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浅谈MES技术在钢铁企业的应用

2009-07-14 16:30:00作者：陈刚来源：

摘要MES 在钢铁企业弥补了公司级与底层控制系统之间的生产执行领域的空白。本文介绍了MES 的框架结构及在计划调度、炼钢厂生产调度、CSP 生产线上的应用。...

    MES 是Manufacturing Execution System 的缩写，即生产制造执行系统。

    在钢铁企业信息化过程中一般将信息系统与控制系统一般分为4 级，其中1 级为基础自动化系统，2 级为过程控制系统（PCS）3 级为分厂（车间）生产制造执行系统（MES），4 级为企业资源计划管理（ERP）。3 级生产制造执行系统是企业信息化的基础和有机组成，4 级是对整个企业人财物、产供销等资源的综合管理。生产制造执行系统以分厂生产管理为核心，主要目标是提高产品质量、提高产量。

    根据管理过程学派的观点，“管理”主要致力于研究和说明管理人员做些什么（计划）和如何做好这些工作（执行）两方面的内容。企业级管理关注的是前者，分厂级管理侧重于后者。表1 给出了两者的特点与比较。

表1 企业级与分厂级管理的特点与比较

    MES 定位为分厂级信息化，旨在提高企业的制造执行能力。其它地位不可能简单地被企业级信息化所覆盖，其功能也不是仅仅是实行管理与控制的信息交互那么单纯，MES 有其独特地内涵和效益目标。

1 钢铁企业制造执行系统的框架结构

    1.1 钢铁企业MES 的作用

    在钢铁企业中，过程自动化与ERP 是IT 技术应用的两个不同的方向。过程自动化系统产品和ERP 系统产品分别由不同的供应商提供。这些供应商之间互不了解，独立发展的产品和技术使得ERP 系统和过程自动化系统都具有各自的局限性。ERP 的局限性：钢铁生产是离散与连续并存的多阶段混合式的生产，从原料投入到最终产品产生的过程中存在多道工序，并同时兼有物理和化学变化。在生产过程中既要考虑资源和工序方面的限制，也要考虑到温度、能耗以及质量偏差调整等钢铁生产中的特殊因素。ERP 系统通常无法对如此复杂的动态生产过程进行细致、实时的执行管理，也无法直接获得和利用过程控制系统中的生产实绩数据。

    过程自动化系统的局限性：虽然某些过程自动化领域中的一些产品具有一定的制造执行功能，但是这些产品来自不同的厂家，不具备完整的功能规划和统一的数据结构。（例如：马钢三钢厂的转炉基础自动化和O. G 系统，分别为鞍钢设计和日本进口），因此由过程自动化衍生而成的信息系统难以满足工厂的管理需求。

    以上二者的局限性，使得企业范围的信息化过程暴露出上层计划系统与底层控制系统之间的生产执行领域的空白。MES 恰恰能填补这个空白，它不仅仅是工厂内部的管理系统，而且在业范围内的信息集成中起着承上启下的作用。

    1.2 钢铁企业MES 的结构框架

    美国的先进制造研究机构AMR 提出的3 层企业集成模型对钢铁企业的信息化具有重要的参考作用，它针对钢铁企业的特点，明示了MES 在信息化体系中的位置，并突出了生产计划与调度体系的核心作用。

    图1 钢铁企业信息化的3 层结构界定了MES的功能范围，明确了MES 的位置。在此基础上，结合了钢铁生产过程的特点，提出了图2 所示的钢铁企业MES 的功能结构的参考框架，包括10 个功能模块。

图1 钢铁企业信息化结构图

图2 钢铁企业MES 功能结构图

2 钢铁企业MES 在计划调度的应用

    MES 是面对分厂级（车间级）的先进生产管理系统，生产计划调度是其核心功能。MES 中的计划调度系统，对应与生产管理的短期计划安排，即实施层次，计划调度主要进行资源优化和计划编排，并为计划的执行和控制提供指导。良好的调度能直接控制生产的稳定和有序执行；能够预先解决生产中的干扰，缩短产品在车间的时间，减少成品库存，保证准时交货。

    根据企业生产工艺的特点，通常将制造业分为3 种类型：连续制造业、离散制造业和介于两者之间的混合企业。典型的钢铁生产介于离散生产过程和连续生产之间，属于混合型制造企业。

    2.1 钢铁行业的生产计划与调度有其特殊性

    a.钢铁企业生产工艺流程从原料投入到最终产品产出，整条物流中多数工序同时兼有物理和化学变化，是高温、高能耗工艺程序，他的生产过程存在实时性、连续性和随机性等特点，生产计划调度的复杂性很高。

    b.钢铁行业生产的关键是保证生产安全、稳定，物流畅通，最大限度地发挥瓶颈设备的能力，满负荷、优质、高效地生产。

    c.钢铁行业的生产计划和调度不仅要考虑信息流和物料流，还必须考虑能源供应。其调度决策功能需要对物料和能量提供最佳决策，决策应不仅以提高生产效率和降低生产成本为目标，同时还应将节省能源、减少污染等目标考虑在内。

    d.在制品的温度和生产时间在过程中的地位非常重要。温度太低，批次不得不重新加热，导致能耗和时间的增加；温度太高，可能会破坏工具。时间过早，机器被占用；过晚则产品的连续性会被破坏。

    2.2 MES 中的生产计划调度系统

    主要包括生产订单生成、生产计划生成和在线生产调度3 部分。

    （1）生产订单生成

    如何安排生产取决于所接受的销售订单，而销售订单一般是无续且杂乱的，不仅是不同客户，甚至同一客户的订单都包括不同规格、不同品种，甚至不同交货期的产品，而钢铁生产线只有集中安排生产有规律性的产品（比如相同钢种，相同规格且具有一定数量）在一段时间内生产才能优化工艺，发挥出自身的生产能力，降低生产成本。

    计划人员集中一段时间的销售订单，例如一周中的所有订单，然后选择品种、规格、数量等因素，根据各因素的关注程度，采用一定的算法进行归并，最后得出生产订单。生产订单包含了成品的各种信息，如：生产订单号、销售订单号、产品代码、钢种、质量代码、钢卷号、客户代码等等。

    （2）生产计划生成

    当MES 产生生产订单，并下达生产订单后，生产计划生成模块即开始运行，将订单分解至每一工序，由计算机按生产过程内部参数（如生产工序在线时间、收得率等），生成各工序的生产计划：炉次计划、浇次计划、轧制批量计划。

    ①炉次计划

    它是指炼钢厂根据合同特征、冶炼工艺、设备能力、与后续工艺的衔接关系等客观要求，对生产订单按炉次进行优化组合，达到总体生产成本最低、余材量最少，并基本保证后续工序的要求。

    首先根据生产订单要求的重量并结合各钢种冶炼收得率和连铸成坯率确定所需要钢水的重量，然后根据订单中钢材的品种、技术条件等因素确定炼钢的工艺路线，最后根据组合优化的理论，以炼钢生产中各类成本最小为目标，以一定的资源能力和工艺要求为约束，进行多目标多约束的优化组合，最终形成炉次计划。

    在组合优化中考虑的主要约束包括：同炉次内订单的钢种、规格、坯型、交货期等参数要相同或接近；符合主设备生产能力的限制；保证与后续工序的衔接；限制不常见的余材量等。

    ②浇次计划

    它是指在连铸工序中，在中间包及结晶器等易损部件不更换的情况下，连铸机能连续浇铸的炉次序列。

    由于连铸机每次开浇都需要一定的准备、调整时间，结束一个浇次时还需要更换塞棒、水口等部件，因此希望每次能连续浇铸的炉数尽可能的多，从而提高生产率，节省准备费用和调整时间。

    编制浇次计划包括给浇次分配炉次集合以及浇次内部炉次的排序。首先按照组成同一浇次的炉次所要求满足的条件建立浇次优化模型，并对模型进行初始化，然后选用一定方法求解浇次优化模型，一般可考虑采用基于规则的启发式方法或综合的智能优化方法，最后调度人员可根据实际情况进行人工调整。

    编制浇次计划主要考虑的约束条件包括：组成同一浇次的钢种成分最好相同，对异钢种连浇要根据具体情况处理；同一浇次中板坯的宽度不能频繁改变，一般按照宽度非增原则顺序排列，且变化不能太大；浇次中的炉次数量要根据塞棒和中包使用寿命进行限制。

    （3）在线生产调度

    钢铁生产过程产线长、工序多，任何环节出现故障都会影响到整个生产的正常进行。为了保证整个生产的正常进行，必须为每一个中间环节提供可供选择的调度手段，以实现正常的物流管理，以及在非正常情况下的物流有效调度。

    计划调度系统具有在线协调生产的功能，对生产线的每一个生产工序都有事件监控能力，能够判断从各二级计算机传递的监控点事件信息是否处于正常或故障状况，根据故障影响生产的时间长短，相应地调整生产计划。生产调度人员也可以对现场做出相应的协调指令，增强对现场生产的调控能力。例如：当轧制工序出现故障需排除时，二级机将送上轧机延迟信号，MES 将据此对后工序进行延时调整，并调整相应的生产计划，达到协调生产的目的。

3 MES 在炼钢厂生产调度的应用

    传统的由二级计算机构成的信息数据系统，其信息被封存在不同的应用平台和数据库中，数据的定义和采集相对独立，从而形成了许多信息孤岛，大量有用的信息分散在各个“死角”，不能有效地利用和共享，从而更无法有效地利用实时信息通过计算机组织生产。下面以江西新余钢厂为例。

    新余钢铁有限责任公司炼钢厂一期工程有2座100 t 顶底复吹转炉、两套在线吹氩喂丝设备、1台板坯连铸机和2 台6 机6 流连铸机。要组织好如此的生产规模，使生产有序进行，使用传统的二级过程计算机构建的信息应用数据平台，显然不能充分发挥现有二级过程系统的优势。

    MES 技术在Intenet、金融系统等领域都有比较成功的应用。2003 年在新余钢厂生产试用阶段，炼钢厂相关技术人员利用MES 技术对原有的二级过程计算机信息应用数据平台进行有效的扩充、优化。将其应用于生产调度中，实现了以下功能：①提供了本厂日生产计划到成品的一系列生产活动的可见信息；②利用当前可见信息和精确数据，随时指导响应并报告本厂各车间、工位的活动；③通过双方的通信优化完成本厂任务，并反馈本厂现状，为本厂计划层提供实时、精确的信息。

    3.1 MES 的系统层次

    改造后的炼钢厂自动化系统自下而上由3 级控制系统构成，分别为基础自动化级（操作级）、过程控制自动化级（钢厂级）与管理、调度自动化级（计划级）。其中，基础自动化级通过PLC 系统直接与现场检测、控制设备相连接，并通过PLC 系统实时监控现场设备；过程控制自动化级是在基础自动化级上，利用PLC 系统检测到的实时现场设备状况，将各工位生产过程通过数据形式记录下来；管理、调度自动化即使在以上两级的基础上实行以炼钢厂为单位的自动化控制系统，它一方面通过各工委的基础自动化级和过程控制自动化级实时反映各工位的生产状态和历史纪录，另一方面分解公司的生产指令，通过过程控制自动化级和基础自动化级将其实现。

    3.2 炼钢厂的操作

    根据生产调度的需要，MES 系统分为以下几部分：生产计划调度、调度指令下达、生产过程监控、技术标准浏览。其中生产计划调度负责生产计划的制定、下达和修改；调度指令下达是指调度指令及时、准确下达至各工位；生产过程监控实时反应炼钢厂各工位的实际生产状况；技术标准浏览使调度员能浏览全厂统一的技术标准。

    （1）生产计划调度

    生产调度画面分为3 个区域，左边两个区域分别为1 # 转炉和2 # 转炉的生产计划，通过这两个区域可清楚看到每一路径所经过的处理路径和各工位计划（或时间）除了开始时间。右边的区域为各工位的实际处理，例如，每工位当天处理的总炉数、炉次处理顺序、是否已经处理等。

    画面以红色和黑色表示已生产和未生产的计划。最上面的是一行工具条，从左至右依次为添加新浇次、在本浇次添加、刷新、查询、第一天记录等。

    （2）调度指令下达

    调度指令下达功能会将调度指令准确、及时地下达至调度员所需工位，并将所有调度指令存至数据库，随时可查看。当调度员向某一工位下达指令后，在此工位的二级计算机画面会自动弹出调度指令画面显示最新调度指令，若此调度指令画面已打开，会自动刷新出最新调度指令，以保证调度指令的及时性。

    （3）生产过程监控

    生产过程监控是指现场实际生产状况的实时显示。通过画面颜色的变化和各工位的主要数据的显示，清楚直接地显示了整个炼钢厂的生产状况。各工位的子画面以逼真的动画示意详细描述了各工位的生产状况和一些计算预计结果，供炼钢厂调度员能做出最佳判断，提高工作效率。

    （4）技术标准查询

    调度员可通过输入钢号浏览钢号所对应的所有技术标准，通过此功能可快速、准确地了解相应钢号的技术标准，是保证生产调度准确执行的一个辅助功能。

     4 结语

     目前，我国钢铁企业的运行管理方式还比较落后，在钢铁企业综合自动化系统研究与发展中对MES 还没有给与足够的重视。多数企业完全由人工来编制生产计划，效益低、计划不尽合理、调整计划非常困难。调度人员工作强度大，极大的制约了生产管理水平的提高。

    MES 在钢铁企业运用的越来越广泛，通过许多的企业应用后，对提升企业的执行能力具有不可替代的功能，能充分发户企业信息化的作用，提高企业的竞争力。■（责编：Catherine）