銅板帶加工行業(yè)MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

晏曉輝 郭建文 李帥 羅劍英

摘 要：對(duì)銅板帶加工行業(yè)的工藝流程和現(xiàn)場(chǎng)管控問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出MES系統(tǒng)是銅板帶企業(yè)實(shí)施精細(xì)化管控的關(guān)鍵。針對(duì)銅板帶加工的生產(chǎn)特點(diǎn)和需求，對(duì)其MES系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行了分析和詳細(xì)設(shè)計(jì)；并在此基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典三層軟件架構(gòu)對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠提高企業(yè)的管理水平，為該行業(yè)實(shí)施MES系統(tǒng)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：銅板帶 MES系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（a）-0028-03

1 銅板帶加工行業(yè)現(xiàn)狀及MES需求

銅板帶加工行業(yè)是典型的混合制造行業(yè)，其主要加工過(guò)程包括熔鑄部分和壓延部分。熔鑄部分將陰極銅和合金金屬熔煉成指定成分的金屬熔液，然后鑄造成相應(yīng)合金牌號(hào)的銅錠，屬于流程制造。壓延部分包括步進(jìn)爐加熱、熱軋、雙面銑、初軋、切邊、鐘罩爐退火、精軋、氣墊爐退火、清洗、剪切包裝等工序。在初軋之前，鑄錠作為整體進(jìn)行加工；而在初軋之后，形成的銅卷可能被切割成不同的規(guī)格分開(kāi)加工，屬于離散制造[1]。其整個(gè)生產(chǎn)流程比較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）加工路線長(zhǎng)，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，并且有環(huán)形往返工序。工序之間關(guān)聯(lián)性較大，對(duì)作業(yè)和物流相互影響，如步進(jìn)爐加熱和熱軋工序需要聯(lián)動(dòng)進(jìn)行加工。

（2）加工過(guò)程中不確定因素多。熔煉部分對(duì)配料及工藝要求嚴(yán)格，主成分或微量元素的細(xì)微偏差即導(dǎo)致合金牌號(hào)不合。此外，鐘罩爐退火、清洗等部分工序受人為因素影響較大，加工時(shí)間不確定。

（3）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，物料難以跟蹤，料卷的生產(chǎn)、質(zhì)量信息難以及時(shí)上報(bào)到相關(guān)部門(mén)，容易發(fā)生跟漏、跟丟等問(wèn)題。

復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)銅板帶加工企業(yè)的管理水平提出更高的要求。相對(duì)于自動(dòng)化設(shè)備等硬件上的提升，該行業(yè)的信息化水平卻還處于比較低下的水平。雖然部分企業(yè)已經(jīng)實(shí)施了ERP（Enterprise Resource Planning）、OA（Office Automatic）、銷(xiāo)售管理等信息化系統(tǒng)，但各系統(tǒng)之間缺乏有效關(guān)聯(lián)；而引進(jìn)的設(shè)備雖然在自動(dòng)化和數(shù)據(jù)采集上都有較大提升，但采集的信息難以傳達(dá)給上層，沒(méi)有得到有效利用，形成了信息孤島。因此，如何進(jìn)一步提高信息化水平，使系統(tǒng)之間的信息能夠自由流通與共享，以實(shí)現(xiàn)管控一體化，是銅板帶加工企業(yè)亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。

隨著企業(yè)信息化與ERP體系的發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)認(rèn)識(shí)到管理層與控制層之間缺乏溝通，所作決策缺少信息支持，而ERP系統(tǒng)越來(lái)越臃腫的架構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)這一要求[2]。在這種情況下，美國(guó)AMR公司在20世紀(jì)90年代初提出了制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）的概念，形成ERP/MES/PCS（Process Control System）的三層結(jié)構(gòu)模型。用MES系統(tǒng)來(lái)對(duì)管理層所作出的宏觀計(jì)劃進(jìn)行分解，并下達(dá)給過(guò)程控制層進(jìn)行執(zhí)行。該三層遞階體系結(jié)構(gòu)為制造業(yè)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)提供了重要參照，已經(jīng)成功應(yīng)用于眾多行業(yè)，逐漸為學(xué)術(shù)界和企業(yè)界所接受[3]。

前文中已經(jīng)提到，銅板帶加工企業(yè)缺乏管理和控制之間的一個(gè)橋梁。而MES能滿足這一需求，從執(zhí)行和反饋層面實(shí)現(xiàn)管理和控制的互通。MES從ERP接收訂單，分解成作業(yè)計(jì)劃，來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，再對(duì)生產(chǎn)實(shí)績(jī)和質(zhì)量信息進(jìn)行加工處理，上報(bào)給相關(guān)部門(mén)，使銅加工行業(yè)各層信息能夠交互和共享，形成一個(gè)閉環(huán)。

2 銅板帶加工行業(yè)MES功能設(shè)計(jì)

綜合銅板帶加工行業(yè)的特點(diǎn)與生產(chǎn)要求，其MES系統(tǒng)主要需求如下：（1）能對(duì)ERP下發(fā)的訂單實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，將訂單標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)產(chǎn)能確定是否能進(jìn)行生產(chǎn)。（2）能根據(jù)訂單交貨期和當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)狀合理分解并下達(dá)作業(yè)計(jì)劃，在設(shè)備異常、原料、能源供應(yīng)等異常時(shí)進(jìn)行有效的調(diào)度，盡可能地加快產(chǎn)品生產(chǎn)周期。（3）能對(duì)加工工藝進(jìn)行快速設(shè)計(jì)和管理，對(duì)機(jī)臺(tái)工藝和工人操作進(jìn)行監(jiān)控，報(bào)告未按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的工藝。（4）能對(duì)物料進(jìn)行跟蹤，實(shí)施監(jiān)控所有在制品的位置、尺寸、狀態(tài)等信息，并對(duì)成品庫(kù)進(jìn)行管理。（5）能對(duì)質(zhì)量進(jìn)行跟蹤，以在后續(xù)工序上盡可能將問(wèn)題消除，并在出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)能追溯質(zhì)量故障源頭。（6）能對(duì)原料庫(kù)庫(kù)存進(jìn)行管理和盤(pán)點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃對(duì)原料、輔料、備件和能源需求進(jìn)行預(yù)測(cè)。（7）能根據(jù)當(dāng)前爐料、庫(kù)存原料進(jìn)行配料計(jì)算，提高配料精確度、降低原料成本。（8）能對(duì)設(shè)備和備件進(jìn)行管理和監(jiān)控，制定設(shè)備檢修計(jì)劃，對(duì)設(shè)備故障和修理狀況進(jìn)行記錄。（9）能對(duì)原料、輔料、能源消耗和備件損耗進(jìn)行核算，計(jì)算企業(yè)的車(chē)間、班組甚至鑄錠各級(jí)成本。

根據(jù)上述管理需求，我們將銅板帶加工行業(yè)MES系統(tǒng)劃分為9個(gè)子系統(tǒng)：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度管理、工藝管理、質(zhì)量管理、原料庫(kù)存管理、物料跟蹤、配料管理、設(shè)備與備件管理，以及作業(yè)成本管理。各子系統(tǒng)功能如下。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：對(duì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)，如崗位、班組、人員；企業(yè)的工藝編碼，如牌號(hào)、品種、標(biāo)準(zhǔn)、工序；企業(yè)的質(zhì)量編碼，如質(zhì)量缺陷位置、質(zhì)量缺陷程度、質(zhì)量描述編碼以及其他一些編碼信息?；A(chǔ)數(shù)據(jù)管理的作用是對(duì)MES系統(tǒng)內(nèi)用到的一些編碼進(jìn)行統(tǒng)一管理，為其他系統(tǒng)提供支撐。

生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度管理：生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度管理為整個(gè)MES系統(tǒng)的核心模塊，它接收ERP下達(dá)的合同，根據(jù)設(shè)備、原料準(zhǔn)備情況，結(jié)合當(dāng)前的生產(chǎn)狀態(tài)，制定作業(yè)計(jì)劃，下達(dá)給各機(jī)臺(tái)。根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃生成原料需求計(jì)劃，從而為物資中心組織原料提供依據(jù)。根據(jù)質(zhì)量管理對(duì)料卷作出的改制、殺廢等異常處理，來(lái)決定是否需要增補(bǔ)計(jì)劃。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的各種意外情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。

工藝管理：為MES接收的合同進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題需要進(jìn)行改制處理時(shí)提供改制信息。在生產(chǎn)過(guò)程中執(zhí)行備選工藝時(shí)進(jìn)行工藝審批。

質(zhì)量管理：根據(jù)產(chǎn)品工藝制定相應(yīng)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)在制品進(jìn)行質(zhì)量檢查，對(duì)于出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題的料卷，提出質(zhì)量處理意見(jiàn)。對(duì)成品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)并下達(dá)質(zhì)量判定書(shū)。對(duì)出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析為改進(jìn)工藝提供依據(jù)。

原料庫(kù)存管理：根據(jù)計(jì)劃下達(dá)的近期原料需求計(jì)劃和原料庫(kù)庫(kù)存向物質(zhì)中心進(jìn)行要料，對(duì)所領(lǐng)物料進(jìn)行驗(yàn)收入庫(kù)，根據(jù)配料單組織生產(chǎn)原料并進(jìn)行配料出庫(kù)，余料入庫(kù)，對(duì)各機(jī)臺(tái)廢料進(jìn)行回收。定期對(duì)原料庫(kù)存進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)。

物料跟蹤管理：在鑄錠生產(chǎn)出來(lái)之后，系統(tǒng)將以鑄錠號(hào)作為全程跟蹤碼對(duì)物料進(jìn)行跟蹤。物料跟蹤包括物料實(shí)時(shí)信息跟蹤和歷史信息記錄，實(shí)時(shí)信息跟蹤記錄料卷的當(dāng)前位置、狀態(tài)、重量、規(guī)格等實(shí)時(shí)信息；歷史信息記錄記錄料卷在每道工序上加工的詳細(xì)情況，包括歷史工藝參數(shù)、料卷前后重量、規(guī)格等。除生產(chǎn)信息外，銅料卷的質(zhì)量問(wèn)題也從這里錄入，相關(guān)人員可以查看料卷的質(zhì)量歷史記錄，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的全面跟蹤和管理。

配料管理：銅板帶加工行業(yè)的配料比較復(fù)雜，因此需要為配料單獨(dú)建立一個(gè)功能模塊。在下達(dá)熔次計(jì)劃后，配料管理便根據(jù)熔次計(jì)劃要求的牌號(hào)、重量以及爐內(nèi)分成、重量等實(shí)時(shí)信息進(jìn)行配料計(jì)算，根據(jù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、消耗廢料等原則確定各原料的理論投料量，形成配料單，向原料管理要料。對(duì)投料進(jìn)行記錄形成投料單并對(duì)結(jié)余的原料進(jìn)行退料。在轉(zhuǎn)換牌號(hào)需要洗爐時(shí)，該根據(jù)成本最小原則進(jìn)行洗爐計(jì)算，計(jì)算最少洗爐次數(shù)以及每爐的投料量。

設(shè)備與備件管理：設(shè)備管理對(duì)企業(yè)的設(shè)備主機(jī)臺(tái)帳進(jìn)行維護(hù)，制定各設(shè)備的檢修計(jì)劃，并對(duì)檢修和潤(rùn)滑實(shí)績(jī)進(jìn)行記錄。備件管理是指對(duì)軋輥、銑刀、結(jié)晶器等備件以及潤(rùn)滑油、工具等消耗品進(jìn)行管理，記錄備件和消耗品的使用情況，為成本核算提供依據(jù)。

作業(yè)成本管理：作業(yè)成本管理根據(jù)其他子系統(tǒng)和二級(jí)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，對(duì)企業(yè)的成本進(jìn)行核算。根據(jù)各項(xiàng)作業(yè)的成本動(dòng)因，將作業(yè)費(fèi)用分?jǐn)偟綑C(jī)臺(tái)、班組，料卷，形成各種財(cái)務(wù)報(bào)表，作為企業(yè)制定宏觀決策的依據(jù)。

除上述9個(gè)子系統(tǒng)外，MES系統(tǒng)中還提供2個(gè)接口分別與管理層ERP系統(tǒng)及控制層PCS的設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的交換與格式轉(zhuǎn)換，并保證各層數(shù)據(jù)的獨(dú)立性和安全性。

整個(gè)系統(tǒng)以生產(chǎn)計(jì)劃為主線，以物料跟蹤為基礎(chǔ)，各子系統(tǒng)之間信息交互如圖1所示。并在此基礎(chǔ)上，集成權(quán)限管理、綜合查詢(xún)與報(bào)表管理、系統(tǒng)管理等基礎(chǔ)功能模塊。

3 銅板帶MES系統(tǒng)軟件架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

在銅板帶加工企業(yè)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜、跨度大，并且MES系統(tǒng)需要滿足不同層級(jí)的管理和查詢(xún)需求，以方便與其他系統(tǒng)信息集成，故在軟件架構(gòu)上宜采用B/S結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的MES系統(tǒng)采用典型的三層結(jié)構(gòu)[4]，如圖2所示。在數(shù)據(jù)連接層，通過(guò)調(diào)用各類(lèi)數(shù)據(jù)存取服務(wù)（Data Access Web Service， DAWS）來(lái)與MES自身的數(shù)據(jù)庫(kù)、ERP數(shù)據(jù)庫(kù)以及設(shè)備的數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在業(yè)務(wù)處理層，采用EJB（Enterprise Java Beans）技術(shù)，通過(guò)各類(lèi)業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)（Business Logic Web Service， BLWS）來(lái)封裝業(yè)務(wù)事件，來(lái)滿足業(yè)務(wù)處理的需要。而B(niǎo)LWS是自包含的，可以再調(diào)用子層的BLWS 或DAWS。在表示層，采用JSP、Servlet和XML技術(shù)，將業(yè)務(wù)處理界面在瀏覽器中直觀展示，以提供人機(jī)交互接口。

在上述功能設(shè)計(jì)和軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們針對(duì)某銅板帶加工企業(yè)，開(kāi)發(fā)了一套MES系統(tǒng)，部分界面如圖3所示。該系統(tǒng)已在企業(yè)完成了部署實(shí)施，使用運(yùn)行的效果良好，極大的簡(jiǎn)化了計(jì)劃下達(dá)過(guò)程，提高了物料跟蹤能力，縮短平均交貨期2天，提高產(chǎn)品成品率3個(gè)百分點(diǎn)，證明了上述設(shè)計(jì)的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)銅板帶加工行業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)分析。針對(duì)這些特點(diǎn)及其需求，提出了銅板帶加工行業(yè)的MES所應(yīng)包括的功能子系統(tǒng)，并對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息交互進(jìn)行了詳細(xì)描述。在軟件架構(gòu)方面，該MES系統(tǒng)采用經(jīng)典的3層架構(gòu)，包括表示層、業(yè)務(wù)處理層和數(shù)據(jù)連接層。在功能設(shè)計(jì)和軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了銅板帶加工MES系統(tǒng)，該系統(tǒng)上線運(yùn)行的效果證明了設(shè)計(jì)的有效性，可為該行業(yè)提供參考。

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