一种面向冶金行业的MES解决方案

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      来源:  北京软件开发公司

         冶金行业的发展，在整个重工业制造中占有绝对的比例，在资源的利用上，污染排放上，冶金业的多对其有着很大的影响，如何响应国家政策的号召下，降低耗能，提高资源的利用率是每一个制造企业都将面临的重大问题，本文通过 本文通过对冶金行业的生产特点进行分析，指出冶金行业目前在生产管理方面所面临的问题，提出面向冶金行业的MES 解决方案，并在实际项目中实施。通过实际生产应用，证明这一解决方案对冶金行业的生产管理提供很大帮助，对生产和管理效率的提高方面，起到很大作用，具备一定实用性。

 引言

         钢铁行业是我国重要的基础产业，目前共有钢铁企业上百家，受世界经济高速发展的带动，中国钢铁行业增长迅速，国际地位与日递增。1996 年至今，中国粗钢产量突破年产一亿吨，占世界第一位，且连续13 年居世界第一；我国已成为全球最大的精密无缝管生产国和出口国；我国不锈钢产能和产量早已达到世界第一的规模；2009 年宝钢粗钢产量超新日本制铁跃居世界第二；2008 年中国产钢5 亿吨，占全球粗钢产量的38.4% ，国内粗钢表观消费量4.53亿吨；2008 年我国直接出口折合粗钢6000 万吨，占世界钢铁贸易量的15% 。

         钢铁工业的基本生产过程是在炼铁炉内把铁矿石炼成生铁，用生铁水炼成钢，再铸成钢锭或连铸坯，经轧钢等方法加工成各种用途的钢材，钢铁企业的生产活动中既有连续型的特征，又有离散型的特征，整个过程介于离散生产和连续生产之间，是一种半离散半连续型生产过程，具有多样性、复杂性和阶段性等特点。

1 冶金行业的生产特点

1.1 产品多样性

    钢铁产品一般是标准化和系列化的产品，对于钢铁其化学成分、机械性能、规格尺寸有相应的国家标准和行业标准；钢铁企业的原材料品种少，但最终成品品种规格多达数万种，产品主要包括各种板材、管材、线材、型材等钢材。

1.2 工艺复杂性

    典型的钢铁工业的基本生产过程包括原材料处理、炼铁、炼钢、铸造、轧钢等工艺过程；其生产过程是连续与离散相混合的生产工艺流程，产线长、工序多、设备复杂，而且每一个工序所需物料的属性，检验的条件不尽相同。

1.3 生产过程具有鲜明的阶段性

    冶炼阶段以化学变化为主，要求控制产品的化学成分；浇铸、轧制阶段以物理变化为主，要求控制产品的相变和外形尺寸的大小；从生产效益出发，在冶炼阶段要求将制造标准、化学成分相同的产品合炉冶炼，在轧制阶段需要将轧制规格相同的产品进行集中轧制。

    与国际上发达国家冶金行业相比较，国内冶金行业在能耗指标、能源利用率、污染物指数上存在较大的差距。例如2006 年我国的钢铁产量达4.18 亿吨，连续十年稳居世界第一，能耗约占全国工业总能耗的11% ，排放的废水和废气约占工业总排放量14% ； 热轧工序能耗国内重点企业平均为96.29kgce/t，国外先进水平为80.28kgce/t， 相差16.01kgce/t。

2 冶金行业MES 解决方案

    针对冶金行业的特点、面临的问题和挑战，围绕冶金行业由统一标准规格大宗产品制造模式向大批量个性化订制模式转变，由单一产品刚性制造系统向多产品柔性制造系统转变的实际特点，以“铁前”和“钢后”相结合的质量管控和生产管控为主线，本文提出了一套适应冶金企业的MES 解决方案。

     冶金行业MES 解决方案包括订单管理、供应管理、质量管理、生产计划与调度、生产执行及反馈、能源管理、仓储及运输管理、大型工器具管理、原辅料管理、废料副产品管理、实验室管理（LIMS）、计量管理、磨辊间管理等业务模块，实现冶金行业计划、质量、能源、成本的协同优化，支持可持续发展的精细化冶金生产制造。

2.1 以全局、协调的生产计划为主线

       以全局、协调的生产计划为主线，实现企业统一、协调生产计划的制定。生产计划是全局的，一体化计划可以将京唐公司所有生产线有机地结合起来，达到总体的平衡和优化，并且优化每条生产线上下游的生产节奏。集成的、一体化的生产计划能大大提高从炼钢到下游机组的整体物流的平衡和协调，以提高订单的按时完成率、生产率、机组的利用率，并且削减库存水平和缩短制造提前期。

2.2 以订单跟踪、管理为主线

       订单的跟踪和管理主要是对销售订单下发到M E S 后的整个生命周期状态进行管理和跟踪。客户可以很清楚自己的订单在工厂进行到何种情况，产品物料进行到哪道工序。掌控所有销售订单产品阶层的信息，以制定全局的物料到销售订单的最佳分配，对于现有材料不能满足的销售订单，物料计划会生成对炼钢生产的净需求。

2.3 以精细化质量管理为主线

       包括从上到下的质量设计，即根据质量标准数据，对订单产品进行质量设计给出订单成分、性能、外观、综合判定标准及炼钢、轧钢的制造标准和工艺路线设计。从横向上，按生产工艺和生产组织的不同特点，把整个生产线划分为“铁前”和“钢后”两大区域，质量管理的生产线质量判定、质量控制贯穿始终。

2.4 以精确的物流跟踪、管控为主线

    主要确保库内的物流清晰并对其生产物流进行优化和完善；实现对库存定置管理，保证生产过程中物流、信息流一致。为作业计划、生产调度提供准确存货信息和库位，以减少库存倒垛量；合理规划库区，合理分配运输工具，使生产物流合理化、高效化。

       使相关专业人员能够全面了解产销存生产组织的全过程；实时掌握各个仓库库存情况。如实时跟踪辊道上的板坯和托盘上的钢卷，根据二级（或一级）实时传来的跟踪信息，并且结合业务规则，提供物流走向，显示给操作人员。

       基于冶金MES 解决方案及四条主线，设计了冶金MES 系统业务流程参考模型。流程包括十多个主要流程，分别是“钢后”生产订单创建/修改流程、排产下达流程、生成排程执行监管流程、生成订单执行监控流程、成品入库检验流程、仓储管理流程、发运管理流程、热轧原料管理流程、热轧原料上料流程、热轧生产组织流程、热轧执行控制与反馈流程。

       各流程通过引入先进的管理模式和运行机制，对钢铁生产线上复杂的物流进行精确的控制，在物流精确控制的基础之上，通过计划和反馈控制实现从订货合同到生产计划、到物资采购供应、到制造作业计划、到制造作业指令、到产品入库出厂发运的信息化，生产与销售连成一个整体，计划调度和生产控制有机衔接。同时，围绕产销过程形成相关的信息收集系统为产销的动态调度、综合分析、指标控制提供系统的支撑。

3 面向冶金行业的MES 产品

        结合冶金MES解决方案，本文开发了冶金MES 软件产品。 

       冶金MES 产品软件架构不限于针对铁前或者炼钢热轧、冷轧，而是一个通用的架构平台，该通用平台是在整个MES体系的基础上进行设计的，提供了一体化的、高可维护性的架构，MES 各类应用可以在这个架构的框架下，进行模块、服务的组合，以提供特定于该厂的应用。提出的6 层解决方案架构是：

    数据源层：与6 个系统通过接口相互连接，并提供所有与MES 管理相关的数据源。包括：LIMS 系统、PCS(MES 二级系统)、销售管理软件免费版 系统、计质量系统、能源计量系统和天车系统。

    整合层：系统间的整合和连接消息引擎，能够可靠地传送接收信息，确保应用之间数据的可靠传输，并支持发布/订阅以及点对点的消息代理的功能，支持企业内外事件驱动数据流的高可靠性和异步性。

    引擎层：这是一个构件化的应用程序引擎，使报表、工作流、规则管理具有了灵活性、可扩展性。重要引擎有工作流引擎、规则管理引擎、报表管理引擎。

    模块层： 这一层代表MES 系统主要的模块切割，这些模块是MES 的核心应用程序，关键模块有：计划、执行、监控、报表、安全和配置等。

    服务层：这一层封装了MES 所有的应用逻辑以及对外部系统的接口。

    访问层：这是单入口通道，是内部人员、公司主管、客户使用系统的入口或窗口；使用者通过网络浏览器(例如Internet Explore)或者桌面应用客户端GUI操作系统。

    通过冶金MES 解决方案、业务流程参考模型和产品架构的分析，总结冶金M E S 产品特点主要体现在以下几个方面。

3.1 一体化计划优化

       综合考虑了炼钢、连铸、热轧等各工序的工艺约束、设备约束，从计划中进行炼轧协调，保证热送、热装计划的顺利实施。根据销售订单的交期，客户，订单的优先级，生产线的产能来安排出每件材料的计划生产日程。计划可以采用不同的优化  的策略，如确保尽可能多的订单按时完成的同时，提高机组的产能利用率，缩减订单履行的提前期等等。

3.2 精细化质量管理与控制

      将质量管理、计划管理、生产管理相集成，实现检验计划的制定、实绩收集和质保书管理的一体化，形成了质量问题快速反馈和处理机制。通过建立一套以质量标准为基础的集质量设计、质量跟踪、质量判定和质量分析于一体的持续改进的质量保障系统，为企业提高和改进质量系统提供一套完整的体系结构，为不断提高和改进产品质量提供良好的工具。

3.3 精确物流管控技术的应用

        涵盖了钢铁企业炼铁、炼钢、热轧、冷轧等从原料进厂一直到产成品出厂的整个流程，可提供生产、技术、质量、设备等各方面的信息。对板坯库、钢卷库、成品库等物料堆场均设置了带有自动定位的仓库管理系统，并与MES 紧密集成，实现从作业命令发送到物料搬运的自动执行。仓库管理系统的自动定位，可以确保对物料的异动（搬物料的送）进行全程跟踪，并将异动信息实时上传给MES 系统，使物料信息与实物位置始终保持同步一致。

3.4 二级自动化设备的信息集成

    通过组通用的接口件，Q-MES 实现与二级自动化设备系统的数据连接，使数据能在不同系统间自由流动起来，为企业创造更大财富。最后，该软件实施在具体的冶金企业中，并取得了不错的效果，达到了预期的目标。

4 结束语

        本文通过对冶金行业的生产特点进行分析，提出了一种面向冶金行业的MES 解决方案，并且为这一方案设计了一种面向冶金行业的MES 产品，最后在某冶金企业实施。从该软件的实施效果来看，该解决方案有效地提高了冶金行业生产管理的效率，推进了企业的信息化程度。

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