劉福德，姚明海

（渤海大學 大學基礎教研部，錦州 121013）

鋼鐵企業(yè)CIMS信息流分析與功能設計

劉福德，姚明海

（渤海大學 大學基礎教研部，錦州 121013）

CIMS技術結合了先進的信息技術和生產管理理念，實現(xiàn)企業(yè)生產經營的信息化和集成化，能夠適應市場環(huán)境變化，提高企業(yè)競爭力。結合鋼鐵企業(yè)生產過程的特點，以信息流分析為基礎進行功能設計，為鋼鐵企業(yè)開發(fā)和實施CIMS提供解決方案。首先，設計了鋼鐵企業(yè)CIMS的總體結構，通過CIMS信息流圖表明了ERP/MES/PCS之間的關系，并描述了信息傳遞過程，研究了信息集成方法；然后，依據(jù)信息流分析設計了軟件功能結構并對功能進行了簡要描述。實際應用時要與企業(yè)自身狀況相結合，以實現(xiàn)生產和經營的無縫集成。

鋼鐵企業(yè)；CIMS；信息流分析；功能設計；計算機集成制造系統(tǒng)

0 引言

鋼鐵企業(yè)是我國國民經濟的支柱產業(yè)，鋼鐵企業(yè)發(fā)展是我國國民經濟發(fā)展的重要標志之一。隨著市場經濟發(fā)展和國有大中型企業(yè)改革深化，強化企業(yè)內部管理，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)內部信息電子化建設具有不可替代的作用。市場經濟的高要求和復雜多變，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失控和實時控制混亂等問題，制約著企業(yè)發(fā)展。實施CIMS工程，利用信息技術實現(xiàn)企業(yè)管理的科學化、精細化和高效化，是推動企業(yè)科技進步和實現(xiàn)管理現(xiàn)代化的重要措施。

CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，計算機集成制造系統(tǒng)），是將計算機技術、自動化技術和制造技術相結合，將生產制造過程的信息采集、傳遞和加工處理過相統(tǒng)一，實現(xiàn)整體效益的集成化和智能化制造系統(tǒng)。在經濟全球化環(huán)境下，CIMS技術不斷發(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聯(lián)系，從而提高企業(yè)的市場應變能力和競爭力[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)。鋼鐵生產過程是融溫度、時間、空間和資源約束為一體的復雜動態(tài)系統(tǒng)，同時具有連續(xù)與離散特質的多階段混合生產方式，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三層框架結構，結合鋼鐵企業(yè)生產經營活動的特點所設計的CIMS總體結構如圖1所示。

圖1 鋼鐵企業(yè)CIMS的總體結構

如圖1所示的系統(tǒng)結構由兩個支撐分系統(tǒng)和四個功能分系統(tǒng)構成。其中，兩個功能分系統(tǒng)分別是數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)和計算機網絡分系統(tǒng)，計算機網絡分系統(tǒng)由硬件設備、通信設施和網絡軟件構成，是系統(tǒng)運行的基礎設施。數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)提供系統(tǒng)運行所需數(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)網絡服務分系統(tǒng)、資源計劃分系統(tǒng)、生產執(zhí)行分系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)，其中，企業(yè)網絡服務分系統(tǒng)是提供互聯(lián)網服務的應用系統(tǒng)，其他三個分系統(tǒng)是本文研究的核心內容，將下面詳細說明。本文作者將大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)CIMS的成功經驗總結出來，以信息流分析為基礎進行功能設計，為鋼鐵企業(yè)開發(fā)和實施CIMS提供解決方案。

1 信息流分析

鋼鐵企業(yè)CIMS的核心是資源計劃分系統(tǒng)（ERP，Enterprise Resource Planning)、生產執(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是經營管理與決策的基礎，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)，是實現(xiàn)生產過程優(yōu)化運行與管理的技術核心系統(tǒng)；PCS進行數(shù)據(jù)采集、生產過程操作與過程監(jiān)控，是流程工業(yè)的關鍵系統(tǒng)。在復雜的鋼鐵生產過程中，單一的ERP無法實時采集生產數(shù)據(jù)，也不能對資源進行有效調度和配置；單一的MES無法對生產信息進行細化和分解，也無法實現(xiàn)與控制信息的有效結合；單一的PCS無法將控制數(shù)據(jù)直接應用于生產調度。因此，必須掘棄“信息孤島”，實施信息集成化技術，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)，提高調度的實時性和靈活性。參照相關文獻[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，從層次結構分析，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，解決了生產管理與設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，運用PCS底層采集的數(shù)據(jù)，為優(yōu)化和控制生產線提供依據(jù)和保證，以適應鋼鐵生產實時化的要求；從時間因素分析，ERP處理的問題域是中長期的生產計劃，MES處理的問題域是近期生產任務的協(xié)調安排問題，PCS實時地接收生產指令，使設備正常加工運轉。信息流在ERP/MES/PCS之間傳遞和反饋，三者相互關聯(lián)、互為補充，實現(xiàn)企業(yè)的連續(xù)信息流，保證了信息的實時性，使企業(yè)生產計劃、調度和動態(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、資金流和信息流進行全面一體化的信息系統(tǒng)，融合了管理理念、業(yè)務流程、基礎數(shù)據(jù)和人力物力資源，核心功能是資源計劃，將生產計劃數(shù)據(jù)直接應用于MES的生產調度管理。同時，接收MES的生產統(tǒng)計、計量管理、物料平衡、生產管理和設備運行等數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化資源計劃。ERP與MES之間傳遞的信息流包括物料清單、生產需求、生產工藝、加工計劃、庫存情況、人力資源、訂單及完成情況、物資消耗、產品質量和備品備件等。

2）MES與PCS之間的信息傳遞。過程控制系統(tǒng)負責處理生產過程中各種信息，過程監(jiān)控層接收現(xiàn)場信息后，利用各種先進控制方法，通過DCS系統(tǒng)優(yōu)化控制，使生產過程在最佳狀態(tài)下運行。故障發(fā)生時，可自動報警，利用專家系統(tǒng)進行故障診斷，并指導運行人員排除故障。MES與PCS之間信息的傳遞包括生產調度、生產數(shù)據(jù)、工序情況、設備運行參數(shù)、設備運行狀況、人員狀況、生產計劃、生產優(yōu)化、生產情況報告和物料盤點信息等。PCS根據(jù)MES傳遞的信息進行相應操作，將并操作結果和實時數(shù)據(jù)返回給MES。

1.2 信息集成技術

CIMS信息來源于企業(yè)經營管理、生產調度、實時采集、上級部門、供應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)不一的信息進行系統(tǒng)分析、合并同類、辨清正誤和消除冗余的過程，進而實現(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，重用是集成的最高層次。結合鋼鐵企業(yè)CIMS的特點，信息集成建議采用OPC標準、共享數(shù)據(jù)庫和XML數(shù)據(jù)交換技術相結合。其中，OPC（OLE for Process Control）標準定義了數(shù)據(jù)訪問的COM接口，采集現(xiàn)場硬件設備的數(shù)據(jù)，通過標準的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，大部分數(shù)據(jù)使用這種方式，既可以將共享的信息復制到一個公共數(shù)據(jù)庫，也可以采用數(shù)據(jù)聯(lián)邦的方式構建虛擬數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)庫共享；對于不同平臺的異構數(shù)據(jù)庫，采用XML數(shù)據(jù)交換技術，發(fā)揮XML擴展性、自描述性和多語種支持的特點，實現(xiàn)跨平臺和跨地域異構應用間的協(xié)同工作[7～9]。

2 軟件功能設計

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

2.1 軟件功能結構

功能結構是將系統(tǒng)功能分解后按功能從屬關系表示的層次結構圖，鋼鐵企業(yè)CIMS功能結構如圖3所示。

圖3 鋼鐵企業(yè)CIMS功能結構

圖3所示的功能結構由四個分系統(tǒng)構成，除企業(yè)網絡服務分系統(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計思想，每個子系統(tǒng)在邏輯上相互獨立，通過信息流和信息集成技術實現(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)網絡服務分系統(tǒng)具有兩種功能，一是作為門戶網站，為企業(yè)提供信息展示和與客戶進行有效溝通的渠道；二是作為Web服務，為Web應用提供支持并實現(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）資源計劃分系統(tǒng)ERP。財務是現(xiàn)代企業(yè)管理的“心臟”，根據(jù)鋼鐵企業(yè)的生產經營管理流程和組織機構特點，應建立以財務管理為中心的ERP分系統(tǒng)，以均衡物料、安全高效、低耗優(yōu)質和優(yōu)化工藝操作為目標，最大限度地適應企業(yè)內部和外部環(huán)境，有效解決ERP實施過程中遇到的難題。ERP包括財務、計劃、項目投資、原料供應、固定資產、備品備件、人力資源和產品銷售等子系統(tǒng)，把人、財、物等各種資源與產、供、銷等各個環(huán)節(jié)，通過科學的方法來實行有效地計劃、組織、協(xié)調和控制，把企業(yè)所有生產經營活動聯(lián)成一個整體，各個子系統(tǒng)在生產經營中協(xié)調有序地發(fā)揮作用，通過對信息流的有效控制，實現(xiàn)對物流和資金流的閉環(huán)控制[10]。

2）生產執(zhí)行分系統(tǒng)MES。鋼鐵生產是包括燒結、煉鐵、煉鋼、鋼錠開坯和軋鋼等一系列工藝過程的生產過程，為了充分發(fā)揮設備的生產能力，達到降低生產成本和提高經濟效益的目的，按照先進制造技術和信息技術的發(fā)展趨勢，應建立基于知識的MES分系統(tǒng)，通過知識的不斷積累推動企業(yè)發(fā)展。MES包括生產調度、過程優(yōu)化、生產管理、成本控制、質量管理、計量管理和設備運行管理等子系統(tǒng)。MES為管理人員提供各類生產統(tǒng)計信息、計量信息和物料平衡信息，實現(xiàn)生產計劃管理與生產過程信息管理的有機結合，為領導提供輔助決策功能。通過采用過程建模與優(yōu)化控制技術，實現(xiàn)鋼鐵生產過程的優(yōu)化控制和優(yōu)化運行，從而提高生產效率。

3）過程控制分系統(tǒng)PCS。以計算機控制為主，還包括傳感器、執(zhí)行機構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、化學和物理化學等變化復雜機理，通過過程控制分系統(tǒng)PCS，完成數(shù)據(jù)采集、工藝參數(shù)調整、生產過程操作、關鍵設備監(jiān)控和生產協(xié)調等功能。PCS具體包括焦化、燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼、連鑄連軋和輔助生產等過程控制子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又由基礎自動化和過程自動化提供支持。其中，基礎自動化由電氣傳動自動化和儀表自動化構成，實現(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算機系統(tǒng)構成，對生產過程進行模型優(yōu)化，實現(xiàn)設備協(xié)調生產，提高質量，降低消耗[11,12]。

3 結束語

鋼鐵企業(yè)生產過程復雜，面對激烈的市場競爭環(huán)境，企業(yè)需要加強自身建設，從產品、工藝、生產設備和生產管理等方面來提高競爭力。CIMS是先進的生產控制管理理論與技術的集成，是企業(yè)提高競爭力的有效途徑。鋼鐵企業(yè)CIMS建設是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及到許多技術因素和非技術因素，本文的信息流分析與功能設計，是作者實際開發(fā)大型鋼鐵企業(yè)CIMS的經驗總結，具有重要的參考價值。實際應用本文研究成果時，還要結合企業(yè)的自身狀況，將先進的計算機技術、網絡通信技術、自動控制技術和人工智能技術有效結合，實現(xiàn)與企業(yè)生產和經營管理的無縫集成。

[1] 徐飛,成婕.面向產品型中小企業(yè)的CIMS體系結構與實施思路探討[J].裝備制造技術,2014,42(3):244-245.

[2] Yusuf Tansel. An experimental design approach using TOPSIS method for the selection of computer-integrated manufacturing technologies[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2012,28(2):245-256.

[3] 周苑,周巖,程自力.鋼鐵企業(yè)APS系統(tǒng)與ERP/MES系統(tǒng)的集成設計研究[J].制造業(yè)自動化,2015,37(4):53-56.

[4] 徐露露,蔣國璋.面向鋼鐵生產流程的調度模型庫系統(tǒng)的研究與建模[J].機械設計與制造,2016,54(11):183-186.

[5] Morteza Poorkiany, Joel Johansson,Fredrik Elgh. Capturing, structuring and accessing design rationale in integrated product design and manufacturing processes[J].Advanced Engineering Informatics.2016,30(3):522-536.

[6] Juan M. Novas, Gabriela P. Henning. Integrated scheduling of resource-constrained flexible manufacturing systems using constraint programming[J].Expert Systems with Applications. 2014,41(5):2286-2299.

[7] 郭維河.鋼鐵企業(yè)ERP與MES、計量系統(tǒng)集成設計與應用[J].信息技術與信息化,2015,40(9):45-47.

[8] 空竹的博客.基于ERP/PDM/MES/PCS的數(shù)字制造系統(tǒng)信息集成研究[EB/OL].http://blog.sina.com.cn/ericxufund,2016-12-2.

[9] 360個人圖書館.流程型企業(yè)SCM/ERP/MES/PCS集成[EB/OL]. http://www.360doc.com/content/16/0316215.shtml,2016-12-2.

[10] Minou Parhizkar,Marco Comuzzi.Impact analysis of ERP post-implementation modifications:Design,tool support and evaluation[J].Computers in Industry.2017,84(1):25-38.

[11] 鄭忠,龍建宇,高小強,等.鋼鐵企業(yè)以計劃調度為核心的生產運行控制技術現(xiàn)狀與展望[J].計算機集成制造系統(tǒng),2014,20(11): 2660-2674.

[12] 黃琦,劉麗蘭,王森,周維.基于動態(tài)數(shù)據(jù)驅動的鋼鐵生產仿真系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化,2016,38(17):14-17.

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目（201601349）

劉福德（1964 -），男，遼寧興城人，副教授，本科，研究方向為CIMS系統(tǒng)開發(fā)。