銅板帶加工行業MES系統設計與實現

晏曉輝 郭建文 李帥 羅劍英

摘 要：對銅板帶加工行業的工藝流程和現場管控問題進行了分析，指出MES系統是銅板帶企業實施精細化管控的關鍵。針對銅板帶加工的生產特點和需求，對其MES系統的功能需求進行了分析和詳細設計；并在此基礎上，采用經典三層軟件架構對其進行了設計實現。系統運行結果表明該系統能夠提高企業的管理水平，為該行業實施MES系統提供了參考依據。

關鍵詞：銅板帶 MES系統 系統設計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0028-03

1 銅板帶加工行業現狀及MES需求

銅板帶加工行業是典型的混合制造行業，其主要加工過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，然后鑄造成相應合金牌號的銅錠，屬于流程制造。壓延部分包括步進爐加熱、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，鑄錠作為整體進行加工；而在初軋之后，形成的銅卷可能被切割成不同的規格分開加工，屬于離散制造[1]。其整個生產流程比較復雜，主要體現在以下幾個方面。

（1）加工路線長，生產周期較長，并且有環形往返工序。工序之間關聯性較大，對作業和物流相互影響，如步進爐加熱和熱軋工序需要聯動進行加工。

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

（3）生產現場環境復雜，物料難以跟蹤，料卷的生產、質量信息難以及時上報到相關部門，容易發生跟漏、跟丟等問題。

復雜的生產過程和現場條件對銅板帶加工企業的管理水平提出更高的要求。相對于自動化設備等硬件上的提升，該行業的信息化水平卻還處于比較低下的水平。雖然部分企業已經實施了ERP（Enterprise Resource Planning）、OA（Office Automatic）、銷售管理等信息化系統，但各系統之間缺乏有效關聯；而引進的設備雖然在自動化和數據采集上都有較大提升，但采集的信息難以傳達給上層，沒有得到有效利用，形成了信息孤島。因此，如何進一步提高信息化水平，使系統之間的信息能夠自由流通與共享，以實現管控一體化，是銅板帶加工企業亟待解決的一個問題。

隨著企業信息化與ERP體系的發展，越來越多的企業認識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系統越來越臃腫的架構難以實現這一要求[2]。在這種情況下，美國AMR公司在20世紀90年代初提出了制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）的概念，形成ERP/MES/PCS（Process Control System）的三層結構模型。用MES系統來對管理層所作出的宏觀計劃進行分解，并下達給過程控制層進行執行。該三層遞階體系結構為制造業信息系統體系結構提供了重要參照，已經成功應用于眾多行業，逐漸為學術界和企業界所接受[3]。

前文中已經提到，銅板帶加工企業缺乏管理和控制之間的一個橋梁。而MES能滿足這一需求，從執行和反饋層面實現管理和控制的互通。MES從ERP接收訂單，分解成作業計劃，來指導生產，再對生產實績和質量信息進行加工處理，上報給相關部門，使銅加工行業各層信息能夠交互和共享，形成一個閉環。

2 銅板帶加工行業MES功能設計

綜合銅板帶加工行業的特點與生產要求，其MES系統主要需求如下：（1）能對ERP下發的訂單實現快速響應，將訂單標準化，并根據產能確定是否能進行生產。（2）能根據訂單交貨期和當前生產現狀合理分解并下達作業計劃，在設備異常、原料、能源供應等異常時進行有效的調度，盡可能地加快產品生產周期。（3）能對加工工藝進行快速設計和管理，對機臺工藝和工人操作進行監控，報告未按標準執行的工藝。（4）能對物料進行跟蹤，實施監控所有在制品的位置、尺寸、狀態等信息，并對成品庫進行管理。（5）能對質量進行跟蹤，以在后續工序上盡可能將問題消除，并在出現質量問題時能追溯質量故障源頭。（6）能對原料庫庫存進行管理和盤點，根據生產計劃對原料、輔料、備件和能源需求進行預測。（7）能根據當前爐料、庫存原料進行配料計算，提高配料精確度、降低原料成本。（8）能對設備和備件進行管理和監控，制定設備檢修計劃，對設備故障和修理狀況進行記錄。（9）能對原料、輔料、能源消耗和備件損耗進行核算，計算企業的車間、班組甚至鑄錠各級成本。

根據上述管理需求，我們將銅板帶加工行業MES系統劃分為9個子系統：基礎數據管理、生產計劃與調度管理、工藝管理、質量管理、原料庫存管理、物料跟蹤、配料管理、設備與備件管理，以及作業成本管理。各子系統功能如下。

基礎數據管理：對系統的基礎數據進行維護。這些基礎數據包括企業的組織結構，如崗位、班組、人員；企業的工藝編碼，如牌號、品種、標準、工序；企業的質量編碼，如質量缺陷位置、質量缺陷程度、質量描述編碼以及其他一些編碼信息。基礎數據管理的作用是對MES系統內用到的一些編碼進行統一管理，為其他系統提供支撐。

生產計劃與調度管理：生產計劃與調度管理為整個MES系統的核心模塊，它接收ERP下達的合同，根據設備、原料準備情況，結合當前的生產狀態，制定作業計劃，下達給各機臺。根據生產計劃生成原料需求計劃，從而為物資中心組織原料提供依據。根據質量管理對料卷作出的改制、殺廢等異常處理，來決定是否需要增補計劃。針對現場發生的各種意外情況進行實時調度。

工藝管理：為MES接收的合同進行工藝設計，在產品出現質量問題需要進行改制處理時提供改制信息。在生產過程中執行備選工藝時進行工藝審批。

質量管理：根據產品工藝制定相應質量檢驗標準。對在制品進行質量檢查，對于出現嚴重質量問題的料卷，提出質量處理意見。對成品進行質量檢測并下達質量判定書。對出現的質量問題進行統計分析為改進工藝提供依據。

原料庫存管理：根據計劃下達的近期原料需求計劃和原料庫庫存向物質中心進行要料，對所領物料進行驗收入庫，根據配料單組織生產原料并進行配料出庫，余料入庫，對各機臺廢料進行回收。定期對原料庫存進行盤點。

物料跟蹤管理：在鑄錠生產出來之后，系統將以鑄錠號作為全程跟蹤碼對物料進行跟蹤。物料跟蹤包括物料實時信息跟蹤和歷史信息記錄，實時信息跟蹤記錄料卷的當前位置、狀態、重量、規格等實時信息；歷史信息記錄記錄料卷在每道工序上加工的詳細情況，包括歷史工藝參數、料卷前后重量、規格等。除生產信息外，銅料卷的質量問題也從這里錄入，相關人員可以查看料卷的質量歷史記錄，實現質量的全面跟蹤和管理。

配料管理：銅板帶加工行業的配料比較復雜，因此需要為配料單獨建立一個功能模塊。在下達熔次計劃后，配料管理便根據熔次計劃要求的牌號、重量以及爐內分成、重量等實時信息進行配料計算，根據經濟最優、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。對投料進行記錄形成投料單并對結余的原料進行退料。在轉換牌號需要洗爐時，該根據成本最小原則進行洗爐計算，計算最少洗爐次數以及每爐的投料量。

設備與備件管理：設備管理對企業的設備主機臺帳進行維護，制定各設備的檢修計劃，并對檢修和潤滑實績進行記錄。備件管理是指對軋輥、銑刀、結晶器等備件以及潤滑油、工具等消耗品進行管理，記錄備件和消耗品的使用情況，為成本核算提供依據。

作業成本管理：作業成本管理根據其他子系統和二級設備采集的數據，對企業的成本進行核算。根據各項作業的成本動因，將作業費用分攤到機臺、班組，料卷，形成各種財務報表，作為企業制定宏觀決策的依據。

除上述9個子系統外，MES系統中還提供2個接口分別與管理層ERP系統及控制層PCS的設備進行對接，來實現信息的交換與格式轉換，并保證各層數據的獨立性和安全性。

整個系統以生產計劃為主線，以物料跟蹤為基礎，各子系統之間信息交互如圖1所示。并在此基礎上，集成權限管理、綜合查詢與報表管理、系統管理等基礎功能模塊。

3 銅板帶MES系統軟件架構及實現

在銅板帶加工企業，生產現場復雜、跨度大，并且MES系統需要滿足不同層級的管理和查詢需求，以方便與其他系統信息集成，故在軟件架構上宜采用B/S結構。本文所設計的MES系統采用典型的三層結構[4]，如圖2所示。在數據連接層，通過調用各類數據存取服務（Data Access Web Service， DAWS）來與MES自身的數據庫、ERP數據庫以及設備的數據庫等進行數據交換。在業務處理層，采用EJB（Enterprise Java Beans）技術，通過各類業務邏輯服務（Business Logic Web Service， BLWS）來封裝業務事件，來滿足業務處理的需要。而BLWS是自包含的，可以再調用子層的BLWS 或DAWS。在表示層，采用JSP、Servlet和XML技術，將業務處理界面在瀏覽器中直觀展示，以提供人機交互接口。

在上述功能設計和軟件架構的基礎上，我們針對某銅板帶加工企業，開發了一套MES系統，部分界面如圖3所示。該系統已在企業完成了部署實施，使用運行的效果良好，極大的簡化了計劃下達過程，提高了物料跟蹤能力，縮短平均交貨期2天，提高產品成品率3個百分點，證明了上述設計的可靠性。

4 結語

該文對銅板帶加工行業的生產特點和難點進行了總結分析。針對這些特點及其需求，提出了銅板帶加工行業的MES所應包括的功能子系統，并對各個子系統之間的信息交互進行了詳細描述。在軟件架構方面，該MES系統采用經典的3層架構，包括表示層、業務處理層和數據連接層。在功能設計和軟件架構的基礎上，開發了銅板帶加工MES系統，該系統上線運行的效果證明了設計的有效性，可為該行業提供參考。

參考文獻

[1]晏曉輝，朱云龍，呂賜興.面向訂單的銅板帶生產組批及優化[J].計算機集成制造系統，2011，17（9）：1938-1943.

[2]鄧汝春，郭孔快.基于精益供應鏈的制造執行系統MES的研究[J].工業工程與管理，2012，17（4）：114-120.

[3]柴天佑，金以慧，任德祥，等.基于三層結構的流程工業現代集成制造系統[J].控制工程，2002，9（3）：1-6.

[4]王軍強，周雪明，郭銀洲，等.可擴展制造執行系統軟件體系結構設計與實現[J].計算機集成制造系統，2014， 20（5）：1035-1050.