流程行业MES关键技术研究.docx

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流程行业MES关键技术研究

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  来源：

湖南大学电气与信息工程学院罗安    

    摘  要：

介绍了流程行业制造执行系统（ MES ）基本功能模型，在此基础上结合烧结流程讨论了烧结系统的MES技术，针对性的分析了该系统的技术难点，给出了概要的解决方案。

    关键字：

流程行业，制造执行系统，烧结

一 引言

    制造执行系统（ MES ） 是为了保证产品的质量、数量和交货期，有效地使用人力、机械、设备、原料等工厂资源，综合管制工厂生产活动的软件系统。

 MES强调制造计划的执行，它位于企业上层企业资源规划（ERP）和底层工业控制（PCS）之间，面向车间层的生产管理技术与实时信息系统，在计划管理层和底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的鸿沟。

目前，尚没有通用的制造执行系统MES支持软件产品,往往需要依赖于经验丰富的系统集成商来完成特定的应用集成系统开发任务。

现有的MES应用研究主要表现在离散工业MES的研究和应用。

    流程行业MES的设计及关键技术攻关，是流程工业综合自动化系统的核心技术。

我国国内综合自动化领域的整体上较为落后，但已具备了相当的物质和技术基础，本文针对流程工业CIMS的BPS/MES/PCS三层结构特点，着重解决有关烧结工程的信息集成和功能集成等技术难题，克服企业自动化“孤岛”局面以及管理 “浮空”现象，开发烧结流程MES层将面向市场的经营决策信息正确、快速地处理、传递最终转变为生产系统的反应行动，同时将底层信息及时反馈作为正确决策的科学依据。

二 烧结流程概述

    岭南铅锌集团是我国重要的铅锌基地之一，韶关冶炼厂拥有1套130m2烧结系统。

烧结系统主体工程包括配料、混合系统；烧结、冷却及抽风系统；成品筛分及取样系统。

烧结系统辅助工程包括运输；供热及通风除尘；给排水；供配电及控制；生产通信等系统。

烧结工程工艺流程如图1：

                   图1  烧结工程工艺流程

    烧结主要是为高炉生产提供足够数量的、符合炼铅锌生产要求的烧结矿，只有稳定烧结操作,才能保证烧结矿质量,降低生产成本及能耗。

在烧结流程的单元控制方面，国内外都提出了一些方法，取得了一定成果，但是我国铅锌冶炼工业自动化与国外发达国家相比，普及程度不够，系统信息集成程度、控制手段、优化算法等方面还有不少差距，特别是在烧结流程监控方面满足不了生产需要。

问题主要表现为作业率低，烧结矿成分波动大，出厂成品无论在质量或数量上，都达不到设计指标。

其中有原料、工艺和设备方面的原因，但更重要的是自动控制系统方面的原因，没有将烧结流程作为一个整体，综合考虑流程的各个环节进行优化控制和调度，信息集成、业务集成水平不够，物料平衡、能量平衡以及成本控制自动化和优化水平不高，导致能耗较大，生产效率和产品合格率不高。

将铅锌烧结作为一个流程来优化和控制，并融入到铅锌冶炼企业的信息集成和科学管理中，是十分必要的。

三 流程行业MES基本模型

    按照MES协会的定义，MES共有11个功能模块（如图2），包括：

工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集。

                           图2 MES功能模型

    由于每个行业的生产和流通流程不同，还有其特定的行规，不同的行业对MES的要求和着重点是完全不同的。

而流程工业，其生产过程一般是连续的或成批的，需要严格的过程控制和安全性措施，具有工艺过程相对固定、生产周期短、产品规格少但批量大等特点。

针对流程工业的特点，流程工业MES 可采用开放性的、柔性的、可扩展的、模块化的、面向对象的、基于知识的体系结构，图3给出了流程工业MES模型的功能模块及其在企业信息化中与其它系统的关系。

                   图 3流程工业MES的功能模型

    实时信息系统  MES具有良好的开放性，可以和不同厂家的PCS进行数据整合，形成统一的实时信息管理系统。

该系统包括过程数据接口、实时数据库、过程数据分析工具、过程可视化组态工具等。

管理人员能在同一画面、趋势、报表中集中得到生产工艺上相互关联但又分散在不同PCS系统中的信息，便于对比、分析、跟踪、监视，有利于全面系统地把握全厂生产状况。

    质量管理系统  质量管理贯穿于企业生产活动的全过程，完成样品管理、样品跟踪、实验数据采集、质量标准管理等，通过对关键过程控制参数和质量检测参数进行监控，帮助操作人员提高生产操作水平、控制影响产品质量的参数，为提高产品质量控制提供支持，并将原料采购、生产过程控制与管理、生产技术管理、产品销售等数据进行共享。

    设备维护管理系统  设备维护管理系统基于设备的基础信息，根据生产过程实时信息，对设备运行状态进行“健康分析”-在线或离线诊断，产生并传递即时的影响生产的有关维护信息，指导设备维护管理。

    能源管理系统  能源管理系统主要对企业内部水、电、汽等公用工程资源的管理，为工艺生产正常运行提供监控与管理。

它与生产调度系统密切结合，完成生产与能源的协调管理。

合理利用资源、节约能源, 最大限度地降低生产成本, 最大限度降低对环境的污染。

    批量管理系统  完成工序至工序的材料跟踪，批量记录和报表，实现生产记录自动化，提供完整的批量生产过程的历史记录，提高生产灵活性和可跟踪性。

提供完整的生产记录和材料的来龙去脉，满足产品管理的需要。

当产品出现问题纠纷时，可以追溯到产品生产过程的各种消耗及生产数据找出问题；或追溯出使用相同原料的其它产品的去向。

    生产成本核算系统  生产成本核算系统利用实时数据动态地监控生产成本，使成本控制发生在生产过程中，而不是在生产的完成后，以达到降低成本的目的；与企业资源管理中静态的资产管理相连接,对生产过程的中间库存和中间产品动态信息进行管理，提供成本和物流控制与管理的信息支持；成本可以落实到每个班组或个人，直接将生产成本与员工的利益挂钩，提高员工的责任心和积极性。

    生产调度系统  生产调度系统是管理层与过程控制层之间的纽带。

一方面，它提供以实时数据库为基础的生产调度平台，为生产调度人员提供强大的辅助调度功能；另一方面，它提供全面的生产监控及报表功能，完成对生产过程的温度、压力、流量、物位（或液位）等过程参数进行监控和实时操作，完成对重要设备的运行状态、生产实时成本、生产考核指标等进行监控。

四 烧结系统MES技术

    为满足冶炼的要求，必须严格控制烧结矿产品含铅锌品位、碱度、粒度等主要参数指标。

但是目前烧结系统的生产管理职能非常疲软，只是由现场操作人员根据工作经验来判断并控制烧结设备，难以迅速有效的执行经营管理层的决策。

针对韶关冶炼厂的流程工业复杂大系统的特点，研究以MES为核心的综合自动化系统整体方案；达到最终推动岭南铅锌集团流程工业综合自动化系统的建设的目的。

    但是存在一定的技术难点需要突破：

（1）MES系统是综合自动化系统整体软件的核心，其定制和维护成本直接关系着整个系统的可行性，它在铅锌冶炼行业的应用研究的基础薄弱，必须加大MES系统平台的模块化、柔性化、标准化开发力度，大大降低MES的实施和维护成本，进而推进冶炼流程自动化系统建设； 

（2）影响MES控制策略的因素繁多，不仅包括提高生产效率和降低生产成本为目标，还必须将节约能源、减小污染等目标综合考虑，对物料流、能源流和信息流合理集成，实现烧结的综合自动化生产； 

   （3）烧结生产包括复杂的物理、化学过程以及各种突变和不确定因素，尤其是受不同料批的更替过程中暂态因素的影响，难以在连续、混合生产环境下提供流程启动、平稳运行以及停机等过程的标准操作指令；

   （4）烧结流程生产环境是一个具有高度混杂性的过程，存在连续过程变量和离散监控变量之间的矛盾，必须将过程模型与优化模型结合起来，将流程监控技术和多变量统计控制技术结合起来，开发适应大规模复杂系统在线优化和实时调度的软件。

   （5）韶关冶炼厂烧结原料来源较广，难以保证原料成分条件的稳定，对烧结生产过程、烧结矿产品质量乃至对整个高炉冶炼的负面影响深远，必须及时采集原料成分信息，自动生成正确的排产计划控制烧结产品的质量源头；

    在上述问题的基础上进行烧结流程行业MES的研究与开发，考虑集到团综合自动化系统和下属单位烧结工程之间全局与局部的关系，在关键技术的选择上系统集成技术与单元技术并重，通过系统技术、信息技术和自动化技术的引入使传统装备、系统升级。

从系统集成的角度出发，确定MES信息交互关系，如图4所示，为企业实施CIMS提供可行性框架：

向上为供应链管理（SCM）、销售和服务管理（SSM）、企业资源规划（ERP）和产品设计/过程工程（P/PE）；向下为低层生产控制系统，包括DCS、PLC、DNC/NC和SCADA，或这几种类型的组合以满足企业的实际需要。

同时鉴于铅锌冶炼行业流程MES的应用研究基础相对薄弱，必须加大MES系统平台的模块化、柔性化、标准化开发力度，大大降低MES的实施和维护成本。

      图4 烧结综合自动化系统中MES系统的信息交互关系示意图

    其设计的内容包括：

（1） 烧结MES流程管理系统：

实现烧结生产过程监控、数据采集与统计以及基于数据库的实时生产效率分析，与BPS层的生产管理相对应，合理分配人员、物流、能源等资源形成生产计划，并且完成生产优化调度，实现生产数据在MES层和BPS层之间的信息交互；

（2） 烧结MES流程支持系统：

为MES层功能模块提供基于知识和信息的支持，即通过多变量先进控制、智能控制等方法和算法进行烧结流程的优化控制，提高设备的效能和利用率，实现检测数据和控制参数在MES层和PCS层间的信息交互；

   （3） 产品质量跟踪与控制技术：

质量控制包括原料质量管理、配料混合质量控制、烧结产品质量监测等子项，实现对在制品的全局跟踪和产品的质量检测分析，避免仅以最终产品质量为控制对象的弊端，增强对产品质量的控制力度和效果；

   （4） 设备运行与安全监控技术：

提供基于数据、模型和知识的烧结流程故障诊断和预报及远程安全事故处理支持，对设备和工具的维护行为进行跟踪、分析和指导；

   （5） 烧结流程物料平衡系统：

对烧结工程的原料供应与烧结产品输出、配料混合系统的物料平衡、烧结设备的运行消耗、工业副产品的处理等信息集成，建立实时数据和关系数据库，提出全面的物料平衡控制模型，并研究分析与成本和质量控制之间的关系模型；

   （6） 烧结能流控制系统：

着眼于烧结流程全局的能量供应和消耗的配置情况，结合烧结工艺提高能量的利用率，减少大功率能耗对电网、供热、供水等系统的不利影响；

   （7） 流程建模技术与虚拟制造技术：

基于烧结流程的工艺特征，联系设备状态和功能，通过对具体等历史信息的处理，建立烧结流程模型实现烧结产品的虚拟制造，从而修整合理的企业的经营决策（如成本预报与控制等），充分发挥设备的生产潜能；

   （8） 烧结流程MES集成平台：

建立支持标准接口的MES基础构架，即提供对象应用软件的即插即用的软总线，并将有关烧结MES的软件根据不同功能集成封装成相关对象，提高软件的可操作性、可扩展性和可重构性，真正实现MES软件的客户化。

    烧结流程MES的生产过程管理建模步骤：

定义单元； 由多个单元定义不同的处理类； 定义单元间的连接； 定义构成每个连接的设备段； 由多个连接定义不同的传输类； 定义处理类和传输类的能力属性； 定义设备状态； 定义流程线； 定义各种标记。

流程生产计划和调度建立在处理类和传输类的基础上，与具体设备无关，当其与流程线结合时，经过确认流程线中是否具备生产计划和调度中定义的物料，以及保证流程线满足生产计划和调度的设备要求，从而基于流程线将生产计划和调度转化为控制策略，实现对底层控制系统的控制；同时通过定义各种标记，实现流程管理与控制系统和底层控制系统之间的数据传输及两个控制层间的信息集成。

    烧结流程MES过程模型具备对象特征，生产计划和调度由处理类和相应的传输类元素构成，每一种处理类和对象类都是一种对象，封装一定的对象属性，同时通过定义标记具备了与底层控制系统的通讯连接功能；单元和连接则是处理类和传输类的实例化，对处理类和传输类具有继承性；具体的单元则构成了流程线对象，一个单元可属于多个不同的流程线。

在由生产计划和调度向控制策略的转化过程中，通过单元（连接）对象对处理类（传输类）对象的继承，生产计划和调度经由流程线实现了实例化，生成具体的控制策略。

这种柔性的过程建模增强了流程企业面向动态产品的自适应生产能力；引入处理类和传输类等对象，使批量管理与控制系统具有在引入新产品的情况下重新配置和修改生产计划和调度、生产流程，在柔性生产计划和调度下建立柔性的流程线的功能。

五 结束语

   信息化对传统工业升级改造的促进作用已经成为我国企业界的共识，国内企业的信息化热情十分高涨，需求也十分旺盛。

作为占国民经济70%的流程工业，由于基础薄弱和整体水平的落后，面临着更大的进入WTO的压力，很多企业都迫切需要借助CIMS，特别是包含MES的CIMS，来提高企业的生产经营水平和市场竞争力。

而烧结流程生产过程的安全、稳定、均衡、优质、高产、低耗和少污染目标的实现，内部物流的控制与管理、生产过程成本的控制与管理等生产管理活动都在MES层完成，MES层的信息集成至关重要。

烧结流程行业MES的研究与开发将对烧结流程的生产和管理产生积极的影响，对CIMS的发展起到推动作用，意义重大，有着明显的社会效益。