鋼鐵企業(yè)CIMS信息流分析與功能設(shè)計(jì)

劉福德，姚明海

（渤海大學(xué) 大學(xué)基礎(chǔ)教研部，錦州 121013）

鋼鐵企業(yè)CIMS信息流分析與功能設(shè)計(jì)

劉福德，姚明海

（渤海大學(xué) 大學(xué)基礎(chǔ)教研部，錦州 121013）

CIMS技術(shù)結(jié)合了先進(jìn)的信息技術(shù)和生產(chǎn)管理理念，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的信息化和集成化，能夠適應(yīng)市場環(huán)境變化，提高企業(yè)競爭力。結(jié)合鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，以信息流分析為基礎(chǔ)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，為鋼鐵企業(yè)開發(fā)和實(shí)施CIMS提供解決方案。首先，設(shè)計(jì)了鋼鐵企業(yè)CIMS的總體結(jié)構(gòu)，通過CIMS信息流圖表明了ERP/MES/PCS之間的關(guān)系，并描述了信息傳遞過程，研究了信息集成方法；然后，依據(jù)信息流分析設(shè)計(jì)了軟件功能結(jié)構(gòu)并對功能進(jìn)行了簡要描述。實(shí)際應(yīng)用時要與企業(yè)自身狀況相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)營的無縫集成。

鋼鐵企業(yè)；CIMS；信息流分析；功能設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

0 引言

鋼鐵企業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵企業(yè)發(fā)展是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要標(biāo)志之一。隨著市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國有大中型企業(yè)改革深化，強(qiáng)化企業(yè)內(nèi)部管理，提高企業(yè)在國際市場的競爭能力是每一個國有企業(yè)特別是大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)所面臨的重大課題，企業(yè)內(nèi)部信息電子化建設(shè)具有不可替代的作用。市場經(jīng)濟(jì)的高要求和復(fù)雜多變，增加了企業(yè)管理的難度。傳統(tǒng)的企業(yè)管理模式容易造成宏觀生產(chǎn)失控和實(shí)時控制混亂等問題，制約著企業(yè)發(fā)展。實(shí)施CIMS工程，利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理的科學(xué)化、精細(xì)化和高效化，是推動企業(yè)科技進(jìn)步和實(shí)現(xiàn)管理現(xiàn)代化的重要措施。

CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)），是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合，將生產(chǎn)制造過程的信息采集、傳遞和加工處理過相統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)整體效益的集成化和智能化制造系統(tǒng)。在經(jīng)濟(jì)全球化環(huán)境下，CIMS技術(shù)不斷發(fā)展，被賦予了新的含義，即現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（Contemporary Integrated Manufacturing System），通過信息集成、過程優(yōu)化及資源優(yōu)化，使整個企業(yè)的工作流程、物流和信息流都保持通暢和相互有機(jī)聯(lián)系，從而提高企業(yè)的市場應(yīng)變能力和競爭力[1,2]。CIMS適用于離散型制造業(yè)、連續(xù)性制造業(yè)和混合型制造業(yè)。鋼鐵生產(chǎn)過程是融溫度、時間、空間和資源約束為一體的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)，同時具有連續(xù)與離散特質(zhì)的多階段混合生產(chǎn)方式，適用于CIMS來組織管理。目前國際上對流程工業(yè)系統(tǒng)集成較為通用的是ERP/MES/PCS三層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的CIMS總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼鐵企業(yè)CIMS的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩個支撐分系統(tǒng)和四個功能分系統(tǒng)構(gòu)成。其中，兩個功能分系統(tǒng)分別是數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)由硬件設(shè)備、通信設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)軟件構(gòu)成，是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)提供系統(tǒng)運(yùn)行所需數(shù)據(jù)的收集、存儲、提取和分析等功能；四個功能分系統(tǒng)分別是企業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分系統(tǒng)、資源計(jì)劃分系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行分系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)，其中，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分系統(tǒng)是提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)，其他三個分系統(tǒng)是本文研究的核心內(nèi)容，將下面詳細(xì)說明。本文作者將大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)CIMS的成功經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來，以信息流分析為基礎(chǔ)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，為鋼鐵企業(yè)開發(fā)和實(shí)施CIMS提供解決方案。

1 信息流分析

鋼鐵企業(yè)CIMS的核心是資源計(jì)劃分系統(tǒng)（ERP，Enterprise Resource Planning)、生產(chǎn)執(zhí)行分系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）和過程控制分系統(tǒng)（PCS，Process Control System）。其中，ERP是經(jīng)營管理與決策的基礎(chǔ)，是改善企業(yè)管理的有效途徑；MES是CIMS信息集成中承上啟下的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化運(yùn)行與管理的技術(shù)核心系統(tǒng)；PCS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)過程操作與過程監(jiān)控，是流程工業(yè)的關(guān)鍵系統(tǒng)。在復(fù)雜的鋼鐵生產(chǎn)過程中，單一的ERP無法實(shí)時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也不能對資源進(jìn)行有效調(diào)度和配置；單一的MES無法對生產(chǎn)信息進(jìn)行細(xì)化和分解，也無法實(shí)現(xiàn)與控制信息的有效結(jié)合；單一的PCS無法將控制數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于生產(chǎn)調(diào)度。因此，必須掘棄“信息孤島”，實(shí)施信息集成化技術(shù)，發(fā)揮整體優(yōu)勢，有效利用上層的ERP與下層的PCS之間的數(shù)據(jù)，提高調(diào)度的實(shí)時性和靈活性。參照相關(guān)文獻(xiàn)[3～6]，ERP/MES/PCS整合的信息流如圖2所示。

圖2 鋼鐵企業(yè)CIMS信息流圖

1.1 信息傳遞過程

在圖2所示的鋼鐵企業(yè)CIMS信息流圖中，從層次結(jié)構(gòu)分析，MES處于中間層，是連接ERP和PCS之間的橋梁，具有承上啟下的作用，解決了生產(chǎn)管理與設(shè)備控制之間的斷層問題。一方面，MES為ERP提供數(shù)據(jù)信息。另一方面，運(yùn)用PCS底層采集的數(shù)據(jù)，為優(yōu)化和控制生產(chǎn)線提供依據(jù)和保證，以適應(yīng)鋼鐵生產(chǎn)實(shí)時化的要求；從時間因素分析，ERP處理的問題域是中長期的生產(chǎn)計(jì)劃，MES處理的問題域是近期生產(chǎn)任務(wù)的協(xié)調(diào)安排問題，PCS實(shí)時地接收生產(chǎn)指令，使設(shè)備正常加工運(yùn)轉(zhuǎn)。信息流在ERP/MES/PCS之間傳遞和反饋，三者相互關(guān)聯(lián)、互為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流，保證了信息的實(shí)時性，使企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度和動態(tài)成本管理成為一體。信息傳遞包括兩個過程：

1）ERP與MES之間的信息傳遞。ERP是將物流、資金流和信息流進(jìn)行全面一體化的信息系統(tǒng)，融合了管理理念、業(yè)務(wù)流程、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和人力物力資源，核心功能是資源計(jì)劃，將生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于MES的生產(chǎn)調(diào)度管理。同時，接收MES的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、計(jì)量管理、物料平衡、生產(chǎn)管理和設(shè)備運(yùn)行等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化資源計(jì)劃。ERP與MES之間傳遞的信息流包括物料清單、生產(chǎn)需求、生產(chǎn)工藝、加工計(jì)劃、庫存情況、人力資源、訂單及完成情況、物資消耗、產(chǎn)品質(zhì)量和備品備件等。

2）MES與PCS之間的信息傳遞。過程控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理生產(chǎn)過程中各種信息，過程監(jiān)控層接收現(xiàn)場信息后，利用各種先進(jìn)控制方法，通過DCS系統(tǒng)優(yōu)化控制，使生產(chǎn)過程在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。故障發(fā)生時，可自動報警，利用專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，并指導(dǎo)運(yùn)行人員排除故障。MES與PCS之間信息的傳遞包括生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工序情況、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀況、人員狀況、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)優(yōu)化、生產(chǎn)情況報告和物料盤點(diǎn)信息等。PCS根據(jù)MES傳遞的信息進(jìn)行相應(yīng)操作，將并操作結(jié)果和實(shí)時數(shù)據(jù)返回給MES。

1.2 信息集成技術(shù)

CIMS信息來源于企業(yè)經(jīng)營管理、生產(chǎn)調(diào)度、實(shí)時采集、上級部門、供應(yīng)商和銷售商等多種渠道，信息集成的過程也就是對這些來源不同和形態(tài)不一的信息進(jìn)行系統(tǒng)分析、合并同類、辨清正誤和消除冗余的過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ERP/MES/PCS的統(tǒng)一使用。信息集成分為數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)互操作、數(shù)據(jù)與知識重用等四個層次。傳輸、共享和互操作是集成的基礎(chǔ)，重用是集成的最高層次。結(jié)合鋼鐵企業(yè)CIMS的特點(diǎn)，信息集成建議采用OPC標(biāo)準(zhǔn)、共享數(shù)據(jù)庫和XML數(shù)據(jù)交換技術(shù)相結(jié)合。其中，OPC（OLE for Process Control）標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)訪問的COM接口，采集現(xiàn)場硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口供上層系統(tǒng)使用；共享數(shù)據(jù)庫是成本最低效率最高的集成方式，大部分?jǐn)?shù)據(jù)使用這種方式，既可以將共享的信息復(fù)制到一個公共數(shù)據(jù)庫，也可以采用數(shù)據(jù)聯(lián)邦的方式構(gòu)建虛擬數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)多個數(shù)據(jù)庫共享；對于不同平臺的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫，采用XML數(shù)據(jù)交換技術(shù)，發(fā)揮XML擴(kuò)展性、自描述性和多語種支持的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)跨平臺和跨地域異構(gòu)應(yīng)用間的協(xié)同工作[7～9]。

2 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件功能是軟件應(yīng)具有的效能和作用，依據(jù)鋼鐵企業(yè)CIMS信息流圖設(shè)計(jì)軟件功能。

2.1 軟件功能結(jié)構(gòu)

功能結(jié)構(gòu)是將系統(tǒng)功能分解后按功能從屬關(guān)系表示的層次結(jié)構(gòu)圖，鋼鐵企業(yè)CIMS功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋼鐵企業(yè)CIMS功能結(jié)構(gòu)

圖3所示的功能結(jié)構(gòu)由四個分系統(tǒng)構(gòu)成，除企業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分系統(tǒng)未分解下層子系統(tǒng)外，ERP/MES/PCS各個分系統(tǒng)又分解為若干個子系統(tǒng)，系統(tǒng)分解基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，每個子系統(tǒng)在邏輯上相互獨(dú)立，通過信息流和信息集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間的通信，保證子系統(tǒng)間的信息共享和協(xié)同工作。

2.2 軟件功能描述

圖3中的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分系統(tǒng)具有兩種功能，一是作為門戶網(wǎng)站，為企業(yè)提供信息展示和與客戶進(jìn)行有效溝通的渠道；二是作為Web服務(wù)，為Web應(yīng)用提供支持并實(shí)現(xiàn)企業(yè)Web信息資源的有效整合。其他三個分系統(tǒng)軟件功能描述如下：

1）資源計(jì)劃分系統(tǒng)ERP。財(cái)務(wù)是現(xiàn)代企業(yè)管理的“心臟”，根據(jù)鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營管理流程和組織機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)建立以財(cái)務(wù)管理為中心的ERP分系統(tǒng)，以均衡物料、安全高效、低耗優(yōu)質(zhì)和優(yōu)化工藝操作為目標(biāo)，最大限度地適應(yīng)企業(yè)內(nèi)部和外部環(huán)境，有效解決ERP實(shí)施過程中遇到的難題。ERP包括財(cái)務(wù)、計(jì)劃、項(xiàng)目投資、原料供應(yīng)、固定資產(chǎn)、備品備件、人力資源和產(chǎn)品銷售等子系統(tǒng)，把人、財(cái)、物等各種資源與產(chǎn)、供、銷等各個環(huán)節(jié)，通過科學(xué)的方法來實(shí)行有效地計(jì)劃、組織、協(xié)調(diào)和控制，把企業(yè)所有生產(chǎn)經(jīng)營活動聯(lián)成一個整體，各個子系統(tǒng)在生產(chǎn)經(jīng)營中協(xié)調(diào)有序地發(fā)揮作用，通過對信息流的有效控制，實(shí)現(xiàn)對物流和資金流的閉環(huán)控制[10]。

2）生產(chǎn)執(zhí)行分系統(tǒng)MES。鋼鐵生產(chǎn)是包括燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、鋼錠開坯和軋鋼等一系列工藝過程的生產(chǎn)過程，為了充分發(fā)揮設(shè)備的生產(chǎn)能力，達(dá)到降低生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，按照先進(jìn)制造技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展趨勢，應(yīng)建立基于知識的MES分系統(tǒng)，通過知識的不斷積累推動企業(yè)發(fā)展。MES包括生產(chǎn)調(diào)度、過程優(yōu)化、生產(chǎn)管理、成本控制、質(zhì)量管理、計(jì)量管理和設(shè)備運(yùn)行管理等子系統(tǒng)。MES為管理人員提供各類生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)信息、計(jì)量信息和物料平衡信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃管理與生產(chǎn)過程信息管理的有機(jī)結(jié)合，為領(lǐng)導(dǎo)提供輔助決策功能。通過采用過程建模與優(yōu)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制和優(yōu)化運(yùn)行，從而提高生產(chǎn)效率。

3）過程控制分系統(tǒng)PCS。以計(jì)算機(jī)控制為主，還包括傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和在線分析等儀表系統(tǒng)及多媒體監(jiān)控系統(tǒng)。鋼材生成過程綜合了物理、化學(xué)和物理化學(xué)等變化復(fù)雜機(jī)理，通過過程控制分系統(tǒng)PCS，完成數(shù)據(jù)采集、工藝參數(shù)調(diào)整、生產(chǎn)過程操作、關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)控和生產(chǎn)協(xié)調(diào)等功能。PCS具體包括焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼、連鑄連軋和輔助生產(chǎn)等過程控制子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又由基礎(chǔ)自動化和過程自動化提供支持。其中，基礎(chǔ)自動化由電氣傳動自動化和儀表自動化構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)自動控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控操作和數(shù)據(jù)通信等功能；過程自動化由過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，對生產(chǎn)過程進(jìn)行模型優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)調(diào)生產(chǎn)，提高質(zhì)量，降低消耗[11,12]。

3 結(jié)束語

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜，面對激烈的市場競爭環(huán)境，企業(yè)需要加強(qiáng)自身建設(shè)，從產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)管理等方面來提高競爭力。CIMS是先進(jìn)的生產(chǎn)控制管理理論與技術(shù)的集成，是企業(yè)提高競爭力的有效途徑。鋼鐵企業(yè)CIMS建設(shè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到許多技術(shù)因素和非技術(shù)因素，本文的信息流分析與功能設(shè)計(jì)，是作者實(shí)際開發(fā)大型鋼鐵企業(yè)CIMS的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，具有重要的參考價值。實(shí)際應(yīng)用本文研究成果時，還要結(jié)合企業(yè)的自身狀況，將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)和人工智能技術(shù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)與企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理的無縫集成。

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Information flow analysis and function design on CIMS for iron and steel enterprise

LIU Fu-de, YAO Ming-hai

TP391

：A

1009-0134(2017)01-0134-04

2016-12-20

遼寧省博士科研啟動基金項(xiàng)目（201601349）

劉福德（1964 -），男，遼寧興城人，副教授，本科，研究方向?yàn)镃IMS系統(tǒng)開發(fā)。