（机械电子工程专业论文）面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究.pdf

面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 摘要 集成系统是支持企业产品生产和经营管理的集成化多层次系统，是传统企 业实现集约化经营管理、提高企业竞争力的有效途径。但是，它对于钢铁企业 的研究与应用并不成熟。合理的系统结构方案以及有效的应用集成平台是成功 实现集成系统的关键，因此对二者的研究具有十分重要的意义。 本文根据集成系统结构的研究现状，结合钢铁企业的特点，首先提出了面 向系统的生命周期、控制层次和功能组成三个方面的结构模型，作为指导应用 设计的理论框架：并讨论了企业集成的主要技术以及集成平台的结构功能，突 出了柔性软件系统可重用的思想。然后通过分析企业资金流的重要作用，提出 以资金流控制为主线的钢铁企业集成系统结构，介绍了各部分功能组成，其中 对应用集成平台的设计采用了组件系统的设想。最后，以大连钢铁集团为企业 应用实例，介绍了其c i m s 工程的总体设计和经营管理系统的实现情况。 本文提出的设计构想已经应用到企业中，具有较强的现实意义，同时对钢 铁企业集成系统的深入研究也具有一定的理论参考价值。 关键词：集成：集成系统结构：应用集成平台：资金流：组件系统 耍塑塑堡垒兰竺箜叁垡至竺堕塑墨苎查旦叁垡! 鱼竺旦壅 a b s t r a c t t h ei n t e g r a t e ds y s t e mi sam u l t i p l es y s t e mt os u p p o r tp r o d u c t i o na n db u s i n e s s m a n a g e m e n t w h i c hi s a ne m c i e n tw a yf o rt r a d i t i o n a li n d u s t r i e st oa c c o m p l i s h i n t e n s i v em a n a g e m e n ta n di m p r o v et h ec o m p e t i t i o np o w e r b u ti ns t e e le n t e r p r i s e s t h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e mi sn o tv e r ys u c c e s s f u l t h en e w s y s t e ma r c h i t e c t u r e a n dt h ev a l i d a p p l i c a t i o ni n t e g r a t i o np l a t f o r m ，w h i c h a r e s p e c i a l f o rs t e e l e n t e r p r i s e s ，n e e dt ob er e s e a r c h e du r g e n t l y i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n t so fi n t e g r a t e ds y s t e m sa r ei n t r o d u c e d f i r s t l y b a s e d o nc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e l e n t e r p r i s e s t h r e e n e wm o d e l sa r e p r o p o s e d ，w h i c ha r e t h e l i f e c y c l em o d e l ，t h ec o n t r o lm o d e la n dt h ef u n c t i o t 2 m o d e l t h e s em o d e l sa r et h ef o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e i n a d d i t i o ns o m ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so f e n t e r p r i s ei n t e g r a t i o na n dt h ef u n c t i o no f t h e i n t e g r a t i o np l a t f o r m a r e d i s c u s s e d ，a n dt h en e wi d e ao ff l e x i b l es o f t w a r e s y s t e mi se m p h a s i z e d t h e nan e wi n t e g r a t e ds y s t e ma r c h i t e c t u r ew i t hc o n t r o l l i n g c a p i t a l f l o wa st h em a s t e r s t r o k ei s p r e s e n t e db ya n a l y z i n gt h ei m p o r t a n c eo f c a p i t a lf l o wi ne n t e r p r i s e s t h ec o m p o n e n ts y s t e mi su s e df o rt h ed e s i g no ft h e a p p l i c a t i o ni n t e g r a t i o np l a t f o r m a tl a s t ，t h eo v e r a l ld e s i g no fc i m se n g i n e e r i n g o fd a l i a ni r o n & s t e e lc o i si n t r o d u c e d a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eb u s i n e s s m a n a g e m e n ts y s t e mi l l u s t r a t e st h ee f f e c t i v e n e s so f t h ed e s i g n i nc o n c l u s i o n ，t h ea r c h i t e c t u r ep r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o nh a sa l r e a d yb e e n p u ti n t op r a c t i c e a n di ti su s e f u lt ot h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h ei n t e g r a t e ds y s t e m f o rs t e e le n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：i n t e g r a t i o n ，i n t e g r a t e ds y s t e ma r c h i t e c t u r e ，a p p l i c a t i o ni n t e g r a t i o n p l a t f o r m ，c a p i t a lf l o wa n dc o m p o n e n ts y s t e m 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 l 绪论 1 i 课题背景 挑战与机遇并存是信息时代制造企业共同面对的市场竞争形势。信息技术的迅速发 展促进了企业经营管理模式的变革和制造技术的发展，促进了全球制造业的重组与分工， 使企业面临着更大范围的激烈竞争。同时，信息技术又为制造业实施先进制造战略计划 和提高竞争力提供了使能工具和平台。 传统制造业面临着新的挑战和机遇，为了能在市场竞争中立于不败之地，如何缩短 产品上市时间( t i m et om a r k e t ) 、提高质量( q u a l i t y ) 、降低成本( c o s t ) 、改善服务 ( s e r v i c e ) ，是企业永无止境的追求。企业要想生产出质优价廉的产品，不仅需要实现生 产过程自动化，而且要求与生产过程相关的调度、计划、决策、经营、人事等企业级的 信息管理也要实现自动化，从而将技术、管理和入集成，实现整个企业的生产经营管理 的集成川。 1 i i 钢铁企业的特点 我国的钢铁企业大部分建立于五、六十年代，生产工艺设备落后。经过技术改造， 新建车间和生产线，基础自动化和过程自动化有了显著提高。参照国际标准化组织i s o 对企业自动化系统模型的建议，钢铁企业自动化系统的结构按功能划分可分解为6 级： 基础自动化、过程控制生产机组设备控制和生产过程控制，这3 级自动化对提高企业产 品质量和产量、优化生产过程、提高生产效率，起着最直接的保证作用；上层3 级为管 理自动化，包括总厂经营管理、分厂管理和车间在线作业管理等 2 1 。 钢铁企业的生产过程中伴随着物流、资金流和能源流，其流程的前一阶段为冶炼阶 段，以化学反应为主；后一阶段为轧制阶段，又以物理变化为主。整个生产过程包含了 物质和能量的转换与传递，具有复杂性、突变性和不确定性等特点。 按照生产特点可将制造业基本分为两大类：第一类是离散型制造企业，它们的基本 特征是机器对工件进行外形的加工，再将不同的工件组装成具有某种功能的产品，像机 械制造业、电子产品企业和服装行业等；第二类是连续型制造企业，它们的特征是被加 工对象不间断地通过生产设备，原材料进行规定的化学反应和物理变化。由于生产过程 是连续不断的，因此也称为流程工业，如冶金、石化、造纸等行业 3 1 。 下面就钢铁企业和机械工业的生产特点进行一下对比【4 l 。 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 对象钢铁企业机械工业 生产方式大量生产多品种小批量或单件生产 工艺流程基本不变随时可变 产品稳定，一次定型后基本不变多变，单台分别设计 结构设计不需产品设计，只需进行成分产品结构复杂，c a d 设计 分析必不可少 工艺计划设计工艺路线简单，比较固定，只 产品零部件多，不同部件 需改变参数 之间工艺路线差别大， c a p p 非常重要 生产过程生产线中无缓冲单元，物流是 生产线中有某些缓冲单 连续的，启停及正常操作和紧元，物流不连续 急处理比离散制造要复杂 运行环境 多为高温高压，易燃易爆和有一般普通环境 毒的恶劣环境 生产状态检测状态一般不能直接观察，大多 状态可以直接由人工观 需要使用仪器进行非接触式测，更多的是由仪器接触 观测式观测 过程控制性能较强的过程控制优化和自适 工艺过程参数由c a p p 完 应能力，各种工艺参数自动设成，数控编程由c a m 完 定，状态实时监控成，实时性要求不严，可 离线进行 基础自动化组成d c s 、p l c 、仪表控制 c a m 、f m s 、f m c 、数控 设备 控制结构 开放体系结构，集中管理分 开放体系结构，递阶分层 布 管理与控制 控制 表l 钢铁企业和机械工业的生产特点的对比 t a b l e1t h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns t e e le n t e r p r i s e a n dm a c h i n e m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e 这些生产特点的差异，使这两种不同类型的企业在实施信息化过程中采用的方法和 技术有很大的差别。 1 1 2 信息化过程中的问题 钢铁企业虽然已基本实现了基础自动化和过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的 单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁生产的要求。 未来钢铁企业竞争的焦点是多品种小批量生产，质优价廉，准时交货。为了提高生产率， 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 节能降耗，减少人员，压缩库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，必 须对现有计算机控制系统进行改造，实现集成化、信息化管理。 但是国内许多钢铁企业在实施信息化的过程中较为盲目，缺少系统化、整体化的集 成解决方案：建立财务管理系统时，没有集成化的分析核算：实旄生产管理、采购、销 售、库存等系统时，系统之问彼此孤立，难以实现有效的信息集成：并且系统缺乏开放 性、柔性，应用之间的连接不方便、效率低，信息系统的集成较困难，工程实施时间长， 用户界面不一致等。这些问题严重阻碍了企业实施信息化的步伐。 因此，在建立集成制造系统时，必须充分运用集成的思想，抓住企业客观对象特性， 进行合理地设计与控制，将企业的功能、信息、组织和资源有效地集成起来。要实现这 个目标，需要采用先进的集成技术，设计良好的集成系统结构及有效的应用集成平台。 1 2 现代集成制造系统的研究现状 1 2 1 概述 1 9 7 3 年，美国的j h a r r i n g t o n 提出了计算机集成制造c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g ) 的哲理。随着对c i m 哲理理解的不断深入，其内涵也在不断变化。根据 8 6 3 c i m s 主题的研究实践，目前我国对c i m 的理解已在深度和广度上拓宽了传统c i m 的内涵，已将c 讧定义为现代集成制造( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) 。其中， “现代”的含义是计算机化、信息化和智能化；集成的含义是信息集成、过程集成和企 业间的集成优化、企业活动中三要素和三流的集成优化、相关技术和各类人员的集成优 化【5 1 。 c i m 是一种组织、管理与运行企业的哲理。它将传统的制造技术与现代信息技术、 管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机( 硬、软件) ，使企业产 品全生命周期市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持( 包括质量、 销售、采购、发送、服务) 以及产品最后报废、环境处理等各阶段活动中有关人组织、 经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，实现企业制造 活动的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务 好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争【6 1 。 c i m s 是基于c i m 哲理而组成的系统，它的定义是：通过计算机硬件、软件并综合 处理现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术，将企业生产全 部过程中有关人、技术和经营管理三要素及其物流、资金流、信息流有机地集成并优化 运行的复杂的大系统【7 j 。 对上述的定义可作进一步阐述： c i m 是一种组织、管理与运行企业的哲理。其目的是使企业达到产品上市快、高质、 低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市 场竞争。因此，e l m c i g s 不是企业的目标，而是达到企业目标的手段之一。 企业生产过程中的各个环节是一个不可分的整体，要以系统的观点进行优化。此处 的优化是指对企业生产过程各阶段活动中有关人组织、经营管理和技术三要素及其 耍塑塑壁垒些塑叁盛墨堕鱼塑墨墨坚旦茎壁! 鱼堕塑塑一一 信息流、物流和资金流有机集成并优化。 c i m 技术是传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技 术等的有机结合，其包括总体技术、支撑技术、设计自动化技术、制造自动化技术 和管理自动化技术。 c i m s 旨在通过物理集成、信息集成、功能集成和过程集成，将生产和经营活动集成 为一个高度自动化的整体】。 1 2 2 总体集成技术 c i m s 的关键在于集成。企业实施c i m s 的目的在于取得总体效益，而企业能否获得 最大的效益，又取决于企业各种功能的协调。一般来说，企业集成的程度越高，这些功 能就越协调，竞争取胜的机会也就越大。因为只有各种功能有机地集成在一起才能共享 信息，才能在较短的时间里做出高质量的经营决策，才能提高产品质量，降低成本，缩 短交货期，提高企业的竞争能力。信息集成、过程集成和企业集成代表了集成的三种不 同水平，是集成发展的阶段性标志。 信息集成是指c i m s 中不同应用系统之间实现数据共享，这些应用系统分布在网络 环境下异构计算机系统中，它们所管理和操作的数据格式和存储方式各异，实现信息集 成就是要实现数据的转换、数据源的统一、数据一致性的维护和异构环境下不同应用系 统之间的数据传送。在企业实施c i m s 的早期阶段，应用系统的集成首先是信息集成。 企业c a d c a p p c a m 系统的信息集成，提高了企业的设计自动化程度；车间控制器和 底层制造设备的信息集成，提高了企业的制造自动化水平：企业的信息集成还解决了企 业由于各部门之间信息不共享、信息反馈速度慢、信息不全等造成的企业决策困难、计 划不正确、库存量大、产品制造周期长、资金积压等问题，提高了企业的现代化管理水 平和整体经济效益。我国许多实施c i m s 的企业通过信息集成，已经取得了显著的经济 效益和社会效益。信息集成是过程集成、企业间集成及其它更高级集成的基础 】。 过程集成是指高效、实时地实现c i m s 的数据、资源共享及其协同工作，将孤立的 应用过程集成起来形成一个协调的企业c i m s 运行系统l l o j 。过程集成涉及到不同过程之 间的交互和协同工作，它比信息集成具有更高的集成度，其集成难度也更高。为了实现 过程集成，需要采用过程建模方法来建立企业的业务过程模型。另外，过程集成需要有 更先进的软件集成支持工具，如集成平台、集成框架等。 企业要提高市场竞争力，不能走“小而全”、“大而全”的道路，而必须面对全球经 济、全球制造的新形势，充分利用全球的制造资源，以更快、更好、更省的方式响应市 场。从组织层面上说，现代企业提倡“扁平式”的企业组织结构，提倡企业动态联盟。 产品型企业应该是“两头大、中间小”，即新产品设计开发能力和市场开拓能力大，加工 制造设备能力可以小。多数零部件可以靠协作解决，这样企业可以在全球采购价格最便 宜、质量最好的零部件。这是企业优化经营的体现。企业间的集成是企业优化的新台阶 【lz l 。 4 重塑塑壁垒些塑叁塞墨竺堕塑垦兰窒星塞壁! 童塑! 至 1 2 3 体系结构的研究现状 体系结构可以定义为整个c i m s 系统所通用的结构模块和关系的结构化模型集合。 它是设计与实现c i m s 的基础，给出c i m s 的组成及实现步骤和方法，从系统的角度全 面地研究一个企业如何从过去的经营方式转化为未来的方式，能清楚地表达c i m s 从概 念构思到系统实际完成的发展过程，能够从不同的方案中选择较优的一种方案“。 c i m s 最初是针对离散型生产企业提出的，因此在传统机械行业对c i m s 体系结构的 研究已经较为成熟。目前国际上比较流行的基本上可分为三类； 1 面向c i m s 生命周期的体系结构 制造系统的生命周期包括需求分析的定义、系统设计、系统实施、系统运行和更新 改进五个阶段。面向c i m s 生命周期的体系结构具有如下特点：有一整套结构化方法和 平台来帮助和支持上述的五个阶段：具有时空开放性，能够尽可能地利用原有系统的组 成部分；系统的各个组成部分应该非常充分而且没有冗余。 8 0 年代后期，欧共体e s p r i t e 计划课题组提出了一个“c i m 开放系统体系结构”， 即著名的c i m - o s a ( c i mo p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 。c i m o s a 体系结构是面向c i m s 生 命周期的体系结构的代表。c i m o s a 是一个三维结构l l3 1 “j ，其框架如图1 - l 所示。 图1 - 1c i m - o s a 体系结构 f i g 1 - 1c i m - - o s a a r c h i t e c t u r e 在该结构框架中的通用程序系统分为通用层、部分通用层、专用层。反映了不同企 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 业的c i m s 。通用层包含各种c i m s 模块，c i m s 元件集、各种企业需求和处理方法。部 分通用层由一组分别适用于各类制造企业( 如机械制造、航空、电子) 的部分通用参考 结构和选择优化方法组成。专用层仅适用于一个特定企业。一个企业只能通过一种专用 结构来描述，不同企业可以根据自己的企业类型，从部分通用层中选一种参考结构以及 相应的优化方法来帮助自己建立专用c i m s 结构。企业在部分通用层的帮助下，从通用 层中选择自己需要的部分，组成自己的c i m s ，从通用层到专用层的过程叫逐步具体化。 生命周期用于说明c i m s 生命的不同阶段。c i m o s a 设计了三个层次：需求定义层、 设计说明曾和实施描述层。需求定义层是用户和企业需求定义的阶段：设计说明层构造 和优化用户根据全局经营和系统约束所所定义的经营需求；实施描述层阐明了有效实现 企业运行的套必需的组成元件。视图用于描述c i m s 不同方面，它可以划分为：功能 视图、信息视图、资源视图和组织视图。这四个视图的作用分别是： 功能视图：用来获取企业用户对c i m s 内部运行过程的需求，反映系统的基本活动 规律，指导用户确定和选用( 或开发) 相应的功能模块。 信息视图：用来帮助企业用户确定信息需求，建立基本的信息关系和确定数据库的 结构； 资源视图：用于帮助企业用户确定其资源需求，简历优化的资源结构； 组织视图：用于确定c i m s 企业内部的多极多维职责体系，建立c i m s 的多级组织 结构。 支持c i m - o s a 运行的是集成基础结构，在系统规划设计阶段，它用于支持系统的 模拟运行和优化，在系统运行阶段用作运行的平台。 c i m o s a 是一种可供任何制造企业使用、可描述系统生命周期各阶段( 包括企业各 方面要求) 的通用的、完备的体系结构。 2 面向c i m s 系统功能构成和控制的体系结构 c 1 m s 是一个复杂的大系统，经过物理简化实施，可将它分解为不同的分系统，分 系统再分解为更小的子系统【l5 1 。面向功能构成的体系结构描述了c i m s 功能构成及其 相互关系，该结构的典型代表是美国制造工程学会( s m e ) 的轮式结构：另外，由于c i m s 控制系统非常复杂，采用了横向和纵向的分解和集成，形成递阶控制结构。如国际标准 组织的6 层递阶控制结构l l ”，其特点是面向控制结构，把复杂系统纵向分解为分层控制， 减少全局控制和开发的难度。美国国家标准局的自动化制造研究实验基地( a m r f ) 提出 5 层递阶控制结构【i 引，如图1 - 2 ：从控制结构看，分解为不厨的分系统，主要采用递阶 控制的方式，分为工厂、车间( 加工、装配) 、单元( 1 # n # ) 、工作站( 铣削、检验、 运输) 、设备( 机器人、传送器) 等【1 9 1 0 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 l 叫 市场预测，长期生产规 划盈资源规划：产品开 发计工艺设计：任务与 月年 广j 资源分配协谓管理 章章 车同级任务与资源分配 协谓管理，向厂级反馈 车闻任务和系统状态 周月 豳由 荤元任务与资源分配协 调管理，向车间级反馈 小时周 单元妊秀和系统状态 加工、物料储运、道具 l 铣削il 检验l 扬料储运 管理、装配、检测等个 小组拼遇指挥向单元 丹小时 l 工作站ii 工作站i 。 工作站f 层反馈工作站任务 机器 、机床、坐标测 翮网网陌南商陌南商 量机、小车传递装暨及 储运检测系统监控秒分 图1 - 2a m r f c i m s 递阶控制体系结构 f i g i - 2 a m r f c i m sc o n t r o ls y s t e m a r c h i t e c t u r e 3 面向c i m s 系统集成平台的体系结构 为了解决c i m s 系统中众多软件的支持和连接问题，进行了标准平台的研究，开发了 面向c i m 系统集成平台的体系结构，例如美国i b m 公司的c i m s 体系结构和d e c 公司的 c i m s 体系结构。 i b m 公司的c i m s 体系结构采用三层结构，包括硬件操作系统层、通用服务层和应 用层【2 0 。这种体系结构及平台的提供，可以使企业的c i m s 适应市场需求变化：可以使 管理者、工程师、操作员、程序设计者都能简易而实用地工作；可以减少系统开发时间 和成本；可阻维护企业原应用软件投资。 d e c 公司的战略是将“应用需求”、“企业服务”、“计算基础”三者集成以赢得竞争 口“。基于这种思想，提出了d e c 公司的c i m s 体系结构，它是基于n a s 平台。n a s 分 为5 层：硬件层、网络层、系统软件层、应用集成层和生产工具层。 耍塑塑壁垒些箜叁壁至堕竺塑垦薹查璺墨壁型婴圣一 图1 3i b m 的c i m s 体系结构 f i g i b mc i m sa r c h i t e c t u r e 1 3 课题的研究意义及主要工作 随着我国加入w t 0 以及全球市场的形成，企业面临着更多变的外部环境，工业企业 也由单纯生产型向生产经营型转变，这就要求企业的经营应该根据市场的变化不断地调 整内部状态，改变组织机构以及调整生产过程与产品，不断改进与外部合作资源的关系， 及时获得反馈信息，以此作为企业保证可持续发展的基本竞争策略，创造并保持竞争优 势。 c i m 哲理是制造行业系统集成的哲理，它在离散行业内的研究取得了辉煌的成就， 并行成了一套行之有效的理论体系和规范化方法：与离散型生产企业相比，连续型生产 企业生产对象和环境具有高度的复杂性和不确定性，尤其是钢铁企业，生产过程既有连 续化、大型化和自动化等特点，又有控制管理和最优化等特殊难点。这给钢铁企业信息 化带来了极大的困难，到目前为止还没有形成完全适合钢铁企业集成系统的框架结构和 理论体系。本课题以集成系统结构及其应用集成平台为研究重点，结合企业的特点，提 出以资金流为主线进行集成的结构，基于柔性软件可重用的思想，设计了应用集成平台， 并在大连钢铁集团信息化过程中得到了应用。研究具有较强的理论意义和现实意义，对 c i m s 研究领域扩展也有一定的参考价值。 本文主要进行了如下工作： 1 根据c i m s 体系结构的研究现状，结合钢铁企业的特点，分别提出了系统生命周期 的模型、控制层次模型和功能组成模型，并加以了分析说明； 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 2 阐述了企业集成的基本概念、主要策略和集成技术，重点讨论了集成平台的结构以 及柔一陆软件系统的思想，为应用集成平台的设计提供了理论基础； 3 通过分析资金流在企业流动过程中的重要作用，提出以资金流控制为主线对各类资 源进行集成的思想；参考面向控制和功能的结构模型，勾划出钢铁企业以资金流控 制为主线的集成系统结构，主要包括企业资源管理系统、生产执行系统、过程控制 系统以及应用集成平台，并分别对各部分的功能加以解释，在集成平台的设计中提 出了基于组件系统的结构；最后指出了钢铁企业实旌集成系统时需要注意的问题： 4 根据大连钢铁集团的具体情况，将以资金流控制为主线的集成系统结构应用于实际 项目，对大钢c i m s 工程的总体设计起到指导作用；在集成平台的设计过程中，采 用u n i f a c e 企业集成方案，应用了基于构件的开发技术和软件重用的思想；结合企业 管理需求，开发并实施了集成化经营管理系统，实现了以财务管理为核心的物资供 应、产品销售、资金核算、领导查询等方面的信息集成。 9 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 2 集成系统结构模型 企业是一个整体，企业的各种生产经营活动是不可分割的，无论对企业进行管理、 分析或诊断，都需要统一考虑企业的各个组成部分。企业集成是通过连接企业所有必需 的功能和异构功能实体来方便跨越组织界限的信息流、资金流和物流的传递，通过改善 企业内的通信、合作与协调的方式，将企业组成一个有机的整体，达到提高生产率、柔 性程度以及应变管理的能力。企业集成系统是在企业单元技术和系统得到广泛应用的基 础上，通过集成而形成的、支持企业生产经营全过程的系统。实施企业集成系统的目的 是解决企业内各部门之间信息不能共享、“信息化孤岛”或“自动化孤岛”等问题。 这种集成系统是企业信息化发展的必然趋势，它是一个集产品生产、企业经营和管 理于一体的多层次、多结构的复杂的系统。因此，设计出符合企业生产经营需求，充分 体现集成优势的系统是非常重要的。企业迫切需要一种从设计到实施，具有较高规范程 度和参考价值的系统集成结构，以及相应的规划、设计和实施的方法和工具【捌。 体系结构的方案在企业集成系统的开发过程中起到了很好的指导作用。系统的设计 者，以体系结构为纲领，设计出适合于特定企业的综合集成系统，并指导整个开发过程。 而系统的使用者，则可通过体系结构，了解系统的全貌，提出适合于本企业特殊的需求， 并在系统投入使用后掌握系统的运行过程。并随且寸根据需求的变化，调整系统的结构。 结合钢铁企业的特点，本文分别从面向生命周期、控制层次和功能组成三个方面提 出了企业集成系统结构的模型。 2 1 生命周期模型 一个大型钢铁企业的信息化工程由立项到建成，需要经历生命周期的各个阶段，如 可行性研究、初步设计、详细设计、开发实施、运行维护等，这与软件工程的工作进程 相类似，。在各个阶段中，既要完成本阶段的特定任务，又要相互衔接，前一阶段为后一 阶段准备必要的信息，后一阶段比前一阶段更为具体，考虑更多的现实条件。 生命周期模型具体结构i 如图2 1 所示。 1 0 图2 - 1 面向生命周期的结构模型 f i g 2 - 1l i f e - c y c l ea r c h i t e c t u r em o d e l 可行性研究阶段的任务主要是了解系统的策略目标，勾划系统内部和外部环境，定 义系统的总体目标和主要功能，并从技术、经济和社会等方面分析系统实旋的可行性； 需求分析要调查企业中发生的各种物流、资金流和信息流的情况，了解企业提出的各种 技术经济指标；初步设计阶段是在满足实际约束条件的基础上，进一步将目标和计划具 体化，包括定义系统需求，设定系统功能和信息模型，提出总体设计计划，设计系统结 构，制定实施计划、投资计划等；详细设计阶段要解决的问题包括定义系统规范，指派 相应硬件和软件组态，定义功能和数据接口，制定实施计划和步骤，形成相应的实施队 伍，设定责任指派和标准等。实施阶段将遵循自下而上的方法，按照实施历程首先分步 实施各子系统，而后开发予系统之间的接口，最后做到整个系统的集成：调试运行期间， 随时记录运行发生的误差并进行相应的调整，然后即可进行实际应用和维护工作。 亘塑塑堡垒些塑叁壁墨堕堕塑墨基生星墨壁! 量坚! 墨一 系统维护 1 文档管理 2 版本控制 3 新需求收集 图2 - 2 生命周期闭环控制 f i g 2 - 2l i f e - c y c l ec l o s e dl o o p c o n t r o l 从图2 2 可以看出，从需求分析到运行维护是一个闭环控制，每一个阶段的输出结果 是下一阶段的输入；上一个生命周期运行维护阶段得到的结果得到的结果再次反馈给再 次反馈给需求分析，这个不断循环的过程反映了企业集成系统不断改进和扩展的过程。 按照生命周期建立起来的建立起来的全过程结构能够全面地指导者整个工程的分 析、设计、实施与运行各个阶段，这正是总体技术要达到的目标。 2 2 控制层次模型 体系结构是企业集成系统设计开发过程中的纲领，一个良好的体系结构应该能够反 映综合自动化系统内部的层次关系，以及各层中信息、对象与控制各组成之间的关系。 钢铁企业自动化系统，是六级自动化系统的集成，即参数检测和设备操作驱动级、 生产设备控制级、过程控制级、车间的在线作业管理级、企业的短期生产计划及业务管 理级、企业的长期生产经营决策规划级。除了最底层的设备级，每级都是若干个下级的 集合，控制流自上而下，发布实施；而信息流则逐级向上，或者是在本级内交换。 1 狭义的控制结构 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 经营决策层 管理信息层 j t 生产调度层 过程监控层 j e 设备控制层 图2 - 3 狭义的控制结构模型 f i g 2 - 3s p e c i a lc o n t r o lm o d e l 由于自动化系统的分级特点，使钢铁企业的集成系统非常复杂，它也可以逐层分解 为不同的系统。如图2 - 3 所示，从上至下主要为经营决策层、管理信息层、生产调度层、 过程控制层和设备控制层。经营决策层根据市场信息和订单需求，决定企业的发展方向， 制定战略计划，进行投资管理和风险管理，并制定财务政策、市场销售政策和研究开发 政策：信息管理层实现对生产信息和经营信息的集成管理，为上层决策支持系统提供决 策信息，同时为下层提供生产调度信息；生产调度层落实生产计划，组织均衡生产，协 调资源，对生产进行协调管理；过程控制层实现生产过程中主要生产环节的监督和控制， 以保证过程优化及生产装置的优化运行，并完成故障报警和诊断；设备控制层利用各种 控制模型和控制算法通过执行机构对设备进行直接控制。这种递阶控制结构非常适应信 息技术的应用和企业的控制方式的实现。 2 广义的控制结构 从控制结构的内部联系来看，每一层都可都可以看成一个广义的控制系统，具备了 控制系统的信息、控制与对象三个要素。从上到下把各层相同的对象连接起来，就组成 了了相应的信息视图、控制视图和对象视图。 圈2 4 控制结构模型横向分析 f i g2 4 h o r i z o n t a la n a l y s i so f t h ec o n t r o lm o d e 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 信息视图反应信息的各种属性，它主要存储信息之间的相互联系。最底层为参数测 量层，数据经过浓缩处理后，上升到控制层，进一步加工后变成核算信息和工况信息， 分别提供给车间管理、生产优化和事故监测之用，并经过汇总统计后上报至调度层和管 理层，一些重要的测量信息，如关键设备的运转情况，生产主流程的重要参数等。调度 和管理信息经过深度加工后，进入决策层，作为企业领导决策的主要依据。在决策层除 了要掌握企业内部的综合信息之外，还要掌握外部信息，如市场信息、同行业信息等， 以便从全局的角度制定战略计划。 控制视图反映自动化系统对各级功能的分配与实现。针对企业要实施的功能和要解 决的问题，在充分有效地利用各种信息的基础上提供各种方法和策略，因而是整个系统 的核心部分。最底层的设备控制层，是典型的控制器，如温度调节回路中的p i d 调节， 或是前馈、补偿、去耦等复杂调节装置：在过程控制层，把底层控制系统作为广义对象， 寻求生产装置的静态优化，而不考虑某个调节回路的动态特性如何；在调度层，把各个 车间作为调度的对象，而保持了整个企业的生产平筏：在管理层主要考虑企业的物流、 资金流的运作与存储，供销渠道的畅通；在决策层则把整个企业作为广义对象，寻求企 业的整体优化。控制视图各层之间的联系，逻辑上是上级部门指挥下级部门，物理上则 是通过信息视图发生联系。 对象视图反映不同企业的不同特性，正确了解对象视图，是自动化系统能否成功的 关键。不同层次上的对象视图差别很大，底层控制对象是各种设备装置的动态特性，通 常用传递函数或频率特性描述：控制层要了解的对象是装置的数学模型，通常用线性回 归模型或非线性模型来表达；在调度层，对象是与整个企业的主要工艺流程相联系物料 平衡及能量平衡方程，主要设备特性及主要控制参数；在管理层，对象是资金、物流的 流通和分配过程，固定资产折旧和成本核算过程；在决策层对象是市场需求的动态变化 变化及，预测全厂投入产出各种构成效益为中心的主要限制条件。 通过横向分析，结合狭义的控制结构，我们可以得到广义的面向控制的结构模型。 如图2 5 所示：纵向五行和横向三列分别对应子前面描述的五层递阶结构和三类视图。 每层内和层与层之间都有联系。在信息视图上，信息向上浓缩，逐层抽象，以满足不同 层次对信息的不同需求；在控制视图上，命令向下传达，逐层具体，以满足不同层次上 控制功能的具体职责：各层对象视图分别为各层的控制控制提供依据，不同层次的对象 形态各异，总的趋势是逐层向上，抽象程度和宏观程度也逐层提高。 亘塑塑壁垒些塑叁壁至竺堕塑墨墨壁旦叁壁! 鱼塑翌窒 一 经营决策层 信息视图 决萧信息 管理信息层 管理信息 生产调度层 过程监控层 设备控制层 2 3 功能构成模型 调度信息 1 r 一 工况信息 核算信息 _ r 一 目9 量信息 控制视图 辅助决策 s z 生产经营 管理 调度优化 可 过程优化与 监控 f 控制算法 对象视图 效益市场 决策 资金流模型 物料能源 平衡 一 静态 数学模型 厂 动态特性 ，、 i生产过程7 图2 - 5 广义的控制结构模型 f i g 2 - 5g e n e r a l i z c dc o n t m lm o d e l 机械行业属于典型的离散制造业，从功能组成上看，机械行业的集成制造系统由经 营管理系统、工程设计系统、车间自动化系统、质量保证系统，以及计算机网络和数据 库两个支撑系统组成脚j 。由于机械行业产品结构复杂，用户需求多变，工程设计任务繁 重，因此工程设计分系统( 由c a d c a m c a p p 组成) 是最重要的分系统之一。钢铁企 业则不然，其产品及工艺大多数比较固定，除了在规定的范围内对技术性能和工艺参数 等方面进行调整外，基本不需要工程设计功能；新产品开发过程是离线进行的，与正常 生产过程相分离，不共用生产资源，设计不必与生产过程集成，所以在集成系统中不存 在工程设计分系统。 机械行业中质量保证系统采集、存储、处理、评价与有关质量的大量数据，从而获 得提高产品质量的方法。钢铁企业的生产一般都伴随着化学变化，遥常是在高温高压等 恶劣条件下进行的，其质量检测是以抽样方式为主，多采用统计质量控制，产品化验过 程与生产管理集成在一起，因而不单独设质量保证分系统。 钢铁企业生产长年不问断，其停产常常会带来巨大的经济损失。安全生产和节能降 耗是钢铁企业的优化目标，如何在稳态运行条件下提高质量，降低成本是赢得市场、获 得高利润的关键。安全经济运行是钢铁企业重要的组成部分，它主要是建立经济模型， 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 进行经济调度，制定设备维修计划，进行备品备件管理，故障预测及报警处理等。运行 管理分系统是钢铁企业中的重点。 为了使钢铁企业高效运营，应该对企业中由人、财、物所组成的企业资源进行管理， 企业资源管理系统使流程工业中最重要的系统之一。机械行业的产品可实现单件管理， 而钢铁企业的产品无法计件管理，只能大批量用统计的方法进行管理，因此需要寻求一 种区别于机械行业的管理方法，并根据信息流程的自身特点，建立适应钢铁企业运行的 企业资源管理系统。 过程自动化系统是实现生产过程集成的必不可少的环节，钢铁企业中生产连续性强， 因而自动化程度较离散工业高。 计算机网络和数据库技术是任何系统实现集成的基础和技术保证，在这一点上，机 械行业和钢铁企业是相同的。当然，钢铁企业对网络和数据库的实时性和安全性往往会 提出更高的要求。i n t e m e t 和i n t r a n e t 技术，使集成不再局限于企业的生产过程和内部管 理，已经扩展到市场、销售和服务三个环节，企业可以通过网络对原材料市场、成品市 场和销售市场的价格、质量等因素进行考察和分析，为决策提供依据，同时可以利用互 联网完成销售和服务。 自 动 化 ? 图2 - 6 功能结构模型 f i g 2 - 6f u n e t i o nm o d e l 综上所述，我们可以得到面向系统功能的结构，如图2 - 6 所示，它由企业资源管理 系统、过程自动化系统、运行管理系统以及计算机和数据库支撑系统构成。 2 4 本章小结 集成系统的体系结构是设计与实现系统的基础，它能够给出集成系统的组成及实现 步骤和方法。本章根据c i m s 体系结构的研究现状，结合钢铁企业的特点，分别提出了 面向系统生命周期、控制层次和功能组成的结构模型，并加以了分析说明。这三种模型 具有一定的通用性，可以作为设计具体应用结构的理论框架。 面向钢铁企业的集成系统结构及其应用集成平台的研究 3 企业集成技术的研究 在全球竞争环境中，制造企业的产品及其研制过程越来越复杂，企业集成系统的应 用范围也不断扩大，应用系统的功能也变得日益复杂。企业获得竞争力的根本在于其经 营过程的各个环节是否协调和整体优化，只有实现企业各个经营环节的信息前后贯穿和 共享，使企业的应用系统紧密匹配企业的业务流程和业务模型，才能主动或被动地重组 经营过程并敏捷地响应市场变化，这就对企业集成技术提出了越来越高的要求。 3 1 企业集成的基本概念 集成是先进制造技术的核心，企业集成致力于提高企业内相互发生作用的组织、个 体及系统之间的协调能力和协同效果，以完成一定的企业经营目标。一般来说，企业集 成的程度越高，各种功能就越协调，竞争取胜的机会也就越大。因为，只有各种功能有 机地集成在一起才可能共享信息，才能在较短的时间内做出高质量的经营决策，也才能 提高产品质量、缩短交货期。单纯地使用计算机提高自动化程度，而不考虑各种功能的 集成，不可能完全实现企业整体优化，也不可能有效地提高企业对市场的快速响应能力。 只有集成才能使“正确的信息在正确的时刻以正确的方式传到正确的地方”【2 4 1 。因此， 集成是构成整体、构成系统的主要途径，是整个企业经营管理取得成功的关键因素。 企业集成的内容包括企业的组织、经营过程、人员、制造资源与信息系统，不同的 企业集成方法，都是在不同深度和广度上实现企业内不同实体之间的通信、提供信息技 术应用之间的互操作并协调