流程工业CIMS系统技术及其应用 - 文章

流程工业CIMS系统技术及其应用

作者：北京汉锦电子自动化有限公司陈俊

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1 引言

在市场竞争激励与工业自动化技术进步的推动下，如何将生产过程各阶段活动中有关的人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和资金流有机地集成并优化其运行，使企业赢得市场竞争，是一个复杂的系统工程。现代集成制造系统CIMS(Contemporary Integrated Manufacturing System)就是顺应这个潮流发展起来的是一项综合性极强的高新技术，是一种组织、管理与运行企业的先进理念。本文结合流程工业的特点从局部实践经验出发对流程工业CIMS系统技术作粗略的讨论。

2 CIMS工程原理

2.1 CIMS的内涵

计算机集成制造CIM(Computer Integrated Manufacturing)的概念是1973年美国的约瑟夫·哈林顿(Joseph Harrington)博士首次提出的，其基本观点是:

(1) 企业生产的各个环节，包括市场分析、产品设计、加工制造、经营管理以至售后服务等全部经营活动，是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑;

(2) 整个经营过程实质上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，其最终形成的产品可以看作是数据的物质表现。这实质上就是“系统的观点”和“信息化的观点”，这种先进的理念在20世纪80年代初逐渐受到制造领域的重视，并付诸实施。1992年国际标准化组织(ISO)的一个工作组把CIM定义为“将人和业务知识能力与信息技术及制造技术综合应用，以提高制造业企业的生产能力和反应能力，由此将企业所有的人员、功能、信息和组织等诸方面集成为一个整体”，其后又出现了计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)的概念。CIMS是一种基于计算机集成制造理念构成的计算机化、信息化、智能化、集成优化的制造系统。CIMS是随着CAD/CAM的发展而产生的，通过系统集成把分散在产品设计制造过程中各个孤立的自动化子系统有机地联系起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。集成化反映了自动化的广度，它把系统的范围扩展到了市场预测、产品设计、加工制造、检验、销售及售后服务等的全过程。智能化体现了自动化的深度，它不仅涉及物资流控制的传统体力劳动自动化，还包括信息流控制的脑力劳动的自动化。
我国863计划的CIMS主题专家组结合国情，提出了新的计算机集成制造的理念:“计算机集成制造是一种组织、管理与运行企业的理念。它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机地结合，借助计算机使企业产品全生命周期—市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持(包括质量、销售、采购、发送、服务)以及产品最后报废、环境处理等各阶段活动中有关的人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机地集成并优化运行，实现企业制造活动的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、灵捷性，使企业赢得市场竞争”。相应地我国的CIMS已经改变为“现代集成制造(Contemporary Integrated Manufacturing)与现代集成制造系统(Contemporary Integrated Manufacturing System)”，它已在广度与深度上拓展了原CIM/CIMS的内涵。其中，“现代”的含义是计算机化、信息化、智能化。“集成”有更广泛的内容，它包括信息集成、过程集成及企业间集成等三个阶段的集成优化;企业活动中三要素及三流的集成优化;CIMS有关技术的集成优化及各类人员的集成优化等。

上述定义CIMS中明确指出了人/组织、经营管理和技术等3个基本要素的相互关系，如图1所示。

图1 CIMS三要素的集成

这三要素互相作用、互相制约，使制造业企业达到全局优化。3个要素构成4类集成问题。其中，经营管理与技术的集成，支持企业达到预期的经营目标。人/组织与技术的集成可使之互相配合，协调一致，发挥最大的效率。人/组织与经营管理的集成，是通过人员素质的提高和组织机构的改进来支持企业的经营和管理。最后是实现人/组织、经营管理与技术这三者的集成，使企业达到整体优化。CIMS的关键是集成，实施CIMS的企业，在应用计算机时其侧重点在于企业的全局优化，即要把企业已有的计算机技术、自动化技术、信息技术、管理科学等单项的技术综合成为一个内部关联运行的整体，以满足企业经营战略目标的需要。在CIMS理念的指导下，分析企业的问题，制订出全局规划，是企业实施CIMS的关键，也是CIMS技术的基础，因此实施CIMS是一个极为复杂的系统工程问题。

2.2 流程工业与离散工业CIMS的差异

一般而言不同的制造业生产的产品不一样，其生产方式、生产工艺、经营方式也不同。流程工业主要包括化工、炼油、造纸、冶金等行业。这些行业大多是大批量生产，生产过程连续，生产工艺流程基本不变，物料和能量的流动都是连续的。由于流程工业的这种连续生产过程所特有的实时性，决定了对信息获取的必要性，正是流程工业的特点决定了它与离散工业CIMS的构成存在着较大的差异，主要表现在以下4个方面:

(1) 生产管理，流程工业的生产计划可以从生产过程的任意具有明显工艺特征的环节开始，离散工业只能从生产过程的起点开始计划;流程工业产品的物理结构相对简单，工艺过程比较固定，管理的复杂程度相对比较低。

(2) 工程设计，流程工业的产品和生产工艺相对固定，新产品的开发和工艺改进都是离线进行的，所以工程设计不必与生产管理集成在一起;离散工业的产品和生产工艺结构复杂，新产品的开发要紧跟市场，更新快，周期短，在生产过程中也有大量的变形设计任务，其中还需要复杂的结构设计、工程分析、精密绘画、数控编程等，因此离散工业CIMS的重点应放这些子系统上。

(3) 工业生产，流程工业的生产对底层自动化程度要求比较高，强调基础自动化。产品的质量主要由生产过程的自动化设备保证。因此流程工业CIMS的质量管理与生产自动化系统紧密联系。产品检验以抽样方式为主要，采用传统质量控制，产品检验与生产管理和过程控制要严格集成，而离散工业CIMS的质量管理则作为相对独立的子系统。在物流管理方面，流程工业要实现稳产、高产，不仅要保证生产设备运转的可靠性，而且要保证风、水、电、油、汽等辅助燃料和备品、备件供应的可靠性。流程工业的生产柔性主要靠改变生产过程中各设备装置的参数来实现的，因此要求系统有可靠的实时在线控制和应用优化技术。

(4) 信息处理，流程工业要求实时在线采集生产过程中的生产数据，工艺质量数据，设备状态数据等，要及时处理大量的动态数据，保存历史数据，并以图表、图形的形式实时予以显示。而离散工业对生产过程的实时数据信息要求不高，因此流程工业更加强调生产过程的实时在线状态监测。

3 流程工控系统的信息集成

3.1 异构工控系统的信息集成

我国现有企业的生产和管理的应用体系结构基本由两部分构成，一是底层的生产过程的监控系统，即生产过程监测和控制系统(SCADA)，二是企业资源计划管理系统(ERP)，即企业生产经营的中长期计划管理。流程工业企业的底层自动化水平较高，但生产过程的数据信息不能及时向上传送，二者之间相互脱离。还有生产分厂与集团公司之间在生产经营管理中通讯手段落后，许多重要信息不能及时共享。正是这些信息链的断开导致现有企业的生产模式很难建立起一套自上而下的完整的自动化信息集成，且信息的集成主要集中在企业内部信息，没有或缺少外部信息的获取来源，从而造成设计、销售、生产、供应信息不畅，矛盾突出，业务流程不规范，无成本动态控制体系，缺少有效的监督、回馈体系，信息沟通不及时，工业效率低等问题，无法实现生产和管理的信息一体化处理，因此消除“自动化孤岛”或“信息孤岛”是实现流程工业CIMS的关键。

3.2 系统体系结构和功能

系统针对流程工业信息集成的特点采用EES/MIS/MES三层框架结构，其中生产执行系统(MES)是生产现场的底层网络控制系统，是信息集成的基础也是流程工业的关键系统。管理信息分系统(MIS)是上层经营管理与决策的基础，是改善企业管理的有效途径，是流程工业CIMS信息集成中承上启下的重要环节;也是实现生产过程优化运行与管理的技术核心系统。企业e化系统(EES)是将企业传统经营模式向电子化转变的中心环节，与以往相比更具有开放性，为企业走向国际化奠定基础。

(1) 企业e化分系统，企业e化分系统包括外部信息服务子系统、内部信息服务子系统。其中外部信息服务子系统包括对外部信息发布、商务交易、外部交流;内部信息服务子系统包括公文处理、个人事务处理、公共事务处理、领导办公、标准文挡管理、情报处理、企业员工管理。企业信息服务子系统使企业通过Internet面向全球展示企业形象，创建企业文化，及时发布各种产品的开发和销售信息，与客户开进行沟通，建立良好的客户关系，建立在线交易平台，把握电子商务带来的无限商机;同时为日常工作提供了电子化信息传递环境，在邮件服务、日程安排、公文发送、个人办公、会议组织、议题讨论、管理监督等方面协助办公人员顺利完成各项工作，大大提高工作效率，通过结合人机工程进行分析和设计，将烦琐的工作进行最大程度的简化。

(2) 企业MIS分系统，企业MIS分系统包括财务管理、质量管理、人力管理、固定资产、库存管理、生产管理、销售管理。财务管理主要功能是分析成本、分析资金占用和汇总指标等。质量管理的功能是生产过程质量检测、分析管理计量器具测试和质量文件管理等。人力管理的功能是人事档案管理、劳动人事管理、人员业务考核、考勤管理、人员教育培训、招工招聘管理、职工工资管理以及职工工资的维护等。固定资产管理的功能是固定资产初始建帐、固定资产增减、固定资产变动处理和固定资产折旧等。库存管理的功能是对现存的备品备件的统计管理鸩毒、制定备品备件的需求计划计划、备品备件的采购或者进行相应的核算与上报。生产管理的功能是进行生产统计、物料平衡和生产调度等，其中生产调度是生产管理的核心。销售管理主要包括销售计划、合同管理、发货管理、销售统计、销售分析。

我国已经进入WTO，企业在和跨国集团竞争国内市场的同时，更要使自己的产品走向世界，参与全球竞争。就要求企业不仅产品结构要符合国际标准，经营管理也要规范，与世界接轨。MIS可以使企业的管理现代化、规范化，制定合理的企业资源配置计划，对人、财、物、产、供、销进行业务流程重组，优化了管理的流程使它们信息畅通，从而达到资源配置最佳状态。

(3) 生产执行MES分系统，生产过程控制分系统包括车间管理、设备管理、生产监控管理。车间管理的功能是对班组织生产进行协调和组织、对员工的出勤、工作完成情况向上汇报。

4 流程CIMS系统的工程应用

钢铁企业是典型的流程工业，我国钢铁企业是国民经济的重要支柱产业之一，随着我国加入WTO以来，钢铁企业面临着全世界范围内的竞争，如何提高我国钢铁企业的竞争力，很大程度上取决于我国钢铁企业的信息化建设水平。对我国钢铁企业而言，其基础自动化部分，如加热炉控制系统、燃烧炉控制系统等等大都实现了技术改造，基本采用了PLC、DCS等实现控制，这为企业信息化建设中的设备集成提供了硬件基础。而在信息化建设过程中，实现基础自动化控制系统与管理系统之间的数据集成，将对实现企业ERP、MES产生重要作用，其中关键之一就是实施实时数据库工程，为企业的管理层信息化提供强有力的数据支撑。由于我国钢铁企业信息化建设起步较晚，主要集中在引进国外先进的控制技术和设备实现对基础控制系统的改造上，但实施难度不大，通过技术改造，在提高技术人员的技术水平、产品质量和生产效率等方面发挥了积极的作用。到目前为止，钢铁企业的基础自动化部分都具备了比较好的设备，也使钢铁企业中出现了不同厂家的控制系统和设备，比如SIMENSE、ROCKWELL、GE、ABB等。但是这些基础自动化系统的改造仍然是属于技术改造，不能算真正意义上的信息化建设。接着，钢铁企业在财务管理系统、采购管理系统以及销售管理系统等方面实施了局部信息化，而后建立了公司级的基础网络，这为企业的总体信息化建设打下了一定的基础。到目前为止，我国钢铁企业信息化水平已经达到了一定的水平，比如上海宝山钢铁集团、武汉钢铁集团、首都钢铁公司的信息化都取得了良好的效果。但是钢铁企业基础自动化部分存在众多厂商的产品，互操作性差，致使控制系统中的数据大部分局限在局部控制系统中，没有实现数据向上传递以便发挥数据整体效益的作用。同时在部分实现ERP系统的钢铁企业中，制造管理模块需要现场设备的实时性数据，以便实现准确的生产排产和总体调度功能;同时公司级的管理层对各分厂现场情况的反映及时性要求越来越高，需要了解分厂的关键设备的运转状况等等。总之，位于基础自动化层的数据信息与管理层的数据信息之间需要进行集成，实施实时数据库工程便是解决数据集成问题。

4.1 基于Industrial SQL ServerTM的信息集成

目前国内大部分钢铁企业都有许多分厂，如炼钢厂、炼铁厂、中板厂、高速线材厂、动力厂等等，从CIMS实施过程来讲，无论是采用从上而下还是从下而上来实施，建立公司级实时数据库都是必不可少的。当企业上层已经实施了ERP工程，实施的目的之一便是实现资源共享和优化配置，此时，建立公司级实时数据库系统将各分厂的实时数据共享处理，以满足ERP中的效益分析及相关的公司级生产调度要求;当企业实施信息化是从基础自动化层向上集成，建立公司级实时数据库工程将发挥基础数据的整体效益，消除从控制系统到分厂、从分厂到公司的“自动化孤岛”和“信息孤岛”。总之，实施CIMS时，公司级的实时数据库工程是必不可少的。在公司级实时数据库平台选取方面，建议采用美国Wonderware公司的Industrial SQL ServerTM，Wonderware公司作为工业控制领域领先的软件供应商，推出了针对工业企业的优秀软件产品，其中在实时数据库整体解决方案中，有实现设备集成的软件——I/O Server,目前该产品可以实现与750多种PLC，DCS，智能仪表等设备的集成。对于未纳入集成范围内的设备，Wonderware公司提供了一套开发软件——I/O Server Toolkit,开发人员只需要知道该设备的通讯协议、格式等，就可以开发出符合该设备集成要求的I/O Server。Industrial SQL ServerTM采用高速数据采集和存储架构，结合成熟的微软数据库产品SQL ServerTM来实现实时数据的采集和存储管理，最高可以达到10万点的容量，完全满足钢铁企业的需求，管理操作简单，查询语句基于SQL扩展等优秀功能，有对实时数据进行动态可视化分析工具(ActiveFactory),实现实时数据的各种时间序列查询、趋势分析以及完成各种复杂的报表功能，还可实现与Microsoft Office产品无缝集成，各种功能只需要通过鼠标点击就可以完成;可以选配信息门户SuiteVoyager，实现企业现场信息的实时网上发布功能，也可通过简单的配置实现诸如远程网上监控、在线报表、在线安全配置等功能。

根据钢铁企业的基本需求，结合Wonderware软件产品的优势，实时数据库系统构成方案可以采用相对集中式的架构，如图2所示。该建设方案，在公司的信息中心设置一台实时数据库服务器，具体容量根据实际需要的数据点数决定;另外设一台公司级制造信息门户服务器，在公司级的管理层，只需要在各自的PC上安装实时数据库客户端分析工具——ActiveFactory和IE浏览器就可以实现数据的分析和部分基于B/S的分析统计。在各分厂采用远程IDAS来实现分厂级的容错性能，保证各分厂到公司的数据完整性。根据管理系统的需求，可以开发相应的应用接口，实现实时数据对ERP或MIS的支撑功能。

图2 实时数据库系统总体架构图

各分厂的数据采集网络结构如图3所示，各种控制系统包括智能仪表通过I/O Server来实现数据的采集，有些控制系统的上位机有监控软件，如果该监控软件是基于Windows操作系统平台，且支持DDE协议可以直接进入系统;还有一些DCS系统支持OPC规范，可以作为OPC Server来考虑。各种I/O Server采集计算机最终实现与分厂级远程IDAS连接，作为进入公司实时数据库系统的缓冲。

采用Wonderware产品构建的CIMS的优势在于:在软件性能方面，Industrial SQL ServerTM提供的实时性能优越，采用了不让数据丢失的压缩算法Lossless算法，使得实时数据库数据的存储容量是商用关系型数据库的1/50，大大节省了磁盘空间。而且针对工业企业现场多变的环境，该软件系统提供了完整的多层次的容错方案，其中包括数据采集的I/O Server容错，数据传输过程中的RIDAS容错以及数据库服务器的容错方案，保证了数据传送及数据保存的完整性。在软件使用过程中，特别是在对数据的查询过程中，查询人员完全可以不需要具备SQL语句知识，通过可视化的鼠标点击操作就可以实现复杂的数据查询，而且自动生成所需的SQL语句，这种简易化的操作是无与伦比的。特别要指出的是，Wonderware公司为了数据的实时性能而考虑到企业网络的负载状况，设计了针对工业企业的传输协议——SuiteLink协议。该解决方案采用的是相对集中式的方案，而没有采用分布式方案，即在各分厂各设置一台数据库服务器，除去成本的因素，主要从以下几方面考虑:首先，必须明确建立公司级实时数据库的目的是为了消除“自动化孤岛”和“信息孤岛”，而采用分布式结构，实际上只是消除了“自动化孤岛”，而又产生了分厂级的“信息孤岛”，存在进一步集成的问题;而采用分布式结构的目的之一就是为了数据的完整性和效能问题，而对于Wonderware解决方案而言，这些都不是问题，通过多重容错方案保证了数据的完整性，通过高速数据采集和存储架构保证了实时的性能，从某种意义上讲该解决方案不是绝对的集中式方案，而是通过分厂级的远程IDAS和实时数据库协同工作的相对集中式方案。

图3 分厂结构图

4.2 基于Wonderware FactorySuite A2的CIMS系统结构

在当今竞争的和动态的制造环境中，对通过连接制造系统和企业应用(例如，SAP、Oracle应用、J.D.Edwards)来完善制造供应链有着迫切的需要，企业需要实现一个整体的CIMS的解决方案。而Wonderware基于工厂环境的综合解决方案可以满足企业的这种需求。在该解决方案中，wonderware提供了基于ArchestrATM体系结构的FactorySuite A2的软件套件产品。其完整的自动化软件包提供:

(1) 可视化(InTouch 人机界面软件);
(2) 工厂历史数据库(IndustrialSQL ServerTM实时数据库);
(3) FactorySuite A2 Industrial Application Server;
(4) 停机跟踪和生产监控 (DT AnalystTM资产利用监控软件);
(5) 资源和WIP-跟踪 (InTrackTM生产跟踪软件);
(6) 灵活的批量管理 (InBatchTM批量管理软件);
(7) 基于WindowsNT的控制(InControlTM实时的控制软件);
(8) Internet/intranet 可视化 (SuiteVoyagerTM工厂信息门户软件);
(9) 无需就地安装的完全的InTouch HMI交互 (Terminal Services For InTouch软件);
(10) 连接性和16-与32-位I/O服务器库(I/O Servers and DAServers)。

以上的软件与技术基本上可以解决目前企业中生产数据的管理和调度问题，作为一个完整的CIMS系统还必须考虑与上层的ERP进行信息的交互，为此Wonder ware提供了Wonderware Enterprise Integration Application 2.0，该企业集成应用是一个先进的应用，它可以使这些公司能够实现这个需要。通过集成现有的消息和中间件系统、制造组织能够将他们早期的投资最大化，同时保持已有基础架构和IT策略，有效地更新高层系统架构以满足将来的需要。

4.3 Wonder ware企业集成应用可以提供的集成

(1) 制造系统和企业应用;
(2) 多个制造现场和解决方案;
(3) 在制造和供应链应用之间的事务。

将Invensys的ArchestrA技术的益处最大化，同时利用Microsoft BizTalk 2004，使企业集成应用具有高度灵活的实时事件系统和工作流管理功能。

4.4 基础的ArchestrA技术

(1) 自由的架构;
(2) 制造和企业应用的上百个现有的应用;
(3) 强大的图形化配置以进行消息转换和事件检测的简单组态;
(4) 工作流转换的配置和实时事件的映射;
(5) 极其灵活、耐用的架构，可以使现有的企业和制造系统用一种松散而又互补的形式进行工作。

采用该解决方案的另外一个优势就是该方案是经过大量运行实例证明了的优化方案，Wonderware公司一直致力于为工业企业提供优秀的解决方案，并且在实践中不断的优化。该方案提供的CIMS系统把企业变成了一个数字化的工厂智能系统，如图4所示，该方案构成的CIMS系统明显地表示出了流程工业信息集成的特点。

图4 基于FactorySuite A2的CIMS总体结构图

5 结束语

流程工业与离散工业CIMS系统的实施是有差异的，流程工业CIMS实施的关键在于消除“自动化孤岛”或“信息孤岛”现象，最终实现信息集成，为企业现有的或今后的ERP、MES提供重要的现场数据支撑，因此提供一个性能卓越的、稳定可靠的、系统先进的、扩展性好的实时数据库平台显得特别重要。

本文摘自《PLC&FA》(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/7/2006)


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