（计算机应用技术专业论文）制造执行系统在济钢生产管理过程应用的研究.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 摘要 本文论述了me s的定义及其实质、me s的定位模型和其十一项功能，深入分 析它与计划层和控制层的关系，并阐述了 me s在行业应用中的特点。在分析济钢 中厚板厂生产现状及其存在的问题后，研究了系统的体系结构设计、数据库设计和 功能 模块设 计， 并 对其实 现进 行了 阐 述。 为了 解决 人 工 经验 编 排轧 制作 业 让划问 题 的低效性，提出了基于旅行商问题和 0 / 1背包问题的轧制作业计划排序数学模型， 并采用最近插入法进行求解，取得了满意的效果。本文根据济钢中厚板厂企业的实 际需求，结合 me s软件理论的研究，实现了企业生产现场的管理和上层管理软件 的有效结合 关键词:制造执行系统生产管理轧制作业计划 abs t ract t h e d e f i n i t i o n， t h e e s s e n t i a l , t h e o r i e t a t i o n m o d e l a n d e l e v e n k i n d s o f f u n c t i o n s o f me s w a s d i s s e r t a t e d i n t h e a r t i c l e , t h e r e l a t i o n b e t w e e n me s a n d t h e p l a n l a y e r a n d t h e c o n t r o l l a y e r w a s d e e p l y a n a l y s i s e d , a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c o f me s i n t h e i n d u s t r y a p p l i c a t i o n w a s r e s e a r c h e d i n d e t a i l . a f t e r a n a l y s i s e d t h e c u r r e n t p r o d u c t i o n c o n d i t i o n a n d t h e e x i s t e n t p r o b l e m i n j i g a n g p l a t e p l a n t , t h e d e s i g n o f s y s t e m f r a m e , d a d a b a s e a n d f u n c t i o n m o d u l e h a v e b e e n s t u d i e d , a n d t h e r e a l i z a t i o n o f i t h a s b e e n e x p o u n d e d . f o r s o l v i n g t h e l o w e f f i c i e n c y i n a r r a n g i n g t h e r o l l i n g p l a n b y m a n , b a s e d o n t h e t r a v e l i n g s a l e s ma n p r o b l e m a n d t h e p a c k p r o b l e m a b o u t 0 , 1 , t h e ma t h e ma t i c s m o d e l o f t h e s c h e d u l e o f r o l l i n g p l a n w a s p u t f o r w a r d , a n d t h e m o s t n e a r i n s e r t w a y w a s i n t r o d u c e d t o s o l v e i t , t h e r e s u l t w a s s a t i s f i e d . b a s e d o n t h e p r a c t i c a l d e m a n d s o f j i g a n g p l a t e p l a n t c o m b i n e d t h e a c a d e m i c r e s e a r c h o f me s s o f t w a r e , i t h a s b e e n r e a l i z e d t h e v a l i d c o m b i n a t i o n b e t w e e n t h e m a n a g e m e n t o f p r o d u c t i o n s c e n e a n d t h e u p p e r m a n a g e me n t s o f t wa r e i n t h e d i s s e r t a t i o n . k e y wo r d s : ma n u f a c t u r i n g e x e c u t i o n s y s t e m , p r o d u c t i o n m a n a g e m e n t , r o l l i n g l i n e p l a n n i n g 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章引言 1 .1 课题研究的背景 信息化是一个国家未来核心竟争力的关键，信息化水平正在成为衡量世界各国 经济增长速度和国际竞争力的主要标志。谁在信息化进程中走在世界前列，谁就能 有效提高经济增长的速度，掌握国际经济竞争的主动权。而制造业信息化是信息化 战略的重要组成部分，加强制造业信息化是提升我国企业信息化水平的重要举措。 我国企业管理信息化发展历程可分为三个阶段。 第一个阶段是从 8 0 年代中期到 1 9 9 5 年前后，以会计电算化为特征;第二个阶段是从1 9 9 5 年至 1 9 9 7 年，以财务业 务一体化为主要内容;第三个阶段是从 1 9 9 7 年至今，以制造资源计划 ( mr p i i )、 企业资源计划 ( e r p )以及制造执行系统 ( me s )为主要特征。 从整个企业信息化的进展来看，我国企业信息化建设已经取得阶段性成果，企 业信息化建设向纵深发展。一方面，企业对信息化建设的重视程度正逐渐提高，9 0 %以上的企业建立了信息化建设的专门机构，8 0 %以上的企业设立了主管信息化工 作的副总裁或副总经理;另一方面，e r p 、客户关系管理 ( c r m) , me s 、网络化 办公环境等综合性管理信息系统，正成为制造型企业建设重点。企业信息化应用正 从基础系统应用向综合系统应用过渡，企业信息化已经由局部信息化向全局信息化 发展。经过几年的发展，企业对信息化的理解逐步深入，企业不只关注一些基础系 统应用，而是更加注重提高企业的整体信息化水平，在企业研发、生产、管理和物 流的各个环节充分运用信息技术， 并注意系统的协调反应情况， 实现企业信息化i l l 随着经济全球化、制造敏捷化的发展，未来企业信息化的趋势将体现在以下几 个方面: . 企业信息化向智能化、虚拟化、集成化方向发展 智能化:在柔性化和集成化基础上进一步的发展与延伸。当前与未来的研究重 点是具有自律、分布、智能、仿生、敏捷等特点的新一代制造系统; 虚拟化:在数字化基础上，虚拟化技术的研究正在迅速发展。虚拟化技术主要 包括虚拟产品开发 ( v p d )、虚拟制造 ( v m )和虚拟企业 ( v e )等; 集成化:从企业内部的信息集成、功能集成发展到过程集成、企业间的集成和 网络集成; . 经济全球化推动企业信息化发展 企业信息化正朝着基于互联网的信息资源整合方向发展。随着中国全球制造基 地的逐渐形成， 制造全球化、 市场全球化、 经营全球化、竞争全球化的将逐渐显现， 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 信息化将促使制造业跨越原有的疆界，形成全球制造和全球营销。 . 领域和区域信息化促进企业信息化的发展 现阶段，企业信息化在特定产业链或领域快速发展的趋势比较明显，随着区域 信息基础设施等环境的逐渐完善， 区域信息化的发展为企业信息化构建了环境基础。 同时，企业信息化与领域和区域信息化形成相互促进、共同发展的态势。 综上所述，企业信息化建设是提高企业综合实力和市场竞争力的关键，是促进 现代企业制度形成的催化剂，是实现我国工业现代化的必由之路。 研究结果显示: 国内大型企业已普遍进入信息化建设的成熟发展期，在经历了一系列的挫折和失败 后，逐步勾画出清晰的企业信息化蓝图。 1 . 2 课题研究的意义 随着国内企业信息化应用水平的不断提高，企业逐渐认识到实现企业计划层与 车间执行层的双向信息流交互，通过连续信息流来实现企业信息全集成，是提高企 业敏捷性的一个重要因素。因此，通过 m e s来实现企业信息的全集成，形成实时 化的e r p , m e s 、车间控制s f c ( s h o p f l o o r c o n t r o l )是提高企业整体管理水平的 关键，这对制造企业整体信息化水平的提升具有重要意义。 .如图 卜1 所示，制造企业信息化的三层标准结构为:计划层 ( 如 e r p ) 、执行 层 ( 如 me s ) 和控制层 ( 如 s f c ) . e r p强调制造企业的计划性， 它以客户订单和市场 商务/ 计划 计划层 执行层 控制层 图 1 - 1制造企业信息化三层标准结构 需求为计划源头，充分利用企业内的各种资源，降低库存，提高企业效益;me s强 调计划的执行， 通过 me s可以把 e r p与制造企业的现场控制有机地集成起来; s f c 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 强调设备的控制，包括p l c 、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械等 的控制。me s在 e r p计划管理层和 s f c底层控制层之间架起了一座桥梁，填补了 两者之间的空隙。它通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有 工厂资源来提高制造竞争力，提供了一种系统地在统一平台上集成诸如质量控制、 文档管理、生产调度等功能的方式，从而实现企业一体化的 e r p / m e s / s f c系统。 企业生产管理系统是由以 e r p / mr p i i为代表的企业管理软件、以 s c a d a. h m i ( h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) 为 代表的生产过程监 控软件和以 实 现操作过程自 动 化、支持企业全面集成的m e s 软件群组成2 1 由于 m e s强调控制和协调，使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统， 而且能使计划落实到实处的执行系统。企业认识到只有将数据信息从产品级 ( 基础 自 动化级)取出、穿过操作控制级、送达管理级、并通过连续信息流来实现企业信 息全集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。因此 m e s在国外的企业 中迅速推广开来，并给企业带来了巨大的经济效益。 制造业信息化是信息化战略的重要组成部分。从某种意义上说，企业信息化就 是制造业信息化，而钢铁行业是制造业信息化应用的典型行业，它的信息化具有更 大的针对性和现实意义。中国的钢铁总产量居于世界第一，钢铁行业已成为我国国 民经济的支柱产业之一，为国民经济的持续发展作出了积极的贡献，提高钢铁行业 信息化水平对我国经济发展非常重要。 当前钢铁行业面临市场的激烈竞争，钢铁企业改变了从前的以计划预测为主的 生产方式，改为以 客户需求为中心来指导生产，企业按订单生产，多品种、小批量 生产成为钢铁行业的发展趋势。在这样的情况下将 me s引入钢铁行业具有重要的 意义: a .将me s引入钢铁行业，使钢铁企业的销售部门对车间生产线的情况非常了 解，掌握生产线的实时数据，避免签订不合理合同，避免出现合同价格低于生产成 本、交货期根本无法保证等问题;生产调度人员能够及时掌握生产的历史情况和实 时数据，方便地根据实际产能进行小订单合并，制订科学合理的生产调度计划，对 生产部门进行科学指挥与协调:而生产部门也能够及时掌握当前的各项订单情况、 生产计划指令，快速准确地根据销售合同和调度计划安排班组生产。 b .在钢铁行业引入 m e s ，可以 加强成本管理和综合调度，这是钢铁行业生存 发展的必然要求。要降低产品成本，可以通过 me s加强对原材料、煤水电气和人 员工时的全面实时监控与调度。一是要加强核算，全面采集相关消耗的实时数据， 并对相关数据进行管理与分析，制订合理的考核指标;二是加强综合调度管理，使 现有资源发挥最大效益:三是加强对生产现场的综合管理，减少次品、废品和不必 要的损耗，避免无效劳动。此外，尽量做到按需生产，减少产品的库存，减少对资 金的不合理占用。 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 c 在钢铁行业引入 me s ,提高了经营管理的决策效率，它是企业腾飞的必要 手段。企业经营管理过程中，常常面临各种艰难的决策;而市场波动频繁，契机一 瞬即逝，如果企业经营管理者不能快速进行决策，即使最终可以得出正确的决定， 也可能坐失良 机。所以在激烈的市场竞争中，通过 me s管理，经营者的管理决策 不仅可以保证其正确性，也可以提高其时效性。 目前，国内相当多的钢铁企业正在进行信息化方面的规划或者建设，有的企业 花巨资引进国外的 e r p软件产品，或者由一些软件商定制开发 e r p 系统，但许多 企业并没有达到原来预期的效果，其原因可能千差万别，但缺乏与过程控制层直接 相连的成熟的me s的支撑，不能不说是重要原因之一。 采用经济数学模型以及用电子计算机来综合解决轧钢轧制作业计划管理问题， 是钢铁行业 m e s的一项新的研究课题，对于提高企业的经济效益将有重大的现实 意义。制定科学的轧制作业计划，可以减少轧机的辊耗、有效利用生产资源、缩短 产品的生产周期、节约生产成本，从而使轧钢厂生产管理科学化和自动化。 1 . 3 国内外的研究历史和现状 制造执行系统作为生产形态变革的产物，其起源来自工厂的内部需求。传统的 m e s ( t r a d i t i o n a l m e s , t - m e s ) 就是从7 0 年代的零星车nj 级应用发展起来的，在积 累了相当的经验后，逐渐形成了一些从事 me s开发的专业公司，并且其系统也有 了相当成熟的标准，通常它们都是针对特定的生产类型或特定的功能需求而开发出 较为标准化的m e s 。 总的来说t m e s 可大致分为两大类: 专用的m e s 系统( p o i n t m e s ) 和集成的m e s 系统( i n t e g r a t e d m e s ) 。 专用的m e s 是指为解决某 个特定 领域 问题， 如车间维护、 生产调度或s c a d a而开发的单独应用系统; 集成的me s 则是 针对一个特定行业如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业而设计，具有一定的 行业内通用性，并且逐步加强了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成能力。 虽然专用的 me s能够为某一特定环境提供最好的性能，却常常难以与其它应用集 成，这样就出现了集成的me s 。集成的me s比专用的me s 迈进了一大步， 具有很 多专业的me s 所不具有的优点，如:单一的逻辑数据库、系统内部良好的集成性、 统一的数据模型等等。但其整个系统重构性能弱，很难随业务过程的变化而进行功 能配置和动态改变，为了解决t - me s的不足，面向敏捷制造的me s逐渐成为人们 研究的热点。面向敏捷制造的 mi s s具有可重用性、可重构性、可伸缩性的特点， 它可以组合不同企业的优势资源，形成整体优化的生产制造系统，使企业适应客户 需求的不断变化并向 客户提供更加长期和优质的服务 3 1 在我国， 制造业水平与发达国 家相比 还有较大的差距， 在工厂自 动化f a ( f a c t o r y a u t o m a t i o n ) 方面， 我国的 制造业企业过去多是强调设备自 动化，如自 动化生产设 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 备、自动化检测仪器、自动化物流运输存储设备等等。虽然它们能取代不少人工劳 动并解决了一些生产瓶颈，但由于缺少相应的信息集成系统，这些系统不能充分发 挥其功效而形成所谓的“ 自动化孤岛” 。因此，制造业水平的提高不单是采用设备自 动化， 提高生产管理信息系统的效率显得更为重要。 在我国， m r p i l ( m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e s p l a n n in g ) , m i s 己 逐渐趋于成熟与普 及， 而面向 制造执行层的m e s 软 件 在开发与应用方面还比较薄弱。我国对车间层、单元层的研究大多着重于控制模型 的研究，很少站在 m e s这一角度，从应用出发来研究并开发面向制造过程的集成 化 管理 和控制 软件a 1 现在， 我国有些高等院校正在从事 me s 这方面的研究与应用开发工作， 如:中 国冶金自动化研究院、清华大学、北京航天航空大学、南京航天航空大学、北京科 技大学等。在me s 理论研究方面，加入了敏捷、网络化、可重构等一些先进思想; 在 m e s系统设计方面，则采用面向对象、构件等技术，取得了不少有益的成果。 但是，我国对 me s的研究起步比较晚，在软件的商品化、成果的推广应用方面和 国外还存在很大的差距，目前国内 me s的研究近乎仅停留在院校里，还没有自主 开发的很成熟且得到广泛应用的me s 软件。因此，我国在 me s的理论研究以及实 际应用方面，需要进一步加大力量。 在国外，me s的商业化产品己经成熟，如:法国公司a l s t o m的p r o m i s 、美 国公司c a m s t a r的i n s i t e 、 英国 公司i n v e n s y s 的i n t r a c k 等产品己 经在业界广泛得 到应用，并且使企业取得了显著的经济效益。与此同时，在国外相继的成立了一些 m e s 组织， 如m e s a i n t e r n a t i o n a l ( m e s 国 际 联合会) 就是以 宣 传m e s 思想和产品为 、 宗旨的贸易联合会，它为了帮助其成员组织在企业界推广 me s而制定了一系列研 究、分析和开发计划，这进一步地推动了me s的研究和应用。 关于钢铁行业 me s的轧制作业计划的研究工作，从 1 9 9 3年 1 2月的国际钢铁 生产管理大会和最新文献就可以看出，国际上先进的钢铁公司己经开始了研究轧钢 车间生产作业管理问题， 1 9 9 1 年川崎制铁技报报道了采用人工智能来制订钢管热轧 作业计划的方法，美国p u r d u e 大学的k o s i b a 和w r i g h t 对于通过热带轧机的板带排 序建立了旅行商( t s p ) 模型进行了研究， 前苏联在顿涅茨钢厂建立了型钢生产的作业 计划信息系统，这一切都说明了轧制作业计划的研究工作正方兴未艾地进行。 轧钢厂轧制作业计划排序问题根据钢材特征主要分成三类: 带钢、 型钢和钢管。 不同类型的轧钢厂生产工艺虽然差别较大，但是东北大学的唐立新在他一篇论文5 i 中提到了轧制作业计划排序具有相似性，说明如下: a . 热轧带钢生产过程当中， 通过精轧机组的两个工作辊之间的轧制计划要求具 有 “ 乌龟壳形状” ，可以建立一个旅行商模型来求解轧制作业计划排序问题。 b .钢管厂的轧制作业计划排序问题可以概括为调整时间与加工顺序有关的问 题，在制订轧制作业计划时需要使总的调整时间费用最少，轧制作业计划的不同轧 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 制规格之间转产所需的调整时间的其实质是一个旅行商模型。 c . 在型钢的轧制作业计划排序问题中，由一批型钢转产另一批的型钢， 要取决 于一定断面、尺寸钢号和质量特性的产品，力求换辊与调整轧机的时间最少，因此 它的计划方法与钢管是一样的。， 基于以上的结论，对轧钢厂的轧制作业计划排序算法建立实用的旅行商模型， 这对各种类型钢材的轧制作业计划排序具有普遍的借鉴性，而本文就是在旅行商模 型的基础上，结合 0 / 1 背包问题原理，加入轧制工艺的约束条件，对济钢中厚板厂 的轧制作业计划排序进行求解，并希望也能对其它类型钢材的轧制作业计划排序求 解 有 所 借 鉴 。一 、 1 . 4 论文工作内容 me s 是一种复杂、 大型的面向制造企业生产线的信息化系统。 在攻读硕士期间， 本人对制造执行系统进行了深入地研究与分析，同时阅读了大量相关领域的资料， 包括钢铁行业的相关知识、me s 和e r p的基本原理、轧钢厂轧制作业计划理论。 论文的工作内容为以下部分: j 本文在研究me s 相关理论的基础上， 对济钢中厚板厂的生产线进行了大量 的调研，研究了其中存在的管理问题，并对济钢中厚板厂 me s系统进行需求分析。 选定 me s系统的开发模式，对系统进行了软硬件选型，并进行了系统的数据库设 计、功能模块设计以及软件实现。 r 本文为了解决中厚板厂凭人工经验编制轧制作业计划的低效性，基于旅行 商和 0 / 1 背包原理，建立了轧制作业计划的数学模型，通过分析遗传算法在解决这 一问题的不足，采用最近插入法和人机交互的方式来解决中厚板厂的轧制作业计划 排序问题。 在项目开发中，我还参与了济钢中厚板厂 m e s 生产信息管理模块的部分编码。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章制造执行系统相关理论 2 . 1 m e s的内涵 它企多这 me s的概念最早形成于8 0 年代末， 进入9 0 年代逐步成型并获得迅速发展 的产生有着鲜明的时代特征、即随着社会和科学技术的发展、物质的日益丰富 业面临的压力越来越大，市场全球化导致竞争日趋激烈，由于时刻变化的市场、 样化的客户需求，促使人们寻求新的生产方式以求得在下一世纪的生存和发展， 引起了各工业发达国家企业界和学术界的高度关注。在这种背景下，各种生产管理 与 控制方式， 如物料需求计划m r p ( m a t e r i a l r e q u i r e m e n t s p l a n n i n g ) 、 制 造资源计 划m r p i i ( m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e s p l a n n i n g ) 、 企业资源计划e r p ( e n t e r p r i s e r e s o u r c e p l a n n i n g ) 、准时生产 j i t ( j u s t - i n - t i m e ) 、最优生产技术 o p t ( o p t i o n p r o d u c t i o n t e c h n i q u e ) 、以 及敏捷制造a m ( a g i l e m a n u f a c tu r in g ) 相继出 现。 纵 观这些生 产方式 和制造模式，其目标、内容不尽相同。其中mr p , mr p i i , e r p是通过物料的不同 提前期，制定物料需求及相关资源的需求计划，以保证生产的进行，它们注重的是 生产管理;而 j i t通过看板的方式追求无库存的高效生产，o p t则是通过生产瓶颈 的分析来优化生产组织、保证生产均衡，这两者强调的是生产过程的控制;精良生 产通过精简一切不必要的组织和活动，通过团队的协作来实现;而敏捷制造则通过 动态联盟，最大限度地利用全球资源，抓住市场的机遇，实现敏捷制造。综观这些 方法，从生产管理角度它们都有共同特点，即强调计划的执行。根据实践和先进制 造理论我们知道，如果想让编制的生产计划有效执行，很重要的保证是底层制造过 程、控制系统和员工必须有效进入到计划体系中。为此，将计划与制造过程统一联 结 起来的 制 造执 行系 统m e s 就 应用而 生了 16 1 me s国际联合会对me s的定义如下:me s 能通过信息传递对从订单下达到产 品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，me s能对此及时作 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m e s 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。m e s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 7 m e s的关键是强调整个生产过程的优化，它需要收集生产过程中大量的实时数据， 并对实时事件及时处理，同时又与计划层和控制层保持双向通信能力， 从上下两层接收 相应数据并反馈处理结果和生产指令。因此， m e s 不同于以派工单形式为主的生产管理 和辅助的物料流为特征的传统车间控制器， 也不同于偏重作业与设备调度为主的单元控 华北电力大学 日匕 京)硕士学位论文 制器 管理 而应将m e s 作为一种生产模式， 把制造系统的计划和进度追踪、 物料流动、 质量 设备控制和计算机集成制造接口等一体化去考虑，以最终实施制造自 动化战略。 2 . 2 m e s 的定位模型 m e s 作为面向制造的系统必然要与企业其它生产管理系统有密切关系， m e s 在其 中起到了信息集线器 ( i n f o r m a t i o n h u b )的作用，它相当于一个通讯工具为其它应 用系统提供生产现场的实时数据。 m e s 的定位模型如图2 -1 : k e y : s s m = s a le s 图2 - 3 m e s 在企业中的数据流图 时间因素分析，在m e s 之上的计划系统考虑的问题域是中长期的生产计划 ( 时间因 子=1 0 0 倍) ， 执行层系统m e s 处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题 ( 时间 因子二1 0倍) ，控制层系统则必须实时地接收生产指令，使设备正常加工运转 ( 时 间因子=1 倍) 。它们相互关联、互为补充，实现企业的连续信息流。 在信息交互关系上， me s向上层提交生产能力、 物料消耗情况、 人员分配情况、 生产线运行性能、在制品 ( wi p )的存放位置和状态、订单完工状态等涉及生产运 行的数据;向底层控制系统发布生产指令控制及有关的生产线运行的各种参数等。 同时分别接受上层的中长期计划和底层的数据采集、 设备实际运行状态等。 图2 - 4描 述了me s与计划层及控制层信息交互， 总之， me s 接受企业管理系统的各种信息， 以便充分利用各种信息资源实现优化调度和合理的资源配置 l l 华北电 力大学 ( i 匕 京) 硕士学位论文 计划执行 控制 _鉴弃三 于 产如_ 袂筱地点:，t润 图 2 - 4 m e s与计划层及控制层信息交互 2 . 6 m e s 的行业应用特点 me s的应用要充分考虑到企业的具体情况，以谋求最合适的信息化解决方案。 企业的生产方式主要可以分为按定单生产、按库存生产或上述两者的组合。从产品 类型和生产工艺组织方式上， 企业的行业类型可分为流程生产行业和离散制造行业。 典型的流程生产行业有钢铁制造、医药、石油化工、电力、能源、 水泥等领域。 这些企业主要采用按库存、批量、连续的生产方式。典型的离散制造行业主要包括 机械制造、电子电器、 航空制造、 汽车制造等行业。 这些企业， 则既有按定单生产， 也有按库存生产;既有批量生产，也有单件小批生产。 me s 系统无论从功能模型还是信息模型以及相关技术上， 都覆盖了流程生产行 业和离散制造行业。但是，无论从工艺流程还是生产组织方式方面，流程生产行业 和离散制造行业都存在较大的差别。所以，在 me s具体实施上，要根据行业特征 区别对待。 流程生产行业企业与离散制造业企业之间的差异，导致 me s在面向离散制造 业和流程业的应用有所区别，现分别加以说明。 对m r p i i / e r p 的要求不同: me s处于企业的计划执行层， 从 mr p i i / e r p 层接受计划指令， 并向mr p i i / e r p 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 反 馈信息。 因此， 无论流 程生产行业还是离散制造行业， m e s都要与 m r p i i / e r p 建立紧密的信息集成。 目前， 市场上的大多数mr p i i / e r p系统是在离散制造业发展过来的， 对离散制 造业比较适合。 适用于流程生产行业的e r p 产品，目前还很少， m r p i i / e r p 系统所 用的一些术语、提供的管理概念与流程企业的概念习惯不一致。因此，流程企业与 离散制造业是有区别的，流程企业的e r p 需要专门对待。 流程生产行业和离散行业的mr p i t / e r p 的不同要求， 主要表现在两者对于生产 模型的要求不同流程生产行业中体现了以配方为核心的生产模型，而离散行业 中体现了以产品b o m为核心的生产模型。 生产计划方式方面，流程企业根据市场的需求进行生产的观念已经逐步加深。 但一般情况下， 特别是对市场需求量大的产品， 是“ 以产促销” 通过大批量生产， 降低成本，提高竞争力。因此，作为流程企业生产计划的依据，主要是市场预测。 离散企业一方面可以根据定单进行生产，另一方面也可以根据市场预测作为生产计 划制订的依据。 离散企业的 mr p i i / e r p系统向me s下达作业计划指令主要以“ 工作 单”( j o b o r d e r 或w o r k o r d e r )的方式， 而流程企业的作业计划下达主要以 指令计 划形式方式。 成本核算方式不同: 离散企业的计算产品成本是按照产品 b o m ( b i l l o f ma t e r i a l )所描述的加工装 配过程，从低层向高层逐层累积得出的。这种按照成本发生的实际过程计算成本的 方法称为逐层累积法， 或称成本滚加计算法( c o s t r o l l - u p ) ， 它反映了产品增值的实际 过程。流程企业的成本核算方式一般采用平行结算法，在其成本组成中，生产成本 中占比例最大的是原材料。通常，原材料占产品成本的 7 0 %-8 0 %，人工成本所占 比例较小，约占2 %-5 %，其他为分摊成本。 作业计划调度不同: 离散企业的生产作业计划调度，需要根据优先级、工作中心能力、设备能力、 均衡生产等方面对工序级、设备级的作业计划进行调度。这种调度是基于有限能力 的调度并通过考虑生产中的交错、重叠和并行操作来准确地计算工序的开工时间、 完工时间、准备时间、排队时间以及移动时间。通过良好的作业顺序，可以明显地 提高生产效率。 流程企业的产品是以流水生产线方式组织、连续的生产方式，只存在连续的工 艺流程，不存在与离散企业对应的严格的工艺路线。因此，在作业计划调度方面， 不需要也无法精确到工序级别，而是以整个流水生产线为单元进行调度。从作业计 划的作用和实现上，比离散企业相对简单。 数据采集不同: me s的数据采集功能可以实现对生产现场各种数据的收集、整理工作， 是进行 1 4 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 物料跟踪、生产计划、产品历史记录维护以及其它生产管理的基础。 离散企业的数据采集以手工上报为主，并可以结合条形码采集等半自动信息采 集技术进行工时、设备、物料、质量等信息的采集。这种数据采集方式，时间间隔 较大，容易受到人为因素的影响，要特别注意保障数据的准确性。 流程生产行业的自 动化程度较高，设备控制级大量采用 d c s . p l c 。在检测驱 动方面，各种智能仪表、数字传感器已普遍应用;过程控制则广泛采用以小型机为 主的自 动控制系统。 一 传统的“ 计、电、仪” 分工界限己不再明显，计算机技术的应用 己深入各个领域，这些自动化设备能自动准确记录各种生产现场信息。对于 me s 而言，重点在于系统构建的时候与这些自动化设备做好数据接口。 作业指令的下达不同: 在离散行业的 me s中，将作业计划调度结果下达给操作人员的方式一般采用 派工单、施工单等书面方式进行通知，或采用电子看板方式让操作人员及时掌握相 关工序的生产任务。作业计划的内容包括该工序的开工、完工时间、生产数据等方 面。 在流程生产行业的m e s中， 不仅要下达作业指令以及p d i c p a n e l d a t a i n t e r f a c e , 面板数据接口)数据，而且要将作业指令转化为各个机组及设备的操作指令和各种 基 础自 动化设备的 控制参数， 并下 达给相应的p c s 系统( p r o d u c t i o n c o n t r o l s y s t e m , 生产控制系统) 。 设备管理不同: 离散行业的生产设备的布置，不是按产品而是按照工艺进行布置的。可以进行 同一种加工工艺的机床一般有多台。单台设备的故障不会对整个产品的工艺过程产 生严重的影响，一般需要重点管理关键、瓶颈设备。 在流程生产行业的流水线生产中，生产线上的设备维护特别重要，每台设备都 是关键设备，不能发生故障，一台设备的故障会导致整个工艺流程的终止。 房物料管理不同: 离散行业中，一般对半成品库也设有相应的库房，各工序根据生产作业计划以 及配套清单分别进行领料。 流程生产行业中，对连续生产方式，一般不设中间半成品库房，配方原料的库 位一般设置在工序旁边。配方领料不是根据工序分别领料，而是根据生产计划一次 领料放在工序库位中。 卜 质量管理不同: 无论离散行业还是流程生产行业的质量检验和管理都相当重要， 但在me s中对 质量检验和管理的方式有所区别 个零件、每道工序的加工质量; z、 。离散行业中，对单件小批生产，一般需要检验每 对批量生产，一般采用首检、抽检、s p c分析相结 华北电力大学 北京)硕士学位论文 流程生产行业中，一般采用对生产批号产品进行各工序上的抽样检验。 当然， 在每个行业的不同生产方式和生产类型中， me s的应用还存在一些差别 仍然需要根据各自 特点进行综合分析 1 2 1 华北电力大学 北京)硕士学位论文 第三章济钢中厚板厂制造执行系统的系统分析 3 . 1 中厚板厂概况 济南钢铁股份有限公司中厚板厂是以板材产品为主导产品的现代化中厚板生产 线。中厚板厂占地3 0 0 万平方米，主厂房长7 8 0 米，宽 1 0 2 . 6 米，生产线设有推钢 加热炉、步进加热炉 ( 新建) 、高压水除磷、四辊初轧机、3 5 0 0 m m四辊精轧机、自 动测厚仪、控轧控冷装置 ( 新建) 、强力矫直机、1 # / 2 # / 3 # 冷床、两台铡刀式横剪、 双边剪、两台铡刀式纵剪、超声波探伤、钢板打印、质检、入库等生产设备及质检 入库设备，形成了双四辊轧机串列式布置工艺生产线。设计年产量 1 2 0 万吨，产品 最大宽度3 2 5 0 m m ， 长度6 - 3 0 m， 厚度6 -1 0 0 m m， 产品品种主要以低合金板、锅炉 板、容器板、汽车大梁板、高强度船板、管线钢等专用板为主。中厚板生产线坯料 主要来源于第三炼钢厂。 济钢中厚板厂是济钢主要产品生产单位之一，作为现代化新型轧钢厂，济钢中 厚板厂具有完善的生产过程基础自动化系统 ( l 1 )和过程自动化系统 ( l 2 ) ，如步 进加热炉控制系统、西门子精轧控制系统、控轧控冷系统等，并且先行开发了简易 轧件跟踪局域网系统，这些局部系统水平很高。但是，全线生产协调控制仍然依赖 人工完成，生产计划调度也是人工完成，信息传递靠人工报表，各个l 1 / l 2 级子系 统所需制造命令/ 规程等的l 3( 就是me s )级数据由人工输入，效率低，规范性差， 与完善的l 1 / l 2自动化系统不相匹配 ( 局部最优全局不优) ， 也制约了中厚板厂生产 效率的发挥提高。目 前，中厚板厂产量为9 万吨/ 月，作业率为8 5 % ，机时产量1 6 0 吨/ 小时，尚有相当潜力可挖。中厚板厂迫切需要建立一条全线生产管理信息系统， 进一步优化全线生产效率，提高全线管理水平。 另外， 第三炼钢厂和中厚板厂采用直接热装送坯工艺( d h c r : d i r e c t h o t c h a r g i n g r o l l i n g) . d h c r工艺要求第三炼钢厂和中厚板厂生产线三大匹配， 即物流的匹配、时间的匹配、温度的匹配，并通过一条线管理生产，建立生产信息 管理系统。 依据济钢中厚板厂的实际需要，建立中厚板厂制造执行系统，实现全线的生产 管理 ( 一体化生产计划、一体化动态调度、一体化执行跟踪)自 动化，稳定均衡生 产，快速动态调度，提高生产效率，降低生产成本，规范生产管理方式，改善生产 决策环境，实现中厚板厂生产线生产管理现代化。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 3 . 2 需求分析 3 . 2 . 1济钢中厚板厂生产现状简介 工艺流程简介: 如图3 - 1 中厚板厂生产工艺流程图所示，中厚板厂原料有两种，一种是少量的 中 厚 板 厂 生 产 工 艺 渡 程 口 , a , z . ag c m k ns p ry itt te rc h l# 4m卜 高 压 水 除 。 一 ln i c s l 67. 帆一 解 一侧厚 379 罢 hbfbl 禽、洲 t iff 夔 要 回巨丽四因 图 3 - 1中厚板厂生产工艺流程图 外来钢坯，一种是三炼钢钢坯，送来的钢坯在原料站验收检查后送加热炉加热，经 过高压水除鳞、初轧、精扎，然后测量钢板的厚度，再经控轧控冷、矫直后送冷床 自 然冷却，并检查钢板上下表面。钢板根据钢板厚度分成两条工艺路线，一条是厚 板的工艺路线，厚板经过火焰切割并取样进行检化验，最后成品入库;另一条是薄 板的工艺路线，薄板经过剪切、取样、喷号打字，普碳钢直接成品入库，而如果是 特种钢，则需经过探伤质检后入库。 业务流程简介: 如图3 - 2中厚板厂的业务流程如下:生产部制定三日生产计划给中厚板厂，中 厚板厂根据自己的情况制定生产作业计划，根据生产作业计划准备坯料，进入原料 站业务流程、排钢站业务流程。钢坯从加热炉出钢后，如果不合要求，则回炉重新 进入原料站业务流程:否则进入粗轧业务流程、精轧业务流程。钢板从精轧机出来 后判断是否轧废，如果轧废，下线处理;否则进入控冷、矫直、冷床子流程、检杳 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 中 厚 板 厂 业 务 流 程 图 懊 沙 卜 少 口 扁几 m + h 9h 质盆 枪查业务 一 擎_ es 业务流程 画- _ 、 回 炉 二 ) 一 /， 又” 切 大 一一一 u j 喷 号 窗 图 3 - 2中厚板厂业务流程图 钢板的上下表面、编坯、剪切。对厚板成品检验后开质保单，并把检验结果传递给 入库处理流程;薄板进入质量检查业务流程。若钢板质量不合格，则降级改判填写 单据送技术科绩效考核，并通知调度员、计划员和生产部，生产部根据情况调整计 划。若钢板质量合格，进一步判断是否为特殊钢，如果是特殊钢，则探伤检测、排 吊次;如不是特殊钢，则直接排吊次，最后喷号打字、填写入库单进行入库处理。 3 . 2 . 2济钢中厚板厂目前存在的问题 济钢中厚板厂是济钢非常重要的产品生产单位，其生产线是以板材为主导产品 的现代化生产线。济钢中厚板厂的产品在国内市场有较好的信誉，市场销售形势良 好，具有较高的市场覆盖率。中厚板厂资金投入量大，生产节奏紧凑，其生产直接 面向客户，实行按单生产，因此导致产品具有小批量，多品种的特点。只有最大可 能地降低产品的生产成本，采取灵活的销售策略，加快流通资金和商品的周转率，才 能够为企业创造较好的经济效益，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。目 前， 钢铁行业处在飞速发展的时期， 但随着企业的发展和壮大， 企业管理方面存在的问题 也愈来愈突出，其中主要有 以下几个方面: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 a .计划员不能及时准确地调整计划。 生产部计划员每天通过电话与中厚板厂计划员联系，了解计划执行情况;并且 在每天的下午5 时，生产部计划员通过开调度会来了解当天的计划执行情况。但是 即便这样，生产部计划员也很难完全准确掌握现场的情况和中厚板厂作业计划调整 情况，也就不能对全线生产计划进行实时了解，影响到实时准确地调整计划，从而 影响了对计划的兑现，导致销售公司的合同不能按时交付。 b .济钢中厚板厂轧制作业计划采用人工进行编制。 济钢中厚板厂的轧制作业计划是计划员根据生产部制定的三日生产计划报表， 采用人工手动进行编制轧制作业计划， 然后录入计算机， 没有计算机辅助进行编制， 编制轧制作业计划所用的时间很长，编制量大，难度大，因此所编的轧制作业计划 有时不科学，容易出错。 c .中厚板厂出现 “ 自动化信息孤岛，o 中厚板厂基础自动化和过程自动化的比较健全， 然而由于没有 me s ， 其自动化 只能局限在局部范围内，其信息不能被有效的利用。例如中厚板厂有西门子的 3 5 0 0 m m四辊精轧机，其自 动化水平相当的高，但是它的数据却不能通过计算机网 络来传递给周围的工作站，而出现 “ 自动化信息孤岛 ， 。 d .厂领导不能实时查询生产信息。 厂领导对企业的状况尤其是生产信息不能够全面了解。厂领导希望能够实时全 面掌握整条生产线的详细信息 ( 如:故障信息，生产信息) ，作为决策的基础。然而 却不能及时了解生产线的产品生产情况，影响了其对生产线的监督、管理。 总之，通过以上的分析，不难看出济钢中厚板厂生产管理方式比较粗犷，生产 协调控制仍然依赖人工完成，生产计划调度也是人工完成，信息传递靠人工报表， 造成作业计划兑现率低，中厚板厂生产线只在控制层上实现了局部的自动化，而使 整个信息未能实现全局最优，这些问题可以通过me s 来解决。 并且，第三炼钢厂与中厚板厂在未来要采用高祸合性直接热装板坯工艺，要求 实行一条作业线生产管理。