（计算机软件与理论专业论文）天铁中厚板mes系统的设计与实现.pdf

i i ii i ii i i i iii iii iiiii y 17 3 9 619 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究 所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的工作 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：墨：篁1 日期： 扣to r 、t s 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位的 名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录工作 的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意 学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 安刮 日 期：兰! ：兰：! 苎 a ， _ 百 - ， 、 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 本文论述了制造执行系统的相关研究背景、研究意义以及国内外的研究现状，对制造 执行系统的相关理论进行了阐述，并对基于e r p m e s p c s 的现代企业生产管理信息自动化 系统进行了深入的分析。在对天铁中厚板生产线进行了充分的调研的基础上，对天铁中厚 板m e s 系统进行了详细的需求分析，明确了系统的开发目标，选定了系统的开发模式，确 定了系统的组织架构，并在此基础上进行了详细设计，包括功能设计、数据库的设计、通 讯接口设计以及软件实现等。 天铁中厚板m e s 以过程数据模型为核心，对生产过程进行实时监视、控制和诊断，进 而完成单元整合、过程模拟和参数优化，并在生产过程管理层进行资源配置、生产计划调 度、排产等。该系统基本实现了该厂全线生产管理的自动化，中厚板厂的生产管理信息初 步实现共享，提高了生产现场操作人员的工作效率，同时系统的统一管理也使该厂生产管 理方式得以规范化。 关键词：制造执行系统，生产管理，中厚板 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h eb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c e ，p r e s e n td e v e l o p m e n t o fm a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h em o d e me n t e r p r i s ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o ne r p m e s p c si sa n a l y z e di n d e p t h t h ed e t a i l e dr e q u i r e m e n ta n a l y s i so ft h em e si sb a s e d o nt h er e s e a r c ho ft h et i a n t i em e d i u mp l a t ep r o d u c t i o nl i n e t h ep a p e ra l a l y z et h ed e v e l o p m e n t g o a l s ，t h ed e v e l o p m e n tm o d e la n d t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h es y s t e m i si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gf u n c t i o n a ld e s i g n ，d a t a b a s ed e s i g n ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g na n d t h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e m t h ec o r eo ft h es y s t e mi st h ep r o c e s sd a t am o d e l t h es y s t e mm o n i t o r , c o n t r o la n dd i a g n o s i s t h ep r o c e s so ft h ep r o d u c t i o n ，a n dt h e nc o m p l e t et h em o d u l ei n t e g r a t i o n ，t h ep r o c e s ss i m u l a t i o n a n dt h eo p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r s ，a tt h es a m et i m e ，i si nc h a r g eo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s sf o r r e s o u r c ea l l o c a t i o nm a n a g e m e n t ，p r o d u c t i o np l a n n i n g ，s c h e d u l i n ga n ds oo n t h ea u t o m a t i o ni n p r o d u c t i o no ft h ef a c t o r yh a sb e e nr e a l i z e db a s i c a l l y , t h ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ni s p r e l i m i n a r yt os h a r ea n dt h ep r o d u c t i o np r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi si m p r o v e d b yt h ew a y , b e c a u s e o ft h eu n i f i e dm a n a g e m e n tb yt h es y s t e m ，p r o d u c t i o no ft h i sf a c t o r ym a n a g e m e n ta r e s t a n d a r d i z e d k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，m e d i u mp l a t e 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要l a b s t 阳c t i i 目j i 乏l 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究意义。2 1 3 国内外研究现状3 1 4 研究内容4 1 5 论文的结构安排。4 第二章m e s 相关理论5 2 1 生产管理概述5 2 1 1 生产管理的概念5 2 1 2 生产管理的作用与意义5 2 1 3 企业生产管理自动化系统6 2 2 制造执行系统( m e s ) 概述7 2 2 1m e s 的定义7 2 2 2m e s 的功能模块7 2 2 3m e s 的最新发展8 第三章天铁中厚板m e s 系统分析1 0 3 1 天铁中厚板厂概况1 0 3 2 天铁中厚扳生产工艺流科分析1 1 3 2 1 中厚板生产t 艺流程简图1 1 3 2 2 中厚板生产_ l 艺流程概述。1 1 3 3 系统总体需求1 2 第四章天铁中厚板m e s 的设计与实现1 3 4 1 系统软件架构1 3 4 1 1 软件功能层次1 3 4 1 2 软件架构1 3 4 2 系统功能设计1 4 4 2 1 生产计划管理1 4 4 2 2 原料数据管理1 s 4 2 3 设备管理1 5 4 2 4 生产设定值管理1 6 4 2 5 产品质量控制1 6 4 2 6 绩效管理1 7 4 2 7 过程管理1 7 4 2 8 物料跟踪1 7 4 2 9 扰动管理1 8 4 3 数据库设计1 8 4 3 1 数据库系统概述1 8 4 3 2 物理存储说明1 8 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 4 3 3 人员和操作权限管理1 9 4 3 4 数据库表设计1 9 4 4 通讯报文设计2 2 4 5 系统网络结构与软硬件选型2 4 4 6 系统软件实现2 s 第五章总结3 3 参考文献3 4 j s 【谢3 7 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景 二十世纪九十年代以来，信息技术迅猛发展，经济全球化趋势日益明显，市场环境发 生了根本性变化，市场竞争越来越激烈。如今，在企业生产活动中，信息技术的应用已经 十分广泛，以市场需求为核心的企业生产活动已经可以不受地域和时间的制约，大大提高 了企业间竞争的技术含量【i 】。市场竞争的要素涉及到产品的各个环节，包括产品质量、产 品价格、供货时间以及服务等等。企业界主要是采用了将信息技术、自动化技术、制造技 术等有机组合的新一代先进的制造技术的策略，来面对市场激烈的竞争，以此提高企业的 管理和决策效率。比如，许多企业实施了以产品设计管理为主的产品数据管理( p d m ) 系 统、以企业财务经营管理为主的企业资源计划( e r p ) 系统或以服务于生产过程监控为主 的监控与数据采集( s c a d a ) 系统等，这些系统对于企业的经营管理起到了十分积极的 作用，有效地强化了企业财务、设备以及产品的局部管理。不过，这些系统也存在着一定 的问题，即无法将过程控制系统( p c s ) 和企业经营管理有效地联接起来，以致p c s 常常 因无法及时得至u e r p 的指令来及时进行工作状态的调整，同时，e r p 也不能及时获取p c s 提供的准确数据以致无法做出及时的、合理的决策，从而严重了影响企业生产管理的效率， 阻碍了企业信息化建设的进程【2 1 。 随着企业生产过程管理与过程控制功能的相互渗透，新一代企业综合自动化系统体系 结构已经发生了很大的变化。美国a m r ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ) 公司于上个世 纪九十年代提出了三层企业集成模式，即由e r p 、m e s 和p c s 构成的三层结构。近来来， 企业逐渐认识至i e r p 与p c s 统一起来的重要性，并认为m e s 是解决这一问题的有效途径【3 j 。 通过m e s 来实现企业信息的集成，形成实时化的e r p m e s p c s 三层系统，企业可以构建 一种综合自动化的解决方案，最终提高企业的整体管理水平。e r p m e s p c s 三层结构覆 盖了企业管理和生产的全过程，对提高企业的管理和生产自动化起到了很大的作用，提升 了企业的综合竞争力。 e r p 系统主要包括产品数据管理、供应链管理( s c m ) 、客户关系管t 里( c r m ) 、财务和 人力资源管理等信息子系统，负责企业生产计划制定、库存控制和财务管理，侧重于优化 企业生产管理、生产组织、经营决策等。e r p 系统的服务对象是企业管理的上层，一般 对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持。而p c s 贝j 包括过程控制、仪表控制、电 气控制等，其主要功能在于现场设备和工艺参数的监控，它可以向管理人员提供现场检 测和统计数据，但是本身并非真正意义上的管理系统【4 】。m e s 的主要功能是帮助企业对生 产信息进行收集、传递、优化和管理，它包括生产计划调度等更小的信息子系统。应用e r p 的人员因无法实时了解设备的运行状态和生产结果，从而无法进行有效的计划调度，同时 基层操作人员也因不能及时得到上层的正确指令而无法实时的进行工作状态的调整，从而 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 导致e r p 管理失效。所以，开发与实施m e s 是企业生产管理、经营决策和设备控制及企业 自动化发展的需要，对企业的信息化建有着重大的意义。目前，业界对e r p 和p c s 的研究 已有很大进展，而对m e s 的研究起步则比较晚。现有的m e s 理论并不完善，相关的软件产 品在集成性、适应性、可靠性等方面也存在诸多不足，都有待进一步的研究与开发【5 1 。 1 2 研究意义 在当今激烈竞争的世界经济中，企业要占踞一席之地，必须使企业的产品具有良好的 质量、较低的制造成本、快速的响应机制以及能够灵活地适应市场需求的变化。而要达到 这样的水平，就必须在正确的时间提供正确的信息，从而进行最佳的决策。在大多数工业 企业中，人工系统和有经验的工作人员的判断总是起着重要的作用。但是，市场对产品的 品种和数量的要求是经常变化的，而人工系统也不可能完全适应产品、工艺、技术和用户 要求f 1 趋加速的变化。采用m e s 系统对企业带来的效益是不言而喻的l 川。 在过去的若干年中，e r p 在国内得到了较为广泛的重视，一些企业花了大量的资会在 e r p 上。但就一般情况而言，商业企业从e r p 中获得的利益比较明显，而工业企业却没有 那么幸运，甚至受到不同程度的损害 7 1 。这一现象并非我国独有，在工业发达的国家，这 样的现象也比较普遍。 目前我国制造业信息化系统的建设重点普遍放在e r p 系统和过程控制系统( p c s ) 两个 方面。但是，由于产品行销在这2 0 年间快速地从生产计划导向演变成市场竞争导向，因而 也对制造企业生产现场的管理和组织提出了挑战，仅仅依靠e r p 和p c s 往往无法应对这个 新问题。虽然e r p 和p c s 已经发展到了非常成熟的程度，但是由于e r p 系统的服务对象是企 业管理的上层，一般对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持。而p c s 的功能主要在 于现场设备和工艺参数的监控，它可以向管理人员提供现场检测和统计数据，但是本身并 非真正意义上的管理系统【8 1 。所以，e r p 系统和现场自动化系统之间出现了管理信息方面 的“断层”，对于用户车间层面的调度和管理要求，它们往往显得束手无策或功能薄弱。 m e s 恰好能填补这一空白。m e s 可以为用户提供一个快速反应的制造业环境，帮助企 业快速决策、降低成本、提高产品的质量以及服务质量。m e s 适用于不同的行业( 电子、 化工、冶金、机械、制药、通讯等等) ，能够对制造企业提供良好的企业信息管理。m e s 弥合了企业计划层和过程控制系统之间的间隔，是制造过程信息集成的纽带【9 l 。m e s 通过 强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，同时也为敏捷制造企业的实施 提供了良好的基础。 作为信息化战略的重要组成部分，企业信息化从某种意义上来说也是制造业信息化。 钢铁行业已成为我国国民经济的支柱产业之一，也是制造业信息化的应用典型，其信息化 具有更大的现实意义。当前钢铁行业竞争激烈，钢铁行业的生产模式已经从以前的以计划 为主的，转变为以客户需求为主，企业依据客户的订单开展生产，批量规模小、品种多元 化的生产模式以及混合型的生产模式已经成为钢铁行业的主流业务模式。在钢铁生产总量 的排行中中国位居世界f i i j n ，是钢铁生产的大国，但还不是强创m 】。因此，国家确定了通 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 过信息化带动工业化的国策，推动制造企业实施制造业信息化。 钢铁行业在国民经济中占据着非常重要的地位，提高该行业的信息化水平对于我国国 民经济的发展具有非常重要的意义。钢铁企业生产过程是一个离散和连续混合的生产过 程，产线长、工序多、设备复杂，完全靠人工的方式进行管理和控制几乎是不可能的。在 钢铁行业中实施m e s ，能有效的提高企业经营管理的决策效率，同时加强成本管理和综合 调度，降低产品成本从而提高企业产品的市场竞争力。总之，将制造执行系统引入钢铁行 业具有重要的意义i l 。 1 3 国内外研究现状 近年来，国内外企业在国际市场激烈竞争的刺激下，特别是工业企业还受到环境保护 的巨大社会压力，节能降耗、少投入多产出的洁净生产、高效生产成为企业的生产模式。 企业把提高综合自动化水平作为挖掘潜力、提高效率、增强自身竞争力的重要途径。集资 源分配、生产计划调度、物流管理、质量控制、成本管理、设备管理、文档控制、产品跟 踪、数据采集等多项功能于一体的m e s 成了当前自动化技术发展的趋势【l 引。 在国外，m e s 的商业化产品已经比较成熟，很多m e s 产品已经在业界得到广泛的应用， 并使企业取得了显著的经济效益【1 3 】。与此同时，在国外相继的成立了一些m e s 组织，国际 制造执行系统协会m e s a 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m e 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 m e s 理论及其应用的发展。 近几年，国内对m e s 的研究有了较大的发展。但由于与发达国家相比我国制造业水平 还存在比较大的差距，在生产自动化方面，我国的制造业企业过去多是强调设备自动化， 如自动化检测仪器、自动化生产设备、自动化物流运输存储设备，等等。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信息孤岛【l4 1 。信息孤岛造成了 企业生产过程中制造信息在水平方向的阻断，所带来的问题严重地制约着生产车间内各种 系统间的协调。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，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。 国内m e s 的研究开发和技术应用与国外有着较大的差距，主要表现在以下两个方面： ( 1 ) m e s 的主要内容是生产过程管理，其中必然要涉及生产计划，包括产品的质量计划、 消耗计划、成本计划等等，这些计划最终通过调度指令、生产活动传递给生产一线。传递 过程的优化问题是我国m e s 研究中的弱项【1 5 】。 ( 2 ) m e s 的智能化，也是我国m e s 研究丌发与国外有差距的另一个方面。过去，生产 过程管理，凭借管理人员和操作人员的经验控制，我国m e s 系统仅仅提供了一个替代经验 管理方式的操作系统平台，但是，如何将生产管理者的经验固化在m e s 系统中，在我国m e s 研究开发中还没有涉及。m e s 智能化是未来我国m e s 实现跨越发展的主要方向。 随着企业计算机应用的不断推广，企业信息化应用水平逐渐提高，企业越来越需要车 间执行层的管理信息系统【l 引。因此如何深刻理解m e s 内涵，把握它的发展趋势，在我国企 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 业中开发和应用m e s ，对于提高企业竞争力，缩小与发达国家企业差距是迫在眉睫的事情， 也将是企业信息化水平深层次推进的需要。 1 4 研究内容 m e s 是以过程数据模型为核心的系统，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进 行实时监视、控制和诊断，进而完成单元整合、过程模拟和参数优化，并在生产过程管理 层进行资源配置、生产计划、调度、排产等【1 7 1 。在攻读硕士期问，本人对制造执行系统进 行了深入的研究与分析，并对中厚板的生产过程进行了大量的调研，对中厚板的生产流程 有了深入的了解，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、m e s 和e r p 的基本原理。 论文研究的主要内容如下： 本文研究了m e s 的相关理论，对现代企业生产管理自动化系统进行了深入的分析。对 天铁中厚板m e s 系统进行了详细的需求分析，选定m e s 系统的开发模式，确定了m e s 系统 的架构，并进行了功能设计、数据库的设计、通讯接口设计以及软件实现。 1 5 论文的结构安排 本论文的撰写过程主要分为三个阶段： 第一阶段：搜集资料，阅读参考文献和冶金行业相关书籍，对m e s 进行了研究和分析， 同时对中厚板的轧制生产过程进行大量调研，深入了解了中厚板的实际生产流程。 第二阶段：对天铁中厚板m e s 项目进行需求分析，系统建模、系统设计、数据库设计 以及系统实现。 第三阶段：整理相关文档，撰写论文。 本论文组织结构如下： 第一章：绪论。介绍了论文的研究背景、研究意义、国内外研究现状、研究内容等。 第二章：m e s 相关理论。介绍了本论文研究的相关理论基础。 第三章：系统分析。对天铁中厚板厂概况进行了介绍，并对其中厚板生产线的工艺流 程进行了分析，对天铁中厚板m e s 进行了功能需求分析并确定了系统的开发目标。 第四章：系统设计与实现。在前面章节的基础上，对系统进行了详细设计，包括系统 软件架构的设计、系统功能设计、数据库设计、通讯报文设计以及网络结构的设计，同时 对系统软硬件进行了选型，并对系统部分软件的实现情况进行了简要的介绍。 第五章：总结。对本论文的研究工作进行了总结。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章m e s 相关理论 2 1 生产管理概述 2 1 1 生产管理的概念 生产管理可以定义为关于企业生产系统战略决策的设计、执行、优化以及维护的过程 【1 8 】。企业生产管理的目标是在合适的时机、以合适的品种、合适的价格、可靠的质量保证 向客户提供合格的产品和服务，以此提高客户的满意度，提高企业的综合竞争力以及经济 效益。生产管理的任务是通过生产组织工作，按照企业目标的要求，设置技术上可行、经 济上合理、环境条件允许的生产系统；通过生产计划工作，制定生产系统优化运行的方案； 通过生产控制工作，及时有效地调节企业生产过程内外的各种关系，使生产系统的运行符 合既定的生产计划的要求，实现预期生产的品种、质量、产量、出产期限和生产成本的目 标【19 1 。 企业生产管理的内容根据其职能，可以分为以下几个层次【2 0 1 。 ( 1 ) 企业生产系统战略决策的制定。内容是确立企业生产活动的目标，如生产活动 的基本方针、原则、步骤、发展方向和重点等。 ( 2 ) 企业生产系统的设计。内容是根据生产战略设计生产系统，如产品选择、工艺 设计、技术选择、能力规划等。 ( 3 ) 企业生产系统的运行与控制。内容是根掘战略和系统设计方案，做好生产系统 的日常运行与控制管理。如生产的总体计划、作业计划、质量控制、进度控制、成本管理、 物流管理等。 ( 4 ) 企业生产系统的维护。内容是根据生产系统的运行情况以及运行环境的动态变 化对系统进行维护，如系统诊断以及如何根据未来的发展趋势不断改进和完善企业的生产 管理。 2 1 2 生产管理的作用与意义 企业作为社会最基本的经济细胞，其生产活动是最主要的社会活动过程，也是企业创 造价值、服务社会和获取利润的主要环节。企业的根本目标是为自己实现利润，为社会创 造价值，而这些都必须通过生产过程来实现【2 l 】。构成企业核心竞争力的因素虽然很多，但 生产管理作为形成产品的主要过程，是影响产品质量、成本和交货期的决定因素，它必然 是是构成企业核心竞争力的关键内容。 随着企业管理水平的不断提升以及信息化技术的不断发展，如何把握生产环节，加快 生产速度，提高生产质量以及合理管理生产工人的工作绩效，已成为企业必需面对的问题。 生产管理可以帮助企业为客户提供满意的服务，帮助企业高效、灵活、准时、低耗地生产 合格产品。生产管理使企业能迅速满足客户需求，快速应对客户需求的变更，缩短产品交 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 货期限，降低企业物力、人力、财力的消耗，实现低成本、高效益，提升企业产品的市场 竞争力。同时，在客户需要的时间范围内，根据客户所需的数量，提供所需的产品和服务， 从而使产品和服务质量达到客户满意水平【2 2 1 。目前，以信息化为基础的生产管理模式已成 为制造企业生产管理的重要手段，信息化技术可以大大提升制造企业的生产管理水平，使 企业能很快适应市场变化。 2 1 3 企业生产管理自动化系统 现代制造企业的生产管理信息化是基于综合自动化系统，通过信息融合来实现的。经 过数十年的发展，制造企业综合自动化系统的体系结构已经发生了根本性的变化，由原来 的五层发展为如图2 1 所示的三层，即由e r p 、m e s 和p c s 构成的典型三层结构 2 3 】。 图2 1 企业综合自动化系统三层结构 基于该三层结构构建的企业综合自动化系统，已成为现代企业实现信息自动化的发展 趋势和主要途径。在该体系结构中，各层的分工明确，具有以下的功能特点及作用【2 4 】： ( 1 ) e r p ，属于计划层，建立在信息技术基础之上，是为企业决策层及员工提供决策 运行手段的管理平台，主要负责制定生产计划、库存管理以及财务管理等，侧重于企业生 产组织优化、生产管理、经营决策以及制定年度计划、季度计划等。在三层结构中，处在 最顶层。 ( 2 ) m e s ，属于执行层，目标是实现生产综合指标优化运行、优化管理以及优化控制， 主要负责生产管理和生产计划的调度执行，实现生产调度、质量控制、文档管理等功能， 同时还包括设备、物料、人员等资源的管理，侧重于月份计划以及每个工作同的调度工作 计划。m e s 在该三层架构中起承上启下、运筹调度的中枢作用，处于计划层与控制层之间。 ( 3 ) p c s ，属于控制层，主要起到逻辑控制、过程控制和闭坏控制的作用，有效地对 生产工艺过程进行高精度控制，包括电气仪表控制以及各种信号转换、驱动控制设备的控 制，确保产品在质量、成本、交货期等方面具有强大的竞争力。在三层结构中，处在最底 层。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 2 制造执行系统( m e s ) 概述 2 2 1m e s 的定义 国际制造执行系统协会m e s a 对m e s 的定义是，m e s 提供为优化从订单投入到产品完 成的生产活动所需的信息【2 5 】。m e s 采用准确、及时的信息，指示、启动、响应并记录企业 生产活动，减少不必要的活动，提高企业生产活动运作过程的效率。m e s 在企业管理和生 产车间之间，以双向交互的形式提供生产活动所需的基础信息，不但可以提高设备的投资 回报，而且可以缩短交货期、加快库存周转、提高企业整体收益。美国的a m r 公司把企业 生产管理级计划系统与工厂底层的生产现场控制系统之间的各种工厂管理系统的集合称 之为m e s 2 6 。 推动制造业信息化发展的两个基本因素是生产方式的演变以及i t 技术的巨大进步。由 于技术条件不成熟以及受到环境等因素限制，在制造业信息化发展的早期，企业业务管理 的信息化与生产车间设备的自动化常常被作为两个独立的领域，分别进行。不同的部门， 因为不同的需求与理解，建成了一系列功能相对独立的系统，这些系统之间由于缺乏有效 的信息沟通，产生了以下两个长期存在的问题【2 7 1 。 ( 1 ) 信息孤岛。工厂内的生产调度、工艺管理、质量管理、设备维护、物料管理、 过程控制等系统之问相互独立，缺乏数据共享，从而导致功能重叠、数据矛盾等一系列问 题。信息孤岛造成了工厂中制造信息在水平方向的阻断，所带来的问题严重地制约着工厂 内各种系统i 日j 的协调，阻断了系统的发展，降低了制造领域信息化的整体作用。 ( 2 ) 信息断层。公司级的企业管理系统无法得到及时准确的生产实绩信息，无法把 握生产现场的真实情况，而生产现场人员也得不到切实可行的生产计划与生产指示。信息 断层造成了企业生产经营信息在垂直方向的阻断，成为阻碍公司级的业务管理系统与工厂 级的生产管理系统集成的根本原因。 虽然企业信息化的发展在各个领域都有了长足的进步，但是信息孤岛和信息断层所带 来的各种问题仍然没有得到彻底解决。在企业级管理信息与工厂生产活动信息集成的实际 过程当中，这些问题依然存在。主要原因仍然在于，企业级计划系统与工厂生产活动过程 控制系统的相互分离，计划系统和过程控制系统之间的界限不清，而且相对独立，缺乏有 效的信息沟通，没有紧密的联系【2 8 】。为了解决这些问题，生产现场的信息系统开始发展， 生产计划调度信息系统、资源配置信息系统、绩效管理系统、设备信息管理系统、质量管 理系统及其整合已逐渐成为共识。同时，上层的生产计划系统和底层的过程控制系统也相 应地得到发展，这时便产生了m e s 的原型【2 9 】。 2 2 2 m e s 的功能模块 标准m e s 主要包括以下功能模块和集成模型： ( 1 ) 资源配置和状态跟踪。对所有的生产资料进行管理，包括设备、工具、劳功技 能、原料等，使其井然有序，随时可以投入运转。同时记录资源的各种历史信息，以保证 生产设备的配置，并对设备的实时状态信息进行跟踪。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 生产计划调度。制定生产计划，并以任务、工单、订单等形式下发给各生产单 元。可以根据生产实绩实时调整原始计划，产生新的调度信剧3 0 j 。 ( 3 ) 工序、细节调度。根据生产单元的优先级、特征、屙性，对生产工序进行优化， 使生产资源配置的变化降到最低。 ( 4 ) 文档控制。对所有与生产单元有关的资料进行管理，包括工作指令、图纸、标 准操作流程、设计变更、产品记录，并进行历史数据的存储。 ( 5 ) 数据采集。实时采集生产数据，记录生产单元的各种参数，并保存在相应的表 格和记录中。数据可以由人工录入或从设备中自动采集。该功能需向外提供一个接口，以 便其他应用可以通过它获得生产实时数据【3 l 】。 ( 6 ) 人员绩效管理。记录员工的考勤以及专业技能，提供员工的实时状况记录，同 时与资源配置功能交互，以产生最优配置。 ( 7 ) 质量控制。提供生产的实时分析，保证严格的产品质量控制。能够发现潜在的 质量问题，对出现的质量问题进行诊断、分析，并提出改进方法。 ( 8 ) 过程管理。对生产过程进行监视，自动纠j 下或提示操作人员纠j 下生产中的错误。 提供报警管理以及m e s 系统与智能设备的接口。 ( 9 ) 维护管理。跟踪并指导生产，以维护设备和工具。对突发问题作出快速响应。 建立历史事件和故障记录数据库，协助完成故障诊断。 ( 1 0 ) 产品跟踪管理。提供可视化的跟踪手段，监视产品的状态及用途。跟踪信息包 括加工者、原料供应者、批号、序列号、当前产品状态、报警信息、返工及异常情况。通 过跟踪信息可以追溯生产历史以及产品最终用途。 ( 11 ) 性能分析。对生产实绩和历史信息进行分析，以得到现实生产状况的效果，并 与预计的效果进行比较。 以上为m e s 的标准功能模型，具体m e s 的功能将根据实际需求具体设计。 2 2 3m e s 的最新发展 m e s 理论从提出至今，已经历了若干年的发展。m e s 主要经历了传统的m e s 、可集成 的m e s 以及面向敏捷制造的m e s 等三个阶段【3 2 】。 ( 1 ) 传统的m e s ( t m e s ) 。作为生产形态变革的产物，m e s 最早来源于工厂的内 部需求。自上个世纪七十年代起，车间级应用系统逐渐发展成为传统的m e s 。在积累了大 量的经验后，逐渐出现了一些从事m e s 开发的专业公司，这些公司丌发的系统也逐渐变得 成熟。虽然t m e s 软件的研究和开发取得了很大的进展，但由于这些产品通常都是针对特 定的功能需求或特定的生产类型而开发，因此在软件的集成性、适应性、成熟度等方面还 存在着较大的不足。 ( 2 ) 可集成的m e s ( i - m e s ) 。可集成的m e s 充分继承了t m e s 的优势，通过将面向 对象技术、组件技术以及消息机制应用到系统丌发中，并采用高效的基础框架，从而大大 增强了系统的集成性和适应性，并且满足了关键事务的处理。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 ( 3 ) 面向敏捷制造的m e s 。与可集成的m e s 相比，面向敏捷制造的m e s 具有可重用、 可重构和可伸缩等优点【3 3 】。面向敏捷制造的m e s 可以通过重组现有的生产元素，使生产系 统具有自适应性，即根据生产环境的变化动态地对生产过程进行调整，同时保持生产平稳、 不产生大的扰动；可以根据外部环境的变化快速地调整生产计划，维护系统的高效运作。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章天铁中厚板m e s 系统分析 3 1 天铁中厚板厂概况 天铁中厚板厂2 5 0 0 m m 中厚板生产线设计生产规模为5 0 万吨年。 生产线主要设备包括：推钢蓄热式加热炉两座、高压水除鳞机、四辊可逆轧机、热金 属检测仪、自动测厚仪、控冷装置、矫直机、冷床、翻板机、圆盘剪、定尺剪等。 产品品种主要包括：碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金结构钢、造船钢板、压力 容器钢板、锅炉板、汽车大梁用钢板、桥梁板等。 产品规格：厚度6 4 0 ( 5 0 ) m m 、宽度1 2 0 0 2 2 0 0 ( 切边后) 、长度4 0 0 0 1 6 0 0 0 m m 。 原料规格：厚度1 6 0 - , - 2 3 0 m m 、宽度1 0 0 - , - 1 6 0 0 m m 、长度1 5 0 0 2 2 0 0 m m 。 原料为天铁炼钢厂连铸车间供给的合格连铸坯。连铸板坯分为热装坯和冷装坯，热装 坯经二次切割处理后直接从连铸车间送至中厚板厂的上料跨；冷装坯经二次切割处理后先 经吊车下线到连铸坯板坯库储存，根据生产计划运送至地下运输辊道从连铸车问运送至中 厚板厂的上料跨。 根据天铁中厚板厂的实际情况与需求，以实现该厂全线生产管理自动化为目标，建立 中厚板厂制造执行系统。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 3 2 天铁中厚板生产工艺流程分析 3 2 1中厚板生产工艺流程简图 图3 1 为天铁中厚板厂中厚板生产流程简图。 图3 1 中厚板生产工艺流程简图 3 2 2 中厚板生产工艺流程概述 天铁中厚板厂的原料为天铁炼钢厂连铸车间供给的合格连铸坯。连铸车间生产的连铸 板坯，在连铸车间经在线二次切割和去毛刺( 包括一次切割后产生的毛刺) 后，经地下运 输辊道输送至中厚板厂的上料跨，调整板坯，使板坯长度方向与上料辊道中心线保持平行 后，由推钢机将板坯推入加热炉加热。板坯出炉温度一般为1 1 0 0 - - - 1 2 5 0 ，少部分采取控 制轧制的品种，为缩短轧制过程中的待温时间和细化品粒，板坯出炉温度为11 0 0 , - - 11 5 0 。 板坯由出钢机从加热炉中移出，推至出炉辊道上，在板坯输送辊道上设置高压水除鳞 装置，经过除鳞后的板坯由辊道运输到四辊可逆轧机上进行轧制。轧机前后设有对中轧件 的推床和可以将板坯回转9 0 度实现展宽轧制的锥形辊道。板坯在轧机上进行可逆多道次轧 制，轧到要求的成品宽度和厚度后终止轧制。钢板的终轧温度在8 5 0 左右。在轧制出口 侧上配有高压水二次除鳞喷嘴，根据钢板表面氧化铁皮情况，决定是否采用高压水二次除 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 鳞喷嘴。 部分钢种采用控制轧制后还需要采用控制冷却。对于要求进一步提高强度或者改善焊 接性能和低温韧性的产品，在完成控制轧制后即进入轧后加速冷却装置进行控制冷却。 轧制后的钢板通过四重十一辊矫直机进行热矫直，然后进入冷订。冷床可用于单排料， 也可用于双排料的冷却。钢板经过冷床后进入翻板机，在翻板机输入输出辊道上检查钢板 上、下表面，并在生产节奏允许的情况下进行局部修磨。厚度在2 5 r a m 以下的钢板经圆盘 剪纵切两边后送入横移台架，厚度大于2 5 r a m 的钢板直接送入横移台架。钢板经横移后送 至滚切式定尺剪进行切头、取样、定尺和切尾，最后由垛板机收集，经人工标记后入库。 3 3 系统总体需求 随着现代化工业技术的迅速发展，在中厚板的生产中，用户对产品的品种、质量、规 格，如各种理化性能、厚度精度、平直度以及凸度等方面的要求越来越高【3 4 】。生产厂家希 望在满足用户需求的同时，尽量提高产量、减少消耗。天铁中厚板厂中厚板m e s 的设计目 标是实现中厚板全线生产管理自动化，提高生产效率，稳定均衡生产，降低生产成本，规 范生产管理方式，实现动态调度，改善生产决策环境，最终实现中厚板厂生产管理现代化 【3 5 】。天铁中厚板厂方对天铁中厚板m e s 的要求主要集中在以下几点： ( 1 ) 提高生产效率。通过中厚板m e s ，能够加强中厚板生产管理，确保生产过程中 全线物流通畅，使物流与信息流同步，使整个生产线处于较好的运行状态，完善资源分配， 充分发挥设备和工作人员的效能，提高生产效率。 ( 2 ) 提高中厚板产品的质量。加强中厚板全线质量信息管理，完善产品质量保证体 系、强化质量跟踪、分析、判定和控制功能，提高中厚板生产的精度，最终提高产品的合 格率。 ( 3 ) 降低生产成本。利用中厚板m e s 的信息集成和信息反馈能力，加强对物料、生 产、质量、人力、能源等成本要素的计划、核算和分析，加强目标成本管理，降低中厚板 生产成本。 ( 4 ) 加速资金周转，减少资金流动。通过m e s 的信息化管理，减少中厚板厂成品、 半成品以及备品备件的库存，从而缩短资金周转周期，降低流动资金的比例。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第四章天铁中厚板m e s 的设计与实现 4 1 系统软件架构 4 1 1 软件功能层次 天铁中厚板m e s 系统的软件功能层次可划分为以下三个层次：业务功能层、应用系统 功能层以及基本数据库功能层【3 6 】。图4 1 为该系统的软件层次。 巾脬扳m e s 业务助露邑垤 t t ；投m e s 臼 ，“。， *7 ：一7，7 二v， 。镳掰蒺缀磅滋磁。一：7 毒：，；：，+ ， ? 、 j 疆零缴挎；雕坊潍壤 、 ， ? 。， 、 一 应舛】友撑珥境( n e 7 i - u 芟j 2 e e ) 图4 1 天铁中厚板m e s 软件层次 ( 1 ) 业务功能层。业务功能是指直接面向用户特定的业务需求，完成m e s 系统中某个方 面的业务功能。中厚板m e s 系统的主要业务功能可分为生产计划管理、原料数据管 理、设备管理、产品质量控制、过程管理、物料跟踪、扰动管理等。 ( 2 ) 应用系统功能层。应用系统功能是指为实现业务层功能在m e s 系统架构中必须具有 的支撑功能，它不直接面向用户的特定需求，但对系统的正确性、性能、开发效率、 调试等方面起到保证作用。中厚板m e s 系统应用层分为：内部通用工具( 报表工具、 用户界面组态工具、流