攀钢热轧MES设计与实现

刘继光，陈 源

（1. 攀枝花学院 计算机学院，攀枝花 617000；2. 攀钢集团信息工程技术有限公司，攀枝花 617024）

0 引言

当前钢铁工业基本实现基础自动化和过程自动化，应用先进的管理理念及信息技术改造传统产业已成为发展趋势[1]。

攀钢热轧板厂是攀钢主要生产厂矿之一，具有完善的基础自动化系统(L1)和过程自动化系统(L2)，同时还具有一些小型生产管理应用系统，但这些系统都是以单元生产设备为核心进行检测与控制，生产设备之间（例如：轧线与精整，精整各线）形成诸多“自动化信息孤岛”[3]。上下工序间的生产信息传递依靠手工报表传递，极易导致数据失真和信息阻塞，且缺乏对信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁行业生产管理的要求[2]。

攀钢实施的整体产销系统(ERP)需要热轧板厂提供各个区域的实时生产信息、并能够接收和执行整体产销系统下达的生产指令，热轧板厂现有应用系统不能承担这样的任务，因此，迫切需要构建MES系统作为ERP系统与PCS系统进行信息交换的中间桥梁[1]。同时，MES的建设也有助于解决热轧板厂的“自动化孤岛”问题，实现生产数据的实时共享，生产过程的全程监控，从而建立管控一体化的生产控制系统。

1 热轧MES网络设计

热轧板厂已有覆盖全厂的厂务管理网络、工序过程计算机网络，因此，热轧MES系统在物理上不单独组网，而是对原有的厂务管理网络进行整合、扩展，升级构建热轧MES网络。该MES网络上与公司骨干网集成，下与各工序L2级网络集成，横向与炼钢L3级生产控制系统网络集成，通过公司骨干网，实现与冷轧L3级信息交换[1]。

为了保证网络的可靠性，热轧MES网络与集团主干网和炼钢MES网络集成采用双链路冗余技术实现。热轧MES与多个外部网络连接，为了隔离对MES内部或外部非法访问带来的网络安全性问题，MES网络采用三层交换机，利用三层交换机的VLAN功能，实现MES网络与外部网络的逻辑隔离，仅有授权的用户能够访问MES内部资源或访问MES外部资源。热轧MES网络结构如图1所示。

2 MES系统结构

应用系统体系机构分为C/S、B/S、多层等，多层结构具有前后台松散耦合、逻辑组件高可复用、维护升级方便、利于分工和编码快速方便等优点，因此，热轧MES系统采用多层体系结构，分别为表现层、基础架构层，业务逻辑层、数据访问层和关系数据库。应用系统体系结构如图2所示[1,5]。

2.1 表现层

表现层即客户端，该层使用Delphi语言开发完成，为用户提供一种交互式操作的界面，主要负责用户权限控制，客户端逻辑操作画面加载，业务数据的显示和接收用户的输入。

图1 MES网络结构图

图2 MES系统结构图

该层使用了面向对象组件化开发模式，封装了大量的客户端控件和可复用的组件。为了客户端保证数据库的安全，提高数据库的效率，避免客户不当操作引发的锁的问题，客户端不直接与数据库建立连接，该层使用COM+与基础架构层进行数据交互，而整个交互过程对于编码人员透明，大大简化客户端程序的编制过程，提高了开发效率。

2.2 基础架构层

基础架构层是应用服务器的核心层，该层使用VC++编制，主要功能包括：对象（或属性、方法）存取控制（Access Control）、对象映射（Object Map）、域名解析(Name Resolve)、订阅发布（Sub/Pub）、数据缓存（Data Cache）、业务逻辑组件加载与卸载、数据事务控制（Trans Action）和数据访问层（Data Access）等。该层基于COM+标准规范建立，是一种较为理想的软总线结构，可以通过装配或扩展对象组件实现一个特定的应用软件系统，对象组件可以在不影响系统中的其它对象组件的前提下被卸载或更新，真正实现软件组件的即插即用，应用服务器可以在运行过程中不影响业务使用的情况下完成业务逻辑组件的升级。该层对于业务代码编写人员透明，业务人员只需按照给定规范编写逻辑程序，无须了解过多的细节。

2.3 业务逻辑层

业务逻辑层是MES系统的核心部分，主要完成业务规则的制定、业务流程的实现等业务逻辑功能。业务逻辑组件不能单独运行，必须运行在应用服务器的托管空间之下，其加载与卸载由应用服务器负责。逻辑组件各自运行在自己的地址空间，不能相互调用或通讯，逻辑组件间的调用必须通过基础架构层完成，调用结果由基础架构层返回给业务逻辑组件。

2.4 数据访问层

数据访问层也称持久层，位于基础框架层内，是对数据库访问的封装。该层完成业务逻辑组件与数据库之间的交互，按照业务逻辑组件的要求完成对数据库的访问。该层对业务代码编写人员透明。

3 MES功能模型[1, 3]

热轧板厂MES系统在工厂综合自动化系统中处于中间层次。在攀钢整体产销系统产生的长期计划的指导下，根据底层控制系统生产实时数据，完成短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程的优化等工作，其功能模型如图3所示。

3.1 系统管理

对系统用户操作权限进行控制，防止操作人员越权实现用系统。考虑到每一个画面都需要进行权限控制，因此，开发出通用权限控制组件实现用户权限的动态分配和控制，用户界面操作权限的精细化控制，该组件消除了权限控制代码与业务逻辑代码间的耦合性，极大的提高了应用程序的开发效率、降低了系统维护运行成本。

3.2 作业计划管理

作业计划管理是MES的核心功能，包括计划接收、计划手工录入、计划调整、计划处理和计划跟踪等功能。计划接收，接收产销系统下达的作业计划信息；计划手工录入，当网络出现问题或因其他问题时可录入计划；计划调整，根据生产现场的实际情况，对作业计划内的材料进行吊销和整个计划撤销；计划处理，对计划中的材料形成作业命令，并进行计划确定，下传到PCS系统执行；计划跟踪，上传计划执行信息。

3.3 库位管理

库位管理包括对板坯库、钢卷库和成品库和冷轧原料库的精细化管理。由于四个库位管理具有一定的相似性，因此，设计时，采用了组件化设计方法，开发出库位管理公共组件，实现了库位代码的复用，提高了开发效率。

3.3.1 板坯库管理

板坯原料数据自动接收(炼钢L3)，板坯实绩信息变更管理，板坯原料信息管理，热装管理，板坯入库管理，退料管理，封锁、释放管理，板坯垛位预约管理，倒垛管理，垛位影像图的自动生成，垛位变更管理，盘库对帐管理，出库管理，回炉坯管理，外购坯入库管理，返倒业务管理，表判和记录表面质量管理，各类信息的统计查询。

3.3.2 钢卷库管理

完成对轧线机组下线钢卷的管理，包括钢卷出入库管理、热卷实绩变更管理，热卷基本信息管理，热卷垛位预约管理，表判和记录表面质量、垛位管理、垛位影像图的自动生成，倒垛管理，盘库对帐管理，出库管理，材料封闭和解封管理、垛位变更管理。

3.3.3 成品库管理

成品出入库管理、成品信息管理，表判和记录表面质量、垛位管理、倒垛管理、成品垛位变更管理、成品库垛位影像图自动生成、成品实绩变更管理、成品封闭、解封管理、成品出库管理、盘库对帐管理、返厂车业务管理、返倒业务管理。

3.3.4 冷轧偏跨库管理

材料出入库，表判和记录表面质量，热卷的封锁，释放管理、垛位管理，垛位变更，出库管理，冷轧退料管理，退废管理，向冷轧L3提供热卷信息管理，返倒业务管理，盘库对帐管理，各类信息查询统计管理。

3.4 质量管理

对板坯、钢卷和成品等进行质量管理，如封锁、释放、降级、判废、机组生产建议、表面判定、物料缺陷和物化试验数据的登录、修改、查询和删除, 并且把相关的质量信息上传整体产销系统。主要包含制造标准管理，在线判定管理，取样管理，过程质量分析。

3.4.1 制造标准管理

完成对工序制造标准、作业标准、工序管理规范的管理，接收随热轧计划下达的工艺控制参数、表面控制参数、尺寸控制参数及按合同号为单位的成品性能取样指示，按工艺控制参数形成对应的制造标准和作业标准，对生产过程进行控制。

3.4.2 在线判定

按整体产销系统下达的表面和尺寸控制要求对产品做在线表面+尺寸、卷取温度和终轧温度判定，将判定结果（合格/不合格）随生产实绩上传整体产销系统。

3.4.3 取样管理

成品性能取样按一个计划中同炉+同合同的材料为单位；按下达的取样要求进行初样取样，取样后样板附样号送检化验L2，并将初样取样结果上传产销系统；接收产销系统下达的复样取样指示。取样后样板附样号送检化验L2，并将复样取样结果上传产销系统；对于大梁钢、管线钢、耐厚钢、车轮钢、焊瓶钢和低合金钢，接收产销系统下达的二次复样取样指示。取样后样板附样号送检化验L2，并将二次复样取样结果上传产销系统。

3.4.4 过程质量分析

根据过程质量数据，绘制相应的直方图，为分析制造过程中存在的问题提供依据，管理对象为板坯或热卷。

3.5 生产实绩管理

生产实绩管理主要包含实绩收集和实绩变更管理。实绩收集主要收集在制品在轧制和精整作业过程中产生的实绩，并上传产销系统；实绩变更主要完成对收集在制品在轧制和精整作业过程及入库后发生的实绩变更信息，并上传产销系统。

3.6 发货管理

接收准发计划、确认准发单据、准发材料吊销和准发红冲、接收L4发货计划电文、计划强制结束、编制发货清单、填写装车实绩、生成码单、生成承运单、计划强制结束、打印厂内承运单、打印出厂码单。

3.7 轧辊管理

轧辊是热轧板厂的主要生产设备，实时动态掌握轧辊信息对于生产计划的制定具有重要意义。轧辊管理是对轧制过程中使用的粗轧工作辊、精轧工作辊、粗轧支承辊、精轧支承辊及立辊、平整辊、卷取夹送辊等各类轧辊从计划、入库、磨削加工、到上机使用直至报废整个生命周期信息进行计算机化管理。核心功能包括轧辊入库管理，轧辊质量判定管理，轧辊磨削实绩管理，轧辊配辊管理，轧辊轧制实绩管理，轧辊报废管理。

3.8 流程监视和调度管理

流程监视根据各工序生产实绩情况及工序作业情况，提供全厂的生产流程监视画面，对各工序作业情况、物料流动情况、工序作业衔接情况、主要设备运行状况等进行实时动态监视，以便优化调度流程生产，调度管理统计各机组运行情况和产量，记录各机组运行日志，绘制各机组运行趋势图。

3.9 生产实绩管理

生产实绩管理包括轧线、平整、纵切、1#横切和2#横切的实绩信息管理，每条产线的功能类似，其主要功能包括计划材料详细信息的显示（如材料信息、控制参数、理化特性等）、计划回退、材料吊销、材料在轧线工序跟踪、表判和质量记录、取样、实绩变更和实绩上传。

4 MES接口信息模型

热轧板厂MES系统作为集团整体产销的重要支撑系统，与整体产销、炼钢MES系统、冷轧MES、热轧产线PCS等众多系统之间存在接口，热轧MES接口信息模型如图4所示[1]。MES与各系统的接口是MES系统与外部系统进行正常信息交互和数据共享的基础，关系到MES系统乃至整体产销系统的成败。热轧MES系统与外部系统接口数据交换采用电文交换和数据库表交换两种形式进行，下面进行介绍。

热轧MES系统与炼钢MES系统、冷轧MES系统的数据交换采用开发的通讯组件L3COMM，与检化验L2系统采用开发通讯组件L2COMM，与整体产销的数据交换使用保信软件提供的XCOM组件。L3COM、L2COM以XCOM组件为基础，进行了二次封装，使得更加适合于MES系统开发。L3COM、L2COM对程序开发人员透明，程序人员无须了解过多的开发细节。L3COM、L2COM、XCOM均采用电文方式交换数据，电文的格式采用文本文件配置，且事先由各系统接口人员共同定义。配置文件不能随意改动，否则可能会引发通讯故障[4]。

图4 MES接口信息模型

热轧板厂MES系统与热轧产线PCS系统间的数据交换采用接口表的形式进行。交换的数据分为上传数据和下传数据。其中，生产实绩、物料跟踪、质量信息等由PCS上传MES，计划、取样、作业控制参数等信息由MES下传到PCS系统。上传数据与下传数据原理相似，下面仅给出上传数据的原理。当现场实绩数据产生时，PCS需要向接口表写入数据，在写入数据之前，PCS首先检查标志位数据，如果标志位数据为0（表示实绩数据已被MES获取），此时，PCS可以向接口表写入实绩数据，在写接口表之前，PCS先将标志位置为1（表示PCS正在向接口表写入数据），然后将实绩数据写入接口表，数据写完之后将标志位置为2（表示PCS将数据完全写入接口表，MES可以获取接口表的数据），MES轮询标志位，当发现标志位置为2时，MES马上将标志位置为3（表示MES正在从接口表获取数据），然后读取接口表的数据，当数据读取完成后MES将标志位置为0。如果标志位长时间不发生变化，系统将显示通讯出现故障，同时PCS将实绩数据进入队列，待故障恢复后，重新传送。

5 数据库系统

数据库系统作为MES系统的数据存储中心，其稳定性和效率对MES系统具有重要作用。在综合考虑了所有数据库管理系统特性之后，热轧选用Oracle9i作为数据库服务器。

热轧MES系统作为ERP与PCS的中间桥梁，必须保证数据库服务器的高可用性，因此，热轧数据库采用了Oracle双机集群系统。数据库服务器选用两台HP高档微机服务器，存储设备选用SAN存储器。数据服务器和存储设备通过一台千兆光纤交换机相连，该交换机为数据库服务器与存储设备专用，从而避免了外部网络可能带来的网络风暴和信息阻塞。采用双机集群系统后，可以有效地实现两台服务器的负载均衡，加快数据服务器的处理能力，同时避免一台数据库服务器宕机后，出现MES系统崩溃的情况[4]。

6 结论

应用COM+技术、面向对象编程技术、组件化编程技术设计并实现了攀钢热轧MES系统，该系统的建立取得了以下成果：

1）消除了“自动化孤岛”，实现了生产数据的实时共享和生产过程的远程监控；

2）简化业务流程和业务操作方式，实现了各工序的无缝衔接，消除了手工数据传递，提高了信息的实时性与准确性，降低了操作人员的劳动强度；

3）各级管理部门能够及时、准确地获取各种生产数据，为进一步数据挖掘和业务分析建模奠定了基础；

4）完成了MES系统和整体产销系统的无缝集成，使得生产管理模式由人工粗放式管理转变为系统精细化管理，提高了生产管理水平和生产效率。

[1] 陈源. 热轧MES研究与实现[A]. 冶金企业MES和ERP技术实践论文集[C]. 2005: 253-254.

[2] 赵大东, 王昭东, 熊江华, 等. 中厚板厂制造执行系统的设计[J]. 轧钢, 2009, 26(5): 51-54.

[3] 董火生. 攀钢热轧制造执行系统(MES/RZ)研究与实现[D]. 成都: 电子科技大学, 2006: 9-25.

[4] 何理仁. 攀钢冷轧厂MES计算机系统[D]. 成都: 电子科技大学, 2006: 21-22.

[5] 毕英杰. MES的整体架构及在钢铁行业的应用[J]. 控制工程, 2005,12(6): 530-532.