MES系统在鞍钢无缝钢管厂的应用

    企业信息化是指企业利用现代信息技术，以企业过程再造为基础。通过对信息资源的深入开发和广泛利用。实现企业经营活动的自动化、管理方式的网络化、决策支持的智能化和商务运行的电子化。不断提高企业生产、经营、管理、决策的效率和水平。进而提高企业经济效益和市场竞争力的过程。目前，在钢管制造领域。多数企业还没有进行完整的信息系统规划或建设。在实际生产管理和企业发展中遇到大量问题。无法及时为管理层提供准确的决策支持，制约了企业核心竞争力的进一步提升等。

    钢管制造企业在全面实施自动化、信息化建设过程中，光靠提高设备控制的自动化水平并不能解决全部问题。在设备和过程控制系统之上存在产销一体化管理的功能需求，必须实现过程信息与管理信息的全面集成。本文重点介绍MES系统在鞍钢股份有限公司无缝钢管厂(简称鞍钢无缝钢管厂)的应用情况。

　1 MES系统实施的背景

    鞍钢无缝钢管厂是鞍钢股份有限公司下属的一个成材厂，拥有4条热轧生产线、2条石油管加工生产线、3套(台)热扩管机组；生产规模大，品种规格多，工艺复杂，装备水平高，具有完善的基础自动化系统(L1)、过程自动化系统(L2)、先进的钢管连轧生产工艺。鞍钢无缝钢管厂生产工艺流程如图1所示。

 

图1 鞍钢无缝钢管厂生产工艺流程示意

    鞍钢无缝钢管厂原先采取二级人工管理的粗放式手段，由人工完成生产计划的下达和调度，生产线上各单体设备之间的信息传递也是依靠人工传递报表来实现，一级生产计划由股份公司下达生产任务；二级分厂作业计划是由分厂进行合同归并、制定日作业计划，由厂级制定月、日生产计划，下达至各生产线并实施执行。厂级计划员既要保合同，又要保生产，还要根据原料材质、钢坯直径、管体外径、下料长度等进行综合考虑，将同规格产品集中轧制，减少换辊时间，减少换工具调整及生产准备时间，提高轧管机作业率。这种管理水平虽然可以满足大批量、单品种的初级生产阶段需要，但当信息传递不及时或不畅通时就会出现“信息孤岛”现象，从而影响生产的正常运行，与完善的L1、L2自动化系统不匹配．制约了生产效率的提高。

    随着生产规模的不断扩大、产品品种的增多、高钢级产品的开发、市场竞争的白热化以及生产经营的国际化，落后的生产计划管理模式已难以满足现代化大型企业管理的要求。由于管理水平落后，人为因素难以避免，经常出现对计划执行信息掌握不足的现象，造成多次换辊、换工具，钢管成材率低，能源消耗大，轧管机能力达不到最高水平，非计划产品率上升，销售利润下降等问题，致使计划执行兑现率低，时常发生交货期延误或错发现象。改革这种滞后的管理模式势在必行。因此，对MES系统进行研究，并开发出实用的MES系统具有重要的实用价值。

    无缝钢管MES系统的设置。给技术现代化和管理现代化提供了环境和工作平台，使一流工艺技术的实现成为可能。

　2 MES系统的应用

    2.1 MES系统配置

    鞍钢无缝钢管厂的MES系统是一个集中计算机技术、网络技术、数据库管理技术及信息管理应用技术的有机整体。由5套服务器、5套开发维护终端、1套网络管理终端、75套操作终端、16台打印机及相应的网络应用和网络安全设备构成。

    1)服务器配置

    MES系统的服务器包括1套防病毒服务器、2套串口通讯服务器、2套数据库服务器。数据库服务器的选择主要根据系统的数据处理量及处理速度的要求而定，设备型号为IBM P55A。该型号的小型计算机在处理能力上保证有足够强的能力。并有适当能力冗余，以保证将来能进一步扩大其功能。数据库服务器采用双机热备方式，磁盘阵列采用IBM DS5300，保证数据和应用的安全。

    2)客户端硬件配置

    在钢管厂各个部门和生产线上，根据职能设置相应的操作终端，进行设定、显示和操作。操作终端包括生产计划、技术质量、各条生产线共75套。客户端统一选用HP品牌的PC机(型号为DX2068)。客户端的选择主要考虑其相互之间的一致性。同种类型的计算机在进行网络连接时出现不兼容的情况很少，因此可以从硬件的角度保证系统的可靠运行和网络的物理安全。

    3)打印机配置

    打印机采用条码打印机Intermec Px4I，激光打印机HP2015D。

    4)条码扫描设备

    条码扫描设备采用Intermec MODEL 730。

    5)系统的运行和开发环境

    选取操作系统时，考虑到操作系统是多用户共享，一个用户可能会对其他用户产生有意无意的破坏，因此选择IBM AIX操作系统作为数据库服务器端。该操作系统性能非常稳定，且安全性高。客户端操作系统选择了应用较普遍的Windows XP专业版。

    在开发工具的选取方面，前台的开发工具利用Power Builder 10、Microso“Windows Office XP、C语言。Power Builder 10包含了许多新的和改进的语言功能，是功能强大的面向对象的编程语言。数据库采用了IBM DB2 V9.1 FOR IBM AIX版本的数据库产品，该产品是IBM公司研制的一种关系型数据库系统。DB2主要应用于大型应用系统，具有较好的可伸缩性，可支持从大型机到单用户环境，在unix、windows等平台下应用。通讯软件采用了IBM MQ FOR IBM AJX，后台程序的开发采用与AIX结合性能好的Pro*C。

    6)网络配置

    系统主干网络为千兆，终端为百兆。网络主干交换机采用H3C LS-3600-28F-EI。普通接入交换机采用H3C LS-3100-8C，光纤为单模8芯，通讯协议为TCP/IP。

    7)网络拓扑结构

    鞍钢无缝钢管厂的生产控制室主要包括：原料准备操作室、环形炉操作室、穿孔机操作室、连轧管机操作室、再加热炉操作室、定径机操作室、冷床操作室、矫直机操作室、探伤机操作室、检查台操作室、测长/称重操作室、通径操作室、水压机操作室、涂油机操作室、调度室、生产车间办公室等。

    2.2 MES系统功能

    鞍钢无缝钢管厂的MES系统是鞍钢集团ERP项目二期工程的一部分，进行MES系统建设是为了实现鞍钢无缝钢管厂生产管理的高度自动化，信息交换和传递的网络化，实现物料的动态跟踪与管理、生产信息流与物流的同步，实时反映生产实绩信息，按计划组织生产，全程质量控制。

    MES系统在整个无缝钢管厂计算机管理和控制系统结构中，担负着非常重要的作用。MES系统在ERP似ES/PCS三层架构中起着承上启下的关键作用，主要接收ERP系统下发的生产作业计划等信息，以此进行生产组织，对二级系统下达生产指令，采集二级系统的生产实绩，并将生产实绩等相关信息上传至ERP系统，同时完成相关的MES系统管理，实现生产计划、生产实绩、物料跟踪、在线质量跟踪、主要生产设备状态、通讯、系统维护和统计查询、发货等项管理。鞍钢无缝钢管厂的MES系统功能如图2所示。

 

图2 鞍钢无缝钢管厂的MES系统功能示意

    因此，鞍钢无缝钢管厂的MES系统在整个企业信息集成系统中起到承上启下的作用，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。上层ERP系统的销售订单等数据是MES进行生产计划的依据；而下层的机组过程控制系统按照MES系统下达的生产指令进行控制，同时为MES系统提供实际生产活动中的各种实绩。MES系统自身是一个集成的生产管理系统，各功能模块之间实现信息集成和数据交换。各功能模块之间通过数据共享、功能集成，达到指导生产并及时对现场生产数据进行分析反馈的目的。鞍钢无缝钢管厂的MES系统架构如图3所示。

 

图3 鞍钢无缝钢管厂的MES系统架构

    2.2.1 主要功能模块

    鞍钢无缝钢管厂的MES系统的管理范围从管坯原料开始到成品发货完成为止，主要功能包括：生产计划与实绩管理、质量管理、物料管理、通讯管理、设备停机管理、综合统计、系统维护等，其系统功能层次架构如图4所示。

 

图4 鞍钢无缝钢管厂的MES系统功能层次架构

    2.2.2 主要功能描述

    1)生产计划管理

    鞍钢无缝钢管厂MES系统对生产计划信息流程进行优化，自动接收鞍钢集团ERP系统的销售订单信息，编制成生产计划管理模块，将编制好的各工序的生产作业计划传送给钢管厂各工序的过程控制计算机系统安排生产。并实时跟踪各工序的生产和物流情况。根据实际情况及时调整生产计划，保证各工序协调顺畅地进行生产。该模块主要实现商务订单接收、孔型计划接收、日品种规格计划接收、月要料计划接收等功能。

    2)生产实绩管理

    各基础自动化系统和过程控制计算机系统收集各工序的各种生产数据，包括生产过程数据、实时数据、状态数据、跟踪数据等，对生产过程和物流进行跟踪，实时监视各工序的生产状态。并将收集的实绩数据进行处理和存储。将这些生产实绩记录并管理起来后即可对整个生产厂的生产实绩信息进行实时的跟踪与统计。并将以上信息传递给鞍钢集团ERP系统。

    3)质量管理

    鞍钢无缝钢管厂原来的质量管理是以纸介质的形式记录并传递。先由厂以纸介质的形式生成化验、检验委托单，再由人工传递给质量检验中心并进行委托。效率低下。MES系统优化了原来的质量管理业务流程，实现接收质量设计信息、原料外观检查、化学成分核对、原料封锁、释放、质量设计模板提取、成分委托等功能，对钢管生产过程中各个工序的产品质量进行跟踪、处理和存储。形成完整的质量数据。并对实时生产结果进行质量分析和判定。为生产管理提供帮助。

    4)物料管理

    收集生产过程中各工序的原料数据。掌握管坯原料入厂量、消耗量、库存量，以便进行原材料的调拨和管理，并可直接进行生产成本的统计和分析，方便各级管理人员掌握原料情况，组织生产；收集回炉料、退料等信息；收集各种产品数据。掌握产品生产量、出厂量和对应的质量数据，对产品的出厂进行管理，并可根据品种和去向进行数据统计；对全厂的物料进行跟踪，显示物料当前所处位置及状态，以及质量检查情况；实现加工用原料库管理、产品库管理、成品库管理、成品库位管理等功能。

    下面介绍按支跟踪物料过程：按照工艺流程，将整个生产线按其功能划分成不同的跟踪区，主要的跟踪区有：上料、加热炉区，轧制区，精整一区，精整二区。在各跟踪区内按照控制要求又细分为各跟踪子区。随着物料在生产线上的移动。系统跟踪指针会随之移动。从而实现物料的跟踪。

    生产线物料的形态分为：管坯(穿孔前)、毛管(穿孔后)、荒管(脱管后)、钢管(定径后)、子管(排管锯锯切后的成品管)。通常情况下，从管坯到钢管是一对一的关系，而从钢管到子管是一对多的关系。根据物料的形态关系，系统将整个生产线的物料跟踪与管理划分为两大部分：①钢管(母管)的跟踪与数据管理。钢管的跟踪与数据管理，从管坯翻人管坯锯后中间运输辊道开始，到排管锯锯切前。系统对于每一根进入生产线的管坯(从翻人锯后中间运输辊道开始到排管锯锯切前)是通过二级系统钢管数据表和钢管跟踪指针表来管理的。每一个管坯对应一个钢管数据记录和钢管跟踪指针。当二级系统接收到每一个管坯上线(翻入管坯锯后管坯中间运输辊道)信号后，为其设置钢管编号，在钢管数据表和钢管跟踪指针表内分别建立一个钢管数据记录和钢管跟踪指针。系统将整个生产线划分成不同的跟踪区域，当钢管在生产线上移动时，钢管的跟踪指针会在跟踪指针表内移动，用来指出钢管当前所在的位置。钢管数据表用于存放钢管在此阶段的计算数据及所获得的实测数据。②子管的跟踪与数据管理。子管的跟踪与数据管理，从排管锯锯切子管起，到子管离开生产线止。当钢管在排管锯被锯切成子管后，通过子管数据表和子管跟踪指针表来实现子管的管理。每一个被锯切的子管都对应一个子管数据表和子管跟踪指针。当二级系统接收到一级系统传来的子管切割信号后，系统自动为每个子管建立管编号以及相应的子管数据表和子管跟踪指针。当子管在生产线上移动时，子管的跟踪指针会在跟踪指针表内移动，用来指出子管当前所在的位置。子管数据表用于存放子管在经过生产线各阶段(在排管锯锯切后)的计算数据及所获得的实测数据。

    (1)装炉。二级系统依据接收的轧制作业计划进行装炉组批操作。当二级系统将批号生成完毕后，根据生产实绩向三级系统按支上传生产实绩信息(包括：物料号、熔炼号、钢质代码、管坯直径、管坯长度、重量等)。三级系统根据二级系统上传的生产实绩信息形成物料批主信息，组批完成后二级系统向三级系统传递组批完毕信息，三级系统根据生产实绩数据向四级系统上传装炉实绩信息。

    (2)出炉。二级系统根据生产实绩信息向三级系统按支上传出炉实绩信息。如果有回炉物料，二级系统需向三级系统上传回炉实绩信息。三级系统根据二级系统上传的出炉实绩信息和回炉实绩信息自动更新物料信息。

    (3)穿孔/轧管。二级系统根据生产实绩向三级系统按支上传穿孔/轧管实绩信息。如果有中间废物料，二级系统需向三级系统上传中间废物料实绩信息。三级系统根据二级系统上传的穿孔/轧管实绩信息和中间废实绩信息自动更新物料信息。整批穿孔/轧管完成后，二级系统需向三级系统传递整批穿孔/轧管完成信息。

    (4)定(减)径。整批定(减)径完成后，二级需向三级系统传递整批定(减)径完成信息之前的物料管理与穿孔/轧管的相同，只是三级系统接收到整批定(减)径完成信息后，根据该批物料信息情况向四级系统上传相应的回炉实绩、订正实绩和轧制实绩信息。

    (5)冷床。二级系统根据生产实绩向三级系统按支上传冷床实绩信息。三级系统据此信息自动更新物料信息。整批经过冷床后，二级系统需向三级系统传递整批冷床完成信息。

    (6)排管、矫直、探伤、通棒、水压、涂油、倒棱与冷床上的物料管理相同。

    (7)化验、检验委托。化验、检验委托完全在三级系统内操作，用户在三级系统内按批选中要委托的物料信息，对选中物料进行委托操作。

    (8)精整区质量检查。精整区质量检查完全在三级系统内操作，如果发现质量问题，用户在三级系统内按支选中要处理的物料号信息，对选中物料进行封锁和释放操作。三级系统向四级系统上传相应物料封锁和释放信息。

    (9)精整区合批。精整区合批完全在三级系统内操作，根据生产需要，用户在三级系统内按支选中要合批的物料号信息，对选中物料进行合批操作。三级系统向四级系统上传相应物料合批信息。

    (10)精整区包装。包装操作完全在三级系统内操作。用户在三级系统内按支选中要包装的物料号信息。系统根据捆号生成规则自动生产一个新捆号。当该捆信息生成后，三级系统将该捆包装实绩信息上传四级系统。

    (11)交库。交库完全在三级系统内操作，用户在三级系统内按捆进行交库操作。三级系统向四级系统上传相应物料交库信息。

    根据二级系统上传的实绩信息，在三级系统内用户可以查询出每批下对应的每支物料在各个实绩点产生的生产实绩信息。

    由于无缝钢管的生产工艺复杂，物料按支跟踪困难，因此可以采用增加检测设备、设定物料跟踪关键节点等方式来实现。

    5)通讯管理

    鞍钢无缝钢管厂MES系统与其他相关计算机系统通过网络连接进行数据通讯，接收鞍钢集团ERP系统下达的生产订单，与炼钢厂、质量检验中心进行协调，组织生产。进行生产调度和质量设计，下达生产任务给各个生产工序进行生产，同时从各个生产工序收集生产数据，并将生产数据反馈给鞍钢集团ERP系统。通讯方式根据鞍钢无缝钢管厂以及系统相关方的实际需求，采用了以下两种实现方案。

    (1)MQ(Message Queue——消息队列)与适配程序。通过使用MQ作为中间件并编写相关的中间件适配程序实现无缝钢管厂MES系统与鞍钢集团ERP系统，炼钢MES系统，化验、检验MES系统进行电文通讯与传输。

    (2)COM接口通讯程序。使用Power Builder 10编写COM接口通讯程序与计量系统进行通讯。通过COM接口通讯可以将两台不在同一网络的电脑连接起来进行数据交流。

    6)设备状态管理

    对鞍钢无缝钢管厂重要生产在线设备进行管理，采集开/停机信息和生产实绩信息。生成相应的设备运行报表。

    7)综合统计

    通过MES系统在运行中采集的生产实绩信息、质量信息和物料跟踪信息等数据，利用图形、表格等各种直观的方式，根据需要灵活地查询各种生产实绩数据，并进行各种统计分析，得到所需的信息，根据业务流程需要进行联机分析处理(OLAP)。生成相应的统计报表，为鞍钢无缝钢管厂的日常管理、决策制定提供依据。

　3 MES系统产生的作用

    MES系统在鞍钢无缝钢管厂应用后，将生产管理模式由人工粗放式管理转变为系统精细化管理，规范了生产管理方式。整个生产厂的计划下达、物流跟踪、质量信息和发货管理全部在MES系统内操作，所有物流信息可以方便、准确、快捷地在MES系统内查询，解决了各工序间协调运作、各部门和各岗位之间的沟通、物料信息全程跟踪、生产信息及时传递、生产过程优化等问题。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，为生产工艺人员进一步优化调度排产策略提供了有力支持。

    MES系统应用后，产生的主要作用是：

    (1)通过IBM MQ通讯中间件以及串口通讯技术很好地实现了基础自动化、过程自动化、质检、炼钢、计量、ERP等系统的接口和数据通讯。

    (2)建立了由数据库、通讯软件、客户端组成的两层体系结构，满足了系统高效、稳定和可扩展的需求。

    (3)实时跟踪了生产过程中钢管的各项生产控制参数，以便控制和调节钢管的综合质量，为企业节能降耗提供了保障。

    (4)实现了生产管理高度自动化，信息交换和传递网络化，提高了业务管理水平。

    (5)提高了产品原品种合格率。缩短了轧制生产周期，提高了资金周转率。

    (6)减少或避免了生产过程现货和管理现货的产生。

    (7)把先进的条码技术运用于钢管生产线，降低了生产和发货过程中的差错率，提高了生产效率。

    (8)信息与生产同步，实现了按需求进行的按支物料跟踪，对管坯原料、毛管、荒管、子管进行全程数据跟踪，为了将来的统一管理和查询。全程记录物料信息。

    (9)从原料切割生产开始到发货为止，实现了全程质量控制，在线质量数据采集，及时纠正了质量问题，避免误导生产，减少质量异议。

    (10)培养和造就了一批鞍钢信息化的专业化人才队伍。

　4 结语

    立足于鞍钢股份有限公司无缝钢管厂的实际，运用成熟的网络技术和软件开发技术。以生产、质量为中心，按合同组织生产，进行全过程生产管理和质量控制，设计开发了1套针对鞍钢无缝钢管厂的制造执行系统。该系统成功地将管理经验、行业经验和信息技术三者有机地结合在一起，并进行了有效地整合，实现了信息化和业务流程的重组。该系统功能齐全，人机界面友好，运行可靠，具有很高的实用价值，完全能够满足鞍钢无缝钢管厂当前的管理需要。

(本文不涉密)
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