钢铁MES解决方案

钢铁MES集成解决方案RMETAL

北京红河谷自动化发展公司方彬

济南钢铁集团公司生产部赵雁军

二00四年七月

目录

一、钢铁企业生产特点和产销一体化 (3)

二、RMETAL系统总体架构 (6)

三、RMETAL铁前MES系统 (9)

四、 RMETAL产销一体化系统 (10)

MES平台介绍 (10)

RMETAL产销系统的实施 (15)

五、RMETAL分厂L3系统（WIP） (18)

L3网络系统建设 (19)

推杆执行跟踪专利 (19)

六、总结

(22)

钢铁MES集成解决方案RMETAL

北京红河谷自动化发展公司方彬

济南钢铁集团公司生产部赵雁军

随着企业信息化系统的不断深入，MES(Manufacturing Execution System)，即制造执行系统，近年得到飞速发展。MES系统主要是用于企业生产执行的信息系统。MES系统实施的主要目标是如何提高生产能力，如何降低生产成本，如何缩短交货期，如何使得企业生产与市场销售同步（产销一体化）等。本文对钢铁企业产销一体化系统的建设作一些探讨，并在引进国际钢铁MES平台基础上，结合我国钢铁企业实际国情，提出一整套钢铁企业MES系统整体解决方案RMETAL。

一、钢铁企业生产特点和产销一体化

钢铁行业生产有其自身特点：

1．多分厂联合制造生产：产品制造需要经过多分厂联合制造才能交货；

2．大规模定制生产：炉次/浇次/轧次等工序的组织要有规模定制，并遵守复杂工艺约束；

3．生产条件严格：M：N式物料配置，产品规格多，严格的物料需求、能源需求和生产准备等。

这种复杂性使得基于1：N的BOM表的通用ERP软件MRP模块基本无法运转，因此无法实现详细物料需求，无法实现每日生产排程（工序）。而钢铁企业生产是第一位的，生产排程不能作到工序，意味着无法实现一级生产计划，依据生产排程返回的作业实绩就无法得到，因此财务的成本不能核算到工序。一句话，没有MES系统支持，ERP系统如同空中楼阁，无法发挥应有作用。这也就是为什么钢铁企业不同于纯离散行业，信息化必须实施ERP+MES系统的原因。

我国中型钢铁企业（1000万吨以下）数量最多。目前的生产组织模式是分为以下几个层次：

。公司生产计划（PLANNING）：生产计划主要确定大宗原料采购、能源分配、铁前生产计划、钢后产量计划、设备大中修计划等。生产计划主要是是产能计划，由生产部、销售部依据市场预测进行制定，有年计划、季计划、月计划，最终以月计划为执行计划。

。钢后生产排程（SCHEDULING）：按照销售订单制定每天钢后（炼钢、轧钢等）生产排程（一级生产计划），并据此组织炼钢、轧钢每天的生产执行、产品入库与发货。销售签单周期则是旬、月，但生产排程周期则是周、三日、日等滚动执行。

。分厂作业执行（EXECUTING）：生产分厂依据生产部下达生产任务排程进行作业执行。铁前作业按照生产计划执行；钢后作业执行需要根据原料准备情况以及炼钢、连铸、轧钢工艺约束条件，按照产能最大、成本最低原则进行组炉、组浇、组轧（二级作业计划），排定作业顺序（SEQUENCE），下达执行，并对执行实绩（数量/质量）进行收集。

图1：钢铁企业生产流程

目前，我国钢铁企业生产管理与执行基本是人工进行。生产部每天组织生产调度会，协调上述三个层面问题。人工管理存在的问题很突出：

1．产能得不到优化、最大化，生产成本高；

2．存在大量的遗留板（非合同板，10%-30%）；

3．日计划兑现率低（30%-95%）；

4．人工计划劳动强度大；

5．无法精确掌控现场生产和物流，生产管理粗放；

6．客户无法知晓定单执行情况，交货期不确定。

对于这些问题，究其原因，主要是由于钢铁企业多分厂结构，生产信息一体化集成度不高，设备/工艺稳定性差，情况不明，生产变化不能及时反应调度等等造成的。

以上是目前我国钢铁公司生产组织方面的一些主要问题。解决这些问题的办法只有实施产销一体化系统。所谓产销一体化系统首先要实现的是生产一体化，即实现一级生产计划制，也就是生产部利用产销一体化的信息系统，根据定单，直接排定炉次、浇次、轧次作业，下达分厂执行；调度也是以此炉次/浇次/轧次为单位，以分钟级反应调度。分厂不设计划员，只是监控执行（久而久之，分厂就是生产车间，有作业长就可以了）。这样，生产信息尽在集中掌控之中，从而达到提高运行效率之目的。

另外，钢铁行业产销是一对矛盾的统一体。从市场销售来看，必须实现按订单生产，多品种，小批量，并充分考虑客户个性化需求，争取最广泛的细分市场。

从生产角度来看，如此会造成打包生产很困难，很难释放出企业的产能，达到产量的最大化。而在钢铁行业，不实现产能最大，只是一味追求按单生产，追求每一个客户满意，赢得细分市场，企业内部只会增加生产成本，降低经济效益。所以，如何在生产产能和订单销售之间达到平衡，既能很好实现产能最大，又能很好实现按单生产，成为每一个钢铁企业面临的一个关键问题。

解决上述矛盾的最好办法也是建立产销一体化系统。所谓产销一体化系统，就是把钢铁企业的生产和销售一体化，由信息化系统来综合平衡、优化设定生产销售的模式，由信息系统来进行生产计划排程，最终目的是实现企业效益最大化。

产销一体化系统的实施途径是靠MES系统来完成的。因此实施MES系统（目标是产销一体化）是钢铁信息化的重要组成部分，也是ERP系统成功实施的基础和保证。

ERP系统的实施目标是实现管理流程化，而MES的实施目标是实现产销一体化，具体包含目标是：

。提高生产效率，最大限度释放产能；

。减低生产成本；

。缩短交货期；

。改善客户服务与支持。

可见，MES系统的实施是能够提升钢铁企业的核心竞争力的举措。宝钢、武钢、鞍钢都先后投资实现了产销一体化系统，韩国POSCO也是依靠其产销一体化系统STEELPIA才获得高效运作效率的。实践效果也证明了钢铁企业产销一体化系统的先进性、必要性。

二、RMETAL系统总体架构

实际上，任何大型企业信息化系统是分层实现的，一般分为三层结构：最上层是面向企业商务和计划的ERP系统，中间层是面向生产和执行过程的MES制造执行系统，最底层是面向生产过程和控制的PCS过程控制系统。如下图2示意：

图2：企业信息化体系结构

对于钢铁联合企业，其由高烧焦球、炼铁、炼钢、轧钢等多分厂联合生产制造，各个生产分厂/工序之间需要紧密协作，才能实现稳定高效生产，情况要复杂的多。钢铁企业生产体系如下图3表示：

连铸成品

高烧焦球

图3：钢铁企业生产体系

因此，钢铁企业信息化体系结构，尤其是MES系统部分更加复杂。根据我国钢铁企业实际，结合引进国际先进的MES平台，我们提出RMETAL钢铁MES系统集成解决方案。其总体结构如下图4示。其中除ERP外都是钢铁MES的范围。钢铁生产流程特点是，铁前主要是连续流程，钢后主要是离散流程，故MES系统的设计也不相同。铁前生产无须面向定单，以计划为主，追求精料稳产，故铁前MES （包括物流跟踪），要根据其特点设计。钢后生产必须面向定单，产销一体化，故须开发产销一体化系统；同时钢后物流和作业实绩要实时收集上来，要与L1/L2系统无逢集成，故还要开发炼钢分厂L3系统、轧钢分厂L3系统（详细后述）。RMETAL 系统实施，能够把钢铁企业生产的各个环节，用信息化手段整合集成，高效运转，提高生产效率，降低生产成本，改善客户服务，从而提升企业核心竞争力。

图4：RMETAL系统总体结构

RMETAL系统功能方案如下图5示意。详细功能后面将一一介绍。

图5： RMETAL系统总体功能方案

三、RMETAL铁前MES系统

铁前包括原料、焦化、烧结、炼铁（高炉等）等多分厂。由于铁前生产基本上是按月计划生产，追求稳定、均衡、高产，因此铁前MES既可以每个分厂建立L3系统来构成铁前MES，也可以统一建立铁前MES系统。铁前过程基本上是连续生产过程，故采用实时数据库的办法实施MES系统较为合适。

铁前MES系统总体结构如下图6示意。

铁前MES系统功能主要是：

。作业计划：根据下达月作业计划，制定周/日/班生产作业计划，下达各工序执行；

。生产调度：根据现场生产变化情况，及时调整作业计划，保证生产稳定；

。物流跟踪：跟踪分厂/工序之间物流，收集产量、质量信息；

。质量跟踪：跟踪质量信息，监控质量变化，确保质量稳定；

。设备监控：监控设备运行状态，及时进行生产调度；

。KPI监控：实时采集、监控关键运行参数，确保生产稳定；

。生产统计报表：统计生产数据并打印生产报表；

。其他：开发实时信息发布等其他各项功能。

铁前MES实施首先是选择好实时数据库平台软件。目前，在流程行业广泛应用的有INFO-plus，IN-SQL等实时数据库平台可以选择。铁前MES成败关键是实时数据库的开发和与现有L1/L2系统接口。另外，铁前MES系统与ERP系统接口也要事先设计好。篇幅关系，此不详细探讨。

图6 ：铁前MES系统结构

四、 RMETAL产销一体化系统

RMETAL系统的关键是实现产销一体化系统。RMETAL系统采用引进国际先进的钢铁MES平台，结合国内钢铁企业实际的技术路线实施产销一体化系统。目前国际上著名MES平台有韩国蒲项（POSCO）的MES平台STEELPIA（济钢采用）、德国PSI公司的MES平台PPS、美钢联的MES平台OFS、英国BRONER公司的MES平台PPS等。这些平台各有千秋，所处国情不同，其体系结构是有很大区别的，但是目标只有一个，就是实现钢铁企业产销一体化。

MES平台介绍

钢铁MES平台基本分为生产管理和作业管理两个层面设计。

1．生产管理层（APS）：

生产管理层次也叫APS（Advanced Planning & Scheduling）,即高级计划排程，主要用于生产计划与排程的制定。它以提高生产效率、缩短交货期、降低库存为目标，计划、排程、优化从定单开始到产品产出的整个生产活动（项目可细化到工序，时间可细化到小时分钟）；另外APS根据生产实际情况，动态调整生产计划排程，提高事件处理效率（动态调度）。具体功能如下：

1）订单处理

（1）订单输入

直接从ERP计划模块中导入销售订单。

（2）客户订单转换成生产订单

将销售订单转换成可执行的、分段的生产订单，得出炉次、浇次、轧次等分段的需求。

（3）生产订单处理

生产订单处理涵盖了对生产订单对象的基本操作。处理过程中可以灵活操作一些基本数据，如：生产订单交货期、生产订单数量、异常情况下生产订单追加等。紧急定单可以做出标识，以使在后续生产排程考虑中给它一个优先级。

另外，生产订单处理还包括过程状态信息的管理，以使物流经过各段时能跟踪生产订单的执行情况。

（4）生产订单分析

根据交货期、钢种、规格，对整个生产订单库进行分析。

（5）生产订单归并产生

对生产订单进行归并，形成各段组合生产定单（生产物品/完成日期、），即各分厂生产炉次/浇次/坯次/轧次任务订单。

2）库料管理

（1）库存维护

实际的库存维护是由生产控制系统来执行，这里库存数据通过和数据集成系统或设备计算机连接来更新。

（2）库存分析

物料库存分析给计划员提供了最大的实际库存结构的透明度。库存分析包括所有生产区域的物料组成和分类，以及所有可知的物料具体属性,它包括定单绑定的和

未绑定的物料。

有关库存，典型的问题有：

。未绑定定单的物料；

。设备前的物料和数量；

。实际的，物理的仓库存储情况。

。对不同路径的分析，有助于计划员灵活应对生产中的异常情况。

。对定单绑定的物料，它要和生产订单数据匹配在一起。这样就能监控所有在制品；

。交货期保障的问题；

。质量的问题。

3)生产排程

（1）物料需求确定

每台设备前都有其物料需求，需求量取决于生产定单中定义的目标数量。实际需求的数量考虑到生产过程中的损耗，倒排计算得出。钢种和数量已在定单处理中确定，通过集成定单绑定功能，未绑定的可用物料数量可在库存中进行平衡。（2）工厂日历

工厂日历用来给全线生产设备使用作出时间分配，形成生产排程的产能时间框架，它包括两个方面内容：

a．所有可用设备产能情况，如：班计划、作业能力状况；

b．计划设置状态（作业周期约束情况）。

另外，对全线设备或单个设备也要考虑到停止作业安排，如：节假日、检修；通过设备使用率，我们也可以表示出设备增加的或减少的使用时间状况。

工厂日历中可设置作业周期约束，一个生产定单的执行可以带有一些作业约束，如：转炉修炉、连铸换中间包、轧机换辊等，对生产物品是有约束的。

（3）计划板

生产排程最重要的表示方法是计划板，它反映了所有设备在一段时间和工作负载下的产能分配情况，它是工厂模型最明显和直观的图形表示方法。将来生产部的计划科就要面向计划板，进行实时编制、调整计划操作。

APS计划板总图

计划图

库料/负荷/交货期

等等分析图

图7：APS计划板

2.作业管理层（PSS）：

作业管理层，也叫PSS(Plant Sequencing System),高级作业线排序模块，主要用于产线作业计划制定与排序。PSS接收APS形成的生产订单排程（炉次/浇次/坯次/轧次完成时间），进行生产作业排序操作（炉次/浇次/坯次/轧次执行顺序SEQUENCE）,并下达给分厂L3系统执行。其目标是：生产稳定均衡；设备利用率最大化；缩短生产维修、准备、等待时间；降低库料消耗，降低成本。

1）库存分析

对设备前的物料库和生产订单库进行分析，以作作业排序准备。

2）作业排序执行

通过优化算法，产生作业排序，也可手动调整作业排序，如加热炉的排钢顺序，加热炉出钢顺序等。

3）作业程序管理

存储、下达、删除、加载作业排序。

PSS作业排序是通过算法来实现的，如：炉机匹配算法、连铸作业算法、连铸-加热炉热送直装作业算法、加热炉-轧机匹配算法、长线作业（连铸-热轧-冷轧）作业算法等。

除上述功能外，各家MES平台也包括库管理功能模块，其主要用于中间库（坯库、卷库）和成品库管理，目的使得生产管理人员对库料有一个直观的掌控，从而正确调配。这些库管在国外都是与仓库自动化系统相连接的，国内基本少有自动化库管，因此要结合本厂实际开发、选用。下图为冷轧钢卷库管理界面。

图8：MES库管理模块界面

质量管理

质量管理进程管理

进程管理工序计划

工序计划生产管制

生产管制生产统计管理

生产统计管理3级~4级之间接口管理3级~4级之间接口管理SMS 作业管理SMS 作业管理热轧作业管理热轧作业管理轧辊管理轧辊管理材质检验管理材质检验管理库管理库管理2级~3级之间接口管理

2级~3级之间接口管理发货管理发货管理RMETAL 产销系统的实施

引进了国际先进的MES 平台只是搭起了产销一体化系统的框架，如同ERP 系统购买了ERP 套件软件。产销一体化系统的关键在于实施者和实施过程。我们认为产销一体化系统实施成败有两个关键点。一是生产管理上的变革。产销一体化系统是要从根本上改变原有生产经营管理模式的大变革，故企业一把手要坚决支持。如酒泉钢铁公司将二级分厂撤消，改为作业长制，就是对产销一体化系统的强力支持。实际上这也是产销系统实施的结果。二是与原有L1/L2自动化系统的接口和物流信息的采集。处理好接口，就不会制造新的空中楼阁（后面涉及）。

RMETAL 产销系统把实施当作重要环节处理，积累了很多实战经验，可以保证系统最终成功。

1．RMETAL 产销系统基本设计思路

RMETAL 产销系统的基本设计思路是：

A ．生产管理一体化集成：强化生产集成计划与控制职能，计划作到工序（炉次／浇次／坯次／板次）,时间作到小时/分钟，分厂只设作业执行。

B ．以订单为龙头，按线精细化管理生产：

根据钢后产品产线特点（板材/线材/型材/卷材等），分别为各产线（炼钢/轧钢）设计MES 系统，进行详细生产排程和作业执行，实时精细化管理生产（排程与调度）。

产品结构的不同可以带来MES系统结构的差异，因此一定要区别对待。2．RMETAL产销系统功能结构

RMETAL产销系统结构如上图5示。其由公司生产计划、钢后生产排程、分厂作业执行三部分构成：

A、公司生产计划：由需求预测、生产计划（铁前各厂/钢后各厂/年/季/月）、原料采购、能源分配、设备大中修等模块构成，主要完成公司生产产能计划与大宗原料采购。铁前分厂直接按照本计划执行生产即可。本部分功能可以人工完成，也可以由ERP来完成。

B、钢后生产管理：由订单处理、质量设计、工艺设计、生产排程（炉次/浇次/轧次/天/班/时）、仓库发货管理等模块构成，主要完成钢后各产线详细生产任务排程。产线生产排程从铁水处理开始，细化到每一炉次、每一浇次、每一钢坯、每一轧次、每一钢板/卷，直到成品入库。排程从订单开始，倒推钢坯、浇次、炉次，并按照产能最大化、成本最低原则，按照工艺约束条件，经过专家系统推理自动产生。本部分功能主要由MES的APS模块完成。本部分核心功能是组炉、组浇、组轧，倒排出有效工序排程，再顺序执行工序排程。见下图10示意。

图10：工序排程计划编制示意

C ：分厂作业管理：由炼钢作业管理、连铸作业管理、轧钢作业管理（含冶铸轧一体化管制，如连铸连轧生产线）、库管理、轧辊/中包管理、质量管理、发货管理等模块构成。钢后作业执行可以根据原料准备情况以及炼钢、连铸、轧钢工艺约束条件，按照产能最大、成本最低原则，在遵守生产排程前提之下，现场设定作业顺序（SEQUENCE ）。本部分功能主要由MES 的PSS 模块完成。

RMETAL 产销一体化系统的实施，不仅能很好解决钢铁企业产销问题，而且可以为ERP 系统的实施提供坚实基础。ERP 系统不能解决的生产排程、作业执行问题由MES 解决，同时MES 收集的作业实绩（计量/质量）可以返回ERP 的WIP 模块核算出工序成本，从而真正反应公司财务运行状况。

3．RMETAL 系统IT 结构

钢铁公司实现上述RMETAL 产销一体化系统IT 结构如下图11示：

从图架构可以看出，RMETAL 产销一体化系统主要由MES 平台模块来完成。APS 负责全公司钢后各产线生产排程（SCHEDULING ），而各产线PSS/WIP 则负责该产线详细作业排序（SEQUENCING ）与执行。生产计划部分由ERP 系统完成。WIP 部分即是分厂L3系统，后述。

实时数据库）

冷轧炼钢WIP WIP WIP 图11： RMETAL 系统IT 实施结构

4．ERP生产计划模块与MES的生产排程的分工

如果企业同时也实施ERP系统，ERP的生产计划模块与MES的生产排程需要明确分工。RMETAL系统对于该分工有详细方案。概述如下：

ERP负责生产计划。生产计划主要确定大宗原料采购、能源分配、铁前生产计划、钢后产量计划、设备大中修计划等。生产计划主要是是产能计划，由生产部、销售部依据市场预测进行制定，有年计划、季计划、月计划、周计划、日计划等。

MES负责钢后生产排程，包括定单处理（定单可从ERP销售模块导入）、质量工艺设计、各炼钢/轧钢产线排程（组炉/组浇/组轧）、库管等。MES的生产排程是实际生产执行计划，但排程之前需要根据生产计划（产能模板）来排定。

ERP与MES的分工，也是受产品结构决定的。对于炼钢，由于组炉组浇要遵守复杂工艺约束，而且炼钢调度/炉机匹配也十分复杂，故只能是MES排产；对于棒线材产品而言，计划以月为单位，无须完全按定单生产，品质规格少，故ERP也可以进行简单排产；对于中板/热轧等板材而言，由于必须是按单生产，而且品种规格极多，因此只能是MES来排产；对与冷轧，由于库料管理复杂，工艺路径复杂，因此只能是MES来排产。另外排产精度到分厂和到工序差异也很大，都要具体问题具体分析。无论何种场合，RMETAL系统都有详细解决方案。

五、RMETAL分厂L3系统（WIP）

前面提到，产销系统的实施成败的两大关键之一是与L1/L2系统的接口和物流信息的采集。为此，RMETAL系统实施还包括分厂L3系统建设，称为WIP（Work In Process）在制件跟踪模块，实现全线生产执行与跟踪。WIP层功能包括：1）制造命令/制造标准/质量标准的下达执行；

2）全线产品/计量/质量的匹配跟踪（按炉送钢）；

3）全线设备状态/库料/物位与移动的监控与跟踪。

没有现场作业线L3系统的执行跟踪，也就没有生产作业实绩的反馈，根本谈不上国际先进的产销一体化系统的运行（MES系统任然是新的空中楼阁）。

L3网络系统建设

我国钢铁企业经过多年发展已经积累了很多L1/L2级自动化系统。然而相对于国际先进钢铁企业任然差距很大。实际上，我们的L1系统并没有覆盖整个钢铁生产流程，L2系统投运的更少，有L1/L2也是局部某个过程控制。而MES系统需要连接全线生产过程，才能实现全局作业管理和执行跟踪。因此，我们必须首先建立各分厂L3级网络，把各个L1/L2系统自动化孤岛串联起来，并与主干网相连。RMETAL系统L3网络建设如下图12示意：

RAID

MES主服务器

作业长调度室加热区N 轧制区N 精整区N 成品库质检

作业长调度室转炉区N 精炼区N 连铸区N 坯库质检

图12：RMETAL系统L3级网络建设

图中，分厂L3网要将转炉、连铸、加热炉、轧机、检化验等L1/L2系统连接起来，要把生产管理部门连接起来，同时还要进行很多补充接口开发，才能实现与L1/L2系统的无逢集成功。基于L3网络系统，开发WIP软件，收集作业实绩，存储于L3服务器内（PC服务器即可），供产销一体化系统/ERP系统工享。L3网要与主干网相连，与MES主服务器相连，与ERP主服务器相连，从而实现信息共享。

推杆执行跟踪专利

EPR/MES等信息化系统主要关心的是物流信息。WIP层核心功能是对于现场物流

信息的收集和跟踪，如铁水罐、铁包、钢包、钢坯、钢板、钢卷等物流信息的收集。目前钢铁企业L1/L2系统往往没有物流信息采集系统，以往开发的物料移动检测仪表如光电检测、热冷金属检测多由于现场条件恶劣而失效。另外，中国钢铁企业设备条件、L1/L2系统根本无法与国外相比，多是粗放式管理，没有自动库管系统，没有铁包跟踪/钢包跟踪/冷床跟踪/加热炉跟踪系统，等等，造成钢后物流信息收集的困难。

实施信息化，实施先进的产销一体化系统，物流自动收集是关键。针对我国钢铁企业实际国情，北京红河谷自动化发展公司在多年冶金自动化系统开发基础上开发了一套低成本推杆执行跟踪采集系统专利（专利号：200420009083.2），专门用于钢铁企业钢后物流跟踪，称为R-TRACK系统。R-TRACK系统在炼钢、轧钢各个操作岗位设置专门手动推杆（含按扭），用于跟踪炼钢厂铁水罐、铁包、钢包、钢坯，轧钢厂钢坯、钢板、钢卷位置移动信息，实现整个钢后区物流跟踪，跟踪精度可以是每一个铁包、钢包，每一块钢坯、钢板/卷。推杆见下图13示：

物流跟踪操作杆

图13：红河谷专利物流跟踪推杆

R-TRACK系统经过济南钢铁公司三炼钢/中厚板上线使用，效果良好，跟踪画面见下图14、图15示意。

红河谷公司推杆物流跟踪系统R-TRACK可以很好解决钢铁企业整个钢后区物