也来自终端客户。因此,必须要跟踪这些投诉的处理状态、描述投诉中的缺陷细节,更为重要的是统计针对缺陷解决措施的成本。因为,解决措施可以有临时的和长期的,可能会有多种解决方案。如果作为长期解决方案,必须要分析相关成本,以做出最合理的决策。

  【人员管理】

  无论是多先进的工厂,车间里总是有工人来执行相关作业。既然已经清晰知道设备效率、工单达成率、物料损耗率、良率等KPI(Key Performance Indicator关键绩效指标),就完全可以据此来评估工人的绩效。从管理的效果来说,就是管理层能够给员工分配公平的指标,指标的达成过程对管理层和员工双方都是透明的,那么双方都能接受。笔者曾经询问过某一线工人如何看待企业建设MES?该员工想了想,要是今天MES系统不工作,他们就宁愿不上班了,因为他们所有的工时、绩效考核都是以系统数据为准,而不是以主管的人为意志转移。

  在生产管理领域,优化车间排产时考虑的约束条件主要考虑工单交期、设备产能、工具和物料可用性。在此基础上,可以考虑人员资质安排。即首先是根据生产资源的限制和优化条件(如满足交期下换线损失最小),将工单分配到某一设备/工位的某个时间段。此时,可以附加检查人员资质。即该工序 / 设备所需的人员资质在已分配的时间段是否可用以及需要的数量。

  接下来,另一个问题又出现了。假设通过高级排产,将某工单安排在10月3日,需要A类资质的工人三名。企业有此类资质的工人共五名。原则上该工单的生产是可以执行的。可是此时正处于国庆长假,具备该资质的四名工人已经休假。因此,在人力资源管理中需要综合考虑工人的出勤管理。

  有了工人的出勤管理和工单管理中的人员工时数据过账,可以对人员时间绩效账户进行管理,并过账给上级的HR系统,作为人员薪酬体系的时间成本计算基础。

  在某些特殊行业,还要考虑生产区域或生产设备的访问控制。可以对相关人员进行授权,并监控受控区域中人员访问情况。

  本篇的内容是介绍MES的业务应用范围,并以VDI5600为基础,从生产、质量和人员管理三个方面进行逻辑性解读。通过这个综合阐述,想告诉企业用户MES可以覆盖的业务范围,作为业务IT系统总体设计时应该考虑周全。然而,在实践中,笔者并不主张企业一开始就要把这些业务功能一股脑去放入实施计划中。且不说很少有专业的MES系统能够具备这些应用功能,对于企业而言MES本身就是一个新鲜事物,如果一下子上的功能太多,企业的内部团队既无精力全盘消化,也无法在短期内培养核心能力去应用。务实的企业都是根据实际现在出发,挑一两个功能模块开始既试验MES产品性能,也同步检验自身能力是否能适应MES的管理应用。笔者曾经参与一个某招标项目,企业把各家MES厂商的功能点集中在一起,发出一份RFP(需求规范)。这个出发点是好的,属于总体规划。笔者曾经建议客户秉承总体规划、分步实施的原则,在本次招标是关注两个层面:宏观层面上评价哪家产品的功能比较丰富,这样将来扩展时成本低;本次招标范围应该限定在几个基本模块中,微观层面上评价各家是否做的精细。但是企业认为每个功能都很重要,都必须纳入本次合同报价范围。也可以理解企业是希望一次性商务谈判,以最低的成本拿下最多的功能。然而企业有没有想过什么才是当前最需要的。如果什么都是重要的,那么就是什么都不重要。如同我们买车一样,经常性听从销售人员说,加一点钱就可以导航、天窗、座椅加热、六碟音响等配置。但车买回去,很多功能几乎都是不用的,这就是投资浪费。

  然后,企业由于在本期项目中功能要求太多,造成项目整体预算非常高,引来各家MES厂商激烈竞争。为赢得大单,各家纷纷杀价。然而,当项目开始执行时就陷入泥潭,讨论的业务范围太广,客户对系统的理解也很肤浅,最终双方在无数次拉锯战后筋疲力尽,勉强在项目启动一年多以后把蓝图签掉,草草收兵。同期,另一家客户选择从工单管理和设备绩效管理开始,花四周的时间完成系统部署,然后通过4周的运行,收集实际的生产数据,同时用户也能在熟悉系统的基础上,提出更为详细的需求,并据此优化系统来实现业务的优化。同样在一年时间里,这家客户分四个阶段完成8个功能模块的建设和应用。一年后,仅设备利用率提高一项就带来投资回报是165万。正所谓少则得、多则惑,道理就在其中。关于MES的实施方法,笔者在后篇专题介绍。效率的MES和WMS可以为企业构建智能工厂、智能排产、智能仓储,助力产业优化升级。

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