MES和钢铁产销一体化系统（图）

• 关 键 词：
• erp系统
• 配置

　北京红河谷自动化发展公司　方彬
冶金部自动化研究院　马竹梧
济南钢铁集团公司生产部　赵雁军

　　随着企业信息化系统的不断深入，MES(Manufacturing Execution System)，即制造执行系统，近年得到飞速发展。MES系统主要是用于企业生产的组织执行的信息系统。MES系统实施的主要目标是如何提高生产能力，如何降低生产成本，如何缩短交货期，如何使得企业生产与市场销售同步（产销一体化）等。本文就MES系统与我国钢铁公司的产销一体化系统的建设作一些探讨。　　

　　一、钢铁工业信息化架构

　　一般说来，大型企业信息化系统是分层实现的，一般分为三层结构：最上层是面向企业商务和计划的ERP系统，中间层是面向生产和执行过程的MES制造执行系统，最底层是面向生产过程和控制的PCS过程控制系统。如下图示意：　

　　对于钢铁联合企业，其由高烧焦球、炼铁、炼钢、轧钢等多分厂联合生产制造，其信息化体系更为复杂。一般结构如下图示意：
　　

　　由此可见，MES在企业信息化架构中起到了重要的作用：

　　。实现分厂全线生产自动化（L3）：从生产分厂来看，L1，L2已经实现局部过程自动化，但全局生产管理需要建立L3级网络，并实施MES系统，解决目前生产管理仍然是人工加纸张，局部优化，全局不优的问题，进一步优化提高分厂生产效率；。实现公司产销一体化：从全公司生产组织执行来看，必须建立全局GMES系统（GMES=APS+MES），计划、组织、执行、协调全公司生产流程，从而使得全公司产能最大，成本最低，交货最快，并与ERP系统一起实现产销一体化。

　　二、钢铁行业特点和产销一体化的提出

　　钢铁行业生产有其自身特点：

　　1．多分厂联合制造生产：产品制造需要经过多分厂联合制造才能交货；

　　2．大规模定制生产：炉次/浇次/轧次的组织要有规模定制，并遵守复杂工艺约束；

　　3．生产条件严格：M：N式物料配置，严格的物料、能源需求和生产准备等。

　　这种复杂性使得基于BOM表的通用ERP软件无法实现详细物料需求，无法实现每日生产排程。而钢铁企业生产是第一位的，生产排程不能完成，依据生产排程返回的作业实绩就无法得到，因此财务不能核算到工序。一句话，没有MES系统支持，ERP系统如同空中楼阁，无法发挥应有作用。　　

　　钢铁行业产销是一对矛盾的统一体。从市场销售来看，必须实现按订单生产，多品种，小批量，并充分考虑客户个性化需求，争取最广泛的细分市场。从生产角度来看，如此则很难释放出企业的产能，达到产量的最大化。而在钢铁行业，不实现产能最大，只是一味追求按单生产，追求每一个客户满意，赢得细分市场，企业内部只会增加生产成本，降低经济效益。所以，如何在生产产能和订单销售之间达到平衡，既能很好实现产能最大，又能很好实现按单生产，成为每一个钢铁企业面临的一个关键问题。

　　解决上述问题的最好办法是建立产销一体化系统。所谓产销一体化系统，就是把钢铁企业的生产和销售一体化，由信息化系统来综合平衡、优化设定生产销售的模式，由信息系统来进行生产计划排程，最终目的是实现企业效益最大化。宝钢、武钢、鞍钢都先后投资实现了产销一体化系统，实践效果也证明了钢铁企业产销一体化系统的优越性。

　　产销一体化系统的关键要依靠MES系统来完成，同时要同ERP系统紧密结合方能解决钢铁企业全部问题。

　　三、钢铁企业现行产销模式及存在问题

　　我国中型钢铁企业（1000万吨以下）数量最多。目前的生产组织模式是分为以下几个层次：

　　。公司生产计划（PLANNING）：生产计划主要确定大宗原料采购、能源分配、铁前生产计划、钢后产量计划、设备大中修计划等。生产计划主要是是产能计划，由生产部、销售部依据市场预测进行制定，有年计划、季计划、月计划，最终以月计划为执行计划。

　　。钢后生产排程（SCHEDULING）：按照销售订单制定每天钢后（炼钢、轧钢等）生产排程，并据此组织炼钢、轧钢每天的生产执行、产品入库与发货。销售签单周期则是旬、月，但生产排程周期则是周、三日、日等滚动执行。

　　。分厂作业执行（EXECUTING）：生产分厂依据生产部下达生产任务排程进行作业执行。铁前作业按照生产计划执行；钢后作业执行需要根据原料准备情况以及炼钢、连铸、轧钢工艺约束条件，按照产能最大、成本最低原则进行组炉、组浇、组轧，排定作业顺序（SEQUENCE），下达执行，并对执行实绩（数量/质量）进行收集。

　　目前，我国钢铁企业生产管理与执行基本是人工进行。生产部每天组织生产调度会，协调上述三个层面问题。人工管理存在的问题很突出：

　　1．产能得不到优化、最大化，生产成本高；
　　2．存在大量的遗留板（非合同板，10%-30%）；
　　3．日计划兑现率低（30%-95%）；
　　4．人工计划劳动强度大；

　　对于这些问题，究其原因，主要是由于企业面向市场，产品品种越来越多，批量越来越小，人工排程周期短，很难作好；同时由于钢铁企业多分厂结构，生产一体化集成度不高，设备/工艺稳定性差，生产变化不能及时反应调度等等造成的。

　　以上是目前我国钢铁公司生产组织管理方面的一些主要问题。解决这些问题的办法只有实施产销一体化系统。

　　四、MES平台介绍

　　要实现产销一体化，其首先要解决的、核心的问题是实现生产一体化，而MES就是实现生产一体化、解决前述问题的有力工具。目前，各个国家IT/自动化公司都在争相推出通用的MES平台软件，如德国PSI-西马克公司推出的专门面向钢铁企业MES平台PPS（Production Planning & Scheduling）、韩国浦项POSDATA公司的STEELPIA系统，英国BRONER公司推出的PPS FOR METAL系统等。这些平台各有特色。以德国PSI-西马克公司MES平台为例，公司积累25年钢铁生产组织经验，推出的钢铁MES平台，几乎成为欧洲钢铁生产的标准。世界很多大型钢铁联合企业采用其平台，如Salzgitter，ThyssenKrupp，Dilinger，USINOR，EKO Stahl等很多钢铁联合企业，取得良好经济效益。

　　下面对其功能作一个简要介绍。

　　PSI-西马克的MES分为三个模块层次：

　　1． APS：生产排程模块

　　APS（Advanced Planning & Scheduling）,即高级计划排程模块，主要用于生产计划与排程的制定。它以提高生产效率、缩短交货期、降低库存为目标，计划、排程、优化从定单开始到产品产出的整个生产活动（项目可细化到工序，时间可细化到小时分钟）；另外APS根据生产实际情况，动态调整生产计划排程，提高事件处理效率（动态调度）。具体功能如下：

　　1）订单处理

　　（1）订单输入直接从ERP计划模块中导入销售订单。

　　（2）客户订单转换成生产订单 将销售订单转换成可执行的、分段的生产订单，得出炉次、浇次、轧次等分段的需求。

　　（3）生产订单处理生产订单处理涵盖了对生产订单对象的基本操作。处理过程中可以灵活操作一些基本数据，如：生产订单交货期、生产订单数量、异常情况下生产订单追加等。紧急定单可以做出标识，以使在后续生产排程考虑中给它一个优先级。

　　另外，生产订单处理还包括过程状态信息的管理，以使物流经过各段时能跟踪生产订单的执行情况。

　　（4）生产订单分析根据交货期、钢种、规格，对整个生产订单库进行分析。

　　（5）生产订单归并产生对生产订单进行归并，形成各段组合生产定单（生产物品/完成日期、），即各分厂生产任务定单或炉次/浇次/坯次/轧次任务订单。

　　2）库料管理

　　（1）库存维护

　　实际的库存维护是由生产控制系统来执行，这里库存数据通过和数据集成系统或设备计算机连接来更新。

　　（2）库存分析

　　物料库存分析给计划员提供了最大的实际库存结构的透明度。库存分析包括所有生产区域的物料组成和分类，以及所有可知的物料具体属性,它包括定单绑定的和未绑定的物料。

　　有关库存，典型的问题有：

　　。未绑定定单的物料；
 　 。设备前的物料和数量；
 　 。实际的，物理的仓库存储情况。

　　对不同路径的分析，有助于计划员灵活应对生产中的异常情况。

　　对定单绑定的物料，它要和生产订单数据匹配在一起

　　。这样就能监控所有在制品
　　。交货期保障的问题；
　　。质量的问题。

　　3）生产排程

　　（1）物料需求确定每台设备前都有其物料需求，需求量取决于生产定单中定义的目标数量。实际需求的数量考虑到生产过程中的损耗，倒排计算得出。钢种和数量已在定单处理中确定，通过集成定单绑定功能，未绑定的可用物料数量可在库存中进行平衡。

　　（2）工厂日历工厂日历用来给全线生产设备使用作出时间分配，形成生产排程的产能时间框架，它包括两个方面内容：

　　a．所有可用设备产能情况，如：班计划、作业能力状况；
　　b．计划设置状态（作业周期约束情况）。

　　另外，对全线设备或单个设备也要考虑到停止作业安排，如：节假日、检修；通过设备使用率，我们也可以表示出设备增加的或减少的使用时间状况。

　　工厂日历中可设置作业周期约束，一个生产定单的执行可以带有一些作业约束，如：转炉修炉、连铸换中间包、轧机换辊等，对生产物品是有约束的。

　　（3）计划板 生产排程最重要的表示方法是计划板，它反映了所有设备在一段时间和工作负载下的产能分配情况，它是工厂模型最明显和直观的图形表示方法。将来生产部的计划科就要面向计划板，进行实时编制、调整计划操作。　　

　　2.ALS作业排序模块

　　ALS(Advanced Line Sequencing),高级作业线排序模块，主要用于产线作业计划制定与排序。ALS接收APS形成的生产订单排程（炉次/浇次/坯次/轧次完成时间），进行生产作业排序操作（炉次/浇次/坯次/轧次执行顺序SEQUENCE）,并下达给WIP执行。其目标是：生产稳定均衡；设备利用率最大化；缩短生产维修、准备、等待时间；降低库料消耗，降低成本。

　　1）库存分析

　　对设备前的物料库和生产订单库进行分析，以做作业排序准备。

　　2）作业排序执行

　　通过优化算法，产生作业排序，也可手动调整作业排序，如加热炉的排钢顺序，加热炉出钢顺序等。

　　3）作业程序管理

　　存储、下达、删除、加载作业排序。

　　ALS作业排序是通过算法来实现的，如：炉机匹配算法、连铸作业算法、连铸-加热炉热送直装作业算法、加热炉-轧机匹配算法、长线作业（连铸-热轧-冷轧）作业算法等。

　　3．WIP：执行跟踪模块

　　WIP（Work In Process）,在制件跟踪模块，全线生产执行与跟踪，实现按炉送钢卡功能。

　　1）制造命令/制造标准/质量标准的下达执行；
　　2）全线产品/计量/质量的匹配跟踪（按炉送钢）；
　　3）全线设备状态/库料/物位与移动的监控与跟踪。

　　其他模块还有仓库运输管理模块WTM、质量管理模块AQS、轧辊中包等资源管理模块RWS等，此不一一描述。这些MES模块，既可以用于构成钢铁公司产销一体化系统，也可以用于构成各分厂L3级自动化系统。

　　五、RMETAL钢铁产销一体化系统

　　1．RMETAL设计目标与思路结合我国钢铁公司生产管理执行的国情实际，结合引进的国际先进MES平台，我们提出钢铁企业产销一体化系统RMETAL。RMETAL系统主要设计目标是实现钢铁企业生产与销售一体化集成管理，解决存在的问题，进一步提高生产产能，缩短交货期，改善客户服务，降低生产成本。

　　RMETAL系统的基本设计思路是：

　　A．生产管理一体化集成：强化生产集成计划与控制职能，计划作到工序（炉次／浇次／坯次／板次）,时间作到小时/分钟，分厂只设作业执行。

　　B．以订单为龙头，按线精细化管理生产：

　　根据钢后产品产线特点（板材/线材/型材/卷材等），分别为各产线（炼钢/轧钢）设计MES系统，进行详细生产排程和作业执行，实时精细化管理生产（排程与调度）。

　　2．RMETAL系统功能结构RMETAL系统结构如下图示。其由公司生产计划、钢后生产排程、分厂作业执行三部分构成：

　　A、公司生产计划：由需求预测、生产计划（铁前各厂/钢后各厂/年/季/月）、原料采购、能源分配、设备大中修等模块构成，主要完成公司生产产能计划与大宗原料采购。铁前分厂直接按照本计划执行生产即可。本部分功能可以人工完成，也可以由ERP来完成。

　　B、钢后生产排程：由订单处理、质量设计、工艺设计、生产排程（炉次/浇次/轧次/天/班/时）、仓库发货管理等模块构成，主要完成钢后各产线详细生产任务排程。产线生产排程从铁水处理开始，细化到每一炉次、每一浇次、每一钢坯、每一轧次、每一钢板/卷，直到成品入库。排程从订单开始，倒推钢坯、浇次、炉次，并按照产能最大化、成本最低原则，按照工艺约束条件，经过专家系统推理自动产生。本部分功能主要由MES的APS模块完成。

　　C：分厂作业执行：由炼钢作业管理、连铸作业管理、轧钢作业管理（含冶铸轧一体化管制，如连铸连轧生产线）、中间库管理、轧辊中包管理、质量管理、执行跟踪等模块构成。钢后作业执行可以根据原料准备情况以及炼钢、连铸、轧钢工艺约束条件，按照产能最大、成本最低原则进行现场组炉、组浇、组轧，在遵守生产排程前提之下，现场设定作业顺序（SEQUENCE）。本部分功能主要由MES的ALS和WIP/WTM等模块完成。

　　RMETAL产销一体化系统的实施，不仅能很好解决钢铁企业产销问题，而且可以为ERP系统的实施提供坚实基础。ERP系统不能解决的生产排程、作业执行问题由MES解决，同时MES收集的作业实绩（计量/质量）可以返回ERP的WIP模块核算出工序成本，从而真正反应公司财务运行状况。

　　3．RMETAL系统IT结构

　　钢铁公司实现上述RMETAL产销一体化系统IT结构如下图示：
　

　　　
　　从上述架构可以看出，RMETAL产销一体化系统主要由MES系统完成。APS负责全公司钢后各产线生产排程（SCHEDULING），而各产线ALS/WIP则负责该产线详细作业排序（SEQUENCING）与执行。生产计划部分由ERP系统完成。

　　4．ERP与MES的分工MES与ERP系统共同完成共同企业信息化系统。ERP系统侧重于企业财务与计划的掌控，MES侧重钢后生产管理与执行。具体分工如下：

　　ERP：

　　采购管理、生产大计划（含铁前生产计划、钢后产能计划、能源分配、设备维修计划等）、销售管理、财务管理。

　　MES：

　　订单处理、每日各产线生产排程、质量管理、制造管理、冶铸轧作业排序与执行、仓库运输管理。

　　ERP+MES才是钢铁企业信息化的必由之路。二者缺一都是不完备的。如果分步实施的话，应该先实施MES或产销一体化系统（生产计划人工可以完成），再实施全公司ERP 系统。因为万丈高楼平地起，没有低层系统的支持，盲目实施高层系统，结果可想而知。

　　六、总结

　　实现产销一体化，其核心问题就是用MES系统实现生产一体化集成。生产管理一体化的集成，就可以对全公司各分厂的生产过程进行有效计划和控制，内容到炉次、浇次、坯次、轧次，时间到小时/分钟，并以此进行实时动态调度。生产一体化集成，就能实现更好的产能优化，更快的生产效率，更短的生产周期。同时，生产一体化集成，也给销售提供了有力的支持，把生产和销售紧密联系在一起，实现从销售订单到产品产出的整个产销过程的全面优化。客户可以随时查询订单执行状态，便于跟踪订单完成信息；生产厂依据生产计划，基于MES系统能及时对合同交付，达到客户满意；同时，在整个大生产计划框架下，又能很好的实现公司产能的最大化。二者结合起来，把公司的生产与销售提高到一个新的台阶，最终实现效益最大化。

【深 度 阅 读】 相 关 文 章

• 磁盘阵列(Disk Array)原理