西门子钢铁行业mes解决方案

1、应用 MES （生产执行系统），对工厂进行整体优化摘要：中国加入 WTO 以后 , 中国的钢铁工业面临诸多挑战 , 如更加灵活的生产 , 更苛刻的质量要求以及具备竞争力的成本。这些目标只有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，独立的生产线的自动化水平和优化程度已经很高，进行进一步改 进的空间非常有限。而 ERP（企业资源策划）系统仅局限于总体生产计划的编 制，并没有考虑设备的实际状态和生产线的工艺约束。因而现代化的工厂需要 通过使用最新技术，联合多个独立的生产线组成一个优化的生产链并连接基础 自动化级 ,过程级与管理级。根据 MESA （制造执行系统协会）的定义， M

2、ES 是 对从下达订单到生产出最终成品的生产过程进行优化的信息系统。本文详细描述了钢铁工业 MES 系统的不同功能模块和典型的系统结构。 通过分析一个具有成熟功能的实际案例，揭示了 MES 系统为工厂的所有者带来 的效益。正文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、定单修改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 对于所有客户的复杂产品结构，卓越的产品质量是企业成功的关键因 素。同时，国际质量标准要求详细而完整的产品生产质量文档。? 具有竞

3、争力的成本定位 具有竞争力的价位是能够在国际化的钢铁市场中生存的重要因素。这必 须通过以提高生产率，设备作业率为手段，提高产量和经济效益才能够 达到。所有这些目标，只有通过投资具有经济效益的生产线并使用最新科技才 能够实现。目前，独立的生产线的自动化程度和优化水平已经很高，进一步改进的 空间非常有限。另一方面， ERP （企业资源策划）系统局限于总体生产计划的 编排，而没有考虑设备的实际运行状态和生产线的工艺约束。因而现代化的工厂需要现代科技作为企业信息化建设的重要组成部分， 联合多个独立的生产线构成生产链（水平集成），并连接生产层与管理层（垂 直集成）。完成这项特定任务的系统称为 MES 系

4、统（制造执行系统）。根据 MESA （制造执行系统协会）的定义， MES 是对从下达订单到生产 出最终成品的生产过程进行优化的信息系统。图（1）信息的水平集成与垂直集成图（ 2）MES 系统在企业信息化建设的重要地位：3用于冶金企业的 MES 功能作为企业信息建设的重要组成部分， MES 系统包含多种不同的功能。功 能的取舍，取决于特定的工厂环境以及所期望的效益。图（ 3）MES 系统功能概貌备注：这是根据 MESA 模型建立的 MES 功能说明 1至 11MES 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

5、。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/详细排产这项功能根据与具体生产单位的优先级、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：分配生产单元系统以任务，订单，炉次，批次以及生产指令对生产物流进行管理。调 度信息以生产序列的形式呈现并依据生产实绩进行实时调整。 MES

6、有能力改变 以下达的计划，重新生产，补救生产以及通过缓冲区管理来实时控制生产线负 载。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、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 数据采集这项功能提供一个接口链接，用来获取中间产品和参数数据，填写在生 产单位的表格和记录中。这

7、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。包括记录员工的考勤情况及时 间、资格跟踪，而且可以记录员工的非直接工作，如材料准备、工具间工作 等。这些都可以作为动态成本核算的依据。该功能可以与资源分配软件（1）协同工作，以达到最佳的人力资源分配。MES 功能 7 质量管理系统从生产过程采集实时测量信息，并对其进行分析以确保严格的产品 质量控制，同时鉴别潜在的质量问题。系统可以提示问题纠正方案，包括相关 现象，行为以及原因的诊断。同时可以包括 SPC/SQC以及对实验室信息管理系 统（ LIMS

8、）中的离线质量检验和分析进行跟踪和管理等功能。MES 功能 8 生产管理对生产进行监控并自动纠正或提示操作员纠正生产中存在的问题以改善 生产线的在调节性。这些调节重点着眼于受监视和控制的设备，并逐次跟踪。 系统可以管理报警以确保工厂人员了解可能导致超差的生产变更。该功能通过 数据采集功能，提供 MES 与智能设备的接口。MES 功能 9 维护管理系统跟踪并指导设备或工具的维护工作，确保设备满足生产需要以及定 期维护或预防性的维护计划顺利实施，并且确保发生事故时的快速响应（报 警）。系统可以记录设备的历史事件和故障，以协助故障诊断。MES 功能 10：产品的宗谱与产品跟踪该功能可以全程监视产品的

9、用途和加工状态。状态信息包括加工者、原 料的供应商、批号、序列号、产品当前状态、报警、返工以及其他和生产相关 的异常情况。通过这种在线检测功能记录了产品的历史，从而可以追踪产品的 生产历史和最终用途。在冶金行业中原材料、中间产品和成品的精确物流配送 主要通过先进的仓储管理系统来实现。MES 功能 11：性能分析该功能提供实时生产实绩以及与历史数据的比较和期望的结果。生产实 绩包括诸如资源利用情况、资源使用率、生产周期以及与计划和标准符合情况 等。同时也可以包括 SPC/SQC。系统可以从其他功能模块提取运行参数，结果 可以以报表形式输出或作为实时性能评估在线显示。运输物流作为物料跟踪和宗谱的重

10、要组成部分，冶金行业的原料、中间产品和成 品的运输物流，主要通过料场管理系统实现。优化和仿真这项功能虽然不是 MESA 直接定义的功能，但是对完整的 MES 是不可 缺少的。通过诸如切割计划计算等功能，可以优化材料的使用。 一个合理规划 的、使用适当工具的仿真，在试车或软件更新前对所有 MES 模块的测试是必不 可少的。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。在钢铁厂，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

11、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，并预测 潜在的本地和全局性的能源高峰。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层的（ ERP）系统。它至少可以取 代一部分 ERP 功能，或包括在其中。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

12、定货 量。预先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 ME

13、S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

14、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实时数据库与关系数据库由于每个 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 ORACLE 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能力得到了 证实。现代数据库是基于关系型概念的。通过定义关系（如外键），数据库对 象（如表）可以相互关联。关系型数据库的实时性是通过事件驱动机制来实现的。事件驱动机制 （如触发器）

15、，允许数据库应用程序立即响应事件，如数据电文或操作员输 入。另外，巧妙的物理和逻辑数据库及其应用程序的设计也是确保系统实时性 的必要条件。无线通讯与可移动访问在工厂中有许多工作地点是不可能设置固定的客户端设备的。过去操作 员为了和固定的客户端设备联系，必须要离开工作地点才能完成。由于这种不 合理的工作地点到 HMI 客户设备的信息传送方式（如：电话，或者记录在纸 上），造成了时间浪费甚至数据的丢失。建立在成熟的可移动设备基础上的现代无线通讯技术允许操作人员在工 厂的任何位置与 MES 系统进行通讯。适用场合：维护质量检查库存管理材料入库 / 发运生产器械准备长存期数据储由于不断提高的国际质量标

16、准要求，所有成品以及中间生产过程的相关 数据必须保存，以利于日后的访问。因此， MES 系统必须具有集成数据仓库。 要求：数据从生产数据库转移到数据仓库必须迅速，并且具有很好的可维护 性。 具有快速简便的数据访问工具以及进行数据存储的应用程序和文档。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。 为能够快速访问表中数据，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。10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

17、。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 uisburg 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- S

18、tahl)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? 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11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

19、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。12? 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

20、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HMI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 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。计划与排产计划与排产目标是为厂制定出三班倒最优生产计划。该系统通过 利用客户指定的交货日期，支持以定单为依据的生产。计划的依据是当前订单库池，以及补充未来的低优先级的定单。该订单池 可以包括库存产品的

21、定单。根据该订单池，作为西门子重要部分的计划 编制程序编制一个或多个连铸、连轧程序（）。包括双流连铸机的计划 程序、炉次、板坯等。计划编制程序考虑了许多工艺限制条件，除订单属性外，还考虑了钢种的 分组、轧制宽度、换辊等。只有计划编制程序生成的生产程序，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。13计划编制程序（）区分了两种不同的计划模式： 标准计划产生新的连铸连轧程序图全自动标准计划窗口：用户可通过不同的参数控制标准计划，两个重要参数是：CRP型：根据如下参数选择不同特点的连铸连轧程序：反映结晶

22、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：选择一组钢种，能够在一个浇铸程序统一浇铸。连铸组通过主表对话框进行定义计划编制程序使用不同的数学方法找到生产程序的总“成本”的最佳连铸 连轧程序。该成本用于生产准备时间，模具变化、结晶器变化、换辊、浇铸次 序、切头需要的废料。14用户可以制定、比较、选择最适合的计划方案。图显示轧制程序的原理。每个竖条代表一个已经计划的板坯slab wi dthtim eth icknesswa rm -u p colisin

23、te rm ediate ro ls c hangecaste r s etu p tim e图显示轧制程序 。每个竖条代表一个已经计划的板坯15change o f ro ls due to c hange of c ast w idth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。紧急计划在计划编制程序的操 作下自动生成。图显示紧急计划情况下，对话框的实例。物料跟踪物料跟踪的目的是，向所有终端客户提供全厂范围的生产的材料的状态 和当前地点的概况信息。如：

24、?炉次?板坯物料跟踪同样告知了生产单元的状况并显示了挑要工序的选重价值。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。16在 TSCR 厂中，总的物料跟踪根据地点来区别：? 炼钢厂的预计炉次? 连铸机? 再加热炉? 轧机包括冷却区和卷取机? 传送链? 检查段? 钢卷库模块保持了一个从加工区计算机，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映像。另外，工厂操作人员能够通过在生产过程 中对不正确映象，通过对话框来纠正。图（ 13）所示为 MES 物料跟踪的原理结构co

25、m put er int er f ace pr ocessesheat dcor r ect iondialogthin slabst rip and cmat er t racki imagetrackingdialogtrackingdialog17图（ 14）TSCR 厂的典型物料跟踪对话框：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 图包括实际情况中带有物料编号的材料的实际部分的横切、纵切和结合。家谱是用于在如下

26、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18钢卷库管理在打包、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 近的钢卷库。钢卷库包括两个跨。一个跨里有两个起重机，另外一个有一个起 重机。厂房被分成排和空地以将钢卷装成两层。我们的 MES 钢卷库管理具有如下功能：? 从钢卷的入库到发运，在钢卷库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过跨的运输指令? 监督和管理使用火车和卡车的发送起重机和过跨车由 PLC 来控制，并装有用于自动确定钢卷的位置的

27、 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：19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、板坯或钢卷的加工过程？? 在炉次的化学分析中有无化学成分超标？? 通过炉次化学成分分析，可以达到哪一个钢种？? 在板坯和钢卷的生产中有无超标值？? 在板坯和钢卷中在哪里超标？? 板坯和钢卷中可能的质量缺陷在哪里 质量控制 :在生产

28、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质量实际数据。? 在出现偏差时，要求从模块再申请器上对炉次、板坯和钢卷进行在线的 重新申请，而这个模块再申请器可能最终导致对后续加工步骤的生产指 令的在线更新。再申请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）过程值趋势对话框20服务器的硬件配置EOnirsicghinuablrgeechh鋟nseerPLRSCSICDDSAVTErwetierungsgeh鋟se lPoLkRael KomponentenI S CSCD

29、SCSID1THSZSCSIDoku m enta t ionS OD1SO: Oniln e sy ste m,Or ig ina ls SE: Oniln e sy ste m,Er s atz sSPS Ele mD DA 2 T TS SETBVscahtuzrbegcehhn鋟esreLR-E rwetierungsgeh鋟se kael Komponenten LR-E rwetierungsgeh鋟se atenbank rwetierungsgeh鋟seatenbankg,espeigetls Of f line sys t em des Er sa t zr e chne r

30、 s黵 f m ier un g, Sour c e- undO bjekt code undSV:Str omve r so r gungD1 /D2: 1 .Date np la te/2 .Date np la teD1 /D2 :1 .Sp ieg e lda te np late /2.Spieg eld a ten pla teD1 ,2T :Olifn e Te std a ten p late mitTe std aten ba n k( o h n2e1 Spieg elung )服务器的软件配置22蒂森克虏伯钢厂( Thyssen-Krupp-Stahl ) 的使用效果?

31、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。? 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。23西门子 MES 业绩表