基于MES和CAPP的动态质量可追溯系统_MES_管理信息化_2130

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1、基于 MES 和 CAPP 的动态质量可追溯系统_MES_管理信息化0 0 引引 言言传统质量系统对质量的追踪主要用于追溯离线状态下的质量数据，这些质 量数据虽然覆盖了所有的质量活动，但联系工艺设计过程和产品制造过程的数 据分析手段比较落后，同时对制造过程的实时追踪力度不够。这类质量系统大 多独立于制造过程，数据采集、查询和处理均在质量系统内部完成闭环，很少 考虑与工艺设计过程、制造过程质量数据的交互。因此仅能支持质量部门日常 工作的无纸化操作，无法满足质量追溯过程和工艺设计过程之间的信息传递需 求，也无法满足企业对质量活动执行效率和制造过程质量水平的追求。对制造业来说，制造过程的质量决定了产

2、品除设计因素外的绝大部分质量， 是企业追求精益质量的核心环节之一。制造执行系统(Manufaeturing Execution System，MES)拥有制造过程所有静态和动态的数据，形成巨大的制 造数据集合，为质量追溯的策划、执行、评价和改进提供了丰富的数据基础。 而计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning，CAPP)是连接产品 设计与制造的桥梁，工艺设计过程包含了产品制造过程中的所有工艺、物料、 设备等实现质量可追溯系统必不可少的信息；另外，企业生产的面向客户的最 终产品是通过工艺规划和制造过程的功能和信息的集成才完成的；只有对 CAPP 和 ME

3、S 进行有机结合分析，才能真正实现质量可追溯性目标。为此，本文提出基于 MES 和 CAPP 的质量可追溯系统的概念，旨在通过分析 MES 中质量数据的自动实时采集、分析、追踪和溯源控制，即时对比分析 CAPP 过程数据，建立一套以数字化为特征的动态质量追溯体系，有效提高质量追溯 活动的执行效率，并使工艺设计过程和制造过程的跨系统质量追踪能力、反馈 能力、信息交互能力和质量控制能力得到极大提高。1 1 跨系统动态质量追溯跨系统动态质量追溯1.11.1 基本概念基本概念跨系统动态质量追溯针对具有关联关系的多个子系统构成的复杂质量系统， 在同一参考系下不同子系统之间，对时间上先后发生的特定事物行为

4、间的可回 溯性关系进行集成分析，包括系统间追溯对象的关联关系分析、因果关系分析、 系统间集成追溯模式分析、系统间集成追溯数据模型分析等；其追溯性隐含于 系统内或系统间的某个过程，包含追溯对象、追溯关系和跨系统推理机理三大 元素。其追溯对象是追溯的起点和终点，如缺陷产品的状态或者故障报警现象； 追溯关系是追溯的方向，如现象与现象、现象与行为之间的关联关系；跨系统 推理机理是追溯的纽带，如系统间对比分析方法。动态质量追溯系统中系统之 间的连接关系如图 1 所示。图 1 跨系统动态质量追溯元素模式1.21.2 跨系统动态质量可追溯的特点跨系统动态质量可追溯的特点跨系统动态质量追溯非常复杂，它具有如下

5、特性：(1)串联性串联性( (先后性先后性) ) 表达了后发生行为与先发生行为之间存在的某种联系， 从后发生行为出发可以推理到这些前发生行为，即通过某种关系追溯行为发生 的历史过程的特性。(2)隐含性隐含性 在动态质量追溯系统中，包含关系知识的模型并不一定采用显 式的表达方法来表现，而是将这些关系隐含在模型的方程和处理方法中，从而 使分析无法直接获取这些已有的关系知识。(3)紧密性紧密性 在整个追溯系统中，由于要实现系统间的无缝连接，在追溯过 程中要有一定的紧密性。(4)复杂性复杂性 动态质量追溯系统与其他系统集成运作的过程中，其规模、结 构和关系都呈现出一定的复杂性，这种复杂性使得人们容易迷

6、失在海量的数据 和质量追溯结果中，而无法将焦点聚集到集成质量系统关键的关系作用过程。(5)动态性动态性 集成系统间的关系体现在框架组件之间的交互上，在系统中体 现在模型之间的动态交互上，因此质量追溯过程中质量因子的交互是动态的， 从而整个集成系统体现出动态性。由这些特性可以看出，跨系统的可追溯性具体体现在：系统通过自动采集 数据、对比数据、分析根源，最大限度地挖掘系统中所包含的关系信息，基于 这些信息可以进行追溯。由动态质量追溯特性可以提取出追溯系统具备的三大条件为：可执行条件、 可视条件和推测条件。(1)可执行条件可执行条件 在整个复杂系统中发生的质量缺陷、故障等不良现象与检 测数据和状态蕴

7、含一定的关联因果关系，是可执行的。(2)可视条件可视条件 上述存在的关系信息是可以提取的，即追溯系统输入与输出 的观测数据包含完整的因果关系，或者包含部分因果关系，通过特定的推理结 构可以获取完整的因果关系。(3)推测条件推测条件 这些关系信息可以直接支持追溯。由上述三个条件可以看出，条件(1)和条件(2)可以认为是具备追溯性的静 态条件，条件(3)是动态条件。以上从理论上阐述了跨系统动态质量追溯系统的内涵、特点和实现的必要 条件，下面将根据 CAPP 和 MES 的承接，构建相应的动态质量追溯系统。2 2 动态质量可追溯系统的基本框架动态质量可追溯系统的基本框架一般制造环节由 CAPP 和

8、MES 两个关联子系统构成。CAPP 能够保证生产车 间更快、更好地完成新产品导入和产品制造工艺的优化。CAPP 数据系统能够提 供制造阶段的所有质量标准和规范，这些信息正是追溯系统进行质量缺陷追溯 的依据。MES 在车间收集实时数据，让企业可以分析和管理整个制造过程，它 具有深入了解车间详细数据的能力，如物料跟踪、运行监控及质量追踪和纠正， 在此平台上，通过实时工艺执行、潜在故障诊断和及时溯源纠正，持续提升产 品制造质量。CAPP 和 MES 是动态可追溯实现的基础，通过 CAPP 和 MES 的承接，企业得 以实现工艺、流程、参数、工序状态、材料、设备、人员、部件、产品的动态 可追溯性。图

9、 2 所示为按照质量可追溯性目标和要求设计的基于 CAPP 和 MES 的 动态质量可追溯系统的基本框架。图 2 基于 MES 与 CAPP 的质量可追溯系统框架动态质量可追溯系统通过与 CAPP 的动态衔接，可实时观测新产品导入数据、 物料管理方案、工艺设计方案、制造规划参数等相关质量数据，并且可实现与 CAPP 系统的实时数据交互，也可实现对已完成任务详细的制造工艺历史数据的 追踪，及时反馈和纠正工艺相关的缺陷。通过与 MES 的动态衔接，可实时跟踪 设备资源配置状况、现场数据采集状况、生产过程的调度和管理状况，并且在 得到缺陷反馈后及时追溯分析制造执行现场，在得到纠正方案后可即刻对制造

10、执行过程中的缺陷进行整改和纠正。整个动态质量追溯系统通过从生产车间追 踪详细的最终制造工艺方案和详细的生产调度计划，可对制造工艺方案和生产 调度计划进行动态预测和实时调整，使缺陷部件和缺陷产品在进入下一道生产 工序前被及时发现和纠正；此外，该动态质量可追溯系统能够无缝地与产品验 证阶段的制造工艺报告或报警报告进行连接，进一步追溯工艺设计或产品设计 阶段的缺陷。本框架反映了动态质量系统的基本运行模式，其核心是动态质量可追溯系 统；此系统通过整合 CAPP 和 MES 系统的相关质量数据，一方面实现对质量缺陷 的快速追踪和溯源，及时制定纠正措施和生成质量报告，进一步提高质量目标； 另外一方面通过分

11、析和改进 CAPP 及 MES 动态数据，使质量缺陷纠正措施得到及 时执行和验证。3 3 动态质量可追溯系统运行模式动态质量可追溯系统运行模式根据前文对可追溯系统目标的阐述，一个理想的可追溯系统应当具备的功 能包括识别和跟踪产品物料清单(Bill of Material，BOM)、动态跟踪工艺管理 和工况管理、实现实时交互和验证等。为了更好地实现这一目标，本文把系统 的运行分为追踪和溯源两部分来阐述。3.13.1 动态质量可追溯系统的追踪层次动态质量可追溯系统的追踪层次企业资源规划(Enterprise Resource Planning，ERP)系统是现代企业广泛 采用的信息系统，本文提出的

12、基于 CAPP 和 MES 的动态质量可追溯系统不可避免 地要与 ERP 系统进行数据交互。动态质量可追溯系统的运行(如图 3)也是通过 与 ERP 系统数据交互来实现质量数据的动态可追溯。本文结合 ERP 系统，将系 统的追踪分为三个层次。图 3 基于 MES 与 CAPP 的动态质量可追溯系统追踪模式(1)跟踪产品结构树信息跟踪产品结构树信息 通过与 ERP 系统交互，动态追溯所有产品与其部 件、原材料的组装关系。通过调用 ERP 系统信息，分析 BOM 结构，可追查到具 体的缺陷产品、缺陷部件。同时，可追溯系统还可以通过条形码查到使用了同 一批次缺陷部件的其他产品的具体信息。(2)跟踪跟

13、踪 CAPPCAPP 系统中的工艺相关信息系统中的工艺相关信息 通过及时追查 CAPP 系统中记录的工 序设计参数、工序执行参数和操作规范，发现产品制造执行前的工艺设计误差 和潜在的工艺缺陷，以及在制造过程中可能发生的导致部件产生缺陷的具体工 艺异常数据；追查 CAPP 系统中新产品导入环节的设计参数和试制记录，进一步 溯源到新产品设计方面的潜在缺陷。(3)实现与实现与 MESMES 的动态交互的动态交互 通过对用户反馈信息、故障报告和缺陷描述的 分析，追查产品制造执行阶段的每个产品在每个工序的时间点、每个工序的操 作设备和工装信息、操作人员信息，以及在制造过程中工艺报错或报警记录等 信息。3

14、.23.2 动态质量可追溯系统的溯源步骤动态质量可追溯系统的溯源步骤一旦完成动态质量追踪，就需要进一步对缺陷进行溯源。例如，当某一产 品从客户处返回或通过其他方式发现了一个缺陷产品时，制造商需要了解以下 信息：到底什么部件失效？失效原因是否由制造环节造成？失效是否和 工艺设置有关？总体溯源步骤如图 4 所示。图 4 动态质量可追溯系统总体溯源步骤具体步骤描述如下：(1)进行失效分析以找出失效部件，即所谓的 BOM 溯源。一旦找到了缺陷部 件，可追溯系统就可以生成一份包括该部件批次号、供应商等详细信息的报告； 同时制定相关决策，如通知供应商和采购部门临时执行纠正措施。(2)确定该部件在生产的哪个

15、环节用到，所有有问题的部件批次以及使用到 该批次部件的相关产品都必须被追溯到，制定临时纠正措施，如批次隔离，以 防止它们进入生产现场；同时还必须确定库存或其他地方尚未使用的相关缺陷 批次部件，进而制定全面纠正措施。对缺陷部件的溯源如图 5 所示。图 5 BOM 溯源步骤(3)确定问题的根本原因。通过跟踪制造执行阶段包括从制造到检验的所有 环节(如分析具体的部件批次号)，系统可以提供具体部件涉及到的所有操作活 动和相关人员，包括具体设备、操作员、检验员、班次及生产时间等；通过动 态追溯调查历史和现行 MES 记录，确定缺陷产生的根本原因是否是在制造执行 过程中产生，一旦找到根本原因，可以制定相应

16、的整改方案，实施纠正措施， 如更换刀具设备、纠正操作规范和检验标准等；及时对 MES 进行更新。图 6 给 出了简易的 MES 系统溯源流程。图 6 MES 系统溯源步骤同时，由于动态质量可追溯系统集成工艺规划和 MES，除了能够识别和预 防制造过程中的任何异常，还能对 CAPP 工艺规范和加工参数动态追踪进行确认， 若发现缺陷产品与设计参数和设计工艺有关联，则必须考虑是否对设计相关程 序进行纠正更改，同时实时交互引导所有操作人员及时纠正操作方式，以防止 进行任何非一致性工艺操作，从而实现对 CAPP 和 MES 同时进行动态工艺管理和 工艺执行。具体的溯源步骤如图 7 所示。图 7 CAPP 溯源步骤4 4 动态质量可追溯系统数据模型动态质量可追溯系统数据模型大中型制造工厂内部信息的构成非常复杂，涉及的范围很广，如人员信息、 零部件信息、工艺信息、工序状况信息及设备等，而每一个信息又由多个因子 组成，如零部件信息中包括零件号、规格、批号、材料、零件名等，不仅数据 量大、数据类型和结构复杂，而且数据间存在复杂的语义联系，数据的载体也 是