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济钢中厚板产线MES分析与设计 |
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1. 钢铁行业MES国内外发展现状
进入21世纪后随着信息技术、网络技术的飞速发展，企业管理对信息化的需求也在不断地扩大。为了取得任何有价值的突破，必须用信息化带动新型工业化的发展，建立以ERP(企业资源规划)、MES(制造执行系统)和PCS(过程控制系统)三层架构为基础的企业综合自动化系统，将市场、制造商、供应商和合作伙伴的相关业务都列入企业管理的范畴，是实现产业链各利益方多赢的必然途径。
很多钢铁企业都在建设ERP系统，实践中人们发现ERP系统并不像原来期望的那样能一揽子解决企业复杂生产管理问题，它更不能适时集聚或发散实时的生产过程信息，ERP系统如同空中楼阁，既不能很好运行，也没有达到企业资源优化的目标。上层管理信息化系统与下层执行自动化系统欠缺一个有机的链接单元。需求推动进展，解决这个问题的MES生产执行系统应运而生。
国际制造执行系统协会MESA给出MES定义：MES是对从下订单到生产出最终产品的生产过程进行曲优化的信息系统。钢铁企业在实施信息化过程中，MES是不可或缺或不可逾越的生产自动化与管理信息化之间的重要桥梁。从生产实际看，MES的最有效的功能是数据采集与传递，采集生产现场中的各种随机实时的数据信息，例如加热炉的各控制点温度、投料数量、正在轧制的钢板厚度等等。
1962年，英国RTB 钢铁公司建成生产控制级系统，将生产管理和过程控制衔接起来，成为早期钢铁企业MES 系统。20世纪六七十年代，美国麦克劳斯钢厂建成热轧生产控制级系统。我国的台湾中钢公司开发了蕴含着MES 的整体产销系统。欧洲的钢铁企业，如蒂森克虏伯、奥钢联使用了欧洲专业公司开发的制造执行系统套装软件。韩国的浦项、日本的新日铁以及我国的宝钢都开发出了钢铁工业制造执行系统。武钢、攀钢等建成了重点生产线的MES。
随着计算机技术应用于钢铁生产管理的发展，近些年国外出现了专门应用于生产执行的生产执行系统（MES），也称产销一体化系统，使得钢铁企业生产管理可以实现1级计划管理，即生产部计划可以集中作到炉次、浇次、轧次，分厂只须作业执行。目前，国内宝钢、武钢最先引进国外MES，实现了一级生产计划管理，取得了明显经济效益。鞍钢也正在开发产销系统。沙钢、酒钢首先进行机构改革，撤消分厂，现场只设作业长，也是为了全面引进国际先进的一级生产管理模式。不管是先进行机构改革，还是先上产销系统，其发展方向是确定的，即最终实现一级生产计划管理模式。
2、济钢MES系统概述
济钢是我国十大钢厂之一，是国家500强企业之一，济钢ERP系统是以MRPII(制造资源计划)为核心，并结合济钢实际管理组织情况开发的一套集生产、库存、成本及销售为一体的集成化管理信息系统。系统功能覆盖市场分析预测、工程数据管理、生产计划管理、物料需求计划管理、采购供应管理、生产能力分析、在制品工时工序管理、原材料及成品库存管理、客户定单管理、质量管理、售后服务管理、办公自动化等等，对企业进行动态协调，使企业处于全面受控状态。
但由于缺乏MES系统的有效链接，ERP信息形若孤岛，与各生产厂内部的L1/L2信息不能进行无缝链接和有效组合，直接影响信息化手段的显性效能和潜力，在生产执行和管理方面存在有以下几个缺憾问题：
1、 与总公司ERP系统没有好的数据接口，计划还需人工输入和下达；数据采集只限于L3，在分厂内部进行管理，没有实现资源的公司级共享。
2、 系统数据不准确，经常出现实物库存与电脑库存严重不相匹配的情况，使生产数据的统计产生一些混乱，有关财务的数据因此无法有效使用，只能采用人工录入方式补充进行。
通过开发MES，可以提供基础自动化系统、过程自动化系统无法实现的车间级调度管理功能；提供ERP等管理信息系统无法实现的生产数据的获取与分析功能，成为车间生产和企业管理之间的桥梁，可以为企业带来现实的或潜在的经济效益，包括：确切掌握生产状况，提高交货准确度，达成产销配合；正确掌握生产状况及不良品之追踪，降低生产成本；对产品生产数据进行管理，方便进行品质追踪，提高产品服务质量；有效避免不良操作，提高生产效率；有效利用生产设备，充分利用产能；能正确快速制订生产决策，提升企业竞争力。济钢ERP系统与MES及各分厂二级PCS控制系统的关系如图1所示:
图1 ERP系统与MES及各分厂PCS关系图
MES系统的实施为了对ERP生产制造管理功能的支持和完善，实现济钢信息系统产销一体化的目标， MES系统的实施与ERP系统同步进行。在产销一体化方案设计中，ERP系统根据需求预测和销售订单形成综合的生产和管理计划，MES系统根据ERP系统生成的主生成计划进行详细的生产计划排序和调度安排，下传作业指令到二级系统完成全部的生产过程。同时，MES系统从二级系统对生产实绩和质量信息进行收集、汇总并反馈到ERP系统，形成从销售、计划、工序管理、作业排程等完整的生产管理体系。在产销一体化方案设计中，MES系统分为产销一体化系统和分厂L3级自动化系统两个层面。产销一体化系统主要完成钢后生产排程，包括APS、作业排程、炉次、浇次、轧次等工序计划管理和现场作业管理以及相关生产管制。L3级自动化系统主要完成分厂L3级计算机网络建设和现场作业执行与跟踪系统，从而完成下达的生产排程任务和作业实绩的收集。
3、 济钢中厚板产线MES功能设计
济钢中厚板厂产线MES设计目标是：建立中厚板产线MES，实现全线生产管理（生产计划、动态调度、执行跟踪）自动化，稳定均衡生产，快速动态调度，提高生产效率，减低生产成本，规范生产管理方式，改善生产决策环境，实现中厚板生产线生产管理现代化。
中厚板厂MES的主要功能是：接收上层ERP系统的中厚板生产计划数据，监控中厚板厂生产线生产状态，控制生产进程，提供物料需求信息；反映中厚板生产线设备运行状态，将生产线的各个L1/L2级自动化系统连接起来，执行生产计划，下达制造命令、制造标准；跟踪全线物流，并对计量、质量信息进行采集、判定、跟踪；形成各种生产统计报表等。
中厚板产线MES与各二级PCS系统的关系如图2所示:
图2 ：MES与PCS的关系
中厚板厂作业管理共分八个业务功能模块：轧钢作业管理、精整作业管理、钢板库管理、轧辊管理、运行实绩管理、板坯库管理、作业指示管理和其它管理。其功能描述如下：
⑴ 轧钢作业管理：作业计划的录入,板坯信息输入,装炉计划录入与查询（指定板坯的装炉位置、加热炉号、道次号）；加热炉（装炉、出炉、缺号）、轧机（粗轧机、精轧机）、ACC、矫直作业实绩录入；轧钢区域内各工序作业实绩查询。
⑵ 精整作业管理：1~3#冷床、剪切、火焰切割、喷号、落地板上、下线等作业实绩录入；钢板质量检查实绩录入与查询（表面、成品检查、UST探伤、钢板修磨等）；精整作业实绩查询与修改。
⑶ 钢板库管理：临时堆叠区钢板实绩录入与查询；钢板入库、库内移动、出库、退库实绩录入；钢板库库存、库图查询。
⑷ 轧辊管理：轧辊、轴承、轴承座入库和报废实绩录入与查询；轧辊装配、使用、磨削、故障实绩录入与查询；轧辊、轴承、轴承座库存查询。
⑸ 运行实绩管理：中厚板生产线各工序生产现况信息查询；中厚板生产线各工序停机实绩、能源实绩录入与查询；各类板边和轧废钢板信息统计与查询。
⑹ 板坯库管理：三炼钢板坯库库存、库图查询；中厚板板坯信息录入与查询。
⑺ 作业指示管理：轧制指示、精整指示、工艺参数查询；中厚板生产制造标准录入与查询。
⑻ 其它管理：加热炉标准管理信息录入与查询；班原料消耗、轧制量统计查询。
中厚板作业管理系统功能包图如图3所示:
图3：中厚板作业管理系统功能包图
4、MES软件体系结构
作为企业应用软件，MES 系统应具有分布式的软件架构。随着网络技术的发展和应用需求的变化,分布式应用软件的架构逐渐由原来的二层C/S 架构转化为三层或多层分布式架构。
为了便于部署、扩展与维护，结合钢铁行业典型MES成功经验，本系统技术架构在逻辑上采用三层架构，包括表示层（presentation），业务层（business），和数据存储层（data access）等三个层次。其中表示层主要职责是为用户提供信息，或将用户的操作指令翻译成数据包传给业务层。业务逻辑层主要是对用户提供的指令和数据进行校验、再加工后存储到存储层，也负责将数据存储层的数据提取出来返回给表示层。数据存储层指数据库，包括表、视图、存储过程、触发器等数据对象。其逻辑示意图4如下：
图4：应用架构分层示意图
在数据库存储层，其基本功能就是存储数据。但考虑到后台实现数据操作的便利性、易维护性与数据传输的必要性，本系统鼓励通过存储过程、触发器去实现业务逻辑与数据加工。也就是将部分业务逻辑部署在数据库。
在新的架构中,所有复杂的业务逻辑和大量的计算工作被编写为组件安装在中间层的应用服务器中,这部分功能在两层C/S 架构中主要是在客户端完成[2]。
考虑到部署的方便性与MES的实时性，本系统在表示层采用Form窗体与WEB窗体两种技术实现，一般Form窗体用来处理数据采集与数据控制相关功能，而WEB窗体用来实现远程报表发布功能。其主要技术定位是提供用户交互界面，并根据用户指令调用业务逻辑层提供的业务接口实现数据包的传递与接收、显示。
在业务逻辑层，采用工厂模式和façade 模式相结合的设计方式。本系统着重划分以下模块实现，即业务接口模块，业务规则模块，数据访问模块等。其中业务接口模块是提供给表现层的接口，并将用户指令操作结果返回；业务规则模块根据用户指令和数据的不同，将该指令划分给不同的构造器进行处理。并构造出实体。数据访问模块用来执行业务规则构造的实体并具体实现对数据库的操作。
在数据库存储层，其基本功能就是存储数据。但考虑到后台实现数据操作的便利性、易维护性与数据传输的必要性，本系统鼓励通过存储过程、触发器去实现业务逻辑与数据加工[4]。也就是将部分业务逻辑部署在数据库。
5、小结
济钢中厚板产线MES是根据中厚板厂的生产设备实际状况，结合企业信息化建设的实施和企业生产管理需要定制开发的，包括生产线的计划下达、信息收集、质量跟踪及在线质量判定、流程优化等，解决了上下工序间协调运作、生产信息及时传递、成本分析细化的问题，有利于生产管理综合平衡职能的发挥，建立了一个集中、共享、统一、协调的生产线管理体系。该系统的投入运行提高了作业率，规范了生产管理方式，改善了生产决策环境，确保了信息的及时准确传输，有利于稳定均衡生产。
参考文献
[1]（美）Graig Larman著，姚淑珍 李虎等译，UML和模式应用——面向对象分析与设计导论,机械工业出版社；
[2] 朱茜,陈福民,徐冰 著，基于三层架构的电视台广告管理信息系统[J].计算机工程,2002,18(6):10-13;
[3]（美）Len Silverston著，林友芳译，数据模型资源手册,机械工业出版社；
[4] （美）Hector Garcia-Molina、Jeffrey D.Ullman、JenniferWidom 著，杨冬青 唐世渭 徐其钧 等译，数据库系统实现,机械工业出版社(end)
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(11/8/2008) |
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