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    摘 要: 制造執行系統MES是位于企業上層企業資源計劃ERP和底層設備自動控制系統PCS之間，面向車間層的生產管理技術與實時信息系統。對現階段自動化現狀及水泥生產流程特點做了簡要闡述及分析, 提出一種面向水泥行業制造執行系統的體系結構, 分析了相關子系統的功能，并以設備管理子系統為例,選用B/S三層體系結構, 具體討論了其實現過程.

    關鍵詞: 制造執行系統 體系結構 水泥行業 B/S 設備管理

　　1 引 言

　　制造執行系統MES（Manufacturing Execution System）是位于企業上層生產計劃和底層工業控制之間, 面向車間層的生產管理技術與實時信息系統, 強調制造計劃的執行,在計劃層和控制層之間架起了一座橋梁, 能夠通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理;當工廠發生實時事件時, MES能對此及時作出反應、報告,并用當前的準確數據進行指導和處理。

　　現階段，大多數水泥企業在運營中已經應用分布式控制系統（DCS）和信息管理系統（MIS），基礎自動化程度較高，但生產管理、生產調度以及決策等方面基本還是人工管理，自動化程度較低。企業的生產管理與過程控制之間相互分離，集成程度低，極大地制約了生產管理水平的提高。在CIMS的研究與發展中，對MES還沒有給予足夠的重視，導致針對水泥行業開發的MES軟件幾乎沒有，甚至這方面的研究文獻都很難見到。

　　2 水泥行業的特點

　　水泥生產工藝流程中存在著復雜的串并聯關系。從總的工藝流程看，物料是依次通過生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨三個串聯階段，主要通過一些化學、物理化學變化實現產品的

　　（1）生料制備:石灰質原料、黏土質原料與少量鐵質在破碎、烘干,按照一定的比例調配后,進入生料磨進行粉磨生成料粉。

　　（2）熟料燒成:從預熱器頂投料,生料粉依次通過多級預熱器,與熱氣流進行熱交換后進入分解爐。在分解爐內生料經過預煅燒,進入回轉窯。還有一部分生料直接進入回轉窯,在回轉窯內充分煅燒至部分熔融,得到水泥熟料。

　　（3）水泥粉磨:熟料添加適量石膏,有時還有一部分混合材料或外加劑,經過配料進入熟料磨進行粉磨,共同磨細制成水泥。

　　與此同時,在水泥生產過程中,依次穿插著各車間的生產調度、各職能部門的職能管理,乃至企業級的整體運營決策等行為。

　　3 面向水泥行業MES體系結構

　　具體到水泥企業背景，MES的研究重點以水泥熟料燒成及磨機車間（或分廠）的業務流程為基礎

圖1 面向水泥行業MES體系結構

　　進行展開。MES執行由ERP制定的計劃，并根據實時生產信息調整生產作出調度，并將有關資源利用、庫存情況及生產計劃的實時完成情況準確的反饋給ERP系統。MES的調度指令還能將生產目標及生產規范自動轉化為過程設定值，并通過PCS 中的優化軟件對應到閥門、泵等控制設備的參數設置。同時，MES將從DCS采集來的生產數據與質量指標進行對比和分析，可以提供閉環的質量控制。水泥企業MES的體系結構如圖1所示，其功能包括計劃分解、質量管理、作業調度、物料平衡和庫存管理、設備運轉管理等模塊。

　　3.1 各模塊功能

　　（1）計劃分解

　　應以上層ERP系統所下發的生產計劃為核心，結合倉儲管理系統的信息，科學、合理地分解為不同車間與工段的月、日生產計劃，并為實現整個企業運營的全局優化奠定基礎。

　　（2）質量保證

　　以生、熟料化驗管理為核心，立足PCS提供的現場實時信息，結合水泥連續生產保證子系統確定的設備狀態及工藝狀態后，對PCS控制系統的生、熟料配料、均化，以及熟

　　料煅燒提出指導建議，最終達到穩定水泥生產質量的目的。

　　（3）作業調度

　　由于水泥生產中可能出現設備故障、原燃料成分波動、工況變化等，會導致優化分解的產量質量設定無法實現或不再滿足能耗最小目標。因此，需要采集工廠實際運行情況，通過實時優化技術對各生產過程產量、質量設定進行動態調整，實現全流程優化調度，保證綜合能耗最小。通過預測模型，建立算法，優化對生料制備、燒成系統、水泥制備等各環節的實時調度，科學、合理地組織與指揮生產，實現本分廠（車間）的局部優化。

　　（4）物料平衡和庫存管理

　　主要由供應和倉庫管理系統完成，實現配合生產計劃進行物資發放（原料礦石、設備維護工具、配件）和半成品（生料、熟料）、成品（水泥）的入庫，實現庫存盤點、調撥以及物資的日常管理工作，并采用適當的算法或方式進行損益管理。

　　（5）設備運轉管理

　　指導企業維護設備的工作以保證生產順利進行，并產生階段性、周期性和預防性的維護計劃，也提供對緊急問題的響應（報警）;保留過去所發生的事件和問題的歷史記錄有助于處理可能要出現的問題。

　　（6）過程成本管理

　　根據采集上來的數據或錄入的數據進行成本的計算，同時進行成本的動態發布和監控，使成本控制發生在生產過程中，而不是在生產的完成后，以達到降低成本的目的;與企業資源管理中靜態的資產管理相連接,對生產過程的中間庫存和中間產品動態信息進行管理，提供成本和物流控制與管理的信息支持。

　　（7） 其他日常管理

　　主要完成分廠（車間）數據分析、文檔管理及人員調派等功能。

　　另外，ERP、MES、Controls三個系統的運行都依托于計算機網絡和數據庫系統，關系數據庫與實時數據庫通過集成平臺交換數據。

　　4 設備管理子系統功能設計與實現

　　4.1 需求分析

　　水泥生產屬于典型的流程制造，生產過程中，物料呈連續變化狀態通過整個生產流程。水泥生產的關鍵設備如生料磨、預熱器、回轉窯、水泥磨等都是以串聯的方式運行，一旦主要設備出現故障，就會造成全線停產。因此對設備進行有效的維護和管理是水泥企業生產活動的一個重要方面，也是保證生產能順利進行的關鍵。只有設備運行正常了，才能保證安全生產，使任務得以順利完成，才有可能創造出更長的安全生產記錄和經濟效益，才能把設備管理工作推上新臺階。

　　在MES 中設備管理要能滿足以下主要功能需求:

　　（1） 預防性維護方面:能根據可自定義的保養規則和歷史保養記錄實現保養預警,自動生成保養計劃;同時也為車間設備調度提供支持。

　　（2） 狀態監控方面:能及時準確地將設備的基礎信息變動信息和當前運行狀態提供給管理層,為車間作業計劃管理或短期的調整提供現場數據。

　　（3） 決策支持方面:自動分析設備當前和歷史運行記錄、維修數據和變動信息等,自動生成各類統計分析報表,完善設備的考核指標體系,為車間作業計劃長期修正提供依據。

　　（4） 備件庫存管理方面:實現備件的自動庫存預警功能, 保證故障維修或計劃檢修時“有件可換”;實現備件跟蹤和更換預警功能,減少故障停機次數。

　　（5） 設備維修方案和知識學習方面:通過對故障進行統計和分類,將成功的故障維修案例記錄到系統中,實現知識、經驗的積累和繼承。建立推理機制, 根據故障屬性特征相似度快速得到具體的維修方案,對維修方案進行匹配、修改和優化。

　　4.2 系統設計

　　4.2.1 數據庫設計

　　系統的數據庫主要包括: 維修方案庫、規則庫和基礎信息庫:

　　（1） 維修方案庫維修方案庫就是維修知識庫,主要包括各類維修故障的典型維修案例。

　　（2）規則庫主要包括系統功能模塊的配置規則,如保養則、狀態檢測規則、潤滑規則、庫存預警規則和備件更換預警規則等。

　　（3）基礎信息庫主要包括設備信息庫、備件信息庫、故障代碼庫、維修記錄庫和運行臺時庫等。

　　4.2.2 功能設計

　　根據系統調研和實際功能需求, 將系統功能劃分為固定資產管理、運行管理、故障維修管理、預防維護管理、狀態檢測管理、備件管理和MES 接口等幾個主要功能模塊。

　　（1） 固定資產管理包括設備臺帳管理、設備變動和業務處理管理等。設備總臺帳管理, 建立設備卡片, 記錄設備詳細信息如: 設備編碼、設備名稱、型號、規格、原值、凈值、使用部門、資產類別、生產年月、安裝年月和功率等技術參數信息,并實現對設備總臺帳的自由復合查詢及設備分類統計匯總;業務變動包括設備新增、調撥、增值、減值、租賃、讓售和報廢等。

　　（2） 運行和故障維修管理故障維修是指當設備發生故障時, 對設備的使用功能進行修復, 并記錄故障維修信息, 如設備編號、設備名稱、故障發生時間、維修時間、故障描述、更換備件及維修人員等, 將這些數據納入數據庫中管理, 統計故障頻次、分析故障原因及核算維修費用, 作為性能分析的數據來源。

　　（3） 預防維護管理具體功能包括一級保養、二級保養和計劃檢修。保養規則具有自定義功能,系統根據設備保養規則和歷史保養記錄自動生成保養計劃,車間則根據此保養計劃開展保養工作。保養計劃即為確保機器設備及其零部件高效而安全使用,規律性的按照某個時間間隔對設備進行分解檢查,預防設備故障發生。傳統的預防維護按照固定時間周期定期檢查,本系統將根據相應的可靠性參數等依據, 動態設定預防維修周期。檢修計劃管理區別于保養計劃, 檢修計劃一般是偶然性的,沒有固定的檢測周期,一般作為預防維護的一種補充形式,基本上是安排在非生產時間執行,如節假日。

　　（4） 狀態檢測管理是在故障發生前為避免故障發生所進行的工作,強調其“ 事前性”特征。通過檢測運行設備的狀態信息,獲取當前數據,結合歷史數據,獲取有用的信息,運用數學邏輯方法,進行相應的分析和診斷,以掌握設備實際的狀態,并進行趨勢預測,根據分析和預測結果,確定采用何種維修類型、維修時間及所需維修資源等。

　　（5） 備件管理提供備件的入庫、出庫和庫存管理;根據最低庫存和安全庫存兩種方式實現庫存自動預警功能;根據備件更換記錄和使用周期提供備件自動更換預警功能。

　　（6） MES接口設備管理是MES 解決方案的重要內容之一, 與制造執行系統各子系統發生大量數據交換,如設備生產能力、物料消耗和訂單完成情況等,具體信息交互見圖2。

圖2 信息交互

　　4.3 系統開發

　　4.3.1 系統實現

　　系統采用B/S（Browse/Server）體系結構。前臺開發工具使用PowerBuilder9.0, 后臺服務器使用SQL Server 2000 數據庫。B/S 結構特點表現易維護、易升級和易實施, 只需維護服務器端, 無需開發客戶端程序。系統架構三層體系結構為客戶應用層、中間層（ 業務邏輯層）、數據庫服務層。客戶層方便用戶的信息查詢、更新和維護;中間層是系統的主體部分, 提供Web服務和DCOM組件服務,為客戶層服務;數據庫服務層的主要功能是響應請求,為中間邏輯層提供數據支持。

　　4.3.2 應用開發

　　某水泥公司長期以來公司一直延用手工管理方式, 設備管理水平比較落后, 工作效率低下, 已遠遠不能滿足當前設備管理的要求。通過實施設計開發的設備管理決策支持系統, 極大的提高了設備管理的準確性、靈活性和及時性, 形成了一套有效的設備管理制度體系,系統運行界面如圖3所示客戶端用戶界面分為菜單區、工具欄區、導航窗口區、工作區幾個部分。其中工具欄和導航窗口提供了用戶進入某個模塊的具體功能的快捷途徑。根據用戶的個人習慣，工具條可以停靠在用戶窗口的頂部、底部、左側和右側，也可以浮動在窗口中。工具欄可以是單獨的按鈕的形式，也可以是按鈕+文字的更為直觀的形式。另外本系統是多文檔的工作模式，用戶在使用時可以打開多個窗口以便于對不同的工作進行處理和對所需數據進行查詢。

圖3 設備管理子系統運行界面

　　5 總結

　　通過分析水泥行業生產管理的特點，提出了以計劃調度為主線、成本控制為核心的制造執行系統的體系結構和功能，進一步闡述了設備管理子系統的設計與實現。介紹的設備管理系統能有效解決設備管理問題, 顯著提升設備管理水平、生產能力和對生產過程的控制能力;同時也為生產管理、車間計劃調度、庫存控制和性能分析等MES中其它子系統提供詳實的數據信息,保證其它系統的正常運行。

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