工装，即工艺装备，一般指制造企业生产加工过程中所需的刀具、夹具、量具等。本文所述制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)的开发应用是针对某航空制造企业装配工装的生产，其接收的订单通常包括了新制、定检、返修和报废复制等不同的类型。在实际生产过程中，由于不同类型的产品一般都有着不同的优先级，其物料结构亦有较大差异，所以若采用同一种处理模式，容易造成车间生产计划的混乱，且难以合理调度。另外，由于生产任务需求的不确定，车间接收的临时紧急任务较多，而现场信息反馈往往又比较滞后，管理人员对产品加工进度无法及时跟踪，导致其任务下达的盲目性。为了解决上述问题，保障车间层及时可靠的生产管理控制，设计和开发切实可行的生产调度与进度跟踪模块成为工装MES系统开发过程中的一个重要环节。
目前，国内外针对车间生产调度问题的研究已经很多，从最初的整数规划、仿真到现今的神经网络、遗传算法等，但总体看来，大部分的算法都为制作数学模型而做了很多简化，并不适合实际应用的需要。本工装MES系统的生产调度和进度跟踪模块针对不同类型装配工装的车间生产调度而开发，并解决了生产进度及时跟踪的问题，模块的功能结构如图1所示。
图1 生产调度和进度跟踪模块功能结构图
1 新制与报废复制工装的生产调度
在公司所接收的订单中，有很大一部分是这两类订单。新制是加工新的工装产品，而报废复制则是对已报废的工装重新生产。因为它们都需要加工工装结构树中所有的物料，所以通常加工周期较长。一般情况下，装配工装生产过程包括了前期的机械加工和后期的产品装配，所以我们把这两类工装的生产调度分为机械加工生产调度和钳工协作生产调度两部分。
1.1 机械加工生产调度
它主要完成车、铣、铯、磨、镗等拥有机械加工设备的工段生产任务的调度派发，由于实际生产中每个人员固定对应一台加工设备，所以它又称为单人工序调度。机械加工的派工方式分为手动和自动两种。在手动派工模式下可以根据到料、设备及刀具等生产准备情况灵活的调配，因为实际生产中这些约束较多，所以通常调度效率也较低；自动调度选用了一种基于启发式规则的调度算法，得到作业排序的近似优化解。
在自动调度中，我们以实现当前所有任务(工序级)最晚完工时间的最小化为目标函数，同时考虑设备上已有任务、工序前后顺序及订单交货期等约束条件，最终保证工装在系统中通过的平均时问尽可能短、拖期的订单尽可能少，并尽量提高设备的利用率。算法中选用的调度规则包括设备最早空闲、工装优先级及相对宽松时间，具体步骤如下：
步骤1：根据工装的优先级，对需加工的物料进行排序，优先级高的排在前面。对于优先级相同的工装，则计算订单的紧迫系数[紧迫系数＝工装生产时间／(交货期－当前时间)]，紧迫系数大的排在前面。在同一工装中，不同物料则按照MBOM(Manufacturing BOM，即将产品结构中相同的物料合并到高层次后得到的制造物料清单)的层次进行排序，层次高的排在前面。
步骤2：在完成排序的物料队列中，选择首个物料的首道工序，找出其对应的工作中心(由多台加工类型相同的设备组成)。在工作中心中，找出其上已有任务最早完工(即最早空闲)的设备，将其已有任务的完工时间作为当前工序的开工时间。
步骤3：从工艺路线中找出当前物料这道工序的准备、加工及检验时间，算出其总耗时(工序工时＝准备时间＋加工时间＋检验时间)。再从MBOM中找出当前物料的加工数量，得到这道工序的完工时间(完工时间＝开工时间＋工序工时×加工数量)。
步骤4：选择物料队列中剩余物料的首道工序，重复步骤2和3，确定剩余物料首道工序的计划开完工时间及加工设备，更新数据库。
步骤5：选择物料队列中首个物料的第二道工序，找出其对应的工作中心中已有任务最早完工的设备，并将其完工时间与当前物料首道工序的完工时间比较，取其中的较大者作为第二道工序的开工时间。
步骤6：重复步骤3，获得第二道工序的完工时间。
步骤7：选择物料队列中剩余物料的第二道工序，重复步骤5和6，确定剩余物料第二道工序的计划开完工时间及所使用的加工设备。
步骤8：依次选择物料队列的下一道工序，重复步骤5，6和7，确定所有物料的剩余工序的计划开完工时间及加工设备，直到所有物料所有工序分派完毕，算法结束。
在算法执行前，系统依照订单交货期运用倒排法进行过初始加工能力计算，得到每个物料每道工序的最晚完工时间。在算法执行过程中，如果某道工序分派的计划完工时间晚于其最晚完工时间，系统则会给出工装可能延期的警告，同时建议提高工装的优先级或安排加班。另外，需要注意的是，自动调度的算法并未考虑到料、设备等制造资源的约束，可根据实际情况对自动调度的结果进行手动调整。
1.2 钳工协作生产调度
钳工工序通常处于机加工序的后面，用以对已完工的零件进行装配。与机械加工每个人负责一个任务不同的是，钳工加工通常一个任务需要多个人协调完成。由于其灵活性，我们不对钳工任务的计划调度设置过多的约束，工段长可根据现场情况及工作经验对所属任务灵活地进行分派，并可自由设置每个任务的计划开完工时间。一般情况下，钳工的计划调度以机加为约束条件，在满足机加生产调度的基础上再进行任务分派。
2 返修与定检工装的生产调度
在工装实际生产过程中，返修与定检型工装的生产也是其重要组成部分。返修就是对工装使用过程中损坏的部分重新生产，使其尽快恢复使用；定检则是对工装中的易损件定期检验，重新生产并替换其中的一部分。这两类工装有一共同点，就是它们都是选择性地加工MBOM中的一小部分物料，而其余的大部分物料则元需加工，所以它们的加工周期一般较短。针对这些工装生产，提出了按零件派工、直接完工上报及临时外协等处理模式。
2.1 按零件派工
由于返修和定检型工装的生产只涉及其结构树中的一小部分，所以它们可能只做所需加工物料的零件计划，而不像新制型工装那样制定所有物料详细的工序计划。而按零件派工就是将零件分派给首道工序的工作中心，它无需详细的工序计划，所以也不必像普通派工那样对零件的每道工序进行派工，从而也实现生产任务的快速下达。在分派过程中，对一些MES系统内无工艺路线的信息的工装，需手动填写派工参数。执行按零件派工的生产任务通常将其优先级设为最高级，所有设备都优先安排加工，从而保证这两类工装能尽快恢复使用。生产过程中若有多个零件在同台加工设备上产生冲突，则按照先进先出的原则，优先加工先接收到的生产任务。
2.2 直接完工上报
直接完工上报主要用于那些未在MEs系统中制定生产计划的返修或定检型工装，这些任务通常加工时间紧迫，为了让管理部门实时了解这类任务的加工现场及任务进度情况，根据现场信息及时反馈的原则，提出了直接完工上报的模式。它既可用于紧急任务的及时上报，又可在系统上游流程堵塞的情况下，维持系统下有流程的正常运行，这也大大增强了系统的容错性。同按零件派工的完工上报类似，直接完工上报对MEs系统内有／无工艺路线信否息的物料均可进行完工上报，不同的是，直接完工上报不必在系统中记录任务的下发过程(即派工记录)。由于它直接从工装的MBOM中选取需上报的物料进行操作，所以无需像已派工的物料那样检索派工记录。
2.3 临时外协
在生产过程中，由于公司生产能力、技术水平和成本等原因，会出现生产任务交由公司外的生产商协作完成的情况，此为外协。在工装MEs系统中，把在物料基本属性或工艺路线中确定的外协称为计划外协；由于紧急任务的突然插入导致生产能的不足而产生的外协称为临时外协，临时外协的提出使得在不影响普通任务的生产进度的同时保证了紧急任务的优先完成。
在工装MES系统中，按零件派工、直接完工上报及临时外协除了用以返修与定检型工装处理外，还可处理一些结构简单或工艺单一的紧急任务，包括新制及报废复制型工装。通常情况下，如果这些紧急任务在MES系统中按部就班地编制生产计划和进行派工，不仅影响效率，而且也没有这个不要。另外，系统支持同一工装下不同物料选择不同的处理模式。但在处理过程中需注意系统各模式间相互关系的协调。在系统中，进行机加或钳工调度派工的前提是当前物料必须已下达了工序级生产计划，而某一物料若已做机加或钳工任一形式的调度派工，则不可再按零件派工；若已选择了机加、钳工和零件派工中的任意一种，系统为了约束其各自流程的完整性，限制它们不可再做直接完工上报。另外，系统还根据实际情况约定：未派工或已派工的物料或工序均可提出临时外协，而已完工上报的则不可提出外协，已外协的物料或工序不可再进行派工或报完工，其相互关系如图2所示。
3 现场信息反馈
车间生产现场信息的反馈主要是通过完工上报实现的。通常情况下，工段长将已完工的各个任务中合格品／报废品数量、完工时间、实作工时等完工信息填写后上报，根据工段长反馈的完工信息，相关部门可通过系统提供的工装进度查询或工装配套查询等功能模块对生产情况进行跟踪了解，并根据其完成情况对下达的任务进行合理调度。
3.1 完工上报的技术特点
在实际生产过程中，常常会出现这样一种情况：有些工序虽已加工完成，却未及时上报，从而使管理调度人员通过系统了解的情况与实际生产情况不符，导致他们可能做出错误的决定。为了尽量避免这种情况发生，在本系统的各完工上报模块中，设置了一些独特的状态修改功能，主要包括：1)一道工序报完工时．将其前面所有工序均设置为已完工；2)一个组件(由多个零件装配而成)已开工(至少已有一道工序已完工)时，将其所有子物料设置为已完工；3)一套工装(MBOM结构树中最顶层物料)已开工时，将其所有子物料均设置为已完工。这样，如果某物料一道工序完工后忘记上报，其后续工序的上报会将其状态及时的更新；若某个子物料未及时完工上报，其父物料的开工则会将其状态及时更新。这种由后续物料及工序的完工上报来实现前面状态更新，我们称之为后推式状态修改，完工上报一般流程如图3所示。
同样，针对外协物料或工序的接收，也进行了这样的设置，外协工序的接收相当于普通加工工序的完工，相关状态的修改也遵守上述3条原则。这种形式的状态修改允许部分已完工或已接收的物料或工序延时上报，并对这部分情况通过后续物料或工序的上报进行修正，从而最大限度地保证了实际生产情况能够在系统中得到及时准确的反映。对于那些未及时上报的工序，系统支持它们完工信息的补报，同时不会影响系统中已有的各项状态。
3.2 生产进度跟踪查询
生产进度跟踪查询主要根据完工上报的结果。对任务进度进行跟踪。根据需要不同，进度查询又分为机型的工装进度查询、工装的零件进度查询及零件的工序进度查询等。由机型到工装，由零件到工序，可以让管理人员可以清楚地了解到当前工装已加工到哪道工序及每道工序的完成品质(合格品／报废品数量，耗时等)如何。由于完工上报的合理设置，进度跟踪及时准确地反映了生产现场的情况，从而为生产任务的合理调整提供了重要依据。