MES在钢铁企业中的应用

MES在钢铁企业中的应用

首先根据制造业的现状引出了MES，并给出MES的定义及功能。在此基础上，结合某钢铁公司MES项目阐述了钢铁企业MES的核心功能，并总结了MES需要解决的主要问题。最后，展望了MES的发展趋势。 引 言

我国加入WTO后，制造企业面临着日益激烈的国际化市场竞争。为了在竞争中占据一定的市场份额，很多制造企业实施了以ERP（企业资源计划）为代表的计划层管理信息系统以及以PCS（现场控制系统）为代表的车间生产控制层自动化技术。目前，计划层的信息化以及生产控制层的自动化已经相当成熟，但整个企业的信息却不能得到很好的集成。生产和计划之间的“断层”，使生产和管理无法紧密结合，从而导致ERP等管理信息系统的应用效果不够理想，甚至失败。MES（制造执行系统）作为生产与计划之间的信息“集线器”，将两者的信息有效连接起来，使生产信息和计划信息能进行实时交互，从而解决了生产与计划之间的“断层”问题。

1 MES的定义

美国管理界于上个世纪90年代提出了制造执行系统（Manufacturing Execution System，简称MES）的概念，MES国际联合会（MESA）对MES的定义是：“MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理。当工厂里面有实时事件发生时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地

指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力、改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。”

从MESA对于MES的定义可以总结出MES系统所强调的3点内容：（1）MES不仅要解决生产和计划之间的“断层”问题，而且要对整个生产制造过程进行优化；（2）MES不仅要收集生产过程中大量的生产数据，而且要按照计划层的要求对其做相应的分析和处理；（3）MES与计划层和生产控制层之间的信息传递都是双向的，从而很好地实现企业的信息集成。

2 MES的功能

MES是属于生产车间级的管理信息系统。作为生产与计划之间的信息“集线器”，MES主要包括以下功能模块：工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集。

3 钢铁企业的MES

3.1 钢铁企业的特点及现状

钢铁企业具有生产流程长、环节多、工艺复杂、基础自动化及过程自动化基础良好的特点。

钢铁企业的信息化、自动化体系结构，不同于一般制造企业的3层体系结构，它采用了

4层体系结构（如图1所示）。在该体系结构中，L1为基础自动化层，L2为过程自动化层（即生产控制层），L3为生产执行层，L4为企业管理的计划层。当前，在我国钢铁企业信息化进程中，L3级的建设比较薄弱。从而将过程级信息与管理级信息隔裂开来，导致了生产与计划之间的“断层”。

图1 钢铁企业的4层体系结构

3.2 钢铁企业实施MES

为了解决生产与计划之间的“断层”问题，有必要在钢铁企业中实施MES。MES起到承上启下、前后贯穿的作用。

首先，L4将管理级的计划信息下达给L3；然后，L3根据车间现场情况进行优化，生成车间级的计划信息，并下达给L2；随后，L2根据具体生产过程的设备情况生成过程级的计划信息，并下达给L1；最后，L1负责具体的生产。与上述过程相反，从L1到L4逐次向上一层反馈实际的生产执行信息。这样，计划的下达与生产执行的反馈构成了一个闭环结构。

总之，钢铁企业的MES将过程级信息与管理级信息连接起来，有效解决了生产和计划之间的“断层”问题。

3.3 钢铁企业MES的功能

下面结合MESA给出的MES功能模块及济南某钢铁集团三炼钢－中厚板一体化MES系统项目谈谈钢铁企业MES的功能。MES在钢铁企业的应用中主要有以下3大核心功能模块：APS（Advanced Planning and Scheduling：高级计划排程），ALS（Advanced Line Sequencing：高级作业排序），WIP（Work In Process：在制品跟踪）。MES的3大核心功能模块之间的层次关系如图2所示。

图2 MES核心功能模块层次关系

鉴于济南某钢铁集团信息化、自动化自身的特点以及国内外当前MES系统软件供应商的行业特点。济南某钢铁集团三炼钢－中厚板一体化MES系统采用国外公司提供的APS、ALS平台软件，WIP部分根据企业自身生产流程特点自主定制开发。下面主要介绍济南某钢铁集团MES系统的APS、ALS、WIP 3大核心模块的功能特点。如图3所示钢铁企业MES的功能模型。

图3 钢铁企业MES功能模型

（1）高级计划排程（APS）

APS：主要用于生产计划与排程。一方面，APS以提高生产效率、缩短交货期、降低库存为目标，对从订单开始到产品产出的整个生产活动进行计划、排程、优化；另一方面，APS根据生产实际情况，动态调整生产计划排程，提高事件处理效率。APS主要有以下5方面的功能：

① 订单处理

·订单输入：订单作为整个MES系统的源头，通过接收ERP系统的客户订单或者直接手动录入订单。订单输人不仅可以接收订单，而且可以根据客户订单的变更或车间产能的

变化而修改或取消订单。

·客户订单转化成生产订单：根据车间的实际生产情况生成车间级的计划、调度、质量设计信息，随后将客户订单转化为分段式的初步生产订单，并产生各段原料需求。

·生产订单处理：考虑客户订单中产品的交货期、数量，进行物料的追加处理、紧急订单优先处理，并监管处理生产订单的过程信息。

·生产订单分析：根据整个客户订单库，并结合车间生产的当前情况，分析当前所有订单。

·归并生产订单：按交货期、钢种、规格，合并生产订单，形成各段的最终物料需求。

·生成作业任务：根据炼钢－中厚板一体化生产流程特点产生组炉、组浇、组轧的一体化作业任务。

② 生产排程

·工厂日历：根据生产订单，确定生产的基本排程时间框架，并将时间精确到每台设备、每班。

·作业周期约束：根据生产工艺约束、设备约束等因素，设定生产订单的作业周期约束。

·生产排程：根据产线产能、作业周期、原料的库存情况，采用时间片（总时间、开始时间、执行时间、结束时间、转移时间）的方式，使用正排、倒排的方法进行排程。

③ 库料管理

·原料库及中间库的分析与管理。

·原料库及中间库与生产订单的绑定。

·安全生产库存的设计与维护。

④ 作业程序生成

·作业程序：工厂完成各段生产订单的集成生产活动（组炉程序、组浇程序、组轧程序等作业程序）。

·产生过程：生产订单分析、库料分析、工厂策略设计。

·作业程序下达执行（转ALS执行）

⑤ 动态调度：图2所示的层次关系。

（2）高级作业排序（ALS）

ALS主要用于生产作业排序。为了达到设备利用率的最大化，缩短生产维修、准备、等待时间，降低物料消耗、降低成本，ALS接收APS形成的生产订单排程（炉次、浇次、轧次完成时间），进行生产作业排序操作（炉次、浇次、轧次），并下达到WIP执行。

① 生产订单分析

·生产订单分解分析：对于钢铁企业来说，生产订单分解成适合车间生产的炉次、浇次、轧次。

·作业排序准备：根据炉次、浇次、轧次，为生产做相应的准备。

② 作业排序生成

根据对生产订单的分解分析以及作业排序的准备情况生成作业排序。

③ 作业排序管理

根据生产车间的实际情况，作业排序管理主要包括：存储、下达、删除、加载作业排序。

（3）在制品跟踪（WIP）

WIP模块根据ALS下达的作业排序，组织具体的生产执行跟踪。对于钢铁企业来说，生产过程中的物料消耗信息、产品质量信息、工艺信息是最需要的。对于自动化程度较高的济钢，WIP所跟踪的信息都是通过接口表直接从PCS系统获得的。

① 物料消耗信息

在生产过程中，物料的消耗量直接关系到企业的生产成本。记录生产过程中物料的消耗信息，可用于生产车间及企业的成本核算。钢铁企业的物料消耗主要包括：普通物料及风、气、水、电等的消耗。

② 产品质量信息

钢铁产品的质量，取决于其化学成分。对于普通钢种，主要考虑碳、硅、锰、硫、磷等化学元素的含量。这些化学成分信息都可由化验室取样化验得到，直接传递给WIP模块。

③ 工艺信息

不仅要记录生产过程中的工艺信息，而且要对工艺信息进行分析，以便于工艺人员对生产工艺进行优化。

4 MES需要解决的主要问题

根据济南某钢铁集团三炼钢－中厚板一体化MES系统项目在设计、开发、实施过程中遇到的问题，总结得出MES系统在钢铁企业的应用中需要解决的几个主要问题：

（1）MES的APS、ALS模块必须解决很多ERP系统难以解决的问题：将客户订单打包归并成适合企业生产车间实际生产的生产订单。并由此生成具体的生产计划调度、作业排序。

（2）MES的WIP模块必须对整个生产过程中所有的有用数据进行跟踪，并对数据进行分析处理。

（3）MES系统必须处理好与计划层、生产控制层的接口问题。

（4）为了提高MES系统的运行效率，减少数据冗余度，MES系统应该采用分布式设计方法，并对历史数据进行定期整理。

（5）为了实现MES与ERP和PCS之间更好的集成，MES系统应该采用面向对象的设计方法。

5 钢铁企业MES的展望

在钢铁企业的信息系统中，MES是整个系统架构的重要环节，其功能架构的设计主要以生产计划、调度为主线，与企业资源计划ERP、车间层控制系统PCS紧密地结合。MES将向着可集成性、可配置性、可适应性、可扩展性和可靠性方向发展，形成一体化的ERP/MES/PCS企业信息系统。