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目前,MES 在国内钢铁企业已得到十分广泛的应用,它作为连接上下系统和贯穿前后生产线的关键环节,是企业经营战略与具体实施之间的一道桥梁 。然而,很多国内钢铁企业最初引入MES 时,大多采取分期实施的策略,一般与新建生产线同步建设,受资金和管理等因素的制约，构建的大多是面向单一生产线的MES 架构(以下简称单生产线MES 架构),这种做法在短期内投入较少,因此比较适合生产线单一、规模较小的钢铁企业,但对于那些生产线多、流程长、工艺复杂的大型钢铁企业来说,这种架构就不大适合一般会面临以下问题:(1)各生产线的质量标准及工艺规范独立维护,无法统一管理,导致数据冗余和资源浪费;(2)各生产线独立排产、独立进行生产合同和物料管理,无法在统一平台上对企业所有生产线进行产能平衡和全流程的合同跟踪及物料跟踪;(3)前后生产线MES 之间接口复杂,信息传递效率较低;(4)建设成本和维护成本较高。因此,在实际应用中每个企业需要根据自身的工艺情况和业务需求构建合适的MES 架构。对于规模较大,生产线较多的大型钢铁企业,需要一套能够贯通前后生产线,并且满足全过程一体化产品与质量设计、计划与物流调度、生产控制与管理要求的MES 功能架构。
近些年来,上海宝信软件股份有限公司在国内的一些知名钢铁企业(例如:上海宝山钢铁集团、江苏沙钢集团等)做了很多探索和尝试,成功实施了以“MMS + PES”为架构,面向多生产线的MES。这种架构能够更好地满足企业“集中一贯冶的管理需求,且系统扩展性更强,建设成本也较低。本文以基于“ MMS + PES”架构的冷轧MES 作为研究对象,详细阐述了系统的总体架构和特点、主要功能、关键技术以及实际应用效果,从而揭示基于“MMS + PES”架构MES 的特点与优势。
1 系统架构和特点
1.1 总体架构
如图1 虚线区域所示,基于“MMS + PES”架构的冷轧MES 根据业务职能将MES 分为两个功能层次:制造管理系统MMS 和生产执行系统PES。MMS 旨在贯通全厂的上下游所有生产线,对其进行全流程的生产管理、质量管理、计划管理、物料管理和发货管理等,强调制造体系的“一贯制冶。PES 旨在上下连通企业管理平台与现场控制设备,进行作业命令管理、在线质量管理、物料跟踪与实绩管理、仓库管理和发货作业管理等,PES 功能实时性强、数据流量大、系统资源消耗较大、生产线差异明显,不同生产线的功能相对独立。 （图片）
图1 基于“ MMS + PES冶架构的冷轧MES 架构 1.2 系统特点
首先,基于“MMS + PES”架构的冷轧MES 能够充分满足钢铁企业“集中一贯冶的管理要求,从纵向和横向两个维度实现钢铁企业扁平化管理:(1)纵向维度根据钢铁生产工艺和设备特点以及“直线- 职能制冶的内在要求,对主生产线实行集中管理。主要管理权限和管理业务集中在公司,由公司统一领导、决策,通过职能部门代表公司统一经营;主生产线的厂部属于基础生产单位,集中精力搞好生产作业管理,不具有对外经营的职能和权限。(2)横向维度集中公司的各项管理业务,在坚持专业分工的前提下,简化横向分工,实行“大部制冶,将相关性强的业务管理职能合并归属为同一个职能部门,目的是从管理体制上创造条件,使各职能部门能够对各自的专业管理工作全面统一负责,实现各物流、各业务的全过程一贯管理,从而实现钢铁生产的PDCA(计划、执行、检查、处理)循环。
其次,对于配备炼钢- 热轧- 冷轧全流程生产线的钢铁企业来说,基于“MMS + PES”架构的冷轧MES 系统功能分担更为合理,系统效率也更高。MMS 主要侧重炼钢- 热轧- 冷轧全流程一体化的生产管理和质量管理,若采用单生产线MES 架构独立建设炼钢MES、热轧MES 和冷轧MES,往往会造成管理不统一、前后脱节、信息集成度低、系统重复建设等诸多问题。而冷轧PES则主要侧重于冷轧厂的现场管理及与冷轧各机组L2 系统、行车系统、PDA 系统、轧辊系统实现接口功能。一般来说,冷轧生产线的机组要远多于炼钢或者热轧,这也就意味着冷轧MES 有更多的外部接口,同时,冷轧生产线库区多、物流复杂,对现场管理(包括作业命令、物料跟踪、库区管理、发货管理)的实时性和准确性要求也非常高,如果不采用“MMS + PES”的分层架构,无疑会大大加重系统负荷,影响系统效率。
最后,不同生产线PES 的独立构建使系统硬件配置十分灵活,可根据不同生产线的生产规模、外部接口以及资金预算灵活部署系统硬件平台。“MMS + PES”架构还能充分利用现有的系统资源,最大限度减少项目的硬件投资,并为将来其他生产线的扩充以及业务的拓展提供充足的空间。
2 系统主要功能
如前所述,基于“MMS + PES”架构的冷轧MES 的功能分为MMS 和PES 两个功能层次。
2.1 制造管理系统MMS
(1)生产管理。生产管理主要功能包括订单接收、合同归并、合同分割、合同计划、材料申请、材料转用与充当、准发资源管理和合同跟踪等。
对于炼钢- 热轧- 冷轧全流程的生产工艺来说,生产管理的难度相当大,一方面要考虑炼钢、热轧、冷轧前后多道工序的物流衔接和产能平衡;另一方面又要最大限度地按合同组织生产,减少余材,保证合同交货期。MMS 接收到ERP 下发的销售订单后,通过合同归并功能将部分满足归并条件的小订货量合同进行归并,实现集中生产,从而提高产量,减少余材;根据现场生产和工艺的需要,通过合同分割功能将合同分解到一个或多个生产制程上进行生产;利用合同计划功能对当期合同量进行工序能力平衡和库存物流平衡;在确保产能及物流平衡的前提下,按照合同的欠量以及生产设计的要求,形成虚拟板坯和虚拟炉次,及时向炼钢工序进行材料申请,将最终的炼钢制造命令提交给炼钢计划模块;从炼钢板坯产出开始到成品准发前,利用材料转用与充当功能,业务人员可根据合同的完成情况,对所有的在制品和成品进行挂、脱合同及转合同操作,在确保合同按期交货的同时,最大限度地消耗在库余材;当成品产出、包装、入库并综合判断合格后,按合同交期编制准发计划,实现生产与销售的物权交接,成品准发后MMS 将其作为准发资源自动上传给ERP 系统编制发货计划;从合同接收开始,到合同分割、合同计划、材料申请,经过炼钢、热轧、冷轧生产,最后到合同准发为止,合同跟踪功能对合同实行全流程实时动态跟踪,使业务人员实时掌握合同在各个工序上的欠量、在库量、计划量等,并通过预测合同交货期和合同拖期报警等功能,确保合同按期交货,提高合同完成率,真正实现按合同组织生产。
(2)质量管理。质量管理功能主要包括产品规范管理、冶金规范管理、合同处理、检化验管理、质量判定与处置、质保书管理。质量管理遵循一贯质量管理原则和按“标准+ 琢冶组织生产的原则。一贯质量管理原则是以满足用户需求为前提,以质量工艺规程为依据,对冷轧产品进行从炼钢、热轧直至冷轧全过程的质量设计,通过对各个生产节点的管理控制,提供符合用户要求的产品,最终获得最佳的企业经济效益和社会效益。按“标准+ 琢冶组织生产的原则是在质量设计时,将“ 产品规范码( PSC) + 最终用途码(APN) + 用户代码(CUST_NO)冶对应一个具体的MSC(冶金规范码),将不同客户的特殊要求通过最终用途码和用户代码放入MSC 体系中。对于部分特殊要求(如个别特殊的包装方式等),也可以不在MSC 中体现,而在MES 中以文字形式体现,以指导现场生产。为减少MSC 的数量,应尽量抽取客户的共性形成标准。
(3)计划管理。冷轧作业计划采用一级计划管理模式(所有机组作业计划由企业的一级管理部门,如生产部统一制定),计划管理的对象是物料,即每一个钢卷。计划类型有正常卷计划、过渡卷计划和返修卷计划。计划管理包括计划调整、查询和计划单打印等功能。冷轧计划管理面向冷轧生产线的各道机组,将可以投入生产的原材料热卷信息(由存货管理提供)按照合同要求、生产规程、设备要求等编制出各工序可执行的作业计划并下发冷轧PES,PES 根据作业计划向各机组操作人员发出明确的作业指令,有效地控制现场生产,确保生产任务的完成以及物流的畅通。
(4)物料管理。物料管理负责接收冷轧PES上传的生产实绩,以了解物料在生产过程中的动态变化和质量工艺控制情况,为质量管理和后续的发货管理、仓库管理提供基础数据。通过对从原料投入到成品产出的全过程进行一贯跟踪,实时掌握库存情况,保持实物与信息的同步,以达到降低库存、确保物流畅通及保证系统正常运转的目的。同时,物料管理根据接收的生产实绩进行合同跟踪抛账并向ERP 系统进行成本抛账。物料管理功能是实现物流、信息流与资金流同步的重要保证。
(5)发货管理。发货管理功能主要包括发货资源、发货计划和发货跟踪管理等,发货管理的目标是规范发货管理业务,根据合同交货要求,合理有效组织发货资源,缩短出厂物流周期,降低产成品库存,保证合同按期交货,提高客户满意度。MMS 接收ERP 下发的发货计划后,将符合条件的发货计划下传至冷轧PES 执行发货作业,对不符合条件的可进行发货计划吊销或准发红冲;MMS 实时跟踪发货计划的执行情况,成品发货完成后,将发货实绩上传ERP 系统,同时打印质保书。
2.2 生产执行系统PES
(1)作业命令管理。指接收MMS 已经编制好的作业计划信息,主要包括酸轧计划、硅钢退火计划、连续退火计划、镀锌计划、电镀锡原板退火计划、精整计划等,并根据作业计划形成作业命令,然后通过电文方式下发给冷轧各PCS,或者通过报表方式下达到现场作业人员。
(2)在线质量管理。包括封锁处理、在线质量处置等。封锁处理是指现场人员对生产出的表面、尺寸等不符合合同质量要求的冷轧产品进行临时封锁。在线质量处置是指现场质检人员对处于封锁状态的冷轧产品进行处置,包括返修和正常释放。
(3)物料跟踪与实绩管理。负责从冷轧各机组实时收集及处理生产过程中的各种生产实绩信息,并实时上传至MMS;通过对生产实绩数据的收集,将物料的投入及产出数据反映在物料信息上,使生产现场人员能够监控物料的生产状况和生产过程,从而提高加工效率和质量,并及时提出生产预警或修正措施。为了避免通信接口故障带来的信息处理失败,PES 还具备各种生产实绩信息的后备输入功能。对于没有L2 系统的工序,生产实绩从HMI 画面录入后上传PES,HMI 录入画面要考虑操作的方便性和灵活性。
(4)仓库管理。仓库管理功能主要包括库区划分、钢卷入库、库内倒垛、出库等。仓库管理是对冷轧厂的所有物料库区,包括原料库、在制品库、成品库堆场进行管理。仓库管理的主要目标是提高库位管理精度,减少库倒垛量,保证实物与信息一致,减少库存,加快物流。为减少人机操作界面,提高仓库作业效率和精度,仓库管理与行车定位系统通过信息交互,将吊运指令自动发送至行车定位系统,行车完成吊运后再将吊运实绩自动上传,从而形成全自动材料库位跟踪体系。
(5)发货作业管理。发货作业管理功能包括发货计划接收、发货计划调整、发货实绩录入、准发红冲、码单红冲等。PES 接收MMS 的发货计划信息后,仓库管理人员根据发货计划进行发货作业,并可对发货计划进行吊销等调整操作。发货完成后,输入发货实绩,打印码单,并将发货实绩反馈至MMS。为处理业务操作环节的异常情况,在一定条件下允许数据流回退,包括准发红冲、码单红冲等。另外,PES 还支持与PDA(手持终端)系统进行通信,业务人员可以利用PDA 系统在现场进行实时发货操作。
(6)轧辊管理。轧辊管理主要包括轧辊基本信息管理、配辊计划管理、磨削实绩接收、换辊实绩接收、轧辊历史数据管理。轧辊管理对磨辊间轧辊的整个生命周期进行管理,从而提高轧辊利用率、降低辊耗,实现轧辊等部件的使用最优化。业务人员结合作业计划,合理编制配辊计划,实现轧辊的合理分配及周转速度最大化,最大限度地满足生产线的要求。
3 关键技术
为适应冷轧工序多、生产路径复杂的工艺特点,以及带有中间库存、半连续性的流程式批量生产的生产组织模式,基于“MMS + PES冶架构的冷轧MES 采用了冷轧生产设计、多制程排产和冷轧预计划等关键技术。
3.1 冷轧生产设计
由于冷轧产品形态较多(包括卷、板、带等),同时客户对成品的单重要求也各不相同,因此,需要在冷轧MES 中进行生产设计,即冷轧MES根据用户需求给出合理的成品单重范围,并推算出各工序入口材料的质量范围及出口材料的分切要求,使之既符合炼钢、热轧、冷轧各机组的设备能力,又尽量减少原料损耗、提高收得率,同时还要考虑规模化生产,使原料质量越大越好。
生产设计的具体做法是:既要考虑各工序的投料系数和机组能力(卷取能力、吊车能力、板坯大小限制等),还要考虑订货规格(对于不同的订货宽度,在卷取外径限制相同的情况下,单卷的质量大小不同),取各个范围的交集得到每道工序的质量限制,进而计算出分切数,这样就确保了在满足用户要求和设备能力的前提下,收得率最高。
3.2 多制程排产
冷轧机组多、工艺复杂,同一产品往往允许有多个工艺路径,为了更好地平衡产能,缩短产品的生产周期,我们在MES 中采用了合同多制程排产技术。多制程排产是针对合同处理后的销售订单,设计出产品所有可能的生产工艺路径,每条工艺路径称为合同的一个制程。当合同有多个制程时,生产管理人员可以将合同的欠量同时分摊到多个生产制程上并行或交叉生产,并对每个制程进行实时跟踪。在生产过程中,不同制程上的在库量、欠量还可以进行实时动态调整,一旦某个设备出现故障或生产出现波动,就让合同在其他路径展开生产,从而实现合同的弹性计划和柔性制造,保证合同按期交货,降低市场风险。
3.3 冷轧预计划
由于冷轧工艺流程复杂且不确定情况较多,因此通常情况下冷轧作业计划都是采取见料排程的方式,即等前道工序材料产出并入库后,再安排后道工序的作业计划。但是冷轧中间库容量一般都比较小,生产厂为降低成本,往往追求零库存生产,如果完全采取见料排程的方式编制作业计划,每个机组的计划员就必须每天24 h 三班倒,造成人力资源的很大浪费;另外,有些冷轧工序(如罩式炉寅平整)彼此关联非常紧密,但对生产顺序要求不高,可以在上道工序产出时自动生成下道工序的作业指令。因此系统在见料排程的基础上,采用冷轧预计划技术,通过扩大计划编制的对象,实现减少中间库库存、优化物流和降低成本的目的。
冷轧预计划包括推导式预计划和选择式预计划两大类型。推导式预计划是指根据一个基准工序的实物作业计划生成后续若干个连续工序的预计划,即一次编制2 个甚至多个连续工序的冷轧作业计划,主要面向对生产顺序要求不高的工序,当物料在上道工序产出时,可以自动生成下道工序的作业指令,当实物产出后,系统自动用出口材料信息替换预计划信息,再由人工将出口材料信息释放和下发生产。选择式预计划主要为了解决某个工序(如酸轧)后库容量小的问题,计划员可以选择该工序作业命令中预计产出的材料,编制虚拟材料的后续工序作业计划(如连退、热镀锌等),并进行跟踪。
不过,由于冷轧作业计划需要考虑工艺约束、产能约束、交期约束以及上下游产能平衡等多个因素,同时冷轧工艺的复杂性使生产出现异常的概率也相对较高,因此编制冷轧预计划的难度往往比较大,只能将其作为一种辅助手段,若盲目编制大量预计划,只会导致后续计划的大量调整,从而得不偿失。
4 系统实现
基于“MMS + PES冶架构的冷轧MES 实施时,需要关注硬件配置、系统框架构建和系统间通信。
4.1 硬件配置
基于“MMS + PES冶架构的冷轧MES 建议配置2 台中高端小型机服务器(如IBM P750(Power 7)),总共划分4 个逻辑分区,MMS 和PES 各分配2 个逻辑分区作为应用服务器和数据库服务器。考虑到MMS 覆盖企业的所有生产线,业务量大、实时交互性强、I/ O 性能要求较高,还要为未来的业务扩容、生产线扩充预留一部分处理能力,因此把每台P750 服务器3 /4 的系统资源用于MMS,具体配置如下。
(1)服务器1
MMS 应用服务器:24CPU/96GB 内存,IBM AIX6. 1 操作系统;冷轧PES 应用服务器:8CPU/32GB 内存,IBM AIX6. 1 操作系统。
(2)服务器2
MMS 数据库服务器:24CPU/96GB 内存,Oracle 11g 数据库1 套;冷轧PES 数据库服务器:8CPU/32GB 内存,Oracle 11g 数据库1 套。
此外,应用服务器同时与数据库服务器通过AIX 操作系统集群管理软件HACMP 完成服务间的热备切换,保证系统对外7 X24 h 的连续服务。
4.2 系统框架构建
基于“MMS + PES冶架构的冷轧MES 采用C/S 三层架构:前台采用图形化客户端,中间层采用实时交易中间件软件(TUXEDO),后台采用企业级数据库软件(Oracle 11g)。在C/ S 三层应用中,客户端和服务器之间加入一层中间层,开发人员可以将企业应用的业务逻辑处理放在中间层服务器上,从而将应用的业务逻辑与用户界面分离开,在客户端只需一个瘦(thin)的GUI 用户界面即可。这意味着如果需要修改应用程序代码,可以只在一处(中间层服务器上)修改,而不用修改大量的、分散的客户端应用程序,从而使开发人员可以专注于应用系统核心业务逻辑的分析、设计和开发,简化了企业系统的维护、更新和升级工作,极大增强了企业应用的伸缩性和灵活性。
4.3 系统间通信
基于“MMS + PES冶架构的冷轧MES 要与周边系统进行集成,包括ERP 系统、冷轧PES、热轧PES、各机组L2 系统、检化验系统、轧辊系统、行车调度系统、PDA 系统。这些系统都是独立的应用系统,彼此之间数据交换实时性强,交换频繁,电文传送的可靠性要求高。针对这种需求,采用基于TCP/ IP Socket 通信协议的数据交换通信中间件,并且全厂数据通信使用统一的通信协议,从而在通信双方之间实现实时、安全的数据交互。
5 应用效果
相比单生产线MES 架构,基于“MMS + PES冶的系统架构有以下优势:(1)具有统一的MMS 平台,具有统一的数据标准、接口标准和管理标准,使企业所有生产线的生产和质量在统一的信息管理平台开展业务、共享信息;(2) 系统集成度高,能够更好地实现数据集成、软件集成、硬件集成和网络集成;(3)可扩展性强,包括业务应用功能和系统环境的可扩展性;(4)建设成本和维护成本较低。
目前,宝钢、沙钢、邯钢等多家国内知名钢铁企业都已经成功实施了基于“MMS + PES冶架构的冷轧MES。以沙钢为例,2009 年,沙钢新建炼钢、热轧项目,同步建设了基于“MMS + PES冶架构的MES,覆盖所有炼钢、热轧生产线;2013 年，沙钢建设冷轧项目时,由于已经构建了基于“MMS + PES冶架构的MES,因此只需在原有MMS上针对冷轧生产线做一定的功能扩充,同时新增一个冷轧PES,在较短时间内就顺利完成了MES对于炼钢、热轧、冷轧生产线的全覆盖,为企业提高了效率,创造了效益。
6 结束语
基于“MMS + PES冶架构的MES 解决了多生产线情况下MES 功能重复建设、统一性差、接口多、建设成本高等问题,在国内大型钢铁企业正得到越来越多的应用。它前后贯通企业所有生产线,上下连接ERP 和PCS,在生产计划的优化调度组织、生产过程的控制与改进、生产指令的下达与实时生产数据的收集、生产敏捷化的实现等方面起到的作用已经越来越显著,充分体现了钢铁企业“集中一贯冶的管理理念,优化了企业管理,提高了工作效率,提升了企业竞争力。
6/3/2014
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