0 引言
目前,MES 在國內鋼鐵企業已得到十分廣泛的應用,它作為連接上下系統和貫穿前后生產線的關鍵環節,是企業經營戰略與具體實施之間的一道橋梁 。然而,很多國內鋼鐵企業最初引入MES 時,大多采取分期實施的策略,一般與新建生產線同步建設,受資金和管理等因素的制約，構建的大多是面向單一生產線的MES 架構(以下簡稱單生產線MES 架構),這種做法在短期內投入較少,因此比較適合生產線單一、規模較小的鋼鐵企業,但對于那些生產線多、流程長、工藝復雜的大型鋼鐵企業來說,這種架構就不大適合一般會面臨以下問題:(1)各生產線的質量標準及工藝規范獨立維護,無法統一管理,導致數據冗余和資源浪費;(2)各生產線獨立排產、獨立進行生產合同和物料管理,無法在統一平臺上對企業所有生產線進行產能平衡和全流程的合同跟蹤及物料跟蹤;(3)前后生產線MES 之間接口復雜,信息傳遞效率較低;(4)建設成本和維護成本較高。因此,在實際應用中每個企業需要根據自身的工藝情況和業務需求構建合適的MES 架構。對于規模較大,生產線較多的大型鋼鐵企業,需要一套能夠貫通前后生產線,并且滿足全過程一體化產品與質量設計、計劃與物流調度、生產控制與管理要求的MES 功能架構。
近些年來,上海寶信軟件股份有限公司在國內的一些知名鋼鐵企業(例如:上海寶山鋼鐵集團、江蘇沙鋼集團等)做了很多探索和嘗試,成功實施了以“MMS + PES冶為架構,面向多生產線的MES。這種架構能夠更好地滿足企業“集中一貫冶的管理需求,且系統擴展性更強,建設成本也較低。本文以基于“ MMS + PES冶架構的冷軋MES 作為研究對象,詳細闡述了系統的總體架構和特點、主要功能、關鍵技術以及實際應用效果,從而揭示基于“MMS + PES冶架構MES 的特點與優勢。
1 系統架構和特點
1.1 總體架構
如圖1 虛線區域所示,基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES 根據業務職能將MES 分為兩個功能層次:制造管理系統MMS 和生產執行系統PES。MMS 旨在貫通全廠的上下游所有生產線,對其進行全流程的生產管理、質量管理、計劃管理、物料管理和發貨管理等,強調制造體系的“一貫制冶。PES 旨在上下連通企業管理平臺與現場控制設備,進行作業命令管理、在線質量管理、物料跟蹤與實績管理、倉庫管理和發貨作業管理等,PES 功能實時性強、數據流量大、系統資源消耗較大、生產線差異明顯,不同生產線的功能相對獨立。
圖1 基于“ MMS + PES冶架構的冷軋MES 架構
1.2 系統特點
首先,基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES 能夠充分滿足鋼鐵企業“集中一貫冶的管理要求,從縱向和橫向兩個維度實現鋼鐵企業扁平化管理:(1)縱向維度根據鋼鐵生產工藝和設備特點以及“直線- 職能制冶的內在要求,對主生產線實行集中管理。主要管理權限和管理業務集中在公司,由公司統一領導、決策,通過職能部門代表公司統一經營;主生產線的廠部屬于基礎生產單位,集中精力搞好生產作業管理,不具有對外經營的職能和權限。(2)橫向維度集中公司的各項管理業務,在堅持專業分工的前提下,簡化橫向分工,實行“大部制冶,將相關性強的業務管理職能合并歸屬為同一個職能部門,目的是從管理體制上創造條件,使各職能部門能夠對各自的專業管理工作全面統一負責,實現各物流、各業務的全過程一貫管理,從而實現鋼鐵生產的PDCA(計劃、執行、檢查、處理)循環。
其次,對于配備煉鋼- 熱軋- 冷軋全流程生產線的鋼鐵企業來說,基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES 系統功能分擔更為合理,系統效率也更高。MMS 主要側重煉鋼- 熱軋- 冷軋全流程一體化的生產管理和質量管理,若采用單生產線MES 架構獨立建設煉鋼MES、熱軋MES 和冷軋MES,往往會造成管理不統一、前后脫節、信息集成度低、系統重復建設等諸多問題。而冷軋PES則主要側重于冷軋廠的現場管理及與冷軋各機組L2 系統、行車系統、PDA 系統、軋輥系統實現接口功能。一般來說,冷軋生產線的機組要遠多于煉鋼或者熱軋,這也就意味著冷軋MES 有更多的外部接口,同時,冷軋生產線庫區多、物流復雜,對現場管理(包括作業命令、物料跟蹤、庫區管理、發貨管理)的實時性和準確性要求也非常高,如果不采用“MMS + PES冶的分層架構,無疑會大大加重系統負荷,影響系統效率。
最后,不同生產線PES 的獨立構建使系統硬件配置十分靈活,可根據不同生產線的生產規模、外部接口以及資金預算靈活部署系統硬件平臺。“MMS + PES冶架構還能充分利用現有的系統資源,最大限度減少項目的硬件投資,并為將來其他生產線的擴充以及業務的拓展提供充足的空間。
2 系統主要功能
如前所述,基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES 的功能分為MMS 和PES 兩個功能層次。
2.1 制造管理系統MMS
(1)生產管理。生產管理主要功能包括訂單接收、合同歸并、合同分割、合同計劃、材料申請、材料轉用與充當、準發資源管理和合同跟蹤等。
對于煉鋼- 熱軋- 冷軋全流程的生產工藝來說,生產管理的難度相當大,一方面要考慮煉鋼、熱軋、冷軋前后多道工序的物流銜接和產能平衡;另一方面又要最大限度地按合同組織生產,減少余材,保證合同交貨期。MMS 接收到ERP 下發的銷售訂單后,通過合同歸并功能將部分滿足歸并條件的小訂貨量合同進行歸并,實現集中生產,從而提高產量,減少余材;根據現場生產和工藝的需要,通過合同分割功能將合同分解到一個或多個生產制程上進行生產;利用合同計劃功能對當期合同量進行工序能力平衡和庫存物流平衡;在確保產能及物流平衡的前提下,按照合同的欠量以及生產設計的要求,形成虛擬板坯和虛擬爐次,及時向煉鋼工序進行材料申請,將最終的煉鋼制造命令提交給煉鋼計劃模塊;從煉鋼板坯產出開始到成品準發前,利用材料轉用與充當功能,業務人員可根據合同的完成情況,對所有的在制品和成品進行掛、脫合同及轉合同操作,在確保合同按期交貨的同時,最大限度地消耗在庫余材;當成品產出、包裝、入庫并綜合判斷合格后,按合同交期編制準發計劃,實現生產與銷售的物權交接,成品準發后MMS 將其作為準發資源自動上傳給ERP 系統編制發貨計劃;從合同接收開始,到合同分割、合同計劃、材料申請,經過煉鋼、熱軋、冷軋生產,最后到合同準發為止,合同跟蹤功能對合同實行全流程實時動態跟蹤,使業務人員實時掌握合同在各個工序上的欠量、在庫量、計劃量等,并通過預測合同交貨期和合同拖期報警等功能,確保合同按期交貨,提高合同完成率,真正實現按合同組織生產。
(2)質量管理。質量管理功能主要包括產品規范管理、冶金規范管理、合同處理、檢化驗管理、質量判定與處置、質保書管理。質量管理遵循一貫質量管理原則和按“標準+ 琢冶組織生產的原則。一貫質量管理原則是以滿足用戶需求為前提,以質量工藝規程為依據,對冷軋產品進行從煉鋼、熱軋直至冷軋全過程的質量設計,通過對各個生產節點的管理控制,提供符合用戶要求的產品,最終獲得最佳的企業經濟效益和社會效益。按“標準+ 琢冶組織生產的原則是在質量設計時,將“ 產品規范碼( PSC) + 最終用途碼(APN) + 用戶代碼(CUST_NO)冶對應一個具體的MSC(冶金規范碼),將不同客戶的特殊要求(琢)通過最終用途碼和用戶代碼放入MSC 體系中。對于部分特殊要求(如個別特殊的包裝方式等),也可以不在MSC 中體現,而在MES 中以文字形式體現,以指導現場生產。為減少MSC 的數量,應盡量抽取客戶的共性形成標準。
(3)計劃管理。冷軋作業計劃采用一級計劃管理模式(所有機組作業計劃由企業的一級管理部門,如生產部統一制定),計劃管理的對象是物料,即每一個鋼卷。計劃類型有正常卷計劃、過渡卷計劃和返修卷計劃。計劃管理包括計劃調整、查詢和計劃單打印等功能。冷軋計劃管理面向冷軋生產線的各道機組,將可以投入生產的原材料熱卷信息(由存貨管理提供)按照合同要求、生產規程、設備要求等編制出各工序可執行的作業計劃并下發冷軋PES,PES 根據作業計劃向各機組操作人員發出明確的作業指令,有效地控制現場生產,確保生產任務的完成以及物流的暢通。
(4)物料管理。物料管理負責接收冷軋PES上傳的生產實績,以了解物料在生產過程中的動態變化和質量工藝控制情況,為質量管理和后續的發貨管理、倉庫管理提供基礎數據。通過對從原料投入到成品產出的全過程進行一貫跟蹤,實時掌握庫存情況,保持實物與信息的同步,以達到降低庫存、確保物流暢通及保證系統正常運轉的目的。同時,物料管理根據接收的生產實績進行合同跟蹤拋賬并向ERP 系統進行成本拋賬。物料管理功能是實現物流、信息流與資金流同步的重要保證。
(5)發貨管理。發貨管理功能主要包括發貨資源、發貨計劃和發貨跟蹤管理等,發貨管理的目標是規范發貨管理業務,根據合同交貨要求,合理有效組織發貨資源,縮短出廠物流周期,降低產成品庫存,保證合同按期交貨,提高客戶滿意度。MMS 接收ERP 下發的發貨計劃后,將符合條件的發貨計劃下傳至冷軋PES 執行發貨作業,對不符合條件的可進行發貨計劃吊銷或準發紅沖;MMS 實時跟蹤發貨計劃的執行情況,成品發貨完成后,將發貨實績上傳ERP 系統,同時打印質保書。
2.2 生產執行系統PES
(1)作業命令管理。指接收MMS 已經編制好的作業計劃信息,主要包括酸軋計劃、硅鋼退火計劃、連續退火計劃、鍍鋅計劃、電鍍錫原板退火計劃、精整計劃等,并根據作業計劃形成作業命令,然后通過電文方式下發給冷軋各PCS,或者通過報表方式下達到現場作業人員。
(2)在線質量管理。包括封鎖處理、在線質量處置等。封鎖處理是指現場人員對生產出的表面、尺寸等不符合合同質量要求的冷軋產品進行臨時封鎖。在線質量處置是指現場質檢人員對處于封鎖狀態的冷軋產品進行處置,包括返修和正常釋放。
(3)物料跟蹤與實績管理。負責從冷軋各機組實時收集及處理生產過程中的各種生產實績信息,并實時上傳至MMS;通過對生產實績數據的收集,將物料的投入及產出數據反映在物料信息上,使生產現場人員能夠監控物料的生產狀況和生產過程,從而提高加工效率和質量,并及時提出生產預警或修正措施。為了避免通信接口故障帶來的信息處理失敗,PES 還具備各種生產實績信息的后備輸入功能。對于沒有L2 系統的工序,生產實績從HMI 畫面錄入后上傳PES,HMI 錄入畫面要考慮操作的方便性和靈活性。
(4)倉庫管理。倉庫管理功能主要包括庫區劃分、鋼卷入庫、庫內倒垛、出庫等。倉庫管理是對冷軋廠的所有物料庫區,包括原料庫、在制品庫、成品庫堆場進行管理。倉庫管理的主要目標是提高庫位管理精度,減少庫倒垛量,保證實物與信息一致,減少庫存,加快物流。為減少人機操作界面,提高倉庫作業效率和精度,倉庫管理與行車定位系統通過信息交互,將吊運指令自動發送至行車定位系統,行車完成吊運后再將吊運實績自動上傳,從而形成全自動材料庫位跟蹤體系。
(5)發貨作業管理。發貨作業管理功能包括發貨計劃接收、發貨計劃調整、發貨實績錄入、準發紅沖、碼單紅沖等。PES 接收MMS 的發貨計劃信息后,倉庫管理人員根據發貨計劃進行發貨作業,并可對發貨計劃進行吊銷等調整操作。發貨完成后,輸入發貨實績,打印碼單,并將發貨實績反饋至MMS。為處理業務操作環節的異常情況,在一定條件下允許數據流回退,包括準發紅沖、碼單紅沖等。另外,PES 還支持與PDA(手持終端)系統進行通信,業務人員可以利用PDA 系統在現場進行實時發貨操作。
(6)軋輥管理。軋輥管理主要包括軋輥基本信息管理、配輥計劃管理、磨削實績接收、換輥實績接收、軋輥歷史數據管理。軋輥管理對磨輥間軋輥的整個生命周期進行管理,從而提高軋輥利用率、降低輥耗,實現軋輥等部件的使用最優化。業務人員結合作業計劃,合理編制配輥計劃,實現軋輥的合理分配及周轉速度最大化,最大限度地滿足生產線的要求。
3 關鍵技術
為適應冷軋工序多、生產路徑復雜的工藝特點,以及帶有中間庫存、半連續性的流程式批量生產的生產組織模式,基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES 采用了冷軋生產設計、多制程排產和冷軋預計劃等關鍵技術。
3.1 冷軋生產設計
由于冷軋產品形態較多(包括卷、板、帶等),同時客戶對成品的單重要求也各不相同,因此,需要在冷軋MES 中進行生產設計,即冷軋MES根據用戶需求給出合理的成品單重范圍,并推算出各工序入口材料的質量范圍及出口材料的分切要求,使之既符合煉鋼、熱軋、冷軋各機組的設備能力,又盡量減少原料損耗、提高收得率,同時還要考慮規模化生產,使原料質量越大越好。
生產設計的具體做法是:既要考慮各工序的投料系數和機組能力(卷取能力、吊車能力、板坯大小限制等),還要考慮訂貨規格(對于不同的訂貨寬度,在卷取外徑限制相同的情況下,單卷的質量大小不同),取各個范圍的交集得到每道工序的質量限制,進而計算出分切數,這樣就確保了在滿足用戶要求和設備能力的前提下,收得率最高。
3.2 多制程排產
冷軋機組多、工藝復雜,同一產品往往允許有多個工藝路徑,為了更好地平衡產能,縮短產品的生產周期,我們在MES 中采用了合同多制程排產技術。多制程排產是針對合同處理后的銷售訂單,設計出產品所有可能的生產工藝路徑,每條工藝路徑稱為合同的一個制程。當合同有多個制程時,生產管理人員可以將合同的欠量同時分攤到多個生產制程上并行或交叉生產,并對每個制程進行實時跟蹤。在生產過程中,不同制程上的在庫量、欠量還可以進行實時動態調整,一旦某個設備出現故障或生產出現波動,就讓合同在其他路徑展開生產,從而實現合同的彈性計劃和柔性制造,保證合同按期交貨,降低市場風險。
3.3 冷軋預計劃
由于冷軋工藝流程復雜且不確定情況較多,因此通常情況下冷軋作業計劃都是采取見料排程的方式,即等前道工序材料產出并入庫后,再安排后道工序的作業計劃。但是冷軋中間庫容量一般都比較小,生產廠為降低成本,往往追求零庫存生產,如果完全采取見料排程的方式編制作業計劃,每個機組的計劃員就必須每天24 h 三班倒,造成人力資源的很大浪費;另外,有些冷軋工序(如罩式爐寅平整)彼此關聯非常緊密,但對生產順序要求不高,可以在上道工序產出時自動生成下道工序的作業指令。因此系統在見料排程的基礎上,采用冷軋預計劃技術,通過擴大計劃編制的對象,實現減少中間庫庫存、優化物流和降低成本的目的。
冷軋預計劃包括推導式預計劃和選擇式預計劃兩大類型。推導式預計劃是指根據一個基準工序的實物作業計劃生成后續若干個連續工序的預計劃,即一次編制2 個甚至多個連續工序的冷軋作業計劃,主要面向對生產順序要求不高的工序,當物料在上道工序產出時,可以自動生成下道工序的作業指令,當實物產出后,系統自動用出口材料信息替換預計劃信息,再由人工將出口材料信息釋放和下發生產。選擇式預計劃主要為了解決某個工序(如酸軋)后庫容量小的問題,計劃員可以選擇該工序作業命令中預計產出的材料,編制虛擬材料的后續工序作業計劃(如連退、熱鍍鋅等),并進行跟蹤。
不過,由于冷軋作業計劃需要考慮工藝約束、產能約束、交期約束以及上下游產能平衡等多個因素,同時冷軋工藝的復雜性使生產出現異常的概率也相對較高,因此編制冷軋預計劃的難度往往比較大,只能將其作為一種輔助手段,若盲目編制大量預計劃,只會導致后續計劃的大量調整,從而得不償失。
4 系統實現
基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES 實施時,需要關注硬件配置、系統框架構建和系統間通信。
4.1 硬件配置
基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES 建議配置2 臺中高端小型機服務器(如IBM P750(Power 7)),總共劃分4 個邏輯分區,MMS 和PES 各分配2 個邏輯分區作為應用服務器和數據庫服務器。考慮到MMS 覆蓋企業的所有生產線,業務量大、實時交互性強、I/ O 性能要求較高,還要為未來的業務擴容、生產線擴充預留一部分處理能力,因此把每臺P750 服務器3 /4 的系統資源用于MMS,具體配置如下。
(1)服務器1
MMS 應用服務器:24CPU/96GB 內存,IBM AIX6. 1 操作系統;冷軋PES 應用服務器:8CPU/32GB 內存,IBM AIX6. 1 操作系統。
(2)服務器2
MMS 數據庫服務器:24CPU/96GB 內存,Oracle 11g 數據庫1 套;冷軋PES 數據庫服務器:8CPU/32GB 內存,Oracle 11g 數據庫1 套。
此外,應用服務器同時與數據庫服務器通過AIX 操作系統集群管理軟件HACMP 完成服務間的熱備切換,保證系統對外7 X24 h 的連續服務。
4.2 系統框架構建
基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES 采用C/S 三層架構:前臺采用圖形化客戶端,中間層采用實時交易中間件軟件(TUXEDO),后臺采用企業級數據庫軟件(Oracle 11g)。在C/ S 三層應用中,客戶端和服務器之間加入一層中間層,開發人員可以將企業應用的業務邏輯處理放在中間層服務器上,從而將應用的業務邏輯與用戶界面分離開,在客戶端只需一個瘦(thin)的GUI 用戶界面即可。這意味著如果需要修改應用程序代碼,可以只在一處(中間層服務器上)修改,而不用修改大量的、分散的客戶端應用程序,從而使開發人員可以專注于應用系統核心業務邏輯的分析、設計和開發,簡化了企業系統的維護、更新和升級工作,極大增強了企業應用的伸縮性和靈活性。
4.3 系統間通信
基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES 要與周邊系統進行集成,包括ERP 系統、冷軋PES、熱軋PES、各機組L2 系統、檢化驗系統、軋輥系統、行車調度系統、PDA 系統。這些系統都是獨立的應用系統,彼此之間數據交換實時性強,交換頻繁,電文傳送的可靠性要求高。針對這種需求,采用基于TCP/ IP Socket 通信協議的數據交換通信中間件,并且全廠數據通信使用統一的通信協議,從而在通信雙方之間實現實時、安全的數據交互。
5 應用效果
相比單生產線MES 架構,基于“MMS + PES冶的系統架構有以下優勢:(1)具有統一的MMS 平臺,具有統一的數據標準、接口標準和管理標準,使企業所有生產線的生產和質量在統一的信息管理平臺開展業務、共享信息;(2) 系統集成度高,能夠更好地實現數據集成、軟件集成、硬件集成和網絡集成;(3)可擴展性強,包括業務應用功能和系統環境的可擴展性;(4)建設成本和維護成本較低。
目前,寶鋼、沙鋼、邯鋼等多家國內知名鋼鐵企業都已經成功實施了基于“MMS + PES冶架構的冷軋MES。以沙鋼為例,2009 年,沙鋼新建煉鋼、熱軋項目,同步建設了基于“MMS + PES冶架構的MES,覆蓋所有煉鋼、熱軋生產線;2013 年，沙鋼建設冷軋項目時,由于已經構建了基于“MMS + PES冶架構的MES,因此只需在原有MMS上針對冷軋生產線做一定的功能擴充,同時新增一個冷軋PES,在較短時間內就順利完成了MES對于煉鋼、熱軋、冷軋生產線的全覆蓋,為企業提高了效率,創造了效益。
6 結束語
基于“MMS + PES冶架構的MES 解決了多生產線情況下MES 功能重復建設、統一性差、接口多、建設成本高等問題,在國內大型鋼鐵企業正得到越來越多的應用。它前后貫通企業所有生產線,上下連接ERP 和PCS,在生產計劃的優化調度組織、生產過程的控制與改進、生產指令的下達與實時生產數據的收集、生產敏捷化的實現等方面起到的作用已經越來越顯著,充分體現了鋼鐵企業“集中一貫冶的管理理念,優化了企業管理,提高了工作效率,提升了企業競爭力。
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