应用MES（生产执行系统），对工厂进行整体优化
摘要：
中国加入WTO以后, 中国的钢铁工业面临诸多挑战, 如更加灵活的生产, 更苛刻的质量要求以及具备竞争力的成本。这些目标只有通过投资具有成本效益的生产线，使用最新的科技才能够达到。
目前，独立的生产线的自动化水平和优化程度已经很高，进行进一步改进的空间非常有限。而ERP（企业资源策划）系统仅局限于总体生产计划的编制，并没有考虑设备的实际状态和生产线的工艺约束。因而现代化的工厂需要通过使用最新技术，联合多个独立的生产线组成一个优化的生产链并连接基础自动化级,过程级与管理级。根据MESA（制造执行系统协会）的定义，MES是对从下达订单到生产出最终成品的生产过程进行优化的信息系统。
本文详细描述了钢铁工业MES系统的不同功能模块和典型的系统结构。通过分析一个具有成熟功能的实际案例，揭示了MES系统为工厂的所有者带来的效益。
正文
MES系统是企业信息化建设的重要组成部分
中国加入世界贸易组织后，中国的钢铁工业正在面临几个主要的挑战；它们是：
?更为灵活的生产
钢铁工业的客户期望在定单执行、定单修改方面有更大的灵活性，同时缩短和保证交货时间。
?产品质量方面的更高要求
对于所有客户的复杂产品结构，卓越的产品质量是企业成功的关键因素。同时，国际质量标准要求详细而完整的产品生产质量文档。
?具有竞争力的成本定位
具有竞争力的价位是能够在国际化的钢铁市场中生存的重要因素。这必须通过以提高生产率，设备作业率为手段，提高产量和经济效益才能够达到。
所有这些目标，只有通过投资具有经济效益的生产线并使用最新科技才能够实现。
目前，独立的生产线的自动化程度和优化水平已经很高，进一步改进的空间非常有限。另一方面，ERP （企业资源策划）系统局限于总体生产计划的编排，而没有考虑设备的实际运行状态和生产线的工艺约束。
因而现代化的工厂需要现代科技作为企业信息化建设的重要组成部分，联合多个独立的生产线构成生产链（水平集成），并连接生产层与管理层（垂直集成）。完成这项特定任务的系统称为MES系统（制造执行系统）。
根据MESA（制造执行系统协会）的定义，MES是对从下达订单到生产出最终成品的生产过程进行优化的信息系统。
图（1）信息的水平集成与垂直集成
图（2）MES系统在企业信息化建设的重要地位：
用于冶金企业的MES功能
作为企业信息建设的重要组成部分，MES系统包含多种不同的功能。功能的取舍，取决于特定的工厂环境以及所期望的效益。
图（3）MES系统功能概貌
备注：这是根据MESA模型建立的MES功能说明1至11。
MES功能1 －资源分配
这项功能管理各种资源，包括机器、工具、劳动力技能、材料、气体设备，以及其它各项内容，如开始操作时必须提供的文件。它提供详细的资源历史，保证设备的正确设置，并提供实时的设备状况。这些资源的管理包括资源的保存和调度，以满足操作时间安排方面的目标。
MES功能2 －操作/详细排产
这项功能根据与具体生产单位的优先级、属性、特征和/或配方，在操作中对生产顺序，如颜色排序的形态或其它特征进行优化，从而可以通过正确的顺序，使对设备的调整降低到最小。系统限制和识别生产路径并考虑生产的重叠性与并行性，从而计算出精确的时间和设备负载并对生产调度进行调整。
MES 功能3：分配生产单元
系统以任务，订单，炉次，批次以及生产指令对生产物流进行管理。调度信息以生产序列的形式呈现并依据生产实绩进行实时调整。MES有能力改变
以下达的计划，重新生产，补救生产以及通过缓冲区管理来实时控制生产线负载。
MES功能4 －文件控制
这项功能可以控制生产单位必须维护的记录/表格，包括工作指示、配方、图纸、标准操作程序、零件加工程序、批量产品记录、工程设计变动通知、班次间的通讯，以及编辑“按计划角度”和“按制造角度”的信息。它对操作现场下达指示，包括向操作人员提供数据，或向设备控制装置提供配方。它还将包括环境、健康和安全条例的控制和完整性，以及ISO信息，如纠正措施程序。历史数据的存储。
MES功能5 －数据采集
这项功能提供一个接口链接，用来获取中间产品和参数数据，填写在生产单位的表格和记录中。这些数据既可以从工厂现场进行人工收集，也可以从设备中自动收集，并保证数据的及时更新。
MES功能6 －劳动力管理
该功能提供工厂员工情况的实时报道。包括记录员工的考勤情况及时间、资格跟踪，而且可以记录员工的非直接工作，如材料准备、工具间工作等。这些都可以作为动态成本核算的依据。该功能可以与资源分配软件（1）协同工作，以达到最佳的人力资源分配。
MES功能7 －质量管理
系统从生产过程采集实时测量信息，并对其进行分析以确保严格的产品质量控制，同时鉴别潜在的质量问题。系统可以提示问题纠正方案，包括相关现象，行为以及原因的诊断。同时可以包括SPC/SQC以及对实验室信息管理系统（LIMS）中的离线质量检验和分析进行跟踪和管理等功能。
MES功能8 －生产管理
对生产进行监控并自动纠正或提示操作员纠正生产中存在的问题以改善生产线的在调节性。这些调节重点着眼于受监视和控制的设备，并逐次跟踪。系统可以管理报警以确保工厂人员了解可能导致超差的生产变更。该功能通过数据采集功能，提供MES与智能设备的接口。
MES功能9－维护管理
系统跟踪并指导设备或工具的维护工作，确保设备满足生产需要以及定期维护或预防性的维护计划顺利实施，并且确保发生事故时的快速响应（报警）。系统可以记录设备的历史事件和故障，以协助故障诊断。
MES功能10：产品的宗谱与产品跟踪
该功能可以全程监视产品的用途和加工状态。状态信息包括加工者、原料的供应商、批号、序列号、产品当前状态、报警、返工以及其他和生产相关的异常情况。通过这种在线检测功能记录了产品的历史，从而可以追踪产品的生产历史和最终用途。在冶金行业中原材料、中间产品和成品的精确物流配送主要通过先进的仓储管理系统来实现。
MES功能11：性能分析
该功能提供实时生产实绩以及与历史数据的比较和期望的结果。生产实绩包括诸如资源利用情况、资源使用率、生产周期以及与计划和标准符合情况等。同时也可以包括SPC/SQC。系统可以从其他功能模块提取运行参数，结果可以以报表形式输出或作为实时性能评估在线显示。
运输物流
作为物料跟踪和宗谱的重要组成部分，冶金行业的原料、中间产品和成品的运输物流，主要通过料场管理系统实现。
优化和仿真
这项功能虽然不是MESA直接定义的功能，但是对完整的MES是不可缺少的。通过诸如切割计划计算等功能，可以优化材料的使用。一个合理规划的、使用适当工具的仿真，在试车或软件更新前对所有MES模块的测试是必不可少的。
能源管理
这项功能虽然不是MESA直接定义的功能，但是对MES的完整性却是不可缺少的。在钢铁厂，尤其是在液态/热钢阶段，要消耗大量的能源。任何能源管理系统的主要目的，是向企业能源管理人员提供信息和工具，使他们能够通过能源流动管理，以最为有效的方式降低成本。
能源信息实时地提供给所有的工厂设备，并且采用方便的格式。能源工具应该确保最佳的分析、时间安排和计划，从而能够制定出能源方案，并预测潜在的本地和全局性的能源高峰。
客户定单管理
这项功能虽然不是MESA直接定义的功能，但是对MES的完整性却是不可缺少的。这项功能的表现形式独立于上层的（ERP）系统。它至少可以取代一部分ERP功能，或包括在其中。这项功能可以反映客户-生产商的关系，以及他们的供货协议。因此，与采购和供应链之间的紧密联系是必要的。从技术上讲，这是一个把顾客要求转化为具体生产数据的过程。此功能需要一套完整的工艺数据和工艺规则的支持。同时该功能也可以用于平衡原料和成品的定货量。
预先计划功能
该功能不是MESA（MES协会）直接定义的功能，但是对于完整的MES 系统是必要的。它的表现形式取决于上级管理系统（ERP）。该功能为工厂所有的生产单元制定长期生产计划和生产能力计划。因此，可以详细编排出客户定单的交付日期，从而平衡工厂的全部生产资源。
数据仓库
该功能不是MESA直接定义的功能，但是由于必须对数据进行长期保存（可以达10年），所以对于完整的MES系统而言，该功能是必要的。这些数据可以用于日后的数据评估（如：统计、工艺研究、客户投诉）。同时长期数据存储也是一种法律义务。
MES系统结构
除了MES系统功能，另一个重要问题是MES系统成熟的系统结构。如果下列的系统结构要求不能被满足，所有的MES系统功能将无任何价值可言。
?高性能
系统（软件和硬件）设计必须能够实时响应其任务的要求（实时响应能
力）
建议：
o多处理器环境
o充足的内存
o正确的系统参数和数据库参数
o高速网络
o瘦服务器软件设计
?高可靠性
由于冶金企业的连续生产的要求，为避免生产波动甚至由于系统错误造成的停产，必须采取措施使系统更为可靠。
建议：
o重要硬件的冗余，如：供电，硬盘及其控制器，处理器
o使用人工或自动故障恢复策略，如：备用系统，集群系统
o数据安全，如：有效的备份策略，硬盘镜像（RAID）
?硬件和软件的可测量性和可维护性
MES系统必须易于在基础投资上进行经济的扩展。鉴于此，较高的初次安装的投入是必要的。
建议：
o选择在过去生产线的操作中向上和向下兼容性稳定的硬件和软件提供商
o硬件和软件必须易于扩展
实时数据库与关系数据库
由于每个MES系统都处理着大量的数据，拥有一个先进的数据管理系统是很重要的。在使用ORACLE公司的关系数据库系统（RDBMS）时，这一优势很突出。在类似冶金行业的连续作业环境的作业中该数据库的能力得到了证实。
现代数据库是基于关系型概念的。通过定义关系（如外键），数据库对象（如表）可以相互关联。
关系型数据库的实时性是通过事件驱动机制来实现的。事件驱动机制（如触发器），允许数据库应用程序立即响应事件，如数据电文或操作员输入。另外，巧妙的物理和逻辑数据库及其应用程序的设计也是确保系统实时性的必要条件。
无线通讯与可移动访问
在工厂中有许多工作地点是不可能设置固定的客户端设备的。过去操作员为了和固定的客户端设备联系，必须要离开工作地点才能完成。由于这种不合理的工作地点到HMI客户设备的信息传送方式（如：电话，或者记录在纸上），造成了时间浪费甚至数据的丢失。
建立在成熟的可移动设备基础上的现代无线通讯技术允许操作人员在工厂的任何位置与MES系统进行通讯。
适用场合：
●维护
●质量检查
●库存管理
●材料入库/发运
●生产器械准备
长存期数据储
由于不断提高的国际质量标准要求，所有成品以及中间生产过程的相关数据必须保存，以利于日后的访问。因此，MES系统必须具有集成数据仓库。要求：
●数据从生产数据库转移到数据仓库必须迅速，并且具有很好的可维护性。
●具有快速简便的数据访问工具以及进行数据存储的应用程序和文档。
为达到此目的，一个重要的问题就是在仓库数据库存储大量数据的方法。为能够快速访问表中数据，推荐使用数据库表格分区功能将数据库的表格内容细分为不同的逻辑区域。
西门子MES业绩
西门子为中国提供MES系统以有20多年历史。宝钢的2030毫米的冷轧钢厂和2050毫米的热轧钢厂的FLS系统是中国钢铁行业中最早的计算机管理系统。珠江和包头最新的CSP厂也装备了西门子的MES. 宝钢的轧板厂和梅山钢铁公司炼钢厂也与我们签订了新的定单。
所以，西门子不仅可以通过在世界各地的成功案例，也可以通过在中国的业绩显示其在MES系统上的丰硕经验。
下面通过描述一个大型复杂的MES系统，揭示西门子是如何实施MES 系统，来满足客户要求：
在位于德国Ｄuisburg的蒂森克虏伯钢厂（Thyssen-Krupp-Stahl）公司的新的薄带钢连铸机和轧钢厂
作为大规模电气设备供货的一部分，西门子公司工业系统及技术服务集团连铸与热轧部为坐落于德国Duisburg的蒂森克虏伯钢厂（Thyssen-Krupp-Stahl）公司的薄板坯连铸连轧厂设计并实施了MES系统。
1999年4月2日，MES开始调试两个月之后，就产出了第一卷带钢。
工厂布局
?共用中间包的二流连铸机以及420吨钢包
?配备有运输辊道的再加热炉
?七架轧机
?层流冷却
?一台旋转卷取机和两台单一卷取机
?打包机和打号机
?钢卷库
西门子提供的MES主要功能
?详细排产
基于遗传基因算法的排产模块把一系列的用户定单转化为生产计划。制定生产计划时已经考虑了大量的计划约束。这些约束包括用户定
单的约束，工厂设备约束和连铸连轧工艺的特殊要求。
?紧急计划
当生产出现紧急情况（如：连铸断流，非计划换辊，浇铸耽搁等等）时，原有的生产计划将不能继续。这时，紧急计划模块必须适当的调整计划，以最佳的策略继续进行生产。
?质量管理
系统在各个生产阶段连续分析和记录产品质量。当生产条件改变时，具有重新分配客户定单的能力，以满足产品的质量要求。
?维护管理
包括完整的轧辊间管理（包括：轧辊修磨，轧辊装配，换辊，轧辊磨损记录等）和对中间包、结晶器和扇形段等重要设备的管理。
?产品跟踪和产品的宗谱
从钢水的接收直至成品的发送，系统对炉次、板坯、钢卷进行连续的跟踪。所有与原料和生产相关的数据将被记录。
?生产实绩分析
提供大量报表，归档生产实绩（如：生产详情，质量，产量，成材率和损失）。
?库存管理
应用三维定位系统，在库区内对所有钢卷自动进行跟踪。系统自动生成运输指令，以优化库区内和发货（通过卡车和火车）时的物流。
?数据仓库
由于客户要求完整的质量文档，所有与质量有关的重要数据必须在数据仓库里储存一年以上。这些数据能够通过与线数据库相同的HMI 工具进行访问。另外，用户可以使用本系统对生产线进行分析，并寻找改进方案。
?文件控制
通过有限制的网页浏览器向操作者提供诸如工作状态、安全防卫说明、使用手册、管理笔记等文件。
计划与排产
计划与排产目标是为ＴＳＣＲ厂制定出三班倒最优生产计划。该系统通过利用客户指定的交货日期，支持以定单为依据的生产。
计划的依据是当前订单库池，以及补充未来的低优先级的定单。该订单池可以包括库存产品的定单。根据该订单池，作为西门子ＭＥＳ重要部分的计划编制程序编制一个或多个连铸、连轧程序（ＣＲＰ）。包括双流连铸机的计划程序、炉次、板坯等。
计划编制程序考虑了许多工艺限制条件，除订单属性外，还考虑了钢种的分组、轧制宽度、换辊等。
只有计划编制程序生成的生产程序，才能够使得钢厂、连铸机、轧钢机在最佳组合状态下运作。否则，对个别装置的单独计划将会导致生产流程的实质的性能损失，而无法达到最佳的生产状态。
计划编制程序（ＳＱＰ）区分了两种不同的计划模式：
标准计划
产生新的连铸连轧程序
图９全自动标准计划窗口：
用户可通过不同的参数控制标准计划，两个重要参数是：
CRP型：根据如下参数选择不同特点的连铸连轧程序：反映结晶器宽度范围、板坯的厚度、带钢宽度范围、主要带钢厚度范围（在轧制寿命结束时）、中间轧制变化（有／无）、按连铸连轧程序减少的最大允许板坯宽度及每个程序的最大炉次等连铸连轧程序参数。
连铸组：选择一组钢种，能够在一个浇铸程序统一浇铸。
连铸组通过主表对话框进行定义
计划编制程序使用不同的数学方法找到生产程序的总“成本”的最佳连铸连轧程序。该成本用于生产准备时间，模具变化、结晶器变化、换辊、浇铸次序、切头需要的废料。
用户可以制定、比较、选择最适合的计划方案。
图１０显示轧制程序的原理。每个竖条代表一个已经计划的板坯
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紧急计划
当出现紧急情况时，如连铸断流、非计划换辊等时，程序计划者能够更新原编制的生产程序。不同的对话框针对实际的工厂情况促使操作员将紧急计划的成果最大化。操作员可以选择不同的参数。紧急计划在计划编制程序的操作下自动生成。
图１２显示紧急计划情况下，对话框的实例。
物料跟踪
物料跟踪的目的是，向所有终端客户提供全厂范围的生产的材料的状态和当前地点的概况信息。如：
?炉次
?板坯
?带卷
物料跟踪同样告知了生产单元的状况并显示了挑要工序的选重价值。但它不意味着取代由工序区域计算机为它们所分别负责地区提供的详细的材料跟踪。一些详细的过程计算机跟踪图像的详细信息可以从用于总的材料跟踪的MES中得到。
在TSCR厂中，总的物料跟踪根据地点来区别：
?炼钢厂的预计炉次
?连铸机
?再加热炉
?轧机包括冷却区和卷取机
?传送链
?检查段
?钢卷库
模块保持了一个从加工区计算机，或由对话框或标签读取器进行的材料特性的输入而获得的信息的跟踪映像。另外，工厂操作人员能够通过在生产过程中对不正确映象，通过对话框来纠正。
图（13）所示为MES物料跟踪的原理结构
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...
图（14）TSCR厂的典型物料跟踪对话框：
宗谱的详细情况
为了拥有材料的全部历史和使用情况的信息，就必须建立一个材料的家谱。设想由某种材料的编号开始，可以向前或向后看到与材料相关的材料加工和其他事件。可以向前或向后看到与材料相关的材料加工和其他事件。这种视图包括实际情况中带有物料编号的材料的实际部分的横切、纵切和结合。
家谱是用于在如下情况中炉次/钢卷的组合和切割的：
? 1 到 n 个关系
?n 到 1个关系
?n 到 m 个关系
关系的每一个部分在实际材料编号的情况下可以有不同的历史数据。
钢卷库管理
在打包、称重和标注后，已加工的热钢卷通过特殊的钢卷卡车被运往附近的钢卷库。钢卷库包括两个跨。一个跨里有两个起重机，另外一个有一个起重机。厂房被分成排和空地以将钢卷装成两层。
我们的MES钢卷库管理具有如下功能：
?从钢卷的入库到发运，在钢卷库内进行所有钢卷的管理和跟踪。
?在存放区域内生成、监督和管理至起重机和过跨的运输指令
?监督和管理使用火车和卡车的发送
起重机和过跨车由PLC来控制，并装有用于自动确定钢卷的位置的x/y/z调节位置度量系统。
图（14）显示，在一排中排成两个垂直层的一个钢卷场地跟踪对话框。
质量管理
西门子MES质量信息系统（QIS）通过对探测到的质量偏差来告知已加工的产品的质量并在线控制质量。这样它就能决定炉次、板坯或钢卷是否达到了设计的质量规格。
质量信息系统有如下的目标：
质量信息:
通过回答如下问题反映炉次、板坯和钢卷的质量：
?一个炉次、板坯或钢卷的加工过程？
?在炉次的化学分析中有无化学成分超标？
?通过炉次化学成分分析，可以达到哪一个钢种？
?在板坯和钢卷的生产中有无超标值？
?在板坯和钢卷中在哪里超标？
?板坯和钢卷中可能的质量缺陷在哪里
质量控制:
在生产过程中对质量偏差的在线反应：
?在生产线上的不同控制点评估炉次、板坯和钢卷的质量。
?根据生产定单的要求比较质量实际数据。
?在出现偏差时，要求从模块再申请器上对炉次、板坯和钢卷进行在线的重新申请，而这个模块再申请器可能最终导致对后续加工步骤的生产指
令的在线更新。再申请器根据适当的生产指令搜索数据库，并把他们分
派到材料处，将更新的生产指令送到辅助的加工区域计算机。
图（15）过程值趋势对话框