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制造执行系统在染色车间的应用 |
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作者：陈刚良 郝平 |
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摘 要：以制造执行系统（MES）框架模型和思想理念为指导，结合染色车间管理现状，建立基于MES的染色车间信息系统。该系统能弥补企业计划层和生产控制层之间的断层，提高生产效率、优化资源配置、降低物耗和能耗。然后较详细地讨论了MES系统中几个主要部分:染色车间集中监控系统、生产作业调度系统、生产能耗管理和考核系统。其中染色车间集中监控系统已在某印染企业染色车间得到了应用，并取得了良好的效果。
关键字：MES 染色车间 集中监控系统 生产调度 生产能耗
一 前言
近年来，我国印染行业生产一直保持了快速增长势头，经济效益显著。但与发达国家相比，我国印染行业在软硬技术以及加工工艺、产品能耗等重要方面还存在较大差距，印染业已成为我国纺织工业中的最薄弱环节。要运用高新技术和先进技术进一步改造和提升传统产业川。
随着印染企业信息化建设的不断深人和发展，一般企业都已建立了自己的管理信息系统（如ERP）以及实现了企业对设备控制的基础自动化和过程自动化，并且在此基础上形成了相对独立的系统，但这些系统都有各自的处理逻辑，数据库，数据模型和通信机制，它们形成一个个“信息孤岛”，缺乏必要的整合，缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理。在ERP所关注的各项资源中，生产过程信息在企业的管理系统中始终是“离线”的，始终不能连续、自动、完整地反映在企业管理系统中。这样在管理信息系统和生产控制系统之间，存在一个信息流通上的断层。这是影响印染企业信息化整体水平的。
另一方面印染是一个高能源消耗的行业，其生产需要消耗大量的水、电、和蒸汽。节约能源，提高能源利用率对企业发展是十分重要的。
为增强企业上层管理信息系统与底层过程控制系统的联系，消除两者之间的“鸿沟”，降低印染企业的能源消耗，进一步提高能源的利用率，将制造执行系统（MES）的框架模型和思想理念引人到印染行业的整个信息化体系中。可以有效解决当前印染企业在生产实际过程中面临的问题。
二 制造执行系统（MES）简介
执行制造系统（Manufacturing Execution System,MES）是现代集成制造系统中制造管理自动化领域的一项重要技术。MES是美国管理界20世纪90年代提出的新概念，MES国际联合会（Manufacturing Execution System Association, MESA）对MES的定义是:"MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。
具体而言MES是处于管理信息系统与生产过程控制系统之间的执行层，主要负责生产管理和调度执行，如图1所示。
美国ARC公司，专门做自动化应用的市场调查公司，做出调查统计:应用MES产品质量可以提高19。2%，劳动生产率提高13%，产量提高11%。如果我国能在产品质量提高10%，劳动生产率提高5%,对中国现阶段的经济水平的影响是非常巨大的，对国家能源、原材料消耗产值的影响也是巨大的。
三 MES在染色车间的应用
1 染色车间MES系统总体结构
将制造执行系统（MES）引人到印染行业的整个信息化体系中，构架MES为核心的连接上层企业资源计划（ERP）和底层过程控制系统（PCS）之间的生产过程控制与管理的一体化结构体系。可以有效解决当前印染生产过程中面临的问题。基于ERP/MES/PCS三层体系的信息系统框架如图2所示
图2 基于ERP/MES/PCS三层体系的信息系统框架
MES在企业信息系统中起到“承上启下”的作用，是生产管理系统的核心。它可看作是一个通讯工具，为其他各种企业应用系统提供现场的数据信息。一方面，MES向上层管理信息系统提交染缸设备运行状况、车间人员情况、车间生产能力、能源消耗、染色工艺、实际定单执行情况等涉及生产运行的数据;向底层控制系统发布生产控制指令、染色工艺参数以及相关生产线运行的各种参数等。另一方面，MES也要从其他系统中获取自身需要的数据，这些数据保证了MES在车间中的正常运行。ERP的计划数据、物料采购和供应时间、以及产品交货时间等都是MES进行生产调度的依据。
2 染色车间集中监控系统
实现染色车间染缸（染色机）集中控制，通过对每台染色机的监控，集中控制室能完全掌握车间染色全过程，记录染色全过程的数据。从而大大减少染色控制过程中人为因素造成的缸差、色差，预防因设备故障引起的质量事故和安全事故，能快速、有效地分析产品质量、生成统计报表、管理染色加工工艺等。染色车间集中监控系统基本框图如图3所示。
染色机控制单元构成一个闭环控制系统，实时监控染色机的运行情况，一旦染色机出现异常情况，系统会报警提示、若染色机故障可能引起严重的产品质量事故或人生安全事故，系统会停止染色机的运行。
在集中控制室，集中监控系统根据产品打样结果从工艺数据库中选出对应的染色工艺曲线，并依据生产作业调度系统的调度结果安排每台染色机的生产任务。当车间染色机做好各项准备，发送信号到集中控制室，请求运行时，系统将工艺曲线每阶段（前处理、染色升温、染色降温、染色保温、后整理）的各参数（水量、温度、时间、电机转速、浴比等）传到相应染色机的控制电脑中。染色机按预定的工艺曲线自动运行。
3 生产作业调度系统
在染色车间中，生产作业调度系统的主要任务是安排染色机生产计划。也就是将来自企业ERP系统的订单计划细化，具体安排每台染色机的生产任务。染色过程有许多工序构成，如煮练、漂白、丝光、清洗、染色等，但与一般的流程工业又有不同，在染色车间从纱或布人缸（染色机）到完成染色过程基本都在同一染色机中进行。染色也有其特点，影响因素比较多，主要有:订单的交货日期、客户重要程度、当前染色机运行状态、当前订单印染颜色与前一次任务的颜色深浅相关程度、空闲染色机容量、当前订单数量以及可能遇到的一些意外情况等。
生产作业调度系统要考虑的因素比较多，若遇到一些意外情况（染色机故障、产品需重新染色、停电等）必须重新安排染色机的生产任务。根据印染工艺和生产加工过程的特点，构建基于多Agent的车间生产调度模型，如图4所示。
图4 基于多Agent的车间生产调度模型
该模型将调度系统分为3类Agent:任务Agent，资源Agent和协调Agent，三者之间通过招标一投标制度进行任务竞标，系统建立一定的奖罚制度，对加工完的任务进行评定，实现面向车间生产过程的“实时”调度。
任务 Agent:任务Agent是动态生存的，当MES从ERP系统中调人生产任务时，系统自动生成相应的任务Agent，当生产任务完成时，任务Agent自动消失，一方面，它能存储生产任务的基本信息，例如:交货日期、质量要求、客户重要程度、订单数量、订单要求的颜色等;另一方面向资源Agent发出招标信息。
资源Agent:资源Agent对应染色车间的染色机，存储染色机的容量、前一次任务的印染颜色、当前运行状态等信息。每台染色机对应一个资源Agent,资源Agent接收到招标书时，根据自身的各信息判断是否有能力加工，然后进行投标，中标后进行加工。
协调Agent:主要任务是协调车间总体调度任务，它记录每次调度的任务属性，分配策略，评估值等信息，还存储着调度规则，能够根据资源Agent的投标书进行任务的分配。
4 生产能耗管理和考核系统
在能源日益紧张、能源价格不断上涨的今天，节约能源，提高能源利用率在企业发展中已处于十分重要的地位。在染色车间建立科学、合理的能源管理系统是十分有必要的。生产能耗与考核管理系统结构如图5所示。
图5 生产能耗与考核管理系统结构
能源数据是与生产过程能耗相关的参数。与工艺能耗相关的数据主要是染色机容量、循环泵转速、工艺要求的温度、加工时间、浴比以及环境温度等。与产量能耗相关的能源数据主要是产量、加工工艺等。
在染色车间建立工艺能耗可以为企业提供一个改进工艺的量化标准，即在不影响产品质量的前提下，企业不断探索、改进、优化工艺，在建立每台染色机的工艺能耗后，企业可以分析、总结，得出适合本企业最佳的加工工艺曲线，以不断降低产品能耗。另一方面建立能源考核系统可以规范车间能源（水、电、汽）使用，不浪费能源，进一步可对能源回收利用。
四 结论
虽然一般印染企业都已建立了自己的管理信息系统和过程控制系统，也取得了一定的效益，但现有的信息系统缺乏必要的整合，它们形成了一个个“信息孤岛”。随着印染业市场竞争的加剧，企业希望通过信息技术进一步提高生产效率以及在市场中的竞争力。
引入MES的框架模型和思想理念，构架ERP/MES/PCS三层结构体系在染色车间的应用，能较好地解决当前印染企业在生产实际过程中面临的问题。当然MES系统除了文中讨论的染色车间集中监控系统、生产作业调度系统和生产能耗管理和考核系统，还应有染色工艺管理、人员管理和设备管理等模块。其中染色车间集中监控系统已在某染色车间中得到了应用，取得了良好的效果。完成染色车间整个MES系统，可以提高印染企业整体信息化水平，为企业在节能、生产效率方面带来更大的效益。(end)
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(1/16/2008) |
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