基于MES系统的离散制造业质量信息管理研究

代绪强，孙亚振，许自力，戚宝运

(1. 总参信息化部驻南京地区军事代表室，江苏 南京 210007； 2. 中国电子科技集团公司 第二十八研究所，江苏 南京 210007)

基于MES系统的离散制造业质量信息管理研究

代绪强1，孙亚振2，许自力2，戚宝运2

(1. 总参信息化部驻南京地区军事代表室，江苏 南京 210007； 2. 中国电子科技集团公司 第二十八研究所，江苏 南京 210007)

为解决离散制造业制造过程传统质量信息管理混乱、质量活动执行效率低等问题，并为满足企业对产品质量信息的可追溯性需求，对离散制造业生产过程中的质量信息进行了研究，并基于车间制造执行系统MES，重点分析了产品的质量控制与质量追溯，构建了基于MES的质量信息管理系统的框架。通过系统在线掌握产品质量信息，发现问题、处理问题，并能够有效追溯产品质量信息，对提高产品质量有重要作用。

质量信息管理；MES；离散制造业

0 引言

产品质量一直是制造业非常重视的部分，在新兴市场环境下，客户需求越来越多样化，产品结构也越来越复杂化，随之而来的是产品生产制造过程中的数据量逐渐增大，对产品质量数据的分析任务也越来越繁重。在这种情况下，企业传统的人工数据采集和传递分析工作不仅效率低下，而且数据的准确性、完整性、实时性都无法保证，己经不能满足现代市场竞争环境下对产品质量信息管理的要求。以计算机技术和网络技术为依托的现代质量信息管理系统已经成为企业管理中的重要组成部分[1]。

离散制造企业通常具有产品结构复杂、产品物料组成多样化、工序生产不连续等特征，通过自动化方式采集数据实现起来比较难，因此，离散制造业的产品质量追溯系统还不够成熟。针对这种情况，国内外很多学者进行了相关的探讨和研究。如：将RFID技术应用于质量追溯中，提高数据采集的速度，降低差错率[2]；基于离散制造的可追溯性需求，建立了质量追溯的数据模型[3]；通过运用以批次管理为核心的质量追溯方法，实现全过程追溯管理[4]。

为解决离散制造业制造过程传统质量信息管理混乱、手工方式数据采集差错率高、质量活动执行效率低等问题，并为满足企业对产品质量的可追溯性需求，本文基于车间制造执行系统(manufacturing execution system，MES)对产品的质量控制与质量追溯系统进行了分析，构建了基于MES的离散制造业质量信息管理系统。

1 离散制造业生产过程中的质量信息

产品质量是企业在竞争中长期保持竞争优势的重要手段。对制造业而言，产品的生产加工过程伴随着产品质量的形成，产品制造过程中的质量占产品最终状态质量的绝大部分。对于典型的集外购、外协、加工和装配于一体的离散制造业，其产品制造环节的质量形成过程如图1所示。

图1 产品制造过程质量流程图

从离散制造业产品制造环节质量形成过程可以看出：原材料、工艺规程、设备、人员、质量计划、质量检验等都是影响产品制造过程质量的因素，它们可以分为两大类：外购件产品质量和工序质量。外购件是由供应商生产并提供的，属于外部质量；工序质量是由企业内的质量体系、质量标准、工序质量控制规范、工艺路线、设备的加工能力、车间员工的操作水平和作业规范等决定的，属于内部质量。根据离散制造业产品质量信息特点，可以把这些质量信息归结为技术信息和管理信息两大类，如表1所示。

表1 离散制造业质量信息分类

对于离散制造业的质量管理，技术信息中生产阶段的信息是关键。工序质量是人、机、料、法、环、测等因素影响的综合结果，但对每一具体的过程，这六个因素对工序质量的影响程度是有很大差别的，需要分析出主导因素加以控制。另外，为提高产品质量，加大对产品质量形成过程中关键特性、关键过程、特殊过程的控制也是十分必要的。

2 基于MES的产品质量控制与追溯

生产制造过程的质量控制就是实现对工序检验与产品质量的过程追溯，它是建立在对生产过程中的质量信息进行数理统计、参数控制、数据采集和可追溯性分析等环节的基础上，从而实现生产过程关键要素的全面记录以及完备的质量追溯，为质量改进提供量化指标。

2.1 统计过程控制

对于离散制造业，由于产品多样化、产品结构复杂化，车间生产过程中的质量控制尤为困难和重要。在生产实际中一般采取加强对产品质量特性和对质量特征影响较大工序或工位的质量控制来实现对产品整体质量水平的控制。

利用统计过程控制(statistical process control，SPC)来跟踪工序质量是否受控，不受控时及时釆取措施对生产做出调整，使工序质量受控。MES中包含有大量的制造过程质量数据，为质量分析提供了基础数据来源。因此，车间制造过程质量信息管理的任务是最大限度地减少生产系统的质量变异，使其复杂的生产过程处于受控状态，保证符合设计质量的产品持续、稳定地输出。

统计过程控制是一种借助数理统计方法的过程控制工具。通过对生产过程质量数据的分析，能够判断工序生产是否异常。当加工工序处于稳定状态时，随机误差具有一定的分布规律，总体上服从正态分布N(μ，σ)或近似正态分布。当加工工序处于不稳定状态时，样品特性值的正态分布或近似正态分布就会发生改变，因此，可以利用这一性质跟踪关键工序的状态情况，保证工序生产在受控状态下运行。

2.2 质量控制参数

在产品生产过程中，要系统地识别、分析产品或零部件的工艺流程，找出对产品质量影响较大的因素点，对其进行控制以保证产品质量。产品形成过程中关键工序质量控制点主要包括以下几点：

1) 形成产品关键质量特性、关键部位处；

2) 工艺上有特殊要求，对后续加工过程有重大影响的工序过程；

3) 易出现质量问题的薄弱环节；

4) 反映意见较多的过程；

5) 出现不合格时损失价值较大的过程。

在确定了对产品质量形成影响较大的关键工序后，设计关键工序流程图并分析出主要控制参数，利用先进的数据采集技术及时采集关键工序的主要控制参数值。

2.3 质量数据采集

质量信息管理就是对质量数据的管理，建立质量信息管理系统就是要找出质量数据中潜在的产品质量变化规律。离开质量数据的采集，质量信息管理系统就不能准确地反映出生产过程产品质量情况，不能及时地发现制造过程的质量隐患。数据采集方式主要包括数据转换与共享、自动采集和手工录入等。

1) 数据转换与共享

在企业的信息化管理系统如ERP、PDM、CAPP等都或多或少地包含了与产品质量有关的信息，而这些信息正是质量信息管理系统进行质量分析与管理必不可少的。通过共享数据的方式将ERP、PDM、CAPP等系统中的信息转换至质量信息管理系统中，可实现对产品质量的全面监控和管理。高效的数据转换和共享能力，可实时地将产品数据存入指定的数据库中，或从数据库中直接读取所需要的质量数据。

2) 自动采集方式

离散制造业的生产过程中涉及到大量的实验数据、零部件检测、零件加工过程的在线监测、计量数据和物料批次数据等。对于这些数据，应用条码技术，车间现场操作工人利用无线射频自动识别技术采集信息，并通过质量信息管理系统设有的各种不同接口存入到数据库中。通过自动数据釆集不仅可以大大降低工人的工作量，提高工作效率，而且还保证了数据的准确性和及时性。

3) 手工录入方式

考虑到数据采集的经济性和可行性，手工录入方式仍然是系统数据采集中必不可少的一种方式。对于不能自动采集和数据共享的产质量检数据和生产线运行状态数据，可人工利用手动计量仪器或目测进行检测，再通过信息交互终端或电脑进行数据的录入、处理和存储。

2.4 质量信息的可追溯性分析

产品质量追溯制是企业质量管理的重要组成部分。离散制造业制造阶段质量的追溯就是对从原材料采购到产品交付整个过程的追溯[5, 6]。由离散制造业产品质量的形成过程和产品质量的可追溯性含义可知，离散制造业产品质量的可追溯性对象主要包括：

1) 外购件的可追溯性

外购件包括原材料、元器件、标准件等。原材料是产品的基体，元器件、标准件的质量是组成产品质量的重要部分。外购件的可追溯性是指对外购件的来源、质量情况等信息的追溯。

2) 外协件的可追溯性

外协件包括整件、零部件外协，以及工序外协。由于生产能力的不足，外协常常存在产品制造过程中，而外协件的计划与质量却是难以控制的。外协件的可追溯性包括外协件的厂家、质量信息等的追溯。

3) 工艺信息的可追溯性

工艺信息的可追溯性是指对产品工艺设计中的工艺路线的选择、工艺参数的确定等信息的追溯。工艺设计是连接产品设计与产品制造的桥梁。工艺设计过程包含了产品制造所必须的物料选择、工艺路线制定、工序参数的确定等信息。

4) 制造过程信息的可追溯性

车间制造过程是产品质量的具体实现过程。在造成生产制造过程产品质量波动的人、机、料、法、环、测分析方法中有4个因素是与制造过程直接相关的。对制造过程质量影响的因素主要有：操作人员的生产操作技术水平、实际操作方式，设备工装的使用年限、精度、性能，车间的环境如温度、湿度，测量系统的分辨率和误差等。

3 基于MES的质量信息管理系统的框架

MES系统是企业上层生产计划管理和车间底层生产设备控制单元之间的信息桥梁，是面向车间生产管理的信息系统，包括了生产制造中大量静态和动态数据，为生产制造阶段的质量信息管理包括质量活动的设计、执行、评价和更改等提供了数据基础。工艺资源管理CAPP系统中包含了产品、零部件的详细工艺信息，如产品的工艺路线信息、工序级质量参数信息等。建立基于MES的质量信息管理系统，通过与MES系统的动态交互实现质量数据的自动采集，对比CAPP中的工序级质量特征值，分析出车间生产的实际质量情况。基于MES的统计过程控制技术能够实现质量信息管理系统对车间生产的在线工序质量控制。统计分析后的质量报告反馈给制造执行系统用于生产性能分析的依据，并把得出的生产质量水平和质量评估结果以报表形式输出，供生产经营管理者参考与决策[7,8]。图2反映了基于MES的质量信息管理系统的基本框架，表达了质量信息管理系统与MES之间的逻辑关系。

图2 基于MES的质量信息管理系统的基本框架

4 结语

基于MES的质量信息管理系统可以实时、快速采集生产过程中的质量数据，在线掌握产品质量信息，及时发现问题、处理问题。加大对产品质量信息的管理，建立准确、高效的质量追溯制，对离散制造业的产品质量的提高具有重要意义。

[1] 张迪妮. 基于MES的质量管理信息系统的研究[J]. 世界标准化与质量管理, 2007 (4): 39-42.

[2] 曾祥兴, 王喜成. RFID在制造业质量追溯中的应用[J]. 桂林电子科技大学学报, 2007, 27(4): 293-295.

[3] 宫磊, 杨建军. 离散制造业MES的产品可追溯性建模[J]. 成组技术与生产现代化, 2007, 24(2): 18-21.

[4] 叶明海, 赵敏. 缺陷汽车产品召回的批次性质量追溯方法[J]. 汽车工程, 2006, 28(6): 595-598.

[5] 路棍, 赵涛. 制造型企业产品可追溯性的研究与实现[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2006 (5): 100-102.

[6] 黄婕. 制造企业产质量量追溯系统研究[D]. 武汉: 武汉科技大学.2006.

[7] 张迪妮. 基于MES的质量管理信息系统的研究[J]. 世界标准化与质量管理, 2007 (4): 39-42.

[8] 张根保，任显林，李明等. 基于MES和CAPP的动态质量可追溯性系统[J]. 计算机集成制造系统, 2010, 16(2): 349-355.

Research on Quality Information Management Based on MES in Discrete Manufacturing Industry

DAI Xu-qiang1, SUN Ya-zhen2, XU Zi-li2, QI Bao-yun2

(1. Military Representative Office of Information Unit of the Headquarters of General Sfaff in Nanjing, Nanjing 210007, China;2. The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China)

In order to solve the problems such as the traditional quality information management confusion and inefficient implementation of quality activities of the manufacturing process in the discrete manufacturing industry and meet the traceability requirements of the product quality information, this paper researches on its quality information and based on manufacturing execution system (MES), analyzes the product quality control and quality traceability emphatically and then builds the structure of the quality information management system based on MES. Through the system the product quality information is online mastered, the problems are timely found out and treated and the product quality information might be effectively traced.This system plays an important role in improving the product quality.

quality information management; MES; discrete manufacturing industry

代绪强(1974- )，男，山东沂南人，工程师，研究方向为指挥控制装备系统集成技术和质量控制。

TP391

B

1671-5276(2014)02-0132-03

2013-07-08