制造业MES的产品可追溯性的数据模型

制造业MES的产品可追溯性的数据模型ATraceabilityDataStructioninManufacture王思刚杨殿才孙培峰宁维巍软控股份有限公司（青岛266045）【摘要】随着市场竞争越来越激烈，制造企业需要在产品召回、提高质量、降低成本等各个方面进行提升。而这些方面的提升和改进，需要获取企业生产过程中的各种可追溯数据。可追溯性是MES系统的一个重要特性，可追溯数据模型不仅可以完整记录生产过程数据，还可以扩展到质量追溯、采购追溯等方面，对企业制造过程控制和制造过程改进具有重要意义。【关键字】产品追溯、MES、物料批次目前，制造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)3个支撑系统构成的体系结构。ERP负责企业的经营决定和生产规划；MES负责企业生产调度和系统过程优化；PCS负责生产过程控制。大部分的流程工业都拥有底层的控制系统，不少企业也实施了ERP系统。MES是流程工业综合自动化系统的关键环节，在整个流程工业综合自动化系统中起承上启下的作用，是企业生产与管理活动的信息集成桥梁，非常有必要从企业全局的角度统一规划面向整个生产执行过程的的产品追溯数据管理。产品追溯是MES的功能系统中的基础，根据产品追溯模块的特点及重要性，本文提出了一种产品追溯的数据模型。1产品追溯概念Eads和Undhein（1984）对批次追踪进行定义，认为追溯的过程是从最终产品到原材料的展开和从原材料到所有最终产品收敛的过程。国际标准组织（InternationalOrganizationforStandardization,ISO）给出的追溯定义为：通过记录标识的方法回溯某个实体来历、用途和位置的能力适当时组织应在产品实现的全过程中使用适宜的方法识别产品，以适当的方式标识产品，防止不同类别、不同规格或不同状态的产品混用或错用。在规定有可追溯性要求的场合，通过唯一性标识和记录，可追溯产品质量的形成过程以便弄清产品原材料和零部件的来源，查明质量问题原因、分清责任。1SO8402:1994《质量管理和质量保证——术语》中对“可追溯性”做了如下的定义：“可追溯性”含有下列三种主要含义之一。就产品而言，它可能涉及原材料和零部件的来源、产品形成过程的历史、交付后产品的分布和场所；就校准而言，是指测量设备与国家标准、基准、基本物理常数或标准物质的联系；就数据收集而言，是指实体质量全过程中产生的计算结果和数据，有时要追溯到实体的质量要求。美国生产与物流管理协会(APICS)（1998）从物流角度将可追溯性定义为：可追溯性有双重含义，一是指能够确定运输中的货物的位置，二是通过批号或序列号记录和追踪零部件、过程和原材料。MESA组织对于MES功能描述中将追溯归结为产品跟踪和谱系，从制造过程的角度明确规定满足可追溯性的各种要求。ISA协会发布的SP95标准也明确定义了制造作业过程活动之间的关系，也非常适合生产跟踪和追溯。图1：ISA-95MES制造作业模型这些定义虽有不同，但都认为：1)不仅要追溯组成最终产品的零部件批次情况，还要追溯产品批次的生产、运输、储藏等过程；2)可追溯性按追溯范围可以分为外部可追溯性和内部可追溯性，前者关注产品从供应链的一个环节转移到下一个环节的相关信息，内部可追溯性发生在企业内部。关注从原材料采购到形成最终产品全过程的可追溯性，外部可追溯性的实现是以内部可追溯性为基础的；3)可追溯性是以对产品进行正确的标识为基础的。2产品追溯管理需求及现状现代企业间的竞争已经演变成为供应链之间的竞争，而整个供应链质量状况的好坏已经在很大程度上影响着这条链上每个企业的经营状况。因此一些国内外大型企业对其供应商质量管理要求不断提高。GE微波炉部对其微波炉供应厂商提出了严格的追溯要求，要保证能够提供每台微波炉的质量档案：产品结构清单、主要质量指标、维修返工记录等内容。这实际上也就是要求供应商在生产过程中必须建立生产和质量信息追溯体系。当产品出现问题时，这一体系不仅能够追溯快速定位每个产品的生产质量状况，有利于分析和解决问题，明确质量责任和原因，而且能够保障每个产品时按照规范和细致的流程制造出来的，从而能够保障所有产品保持比较高的质量状态。在轮胎行业同样存在着这样的需求，对其众多的安全件产品，原材料、中间生产过程、及产成品的质量进行全程跟踪，以便发生异常时可以从成品到半成品、原材料、供应商等进行跟踪追溯，以符合汽车行业质量标准要求。然而在手工作业情况下，进行质量追溯很大程度还是依赖于相关人员的工作经验和纸质文档，在处理追溯来源并消除问题的根源上工作繁重而效率低下。在部分制造行业中，虽然已经实施了MES系统和追溯管理，但由于缺乏整体统一的追溯方案和规划，仍旧造成了许多信息孤岛，难以从数据上贯穿整个生产流程，无法从全局的角度形成完整的追溯体系。目前轮胎制造企业的MES系统已经覆盖轮胎生产的原材料仓库、炼胶车间、半制品各工序、胎胚成型工序、硫化工序、各质检工序、成品仓库管理等业务环节，同时在生产制造过程中运用多种数据采集手段，能够准确快速的采集到各种原材料、半制品、产成品和加工过程的实时数据。但由于密炼、半制品和成型后工序都相对比较独立，而且各个阶段的数据采集方式也有区别。因此，各个阶段的追溯体系也相对独立，造成了整个追溯体系数据管理的断层，导致前后工序已经采集的大量有价值数据无法贯通，轮胎全流程的数据追溯也无法实现。伴随着企业不断的成长壮大，生产方式的进步与制造过程的不断精心化，产品出现问题的现象、时机、特征也会变得越来越复杂化。借助简单的标识与记录已经很难实现产品全过程的追溯了，使得追溯过程十分的繁琐和复杂，研究和开发适合企业发展战略的质量追溯系统，实现企业的数字化质量可追溯性管理，也将成为当前中国制造企业质量信息化发展的趋势之一。它是对产品所有的物流控制、质量控制、风险控制以及交付责任的追溯。并且随着全球供应链的迅速扩展，可追溯性管理以及追溯系统的建立也将扩展到了更为广阔的环节中。3产品追溯模型3.1产品追溯数据模型实体对象制造过程追溯数据采集是保证可追溯性的前提，从产品追溯到其生产过程，或者从原材料追溯具体生产过程直到形成产品等等，需要准确严格记录其生产过程数据、质量检验数据和物料之间的组成变化数据等等。在产品追溯数据模型中有具体的实体对象来记录这些数据信息，其中包含的实体对象主要分为以下几部分：1）物料批次演绎关系主要包括物料批次、物料批次组成关系等实体对象。这些实体对象记录了物料批次之间产出与消耗的关系，以及物料批次之间的变化关系，比如：毛坯与零件之间的消耗关系、零件与零件之间的装配关系和数量等等。2）生产控制数据主要包括零件生产任务、工序任务等等。这些实体对象的主要作用是用来控制生产过程的，指导生产活动的，并记录实际的生产过程数据。零件生产任务下达到车间，车间将其分解为工序任务，并指派具体人员和设备进行加工，加工完毕后，对完工情况数据进行采集。3）质量数据主要包括各种质量检测记录，是指工序任务加工完毕之后，对工序加工质量的检测数据和产品整体的检测数据。4）基础数据基础数据部分主要包括产品定义、工艺路线、工序定义、设备、人员信息等等数据。这些数据是MES系统运行的基础，也是追溯数据中不可或缺的。3.2产品追溯数据模型产品追溯主要是对上述实体对象数据进行收集，依靠具体数据满足追溯的需求，结合实体对象间的逻辑关系，生成图2产品追溯数据模型。-物料编号-批次号-图号-数量物料批次-父物料批次号-子物料批次号-子物料消耗数量-父物料产出数量物料批次组成关系-图号-名称-描述产品定义-图号-版本-工艺类型工艺路线-图号-版本-工步工序-图号-计划完工时间零件生产任务-图号-物料批次号-计划开始时间-计划完成时间工序生产任务-检测值-是否合格检测数据记录-设备名称-设备型号-设备规格设备-名称-工种人员-参数名称工序加工参数项-参数名称-参数值工序加工参数记录-检测项名称-上限值-下限值检测数据项图2：产品追溯数据模型整个生产过程可以看做是一系列的将原材料、零件、部件等转变成最终产品的活动。主生产计划触发了零件生产任务，并在车间被分解成为工序任务。物料批次在生产过程中的消耗需要追踪记录下来，以便确认其生产成为了哪种产品。因此，需要将生产过程中的物料批次之间建立关联关系。当整个生产活动利用这种方法关联起来的时候，就会生成一个多层次的物料批次清单。多层次批次清单在结构上与多层次的物料清单（BOM）非常相似。在实际生产过程中，经常会发生物料批次合并的情况，比如，在生产过程中，某工序需要的加工数量非常大，多个物料批次就会被合并成一个数量更大的批次。无论是什么原因造成的物料批次合并，物料批次追踪必须将其记录下来。因此，新生成的批次必须有独一无二的标识，而且它与被合并物料批次之间的合并关系，也要被记录下来。除了批次合并，生产过程当中也会由于某些原因而进行批次分解。生产过程中经常会根据前工序的生产质量情况，将一个批次分解为两个独立的批次，一个批次的零件时合格的，另外一个批次的零件时不合格的。同样，新生成的物料批次也需要有独一无二的标识，并同时与被分解的物料批次之间建立关联关系。在产品定义中，物料总是被规定按照标准的工序进行加工。但在实际执行过程中，产品追溯要求记录加工过程中具体发生的数据，而不是标准工序中的数据。因此，每一步的工序任务都可以关联到一个具体物料批次上。而且，工序任务也必须与加工设备和操作人员进行关联。在每道工序加工完毕之后，总是要对加工完毕的物料进行检测，以确定是否达到加工要求。在检测过程中，会生成检测数据记录，这些数据记录都必须与工序任务关联起来，并可以被追溯查询。在图2的产品追溯数据模型中，以零件生产任务和工序任务为核心，关联物料批次组成信息、加工过程信息、质量检测信息，这样既可以向后追溯，产品通过相关联的零件生产任务找到生产过程的全部数据，又可以向前追溯，查找原材料批次都用来生产了哪些产品。4产品追溯数据模型在轮胎企业MES中的应用轮胎生产过程具有批量、间歇的性质，它有别于制药、化工的连续生产过程，也不同于电子电器行业的离散制造过程。轮胎行业每个工序都有其自身的特殊处理工艺约束:①轮胎品种众多，批次切换频繁;②工艺约束复杂，有多个半成品缓冲区;③工艺路线长，设备众多。轮胎生产在密炼、半制品和成型后工序的数据采集方式和生产方式有所不同，相对都比较独立，但追溯需求有较高的一致性，将产品追溯数据模型应用到轮胎企业MES系统中，在数据上贯穿整个生产流程，并全部采用条码和RFID识别技术进行生产数据采集和记录，形成统一完整的追溯体系。通过产品追溯体系，可追溯轮胎全生命周期过程，即原材料→胶料→半成品→成品→出库信息反馈全过程中的每一个环节的生产和控制信息，并对反馈信息进行分析，解决了以往依靠人工追溯带来的信息不准确、不细致、不及时甚至是无法追溯和分析的问题，从而最大限度地保证了对胶料质量要求最为关键的均一性指标的要求，最终可实现产品生产的均匀性，稳步提升产品质量及产品价格，为企业带来巨大的经济效益。图3和图4是轮胎MES系统产品追溯界面。图3：轮胎半制品追溯界面图4：轮胎成型后工序追溯界面5结束语可追溯性是衡量MES的重要标准之一，可以结合条码和RFID等自动识别技术对现场进行实时生产数据采集和生产资源跟踪管理。从本质上而言，产品追溯并不能直接对产品质量有促进作用，但是它能在跟踪产品、生产过程、质量控制等领域发挥重要作用，辅助企业解决其在各个层面遇到的具体问题，比如查找产品档案、产品质量检测数据、生产者及其出厂日期等等。除此之外，产品追溯管理甚至能为相应的产品加工过程制定实际可操作的行业标准，并在建立追溯系统过程中，利用其对现场管理、产品批次管理、工艺流程管理、生产管理等各方面的完整性、精确性高的要求，实现企业管理流程的规整与完善。参考文献：[1]CornelisAdrianusvanDorp.Reference-datamodelingfortrackingandtracing[D].Wageninge