基于三层结构的流程工业现代集成制造系统

3 BPS／MES／PCS的功能

    基于BPS／MES／PCS三层结构的现代集成制造系统如图3所示，其功能描述如下。

图3 流程工业CIMS体系结构

    3.1 面向控制的PCS层功能

    PCS一般包括基础自动化系统和过程自动化系统。利用基础自动化装置与系统，如：PLC、DCS或现场总线控制系统，对生产设备实现自动控制，对生产过程进行实时监控，采用先进的控制技术，如：鲁棒约束多变量预测控制技术、多变量APC技术、智能解耦控制技术以及优化过程控制技术等，对过程控制系统进行优化设定，实现生产过程的优化控制。

    3.2 面向客户的BPS层功能

    BPS系统包括：企业资源计划、供应链管理、销售服务管理、产品与工艺设计等功能。其中企业资源计划包括财务管理、人力资源管理、生产计划管理等；供应链管理包括原材料采购、供应管理、库存管理；销售服务管理包括合同管理、销售管理、客户关系管理，电子商务已成为实现网上采购、网上销售的主要手段。

    3.3 面向产品的MES层功能

    MES尤为重视运行管理。根据MESA的MES功能图，如图4所示，结合流程工业的生产特点，可见流程工业MES的功能包括：生产过程资源配置管理、质量管理、设备维护管理、生产调度、物流管理、生产成本管理和生产过程管理等子系统。资源配置管理子系统实现计划和分配下列资源符合生产调度的目标，资源包括机器设备、工具、原材料、其他设备和相关文件资料，例如生产时需要的文件等。资源配置管理子系统提供详细的资源情况，保证设备运行前的良好状况，提供实时运行情况。质量管理子系统实现对采集的生产信息实时分析，确保对产品质量的正确控制，发现问题及时采取措施、及时处理，实现对在制品的跟踪和产品的质量检测分析。设备维修管理子系统跟踪设备和工具的运行状态，对设备和工具的定期计划性和预防性的维护提供操作指导，保存历史事故和故障信息，提供故障诊断库，对异常故障提供报警和处理。生产调度子系统根据产品的不同优先权、品质、特征等特点，对生产进行计划与调度，实现基于过程模型的模拟优化和实时调度。物流管理子系统对从原材料到产成品的整个物流过程进行监控、建立物料平衡的过程模型，实现对物流过程的控制。生产成本控制子系统对生产全过程进行成本预报、分析，对动态生产成本进行核算与跟踪，实现生产过程成本的关联价值评估与控制，从而保证价值流的优化。生产过程管理子系统实现生产过程监控、数据的采集与统计，进行基于数据库的实时生产效率分析，并为MES提供基于知识和信息的支持，实现生产数据、检测数据和控制参数在MES层和PCS层间的正确传送。

图4 MES的功能图

    流程工业现代集成制造系统的集成技术是以知识链为依托的，通过MES的承上启下的作用，将BPS、PCS通过网络和数据库系统来实现经营决策与管理、生产过程运行管理和生产过程控制的信息集成。

    AMR对MES概念叙述如下：为了把全公司的资源按经营目标管理，MES提供实现目标的手段，实时联结基本信息系统的逻辑数据和工厂的实际数据，在经营计划系统和生产之间提供通讯功能。MES的目标不单是工厂信息系统，而是纵向和横向循环的综合系统，也就是“ 经营系统”。

    如图3，在经营计划系统、制造执行系统和过程控制系统的三层结构CIMS中，具有计划—执行—控制的功能。经营计划系统的生产经营计划通过制造执行系统下达给过程控制系统，作用的结果通过过程控制系统采集的实时数据经制造执行系统反馈到经营计划系统，进行反馈与矫正，保证经营目标的实现。

    显然，MES起着连接生产经营管理和生产过程控制与管理的作用，在BPS层生成的生产计划由MES层传达到过程控制层；相反，由生产现场过程采集的反映生产状况的数据由MES传达给BPS。

4 研究方向

    为了研发基于BPS／MES／PCS三层结构的CIMS，必须对下列核心技术开展研究。

    4.1 PCS级：以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术

    流程工业生产过程的质量指标和工艺要求（包括转化率、产率、回收率、产品组分等）是流程企业优质高产的重要保证。研究和开发以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术，对于流程工业具有十分重要的意义。目前，以控制系统的过渡过程动态性能指标为目标的常规控制技术无法解决生产过程的产品质量和工艺要求等指标的直接控制问题。由于流程工业生产的特点，产品质量和工艺要求的一些参量往往无法直接在线测量，而且反映产品质量、产率、回收率、转化率等质量指标的模型又十分复杂，这也使得对产品质量和工艺要求的指标直接控制非常困难。

    综合研究质量指标的预测与软测量技术、质量指标的预设定模型、智能建模和模型修正技术、以及各种多变量先进控制技术等，并在此基础上形成以产品质量和工艺要求为指标、直接实时反馈的先进控制技术，是自动化领域高技术的重要发展趋势。

    4.2 MES级：以生产综合指标为目标的生产过程优化运行、优化控制与优化管理技术

    以生产综合指标为目标的生产过程三优（优化运行、优化控制与优化管理）技术是MES级的核心技术。现有的以工艺参数为控制目标的控制系统不能满足大规模工业生产的需要。控制系统的目标从工艺参数指标扩展到综合生产指标，也就是从传统的定量控制扩展到定量和定性相结合的复杂控制。由于物耗、能耗、设备、成本、计划与调度等生产管理要素与综合生产指标密切相关，综合生产指标往往不能连续在线测量，而且又难以用控制系统的输入输出来描述，因此有必要考虑计算机集散控制系统和网络环境的特点，研究新的控制系统结构，将建模与控制相集成、定量数据和定性分析相结合，即研究数据、模型和智能相集成的智能控制理论与方法。这种研究是将已有的控制理论和方法与智能方法相结合，并与管理科学、计算机科学、冶金等工程科学相结合的综合集成。研究与开发生产过程三优技术将可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正，以形成生产成本控制中心，保证生产过程的优化运行；将可以实施生产全过程的优化调度、统一指挥，以形成生产指挥中心，保证生产过程的优化控制；将可以实现生产过程的质量跟踪、安全监控，以形成质量管理体系和设备健康保障体系，保证生产过程的优化管理。

    4.3 BPS级：以财务分析决策为核心的整体资源优化技术

    考虑到流程企业生产与经营的特点，不仅要根据合同订货组织生产，还要在对市场进行预测的基础上组织生产；原料采购的价格和品质是影响流程企业生产效益非常重要的因素；流程企业的资源配置要求具有很强的动态性能等。可见基于合同与市场预测的原材料采购动态优化决策技术、网络环境下全方位销售动态集成管理技术、网络环境下企业效益最大化资源配置优化与智能决策支持技术、网络环境下面向企业资源分配的财务决策技术和基于销售合同与市场预测混合驱动的生产计划自动编制技术等，以财务分析决策为核心的整体资源优化技术成为使MES满足流程企业经营决策的核心技术。

    4.4 基于知识链的BPS／MES／PCS三层结构CIMS集成技术

    知识存在于流程工业MES／MES／PCS三层结构的各个层次中，且同一层次或不同层次的知识都相互关联、相互影响和相互作用，在三层结构中形成知识链，并在整个现代集成制造系统中发挥最为重要的控制、优化与决策作用。作为一个整体，知识链中任一环节知识的不完善都会影响整个知识链的性能发挥；反过来，通过知识链中知识的相互关系，也可以凭借已有知识获取或完善其他相关知识，这对于完善三层结构中的知识体系是十分重要的，并且对现代集成制造系统中基于数据的知识发现和数据仓库等技术的应用具有非常重要的指导意义。基于知识链的现代集成制造系统集成技术的研究内容包括：知识的获取、表达和集成，数据挖掘、最佳实践的提取与分析及在线知识的自学习等理论与技术。

5 结 语

    基于MES／MES／PCS三层结构的流程工业现代集成制造系统的实施，不仅实现了流程工业综合自动化，而且促使企业管理从以职能为中心向以过程为中心转变，实现扁平化的管理模式，使系统柔性提高，适应多变的市场，实现敏捷制造和一体化过程控制（IPC）的要求，即对原材料生产工艺全过程进行监控，全面了解和掌握产品的生产情况，确保产品质量。制造执行系统（MES）不仅能处理生产过程中难以处理的具有生产与管理双重性质的信息，而且能起到将生产过程产生的信息和经营管理的信息进行转换、加工和传递的作用，是面向过程的生产活动与经营活动的桥梁和纽带，是实现基于MES／MES／PCS三层结构流程工业CIMS的关键。开展本文提出的实现流程工业CIMS的关键技术的研究，不仅对形成具有自主知识产权的流程工业现代集成制造系统，而且对自动控制科学的发展都将会起到促进作用。

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