数采及设备管理系统方案v10.docx
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数采及设备管理系统方案v10
亨通电力特种导线有限公司
产线数采及设备绩效（LMS）系统方案
2015年7月15日
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YL-P-17-01-01
亨通自动化数据采集及设备绩效管理系统项目方案1
V1.0
1.项目目标及范围
1.1.项目背景
亨通光电作为领先的电缆、光缆产品制造商、全球信息与能源网络服务商，秉承“打造世界知名品牌，成就国际优秀企业”的企业愿景，为全球光通信和电力传输事业的发展做出贡献。
2016年，亨通光电把握时代机遇，实现盛世转型，从生产研发型向创新创造型企业转变，从产品供应商向全价值链集成服务商转型、从制造型企业向平台服务型企业转型，从国内企业向国际化企业转型，全力推进工厂智能化、制造精益化、管理信息化，打造新时代的智能工厂。
生产线数据采集、设备效率分析（即LMS系统：
生产线管理系统）是推进智能工厂的第一步，亨通光电希望通过此项目的实施，建立智能制造系统的基本平台，实现生产透明化，掌握全面的设备运行信息，分析产线效率，同时为逐步实施全面的生产管理及智能制造系统提供平台和基础数据。
1.2.项目目标
LMS系统将与生产线设备进行集成，自动采集生产线设备的各类数据，如：
关键过程数据、关键工艺参数、设备运行状态、设备报警信息、停机时间，故障原因，物料损失等，这些数据将在系统中长期保存（为报表和数据分析等提供支持），为生产线运行各类停机分析提供基础。
在达成上述目标的同时建立数字化工厂平台：
以生产管理系统（MES，ManufacturingExecutionSystem）的标准建立生产综合管理统一的信息化平台，为“精益生产”提供信息化支撑，提高生产的可视化程度，为管理者提供快速、全面、准确的信息，提升工厂的决策力、管控力、执行力，用计算机信息技术来减少人为失误和低效行为，提高产品质量和生产效率。
⏹生产数据电子化：
将各类生产数据（工单、物料、关键工艺指标等）保存在数据库中，方便查询和管理。
⏹生产流程规范化：
规范生产流程，从管理层面和操作层面保证流程的一致性。
⏹生产过程可视化：
实时跟踪和显示生产状况，为管理人员提供决策依据。
⏹生产分析的量化：
准确记录物料变化、成品产出等生产信息，经统计后以图表的方式展现给管理人员，为生产的量化分析提供依据。
⏹生产决策科学化：
以对实际生产数据的分析为基础，科学决策。
1.3.项目建设
1.3.1总体架构
针对企业现状，结合制造企业信息化的成功经验，我们建议亨通生产管理系统按如下结构进行规划。
图11企业信息系统总体架构规划
针对上图的说明如下：
整个企业信息系统分为三个层次：
企业级、工厂级和车间级。
⏹企业级信息系统，通常指企业的ERP（EnterpriseResourcePlanning，企业资源规划）系统。
通过ERP系统可以对集团的资源进行集中的管理，统一配置，做到企业上下一盘棋，保证企业各职能部门协调高效运作。
企业级信息系统中通常包括营销、物资、生产计划、财务等子模块。
企业级系统中的生产计划模块对生产的管理是宏观的，通常进行生产计划的统筹安排，并不指定这些计划由哪个车间的哪条生产线生产。
这是企业级系统的生产计划模块与工厂级计划调度模块的区别之一。
⏹生产数据子系统，可以帮助企业实现生产数据的集成。
通过生产数据子系统可以根据用户需求收集来自于企业内各信息系统的数据，并对这些数据进行多维分析，帮助企业了解实际的生产经营状况，辅助各层管理者进行生产决策。
通过生产数据子系统可以用多种方式对数据进行展示，并可根据用户设定的条件生成报表。
⏹工厂级信息系统，用来实现企业中某个工厂范围内的生产执行层所关注的功能。
具体到本方案，生产执行层包含的功能包括数据采集、计划调度管理和生产过程管理等几个方面。
主要的功能点概括描述如下：
Ø对各生产车间的实时生产数据采集，将其存储到工厂级信息系统；
Ø接收企业管理层下发的生产计划；
Ø根据工厂的资源状况对生产计划进行排产，产生可执行的生产指令；
Ø根据生产指令对生产进行组织协调；
Ø生产操作人员资质确认，实现物料防错、物料追踪、操作记录审计、批记录管理
Ø从过程控制层收集生产执行信息；
Ø向企业管理层反馈汇总后的生产执行信息和产出消耗信息。
生产执行子系统处在企业信息系统的中间层次，是企业级信息系统和车间级信息系统之间的桥梁和纽带，承上启下，在企业中具有重要作用。
⏹车间级信息系统，是指工厂生产车间的自动化控制系统。
它提供的功能如下：
Ø生产现场信息的实时显示；
Ø控制设备完成生产指令；
Ø向生产执行层信息系统反馈生产中的物料、设备、工艺等实时信息。
1.3.2项目实施范围
本项目生产管理系统整体规划的第一步，即首先实现生产线数据采集和设备绩效管理功能（即LMS生产线管理系统）。
1.3.3项目功能列表
序号
功能需求
需求描述
1
数据采集及归档
自动采集生产过程数据（约40台设备），采集信息包含：
设备运行状态、实时报警信息、关键过程数据、关键工艺参数等，并进行数据归档。
生产实时工艺流程集中展示
2
生产计划管理
班组管理、车间排班、生产计划导入、生产计划管理
3
生产过程管理
生产计划执行、交接班业务逻辑执行、生产运行记录、生产过程实时监视
4
设备管理
设备基本信息定义、设备运行记录、设备报警记录、设备故障处理、设备报警原因维护、设备维护保养记录、设备点巡检记录
5
绩效分析
设备运行甘特图、设备运行效率分析（OEE、MTTR、MTBF等）、设备RCA分析（柏拉图）
6
看板与报表
综合看板与报表
1.3.4推进路线建议
当企业有多个工厂时，信息系统的建设通常需要按工厂分步推进。
图12信息系统建设多工厂移植推广
信息系统的建设不是一蹴而就的，必须采取一定的策略，分步实施。
这样既能保证工程建设的质量又可以保证满足用户最为迫切的核心需求。
对于企业信息化的三大领域：
ERP、生产管理系统、车间监控系统（即自动化数据采集系统），其推进策略有所不同：
自动化数据采集系统直接关系到生产设备的正常运行，是工厂正常运转的必要条件，也是制造企业信息化建设的基础。
因此，本期项目建设意义重大，我们从数字化工厂的整体解决方案出发来设计数据采集系统，为将来全面实现亨通集团的智能化精益生产打下坚实基础，避免重复投资。
ERP系统是企业级的管理系统，当企业对自己的运营管理模式有一个基本规划后就可以开始ERP的实施工作。
由于其涉及的范围包括公司总部、各个工厂以及公司的其他组织或职能部门，其建设进度在一定程度上会受某个工厂建设进度的制约，但其制约的程度相对较小，企业完全可以先在总部层面规划和实施，同时考虑未来对各个工厂的功能扩展。
与企业级的ERP系统不同，生产管理系统中的生产执行子系统主要提供工厂级的生产管理功能，因此其建设也是在某个工厂范围内进行的。
如果一个企业有多个工厂，应该各个工厂分别实施。
对于亨通光电，我们的建议是首先实施数采及设备效率分析系统，并推广到各个工厂，然后实施一到两个工厂的整体生产管理系统，形成标杆和规范，再将其推广到集团的其他工厂。
这样推进的好处也是显而易见的：
缩短后续工厂实施的周期，降低实施成本。
1.3.5约束
生产管理系统的建设不是孤立的。
其他信息系统的建设会对生产管理系统的建设产生影响，这是由生产管理系统在企业信息系统中的位置决定的。
生产管理系统（尤其是生产执行子系统）处在企业级的ERP系统和车间级的控制系统之间，不可避免地需要与这些系统进行接口和交互。
这些系统的建设将会对生产管理系统的建设进度和功能实现方式产生影响。
具体具体表现在：
⏹生产管理系统中的物料主数据通常在企业级的ERP系统中统一维护，维护好后通过专门的数据接口传送到生产管理系统中。
如果ERP系统没有就绪或者没有规划物料主数据管理方面的相关功能，那么这些数据只能在生产管理系统中维护。
假如企业确定ERP系统作为物料主数据的来源，那么ERP系统的建设进度将会影响生产管理系统的建设进度；无论物料主数据来自ERP还是直接在生产管理系统中维护，都需要保证企业有统一的物料编码规则，这是实现物料主数据维护的基础。
⏹与物料主数据类似，生产计划数据通常也是来自ERP系统的。
因此，考虑ERP系统与不考虑ERP系统，生产管理系统的实现方式和实现周期是不同的。
⏹关键过程数据（例如：
生产过程中的关键工艺指标）来自于底层自动化系统，因此各车间自动化系统的建设进度也会对生产管理系统的建设周期产生影响。
我们常用的与ERP系统和自动化系统集成的技术手段如下：
⏹ERP系统提供物料主数据和生产计划数据，生产管理系统与其进行接口；如果暂时不能对接，系统提供Excel导入功能加以实现。
⏹各车间自控系统提供用户关注的关键过程数据，对于个别不能满足要求的设备通过增加PLC以太网模块（或网关）的局部改造，从而获得OPC标准接口的支持。
⏹某些基于PC软件的检测系统，不含PLC系统，完全通过软件实现检测和控制功能，MES系统将尝试通过软件接口（数据库、OPC、COM等）与其集成和交互，可能需要设备厂商的配合。
1.4.设计原则
基于以上描述的目标结合工厂现状，我们设计了此解决方案。
系统主要设计原则如下：
⏹先进性：
系统的总体设计基于ISA-95国际标准，在业内处于领先地位。
系统实施将集合当今先进的信息技术和管理思想，并结合工厂实际，真正做到实用、高效、领先。
⏹开放性和扩展性：
系统架构具有开放性，方便连接第三方系统。
系统结构具有可扩展性，便于升级。
整个系统可以随着业务需求的发展与进步，不断得到充实、完善、改进和提高。
⏹业务流程集成化和自动化：
未来的生产业务流程将整合ERP、SCADA等各个信息化系统，实现上传下达，共同满足生产需要。
各个信息化系统的流程整合要满足自动化的要求，减少人为干预，实现信息和控制的实时传递。
⏹生产业务的模块化和标准化：
分析梳理行业特征性生产资源模型、生产规则模型、生产业务模型，建立标准化的功能模块，业务操作简洁、实用、可靠、安全，生产事件响应迅速，实时数据和Web页面刷新通常在2秒之内，最长不超过10秒。
⏹稳定可靠性：
保证系统的稳定可靠性，避免造成生产损失。
⏹系统安全：
提供用户权限管理功能，防止未授权的系统操作。
2.业务现状
2.1.生产线布局
2.2.生产线PLC配置
3.系统方案设计
3.1.系统功能总览
系统总体架构按照生产管理系统ISA-95国际标准进行设计，预留自动化数据采集系统以外的功能模块，便于将来扩展，具体功能如下图所示：
图31系统功能
各功能的简单描述如下：
●数据采集
Ø采集生产过程中的关键过程数据，将其存储在生产管理系统中，供分析、展示、查询及报表使用。
Ø生产线实时监视：
制作全局的产线实时监视画面，以及单个设备的关键过程数据、报警、历史趋势等信息展示
●生产管理（选件）
Ø排班计划：
实现班组排班计划管理
Ø计划排产：
实现生产计划的接收，并将粗粒度生产计划分解成可执行的工单；
Ø生产调度：
对生产工单进行管理，包括：
工单的下发、取消、调序、删除以及紧急插单等生产调度相关工作；
Ø生产执行：
对生产过程进行管理。
包括生产任务的启动、进度的监视跟踪以及生产任务完成后的后续处理工作；
●生产操作
Ø生产过程实时监视；
Ø生产数据录入；
Ø工单执行和交接班业务逻辑（选件）；
Ø生产数据查询；
Ø运行记录查询；
Ø报警记录查询；
●设备管理
Ø生产线全局监控：
监视整条生产线的全局状态；
Ø关键参数和KPI监控；
Ø设备运行状态监控：
监视每个设备的当前状态；
Ø设备故障原因分析
Ø设备效率分析
Ø全局设备效率分析和停机时间管理（OEE-DTM）
Ø设备维护（选件）
Ø备件管理（选件）
●质量管理（选件）
Ø质量监控：
在线质检数据采集与查询
Ø质量追溯与跟踪；
Ø样品库管理；
Ø关键控制点；
Ø质量报告；
●能源管理（选件）
Ø显示能源计量系统结构图及全厂能源系统总揽图（各个仪表采集的各车间各能耗功率,负荷）
Ø动态显示各表读数（电，水，流量，CO2，蒸汽等）及辅助参数（电压，电流，功率，流量，温度，压力等）并定时归档
Ø能源计量系统事件记录，报警管理（分级报警）
Ø数据趋势显示及归档，跟踪记录
Ø配置管理（将表具划入区域及设置分摊原则，能源单价设置，费用计算方法设置，权限设置，配置更改记录）
Ø生成生产能源消耗报表（按部门，表具，工作组等）
Ø精确成本分析与分摊
Ø能耗数据分析（同比、环比、单耗计算、重点设备能耗效率等）
Ø数据导入，导出
Ø客户端使用网页浏览器进行浏览
●报表查询与数据分析
Ø数据整合：
整合来自各生产业务系统的关键数据，经过对数据的抽取、转换加工、装载，形成统一的数据模板和多维数据库；
Ø数据分析：
通过多种方式对整合后的数据进行分析，帮助管理人员对数据进行更深入了解；
Ø报表：
以图形、表格等方式对数据分析的结果进行展示，满足用户个性化的信息需求。
●系统集成
ØERP系统集成：
通过一定的技术手段实现ERP系统与生产管理系统的集成，实现ERP系统与生产管理系统之间业务数据的双向传递。
Ø生产监控系统集成：
通过一定技术手段实现各生产监控系统与生产管理系统的集成，保证用户关注的关键生产过程数据采集并存储到生产管理系统。
Ø第三方系统集成
3.2.系统网络拓扑图
图32数据采集系统架构
在生产管理（数据采集）系统应用网络中，主要包括服务器和客户端两部分。
服务器方面，设有生产数据库服务器、数采服务器、MES服务器、Web服务器。
各服务器的作用简要说明如下：
Ø数据库服务器：
安装生产执行子系统的数据库（SQLServer2005），提供数据库服务；
Ø数据采集服务器：
提供生产管理系统平台的基础服务。
例如：
License管理、网络配置管理等；并提供实时数据采集分析及存储；
ØMES服务器（选件）：
实现工厂模型的配置，实现生产管理系统的后台业务逻辑处理；运行生产管理系统的数据交换服务（DIS），实现与其他信息系统的数据交互；安装生产管理系统平台应用组件，包括：
物料管理组件（MM），工单管理组件（POM），人员管理组件（PRM）等，提供各个功能模块的应用服务；（本期项目不配置）
ØWeb服务器：
用于生产管理系统客户应用的Web发布；（本期项目与数据库服务器合并在一个物理服务器上）
客户端方面，设有管理终端、线端客户端以及其它客户端。
这些客户机终端采用现有办公电脑、车间工控机及平板电脑，简要介绍如下：
Ø管理终端：
提供对生产管理系统维护功能，一般由开发维护人员使用；
Ø线端客户端：
安装在生产线的线端各工位或移动式平板电脑（如iPad），主要用于显示生产信息，输入生产数据，执行生产操作；
Ø其它客户端：
主要是指由管理人员、计划调度人员、车间管理者使用的生产管理系统客户端。
3.3.软件架构
生产管理系统的软件架构如下图所示：
图33生产管理系统软件架构
⏹表现层：
表现层是最终用户使用的客户端应用程序或者维护人员使用的客户端维护工具。
通常业务用户的界面是基于浏览器的B/S架构，而开发或维护人员使用的界面为Winform形式的C/S架构应用；
⏹业务逻辑层：
实现用户生产管理系统的业务逻辑。
包括数据采集、计划调度管理、生产过程管理、数据分析、系统权限管理以及系统集成等功能。
其中生产过程管理部分包括：
人员资质确认、物料防错、物料追踪、操作记录审计、批记录管理等功能；
⏹服务层：
提供实现业务逻辑的基础服务，服务层功能包括业务逻辑服务、用户界面服务、数据分析服务、系统管理服务；
⏹数据服务层：
即应用程序的后端数据库（MicrosoftSQLServer）。
数据库中建立了生产管理系统的数据模型，生产管理系统的系统配置数据和业务数据存储在数据库中；
⏹操作系统层：
即生产管理系统的运行的操作系统。
在服务端推荐使用WindowsServer2008，客户端推荐使用Windows7。
3.4.系统基本组件
3.4.1数据采集
这里的数据采集包括生产车间的实时生产数据、人工录入数据，以及其他系统集成如能源数据的采集。
在实际的生产组织过程中，需要企业的各信息系统之间共享交互各种数据，从而利于企业各项工作的组织，实现优化生产。
通常情况下各车间的SCADA系统负责收集、展示车间的实时生产相关数据，生产管理系统从SCADA系统获得需要的数据。
如果没有集中的SCADA系统，数据采集前置机可以直接与设备的控制系统通讯，采集数据。
3.4.1.1.数据采集实现方式
数据采集将主要采用三种方式：
1.直接与生产设备的PLC通讯。
由于生产车间没有集中的SCADA系统，故各设备上生产数据的采集将通过直接与各PLC通讯的方式来实现。
具体的连接方式根据不同的PLC品牌及接口来选择，包括以太网、DP总线、串口等。
对于没有现成以太网接口的PLC，我们将通过增加以太网通讯模块或增加通讯网关将串行通讯转换为以太网通讯，最终将设备上的所有控制器通过以太网连接到交换机。
对于没有PLC的设备，如直接用IPC控制，虽然有以太网物理接口，但仍需要设备厂商提供或公开接口协议才能与之通讯，因此对于类似设备，我们希望用户首先可以提供设备的应用软件或源程序供我方研究，若确认该软件不提供任何数据接口，则还需要进一步和设备厂商协商，一起确认最佳的集成方式。
2.人工录入的方式。
对于质量检验、物料领用及部分物料消耗、设备管理等无法从控制系统得到的数据，将采用人工录入的方式。
3.通过OPC与车间SCADA系统的交互方式。
如下图所示：
图34生产管理系统与SCADA交互示意图
SCADA系统配置有单独的上位监控计算机，该计算机负责收集车间的实时生产数据。
生产管理系统与该上位机交互，进行数据采集。
为保证生产管理系统与SCADA系统能够实现通信，SCADA系统需要能够连接到以太网，支持TCP/IP协议。
在软件通讯层面，生产管理系统与SCADA系统的数据交互通过OPC协议实现。
因此，SCADA系统的上位监控软件应支持OPC2.0通讯协议。
当实时数据采集时，SCADA系统的上位监控软件做为OPCServer，生产管理系统作为OPCClient。
3.4.1.2.实时数据采集范围及内容
LMS系统进行实时数据采集的范围包括：
●产量及物料耗用数据
通常，产量和物料耗用数据需要人工录入生产管理系统。
如果数采系统能够自动获取这类数据，并且可以真实反映产量和物料耗用情况，则这类数据可以通过数采系统传递给生产管理系统。
●关键工艺指标信息
关键工艺指标信息是指生产过程中，会对生产质量产生重要影响的工艺数据，例如：
关键工位的温度值、压力值等等。
●设备状态信息
设备状态信息是指关键生产设备的设备状态，例如：
序号
设备状态信息
1
正常运行
2
正常停机
3
设备故障信息
。
。
。
。
。
。
●能耗信息
能耗信息包括动力车间输出的水、电、汽、气（压缩空气和氮气）在期望时间段内的累积能耗值，以及各个耗能单体（各车间或其它耗能部门）在期望时间段的累积能耗值。
3.4.1.3.实时数据采集内容汇总
●导线车间
导线车间集中监控需采集数据汇总
普铝拉丝油站，合金拉丝油站
油压（曲线图）
油温（曲线图）
导线车间气压（待设计）
实时报警数据
历史报警数据（50条）
1、2、3#泵开机状态，本班开机时数，本月本年度累计
1、2、3#泵待机状态，本班待机时数，本月本年度累计
1、2、3#泵故障状态，本班故障时数，本月本年度累计
1#，2#，3#拉丝机
线速度
实时报警数据
历史报警数据（50条）
开机状态，本班开机时数，本月本年度累计
待机状态，本班待机时数，本月本年度累计
故障状态，本班故障时数，本月本年度累计
成品线径
米数
本班盘数，米数（待设计）
本月累计盘数，米数（待设计）
4#，5#，6#，7#，8#，9#拉丝机
线速度
实时报警数据
历史报警数据（50条）
开机状态，本班开机时数，本月本年度累计
待机状态，本班待机时数，本月本年度累计
故障状态，本班故障时数，本月本年度累计
成品线径
米数
本班盘数，米数（待设计）
本月累计盘数，米数（待设计）
左盘、右盘本班本月各使用时数
1#，2#时效炉
实时报警数据
历史报警数据（50条）
开机状态，本班开机时数，本月本年度累计
待机状态，本班待机时数，本月本年度累计
故障状态，本班故障时数，本月本年度累计
本班，本月，本年度累计产量（待设计）
3#时效炉
实时报警数据
历史报警数据（50条）
开机状态，本班开机时数，本月本年度累计
待机状态，本班待机时数，本月本年度累计
故障状态，本班故障时数，本月本年度累计
本班，本月，本年度累计产量
1,2#管绞
开机状态，本班开机时数，本月本年度累计
待机状态，本班待机时数，本月本年度累计
故障状态，本班故障时数，本月本年度累计
线速度（待设计）
本班，本月，本年度累计产量（待设计）
1、2、3、4、5#框绞
线速度（曲线图）
实时报警数据
历史报警数据（50条）
开机状态，本班开机时数，本月本年度累计
待机状态，本班待机时数，本月本年度累计
故障状态，本班故障时数，本月本年度累计
成品规格
米数（实时）
本班累计米数
本月，本年累计米数
6、7、8、9#框绞
线速度（曲线图）
节距，最高线速度
目前使用框体
各框体单独累计使用时间
实时报警数据
历史报警数据（50条）
开机状态，本班开机时数，本月本年度累计
待机状态，本班待机时数，本月本年度累计
故障状态，本班故障时数，本月本年度累计
成品规格
米数（实时）
本班累计米数
本月，本年累计米数
所有机台
单机台用电量统计，报表输出（待设计）
单机台实时电流，功率（待设计）
3.4.2生产管理
LMS系统可以实现从生产计划到生产完成全过程的生产管理业务。
系统以计划、工单、班组管理为主线，对整个生产过程进行科学的组织和协调，帮助用户实现生产流程的规范化，提高生产组织的效率，提升生产管理水平。
具体计划调度组织流程如下图所示：
图35计划调度组织流程
3.4.2.1.排班计划
排班计划是指生产管理者根据未来的生产计划对生产班组进行工作时段的分配，在LMS系统中可以简单快捷的对班组计划进行设置。
3.4.2.2.生产计划（选件）
生产计划通常由生产计划人员根据客户需求和市场预测制定。
从信息系统的角度，该计划一般是通过ERP系统维护的。
在ERP系统中，可以生成粗粒度的生产计划。
例如，可以根据需求和预测，相关职能部门讨论后确定月度生产计划。
月度生产计划可以再进一步分解为周生产计划（或者旬生产计划），在周（旬）生产计划中包含这个周期内每天生产的产品种类和数量。
讨论确定后的计划需要由专门的人员输入到ERP系统中。
ERP中的生产计划并不指定某条计划由哪条生产线生产，也不关心生产计划最终由哪个班次生产，同样不关注生产产品的先后顺序。
因此ERP的生产计划是粗粒度的，是对生产活动在较高层次的指导。
而确定产品生产顺序、把生产计划指定到设备、班次、确定生产开始时间等工作都需要通过生产管理系统完成。
ERP中的生产计划制定完毕后，需要将其导入到生产管理系统中。
生产管理系统根据生产车间的设备状况、班次安排等条件对生产计划进行进一步的分解，最终生成明确的
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