西门子中文MES.docx
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西门子中文MES
应用MES（生产执行系统），对工厂设备进行整体优化
WernerKlein，西门子（中国）有限公司
摘要：
中国加入世界贸易组织后，中国的钢铁工业正在面临挑战，需要进行更为灵活的生产，满足产品质量方面的更高要求，并进行具有竞争力的成本定位。
这些目标的实现，只能通过投资具有成本效益的生产线，使用最新的科技才能够达到。
目前，独立的工序已经实现了自动化，并进行了优化，因此很少留有改进的空间。
ERP（企业资源规划）系统在总体生产规划方面的作用是有限的。
对实际工厂设备状况的知识，以及生产工序在工艺方面的限制，都是ERP系统所不能提供的。
因此，现代工厂设备需要新的工艺，这是企业IT的重要内容，能够将不同的独立工序联系在一起，组成一个最佳的工序链，并与自动化建立联系，使工序水平达到管理水平的要求。
根据MESA（生产执行系统协会）的定义，MES交付的信息能够优化从定单到成品全过程的生产活动。
本报告详细说明了MES对技术工业和典型系统架构的不同技术功能。
通过对具有高度精密功能的实际MES进行分析，报告阐述了工厂设备所有者能够获得的益处。
MES系统是企业信息化建设的重要组成部分
中国加入世界贸易组织后，中国的钢铁工业正在面临几个主要的挑战；它们是：
∙更为灵活的生产
钢铁工业的客户期望在定单执行、定单更新方面有更大的灵活性，同时缩短和保证交货时间。
∙产品质量方面的更高要求
即使在提高产品组合，以向所有客户提供服务的情况下，优异的产品质量也是企业成功的关键因素。
此外，国际质量保证还要求对生产过程中的产品质量，进行详细而完整的记录。
∙具有竞争力的成本定位
具有竞争力的成本定位，对立足于全球钢铁市场是至关重要的。
这一目标的实现，需要增加生产率、产量和设备可用性来提高生产力和成本效率。
这些目标的实现，只能通过高成本效率生产工序方面的投资，并使用最新技术水平的工艺。
目前，独立的生产线已经实现了自动化，并进行了优化，因此很少留有改进的空间。
另一方面，ERP（企业资源规划）系统在总体生产规划方面的作用是有限的。
对实际工厂设备状况的知识，以及生产工序在工艺方面的限制，都是ERP系统所不能提供的。
因此，现代工厂设备需要新的工艺，这是企业IT的重要内容，能够将不同的独立工序联系在一起，组成一个最佳的工序链，并与自动化建立联系，使工序水平达到管理水平的要求（水平和垂直整合）。
能够实现这一具体任务的系统叫做MES（生产执行系统）。
根据MESA（生产执行系统协会）的定义，MES交付的信息能够优化从定单到成品全过程的生产活动。
图
（1）显示了信息处理的垂直和水平渗透：
图
（2）显示了MES在企业IT内的重要地位：
MES对冶金企业的功能
作为企业IT的一项重要内容，根据它在具体工厂设备环境中的任务，以及它的期望益处，MES可以包括不同的功能。
图（3）概括了MES可能具有的功能：
备注：
这是根据MESA模型建立的MES功能说明1至11。
MES功能1－资源分配
这项功能管理各种资源，包括机器、工具、劳动力技能、材料、气体设备，以及其它各项内容，如开始操作时必须提供的文件。
它提供详细的资源历史，保证设备的正确设置，并提供实时的设备状况。
这些资源的管理包括资源的保存和调度，以满足操作时间安排方面的目标。
MES功能2－操作/详细的时间安排
这项功能根据与具体生产单位有关的优先级、属性、特征和/或配方，在操作中对生产顺序，如颜色排序的形态（shapeofcoloursequencing）或其它特征进行优化，从而可以通过正确的顺序，使对设备的调整降低到最小。
系统限制和识别生产路径并考虑生产的重叠性与并行性，从而计算出精确的时间和设备负载并对生产调度进行调整。
MES功能3－生产单位的调度
这项功能管理生产单位的流动；生产单位的形式有工件（jobs）、定单、批量产品、份额（lots）和工作定单。
调度信息以完成工作所需要的顺序提交，并随着工厂现场事件的发生进行实时变动。
它可以在工厂现场更改预定的时间表。
它还可以提供返工和补救工序，以及使用缓冲管理（buffermanagement），对生产过程任何一点的工作量进行控制的能力。
MES功能4－文件控制
这项功能可以控制生产单位必须维护的记录/表格，包括工作指示、配方、图纸、标准操作程序、部分程序（零件加工程序？
）、批量产品记录、工程设计变动通知、班次间的通讯，以及编辑“按计划角度”和“按制造角度”的信息。
它对操作现场下达指示，包括向操作人员提供数据，或向设备控制装置提供配方。
它还将包括环境、健康和安全条例的控制和完整性，以及ISO信息，如纠正措施程序。
历史数据的存储。
MES功能5－数据采集/获取
这项功能提供一个接口链接，用来获取操作中生产（intra-operationalproduction）和参数数据，填写在生产单位的表格和记录中。
这些数据既可以从工厂现场进行人工收集，也可以从设备中自动收集，并保证数据的及时更新。
MES功能6－劳动力管理
该功能提供工厂员工情况的实时报道。
时间和出勤率报告、认证追踪，以及追踪间接活动（如材料制备或工具间的工作）的能力，为活动成本计算提供依据。
它可以与资源分配互动
（1），来决定最佳分配方案。
MES功能7－质量管理
对生产过程中收集的测量数据进行实时分析，确保正确的产品质量控制，并发现需要加以注意的问题。
它可以建议纠正问题的措施，包括将征兆、措施和结果联系在一起，来确定问题的原因。
它还可以包括SPC/SQC（统计过程控制/统计质量控制）追踪，离线检验操作的管理，以及实验室信息管理系统（LIMS）分析。
MES功能8－过程管理
对生产进行监测，并进行自动纠正，或向操作人员提供纠正及改进完工前活动的决定支持。
这些活动可以是操作中的（intra-operational），并注重于监控下的机器或设备，也可以是操作之间的（inter-operational），即追踪从一个操作到下一个操作的过程。
它可以包括报警管理，以确保工厂的工作人员意识到超出可接受容差的过程变化。
它可以通过数据采集/获取，提供智能设备和MES之间的接口。
.
MES功能9－维护管理
追踪和指导维护设备和工具的活动，以确保它们在生产过程中的可用性，并保证定期或预防性维护以及对直接问题的响应（报警）的时间安排。
它可以维护过去时间或问题的历史记录，以协助对问题进行诊断。
MES功能10－产品追踪及归类
使工作的位置以及工作的布置始终一目了然。
状况信息可以包括具体的工作人员；按供货商、批量、序列号、当前生产状况，以及任何报警、返工或其它与产品有关的例外情况分类的部件和材料。
在线跟踪功能还可以创建一个历史纪录。
这项记录允许对每个终端产品的组件或使用情况进行追踪。
MES功能11－性能分析
提供实际生产操作结果的最新报告，并与过去的历史纪录和期望业务成果进行比较。
性能结果包括各种测定数据，如资源利用情况、产品单位周期、满足时间表的情况以及性能的达标情况。
还可以包括SPC/SQL（统计过程控制/结构化查询语言）。
提取从不同工作参数测量功能收集来的信息。
这些结果可以整理成一份报告，或进行在线提交，作为当前的性能评估。
运输后勤保障
作为材料跟踪和归类的组成部分，金属行业在生产准备、生产中或生产结束方面的运输后勤保障，主要涉及堆料场管理。
优化和模拟
这项功能虽然不是MESA直接定义的功能，但是对MES的完整性却是不可缺少的。
材料使用情况方面的过程优化，可以通过实施削减方案计算（cuttingschedulecalculation）等功能加以实现。
一个合理规划的、使用适当工具的模拟，对试车前或软件更新后所有MES模块的测试是不可缺少的。
能源管理
这项功能虽然不是MESA直接定义的功能，但是对MES的完整性却是不可缺少的。
在金属厂，尤其是在液态/热钢阶段，要消耗大量的能源。
任何能源管理系统的主要目的，是向企业能源管理人员提供信息和工具，使他们能够通过能源流动管理，以最为有效的方式降低成本。
能源信息实时地提供给所有的工厂设备，并且采用方便的格式。
能源工具应该确保最佳的分析、时间安排和计划，从而能够制定出能源方案，并保证本地和全球的“peak-shaving”（调节高峰负荷）潜力。
客户定单管理
这项功能虽然不是MESA直接定义的功能，但是对MES的完整性却是不可缺少的。
这项功能的表现形式独立于上面的（ERP）系统。
它至少可以取代一部分ERP功能，或包括在本报告中。
这项功能可以反映客户-生产商的关系，以及他们的供货协议。
因此，与采购和供应链之间的紧密联系是必要的。
从技术上讲，这是一个把顾客要求转化为具体生产数据的过程。
此功能需要一套完整的工艺数据和工艺规则的支持。
同时该功能也可以用于平衡原料和成品的定货量。
先进的计划功能
该功能不是MESA（MES协会）直接定义的功能，但是对于完整的MES系统是必要的。
它的表现形式取决于上级管理系统（ERP）。
该功能为工厂所有的生产单元制定长期生产计划和生产能力计划。
因此，可以详细编排出客户定单的交付日期，从而平衡工厂的全部生产资源。
数据仓库
该功能不是MESA直接定义的功能，但是由于必须对数据进行长期保存（可以达10年），所以对于完整的MES系统而言，该功能是必要的。
这些数据可以用于日后的数据评估（如：
统计、工艺研究、客户投诉）。
同时长期数据存储也是一种法律义务。
MES系统结构
除了MES系统功能，另一个重要问题是MES系统成熟的系统结构。
如果下列的系统结构要求不能被满足，所有的MES系统功能将无任何价值可言。
∙高性能
系统（软件和硬件）设计必须能够实时响应其任务的要求（实时响应能力）
建议：
o多处理器环境
o充足的内存
o正确的系统参数和数据库参数
o高速网络
o瘦服务器软件设计
∙高可靠性
由于冶金企业的连续生产的要求，为避免生产波动甚至由于系统错误造成的停产，必须采取措施使系统更为可靠。
建议：
o重要硬件的冗余，如：
供电，硬盘及其控制器，处理器
o使用人工或自动故障恢复策略，如：
备用系统，集群系统
o数据安全，如：
有效的备份策略，硬盘镜像（RAID）
∙硬件和软件的可测量性和可维护性
MES系统必须易于在基础投资上进行经济的扩展。
鉴于此，较高的初次安装的投入是必要的。
建议：
o选择在过去生产线的操作中向上和向下兼容性稳定的硬件和软件提供商
o硬件和软件必须易于扩展
由于每个MES系统都处理着大量的数据，拥有一个先进的数据管理系统是很重要的。
在使用奥拉克尔公司的关系数据库系统（RDBMS）时，这一优势很突出。
在类似冶金行业的连续作业环境的作业中该数据库的威力得到了证实。
现代的数据库正如我们所期望的那样是以关系概念为基础的，因为象表格这样的数据库对象通过定义关系可以进行互相链接（如：
外国的密钥） 关系数据库的实时功能通过使用事件驱动机制得以发挥。
这些事件驱动机制，如数据库触发和警告能够使数据库在发生类似数据电报或操作员输入这样的事件时，促使应用软件即刻产生反应。
此外，在实物和逻辑上对数据库及其应用进行合理设计对确保实时运作很有必要。
用于移动服务器接入的无线通讯
在工厂里有许多工作场所无法在固定地点设置客户机，或设置后无法使用。
过去，操作员不得不离开工作场所而来到有固定安装的人机接口客户机进行通讯。
从工作场所到集线器管理接口客户地的不适当的信息传输，如电话、书面通知等，造成了时间的浪费甚至是数据的丢失。
用先进的移动设施武装起来的现代的无线通讯方式，使得操作者能够在厂内的任何地方都能够在不耽误工作的情况下使用MES进行通讯。
应用举例：
·维护
·质量检查
·料场管理
·材料输入／调度
·生产使用准备
长期数据储备
由于国际质量标准的提高，每个产成品和中间生产步骤，相关的数据都需要进行存储，并且能够在长时间内方便使用。
为达到此目的，在MES中必须融入适当的数据仓库概念。
概念需求如下：
·从生产数据库到仓库数据库的数据传输必须迅速而持久。
·存储数据的工具要便捷、能够观测和记载。
为达到此目的，一个重要的问题就是在仓库数据库存储大量数据的方法。
为能够性能良好地接入表格内容中的一部分，推荐使用数据库表格分区功能将数据库的表格内容细分为不同的逻辑区域。
西门子MES业绩
西门子为中国提供MES系统以有20多年历史。
宝钢的2030毫米的冷轧钢厂和2050毫米的热轧钢厂的FLS系统是中国钢铁行业中最早的计算机管理系统。
珠江和包头最新的CSP厂也装备了西门子的MES.宝钢的轧板厂和梅山钢铁公司炼钢厂也与我们签订了新的定单。
所以，西门子不仅可以通过在世界各地的成功案例，也可以通过在中国的业绩显示其在MES系统上的丰硕经验。
下面通过描述一个大型复杂的MES系统，揭示西门子是如何实施MES系统，来满足客户要求：
在位于德国Ｄuisburg的蒂森克虏伯钢厂（Thyssen-Krupp-Stahl）公司的新的薄带钢连铸机和轧钢厂
作为大规模电气设备供货的一部分，西门子公司工业系统及技术服务集团连铸与热轧部为坐落于德国Duisburg的蒂森克虏伯钢厂（Thyssen-Krupp-Stahl）公司的薄板坯连铸连轧厂设计并实施了MES系统。
1999年4月2日，MES开始调试两个月之后，就产出了第一卷带钢。
工厂布局
∙共用中间包的二流连铸机以及420吨钢包
∙配备有运输辊道的再加热炉
∙七架轧机
∙加速冷却与层流冷却
∙一台旋转卷取机和两台单一卷取机
∙打包机和打号机
∙钢卷库
西门子提供的MES主要功能
∙详细排产
基于遗传基因算法的排产模块把一系列的用户定单转化为生产计划。
制定生产计划时已经考虑了大量的计划约束。
这些约束包括用户定单的约束，工厂设备约束和连铸连轧工艺的特殊要求。
∙紧急计划
当生产出现紧急情况（如：
连铸断流，非计划换辊，浇铸耽搁等等）时，原有的生产计划将不能继续。
这时，紧急计划模块必须适当的调整计划，以最佳的策略继续进行生产。
∙质量管理
系统在各个生产阶段连续分析和记录产品质量。
当生产条件改变时，具有重新分配客户定单的能力，以满足产品的质量要求。
∙维护管理
包括完整的轧辊间管理（包括：
轧辊修磨，轧辊装配，换辊，轧辊磨损记录等）和对中间包、结晶器和扇形段等重要设备的管理。
∙产品跟踪和产品的宗谱
从钢水的接收直至成品的发送，系统对炉次、板坯、钢卷进行连续的跟踪。
所有与原料和生产相关的数据将被记录。
∙生产实绩分析
提供大量报表，归档生产实绩（如：
生产详情，质量，产量，成材率和损失）。
∙库存管理
应用三维定位系统，在库区内对所有钢卷自动进行跟踪。
系统自动生成运输指令，以优化库区内和发货（通过卡车和火车）时的物流。
∙数据仓库
由于客户要求完整的质量文档，所有与质量有关的重要数据必须在数据仓库里储存一年以上。
这些数据能够通过与线数据库相同的HMI工具进行访问。
另外，用户可以使用本系统对生产线进行分析，并寻找改进方案。
· 文件控制
通过有限制的网页浏览器向操作者提供诸如工作状态、安全防卫说明、使用手 册、管理笔记等文件。
计划与时间安排细目
计划与时间安排的目标是为ＴＳＣＲ厂制定出三班倒最优生产计划。
该系统通过利用客户指定的供货日支持以定单为依据的生产。
计划的依据是当期的定单库的平均值，以及未来的低优先级的定单。
该平均值包括用于储存的定单。
从该定单平均值包括对库存产品的定单。
根据该平均值，作为西门子ＭＥＳ重要部分的程序计划者编制了包括双流连铸机的计划程序、炉次、板坯等内容在内的一个或多个连铸、连轧程序（ＣＲＰ）。
程序计划者考虑了许多技术限制条件，如除定单属性的种类外，还考虑了钢等级的分组、轧制宽窄、换辊等。
该生产程序只有在程序计划者的努力下，才能够使得钢厂、连铸机、轧钢机在最佳组合状态下运作。
否则，对个别装置的单独计划一般情况下将会导致生产流程的实质的性能损失，而无法达到最佳的生产状态。
程序计划员（ＳＱＰ）区分了两种不同的计划模式：
标准计划
为生产创造新的连铸连轧程序
图９显示了全自动标准计划图：
用户可通过不同的参数控制标准计划，这两个重要参数是：
连铸连轧程序型：
根据如下参数选择不同特点的连铸连轧程序：
反映结晶器宽度范围、板坯的厚度、带钢宽度范围、主要带钢厚度范围（在轧制寿命结束时）、中间轧制变化（有／无）、按连铸连轧程序减少的最大允许板坯宽度及每个程序的最大炉次等连铸连轧程序参数。
连铸组：
选择一组钢等级，能够在一个程序统一浇铸。
连铸组通过主表对话框进行定义
程序计划者使用不同的数学方法找到关于生成程序的总“成本”的最佳连铸连轧程序。
该成本用于实例设置时间，模具变化、结晶器变化、换辊、浇铸次序、切头需要的废料。
用户可以制定、比较、选择最适合的计划方案。
图１０显示轧制程序的原则。
每个竖条代表一个计划板坯
信息技术和工厂解决方案
图１１显示轧制程序。
每个竖条代表一个计划板坯
紧急计划
当出现紧急情况时，如连铸断流、非计划换辊等时，程序计划者能够更新原编制的生产程序。
不同的对话框针对实际的工厂情况促使操作员将紧急计划的成果最大化。
操作员可以选择不同的参数。
紧急计划在程序计划员的操作下自动生成。
图１２显示紧急计划情况下，对话框的实例。
有关材料跟踪的详细情况
材料跟踪的目的是，向任何终端客户提供全厂范围的在TSCR厂用于生产的材料的状态和当前地点的概况信息。
这些材料是：
∙炉次
∙板坯
∙带卷
材料跟踪同样告知了生产单位的状况并显示了一个挑选重要工序的价值。
但它不意味着取代由工序区域计算机为它们所分别负责地区提供的详细的材料跟踪。
一些详细的过程计算机跟踪图像的详细信息可以从用于总的材料跟踪的MES中得到。
在TSCR厂中，总的材料跟踪根据地点来区别：
∙钢厂的预计炉次
∙连铸机
∙再加热炉
∙轧机包括冷却区和卷取机
∙传送带
∙检查地
∙钢卷场地
模块保持了一个基于从加工区，或由对话框或标签读取器进行的材料特性的输入而获得的信息的跟踪图像。
另外，工厂操作人员能够通过在生产过程中对不规范反应的对话框来纠正跟踪形象。
图（13）所示为MES材料跟踪的原则上的结构
computerinterprocesses:
计算机界面过程
correctiondialog:
纠正对话框
heatdata:
炉次数据
thinslabdata:
薄板数据
stripandcoildata:
带和钢卷数据
materialtrackingimage:
材料跟踪图像
trackingdialog:
跟踪对话框
图（14）显示了TSCR厂的一个典型材料跟踪对话框：
宗谱的详细情况
为了拥有材料的全部历史和使用情况的信息，就必须建立一个材料的家谱。
设想由某种材料的编号开始，可以向前或向后看到与材料相关的材料加工和其他事件。
可以向前或向后看到与材料相关的材料加工和其他事件。
这种视域包括实际情况中带有材料编号的材料的确实际部分的分开、切片和统一。
家谱是用于在如下情况中炉次/钢卷的组合和切割的：
∙1到n个关系
∙n到1个关系
∙n到m个关系
关系的每一个部分在实际材料编号的情况下可以有不同的历史数据。
钢卷场地管理的细节
在捆扎、称重和标注后，已加工的热钢卷通过特殊的钢卷卡车被运往附近的钢卷场地。
钢卷场地包括两个大厅。
一个大厅里有两个起重机，另外一个有一个起重机。
大厅被分成排和空地以将钢卷装成两层。
我们的MES钢卷场地管理具有如下功能：
∙由钢卷机的批发商店到发送地，在钢卷场地区域范围内进行所有钢卷的管理和跟踪。
∙在存放区域内生成、监督和管理至起重机和交叉调度的运输定单
∙监督和管理使用火车和卡车的发送
起重机和交叉调度由PLC来控制，并装有用于自动确定钢卷的位置的x/y/z调节位置度量系统。
图（14）显示，在一排中排成两个垂直层的一个钢卷场地跟踪对话框。
质量管理的细节
西门子MES质量信息系统（QIS）通过对探测到的质量偏差来告知已加工的产品的质量并在线控制质量。
这样它就能决定炉次、板坯或钢卷是否达到了设计的质量规格。
质量信息系统有如下的目标：
质量信息:
通过回答如下问题反映炉次、板坯和钢卷的质量：
∙一个炉次、板坯或钢卷的加工价值是什么？
∙在炉次的化学分析中有无非限制价值？
∙有了实际分析价值的钢板，可以达到哪一个钢级别？
∙在板坯和钢卷的生产中有无非限制价值？
∙在板坯和钢卷中的非限制价值在哪里？
∙板坯和钢卷中可能的质量缺陷在哪里
质量控制:
在生产过程中对质量偏差的在线反应：
∙在生产线上的不同控制点评估炉次、板坯和钢卷的质量。
∙根据生产定单的要求比较已有的质量度量方式。
∙在出现偏差时，要求从模块再制作器上对炉次、板坯和钢卷进行在线的重新应用，而这个模块再制作器可能最终导致对后续加工步骤的生产指令的在线更新。
再制作器根据适当的生产指令搜索数据库，并把他们分派到材料处，将更新的生产指令送到辅助的加工区域计算机。
图（15）显示了一个反映不同加工价值的趋势对话框
ＭＥＳ服务器的硬件配置
ＭＥＳ服务器的软件配置
蒂森克虏伯钢厂（Thyssen-Krupp-Stahl）的使用效果
∙提高了产量
最优的生产计划编排，最合理地利用了工厂设备，从而提高了产量并缩短了产品的交货周期。
∙弹性的生产
只有我们先进的计划编排工具才能够使工厂处理大量的客户定单以及复杂的计划约束条件。
众多不同的客户定单能够被优化处理，而通过人工进行相同的工作几乎是不可能的。
∙对于紧急情况的快速反应
MES的紧急计划实施工具配合最新的HMI系统，通过降低生产事故和物料损失，提高了设备的连续生产能力。
∙增加效益
由于质量管理系统能够自动重新匹配客户定单，从而减少了无定单库存。
先进的库存管理系统降低了流动资金的占用和物流成本。
∙更高客户满意度
通过缩短交货周期和提高交货质量，降低了客户投诉。
∙增加生产诀窍
完整的数据存储和分析工具，使工厂人员能够更好的了解生产过程并对其进行改良。
重要事实
∙由于认识到投资能够迅速得到回报，TKS公司决定从工厂开始生产就实施MES系统。
∙从一开始实施MES系统起，用户的观点就是“没有西门子，我们就无法使工厂运转。
如果系统出现故障，我们只能全线停止生产”
· 下面的事实可以说明客户的满意度：
自从MES系统投入运行，西门子又从该客 户陆续得到定单，要求为系统增加更多的功能，对整体生产线进行更多的优化。
ReferenceListofMES:
客户
国家
设备类型
年
资源配置
计划、时间安排、调度
文件控制
获取数据
质量管理
工艺最优化
维修管理t
追踪、宗谱、料场
性能分析
定单管理
先进的计划
数据仓库
宝山
中国
CRM
1988
X
X
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宝山
中国
CRM
1990
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NovoLipetzk
俄罗斯
CRM
1991
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