基于MES 系统的发动机智能制造技术应用

1. 引言

随着工艺 4.0 和智能制造的推进，制造执行系统 (MES) 在发动机生产过程中的作用日益凸显。发动机作为复杂精密机械产品，其生产制造过程中存在生产工序多、装配精度要求高、质量追溯信息量大等特点，且面对不同的主机厂多品种、小批量的定制化生产要求，企业还需具备快速换型的柔性生产能力。MES 系统的实施，在促进企业实现精细化、数字化管理，有效降低生产成本、提升产品质量、促进企业核心竞争力提升方面创造了有利条件。

2.MES 系统概述

MES(Manufacturing Execution System）系统是制造执行系统的简称，最早由美国 AMR公司 (Advanced Manufacturing Research，Inc．) 在 90 年代初提出，旨在提高制造业生产过程管控能力，将生产计划与现场管理联系起来，通过 MES 系统对整个生产过程进行合理调配，以达到提高生产效率的目的。

MES 系统通过可编程逻辑控制器（PLC）与企业的生产设备、仪器仪表、传感器、工业机器人等设备进行连接，实现实时上传数据的采集、监控和分析，能够对生产条件的变化做出迅速的响应，进而指导、启动、响应并记录车间的生产活动，以减少非增值活动，提高效率。MES 系统通过多通道信息交互形式，在企业与供应链之间提供生产活动的关键基础信息，发展至今，已经发展成一套较为成熟的面向制造型企业的生产信息综合管理、控制系统。

3. 发动机智能制造企业 MES 系统的结构及特点

把 MES 系统应用到发动机智能制造车间，就是要围绕智能制造的网络化、数字化和智能化三个特征，发挥 MES 管理信息系统优势构建一套面向多产线、多样性整机装配需求的智能化生产车间，最终实现装机过程智能化、档案信息数字化、信息传递网络化。发动机智能制造车间 MES 管理信息系统从装配线设备互联与数字化采集层面、装配线管理层面、系统集成层面构建，主要分以下三大板块：

（1）装配线设备联网及数据采集板块，构建面向装配线所有设备及IT 硬件终端，包括：无线扫码枪、工位 PC、工业平板、HMI、机器人、检测设备、拧紧机等设备、终端网络互联及数据采集系统。

（2）数字化车间制造执行系统，建设基本功能模块包括：产品工艺管理、生产计划管理、过程质量管理、成本管理、设备管理、人员管理、变化点管理等功能在内的生产线管理系统。

（3）与其它系统集成或实现集成接口，实现与公司 ERP、CRM、PDM、QMS 等相关信息系统数据的交互和共享。

此类 MES 系统具有以下特点：

（1）过程控制的实时动态性。作为一种智能化系统，MES 系统能够与智能设备控制通讯，实时动态监控、展示并记录各生产工序的生产节拍、设备、工艺参数、装机质量数据等信息，保障了整个生产制造过程的透明化。于管理人员而言，借助 MES 系统可实时动态掌握最新的生产信息，对异常情况及时采取措施，实现快速响应。

（2）质量控制的稳定可靠性。生产过程中，MES 系统能及时准确地推送重要装配工艺参数信息，并对装配质量数据进行分析，出现不合格品立即在工位上安灯报警，保证了过程中的质量稳定可靠。MES 系统还可以为管理人员的精准管理提供技术数据和分析工具，便于其做好产品的品质分析管理。

（3）满足离散型生产的效率提升需求。借助 MES 系统，当日生产计划及各主机厂不同的装机订货配方能同时传递到发动机装配车间的总装、分装各生产线，实现各分装线的协同作业，还能将各关键组件的分装及检测信息采集、绑定到整机档案中。打破了传统作业消耗人力物力资源大、耗费时间长的弊端，促进了传统离散型制造企业生产效率提升。

（4）追溯信息的全面性、准确性。MES 系统能够将各工序实时采集到的装机信息包括状态号、机号、节拍、追溯物料、拧紧数据、测试数据等，自动汇总形成完整的装机档案并传递给 CRM 系统，便于质量部门查询各种追溯信息，当出现因零部件批次质量问题召回时，能高效、准确地锁定发动机，做到精准追溯。

（5）节省生产成本，MES 系统可动态化、实时化监控制造过程，还能针对生产环节中出现的问题提前做出预警工作，便于管理人员及时采取措施，预防和减少各种问题的发生，降低产品返工、不合格现象的发生。

（6）提高客户粘黏性和满意度。毋庸置疑，MES 系统可依托数据挖掘技术，将系统中所产生的大量综合汇总报表进行分析整体，比如，产量、生产数据、生产过程、合格率等，同时并将这些这些提供给客户，帮助客户快捷、精准的了解产品 数据，促进对企业和产品满意度的提升。

4. MES 系统在发动机智能制造中的主要功能应用

（1）生产计划及工序调度管理

通过接收来自企业 ERP 系统的生产指令单，MES 系统能采用高级计算排程（APS）算法，结各合各产线设备的实际运行状态和工艺约束，统筹工序级调度形成零部件各个工序的具体生产调度指令，并自动生成车间的动态产线生产计划，还支持插单管理，支持自主调整生产计划顺序，对生产计划进行拆分、合并等，在满足工艺要求及订单交付率的同时，通过动态调配提高设备利用率。

（2）工艺管理

MES 系统能够自动接收并展示来自 PDM 等系统的工艺文件，包括产品工艺 BOM 中的零部件信息，工艺过程卡片、标准化作业指导书、装机 PAM 等文件，能区分工位信息自动展示在对应工位。当上述信息发生变化时，通过变化点信息维护后重新按工序展示到工位PC 上。

（3）质量防错管理

发动机每到达一个工序，RFIDMES 系统会自动读取机型及配方信息，以及该状态号的工艺 BOM，并在工位 PC 上展示。在有追溯零件扫描或拧紧力矩追溯的工序，系统会将追溯物料信息及力矩信息展示出来，便于操作者找到对应零件并用扫描枪扫描零件条码进行比对，或是对照力矩选择套筒进行拧紧。若扫描结果或拧紧数量与配方要求符合，即比对成功，则系统自动记录此零件的物料编码、供应商编码及零部件流水号（或生产批次号）到产品电子档案，并记录该工序每颗螺栓的拧紧力矩，托盘放行。若扫描或拧紧结果与要求不符合，工位发出报警信息，且托盘无法放行。

对于自动设备生产工序，系统支持工艺参数设置，由工艺人员以产品状态号、工序等为约束条件在系统中制定相关工艺参数的标准值，上下限值等数据。现场生产的过程中，数据采集系统实时从运行的设备中采集到相关的工艺参数实际值，将实际值和标准值进行校验，如发生超差则在工位PC 或HMI 上报警。

（4）资源管理

设备管理：对产线检测设备、拧紧设备、试漏设备及其它设备进行管理，包括设备状态（运行、等待、停机、故障）、报警信息、生产节拍、条码机号信息、生产结果（检测数据、拧紧结果、泄漏量等）等信息进行记录及管理。当工位有异常故障时，系统自动触发ANDON 系统预警，提醒相关人员进行处理。

物料管理：结合状态需求及现场情况对线边物料进行管理，能在 PC 机上进行工序物料呼叫，并将要料信息显示在配料区大屏上，通过AGV 小车实现点对点精准配送。

人员管理：对产线人员进行班次及岗位信息管理，通过登录 PC 端账号进行员工工时管理、考勤管理，能够自动统计分析人员小时效率、对工位操作人员进行追溯管理。

（5）装机档案查询与数据分析

发动机智能制造生产线综合采用 RFID、PLC、HMI、条码、工业平板、PDA 及系统手工录入方式进行数据采集，实现了各工位数据实时上传。并能够通过后台管理系统查询并导出装机档案，支持按状态号、机号、按生产日期、按物料、按供应商、按工位等单个或多个查询条件的复合查询及正反向追溯查询，为质量追溯提供强大的查询引擎。

系统还能够通过 LED 大屏幕实时、准确、清晰的展示生产统计数据，包括生产计划、生产进度、小时生产量JPH、线平衡波动图、不合格率、废品率等信息。并能以设备、工序、加工单元、产线为单位分别进行班、日、月产量统计，计算产线综合效率、生产合格率、设备利用率等。并将生产、质量数据进行汇总，以文字、图表等形式自动生成车间的产量报表、质量报表，满足各部门不同的报表需求。

（6）系统集成

MES 系统通过中间数据库或 Webservice 等的接口方式，实现与公司 ERP、PDM、CRM、QMS 等系统的集成，打破信息孤岛，及时将生产计划信息、状态物料需求信息、整机档案、质量问题等信息传递出去，实现公司内部信息的互联互通。同时，通过二级网络平台，实现与车间在用其它信息系统的集成，例如将 TMS 试车系统中的试车数据、CMS 涂装系统中的后装数据整合到 MES 系统中来，形成完整的整机装机档案，与 WMS立库系统集成，实现物料自动呼叫及无人叉车自动配送，与 ECU 刷写系统集成绑定 ECU数据版本信息等。

5.MES 系统与发动机智能制造的深度应用融合

（1）基于离散型制造过程的机型配方管理

作为典型的离散型制造企业，发动机生产线每天必须共线生产多种型号的发动机，需要调配不同的工艺配方、物料配方和质量控制点。这些要求对发动机换型生产效率影响较大，通过MES 系统的配方版本控制，该企业的机型切换时间由原来的40 分钟缩短至6 分钟。通过 MES 系统实现发动机智能制造的机型配方管理后，物料误配料率归零，追溯件误装率归零，拧紧、冷试、涂胶等机器人自动设备机型装配正确率达到 100% ，还支持根据机型订货状态号自动代入功率、质量信息公开号等铭牌打印信息，工位自动调用机型模板、下发工位并打印铭牌。

（2）融合视觉识别技术的过程质量提升管理

先进视觉技术在发动机生产企业主要应用在发动机总成及其零部件的外观检查和位置检测中，如发动机成品及 3C 件下线前的外观缺陷检测、涂胶质量、气门锁夹安装到位情况、连杆螺栓拧紧角度等的实时监控，以及主轴瓦、连杆瓦、盖配对情况等过程的质量管理。通过工业相机（CCD、CMOS 等图像传感器）对被测物体的尺寸及空间位置的三维非接触式测量并解析成相应的参数信息，与 MES 系统或设备中的标准参数进行比对，再由质量判异模块在线诊断后向设备下达合格放行或异常隔离指令。例如，在气门室罩盖、油底壳涂胶质量的实时监控应用中，工业相机对涂胶位置进行拍照后对胶线的胶宽、胶高、横截面积及边缘距离等三维信息进行提取，并与标准进行比对和判断，对于胶线异常的产品，通过 ANDON 系统进行提示并隔离产品，能够控制机械手移除异常托盘至返工返修工位，进行人工处理。视觉识别检测为非接触式检测，不干涉设备动作，检测设备在线实时检测，覆盖率达 100% ，速度更快，效率更高，对发动机过程质量提升有显著效果。但目前机器视觉系统采用编程方法实现定位功能还存在一些缺点，如控制方法设置不合理，使得机器人末端实际位置与期望位置相距较远，无法精确获得目标信息，导致机器人定位精度差等问题。

（3）基于大数据模型的动态质量误差分析

MES 系统每天收集的生产数据量达到数百万条。通过对这些数据的整理和分类，存储在专门构建的数据仓库中，形成了一个庞大而有序的生产数据资源库。这些数据不仅包含当前生产的实时信息，还积累了大量历史生产数据，为后续的数据分析和诊断决策提供了丰富的素材 ，尤其是针对产品特殊特性和过程特殊特性的特点和数据性质，通过建立质量数据分析模型，利用大数据分析和统计过程控制（SPC）技术，对质量数据进行深度挖掘和分析，及时发现质量问题的趋势和潜在风险。例如，通过对发动机缸体加工过程中的孔径尺寸数据进行 SPC 分析，绘制控制图，一旦发现数据点超出控制界限或出现异常趋势，系统会及时发出预警，提示质量管理人员进行干预。此时，质量管理人员可以通过 MES 系统进一步追溯相关的生产数据，如加工设备的运行参数、刀具的磨损情况、操作人员的操作记录等，分析质量问题产生的原因，并采取相应的改进措施，如调整加工工艺参数、更换刀具、对操作人员进行培训等，从而有效预防质量问题的发生，降低次品率 。

6. 结论

由于 MES 系统能够实现生产过程的标准化、数字化和智能化，显著提升了发动机制造过程中的智能化水平和质量一致性。MES 系统在助力企业提升产品质量，实现对终端市场多样化、个性化定制的快速响应，促进企业智能化生产实现转型升级中得到了良好的应用。未来需在边缘计算部署、AI 原生构架升级等方面进行改进，同时围绕全程贯通数字主线，发挥系统优势实现基于大语言模型（LLM）的智能决策。

参考文献：

[1] 郑力、莫莉. 智能制造：技术前沿与探索应用[M], 清华大学出版社，2021.

[2] 刘强. 智能制造概论[M]，北京：机械工业出版社，2021.

[3] 朱正德, 任培恩, 高仕伟. 提高现代发动机企业智能化水平的制造执行系统[J]，汽车工艺师，2020 年 01 期