制造执行系统MES在水泥行业中的应用

孙莉

收稿日期：2013-05-28

基金项目：山东省高等学校科技计划项目（J12LN68）

作者简介：孙 莉（1982—），女，安徽淮北人，讲师， 硕士，研究方向：工业综合自动化。

通讯联系人，E-mail：sunli2005sd@163.com

文章编号：1003-6199（2014）03-0115-05

摘 要：制造执行系统MES是位于企业上层企业资源计划ERP和底层设备自动控制系统PCS之间，面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。对现阶段自动化现状及水泥生产流程特点做了简要阐述及分析，提出一种面向水泥行业制造执行系统的体系结构， 分析了相关子系统的功能，并以设备管理子系统为例，选用C/S三层体系结构，具体讨论了其实现过程。

关键词：制造执行系统；体系结构；水泥行业； C/S设备管理

中图分类号：TP2 文献标识码：A

Application of MES in Cement Industry

SUN Li

（Shang Xiehe University Mechanical and Electrical Engineering College， Jinan，Shangdong 250107，China）

Abstract：Manufacturing Executive System（MES） is the production management technology and the real-time information system of the workshop layer witch lies between enterprise resource planning（ERP）and process control system（PCS）. Reviewing briefly the status of automation and process flow in Chinas cement businesses， the paper presents architecture of MES for cement industry and analyses the related subsystems function. Moreover， by the way of the three - tier Client/Server architecture， taking equipment management subsystem as an example is discussed its realization in detail.

Key words：manufacturing execution system；architecture；cement industry；C/S equipment management

1 引 言

制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）是位于企业上层生产计划和底层工业控制之间， 面向车间层的生产管理技术与实时信息系统， 强调制造计划的执行，在计划层和控制层之间架起了一座桥梁， 能够通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理；当工厂发生实时事件时， MES能对此及时作出反应、报告，并用当前的准确数据进行指导和处理[1]。

现阶段，大多数水泥企业在运营中已经应用分布式控制系统（DCS）和信息管理系统（MIS），基础自动化程度较高，但生产管理、生产调度以及决策等方面基本还是人工管理，自动化程度较低。企业的生产管理与过程控制之间相互分离，集成程度低，极大地制约了生产管理水平的提高。在CIMS的研究与发展中，对MES还没有给予足够的重视，导致针对水泥行业开发的MES软件几乎没有，甚至这方面的研究文献都很难见到[2]。

2 水泥行业的特点

水泥生产工艺流程中存在着复杂的串并联关系。从总的工艺流程看，物料是依次通过生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨三个串联阶段，主要通过一些化学、物理化学变化实现产品的

1）生料制备：石灰质原料、黏土质原料与少量铁质在破碎、烘干，按照一定的比例调配后，进入生料磨进行粉磨生成料粉。

2）熟料烧成：从预热器顶投料，生料粉依次通过多级预热器，与热气流进行热交换后进入分解炉。在分解炉内生料经过预煅烧，进入回转窑。还有一部分生料直接进入回转窑，在回转窑内充分煅烧至部分熔融，得到水泥熟料。

3）水泥粉磨：熟料添加适量石膏，有时还有一部分混合材料或外加剂，经过配料进入熟料磨进行粉磨，共同磨细制成水泥。

与此同时，在水泥生产过程中，依次穿插着各车间的生产调度、各职能部门的职能管理，乃至企业级的整体运营决策等行为。

3 面向水泥行业MES体系结构

具体到水泥企业背景，MES的研究重点以水泥熟料烧成及磨机车间（或分厂）的业务流程为基础进行展开。MES执行由ERP制定的计划，并根据实时生产信息调整生产作出调度，并将有关资源利用、库存情况及生产计划的实时完成情况准确的反馈给ERP系统。MES的调度指令还能将生产目标及生产规范自动转化为过程设定值，并通过PCS 中的优化软件对应到阀门、泵等控制设备的参数设置。同时，MES将从DCS采集来的生产数据与质量指标进行对比和分析，可以提供闭环的质量控制[3，4]。水泥企业MES的体系结构如图1所示，其功能包括计划分解、质量管理、作业调度、物料平衡和库存管理、设备运转管理等模块。

4 设备管理子系统功能设计与实现

4.1 需求分析

水泥生产属于典型的流程制造，生产过程中，物料呈连续变化状态通过整个生产流程。水泥生产的关键设备如生料磨、预热器、回转窑、水泥磨等都是以串联的方式运行，一旦主要设备出现故障，就会造成全线停产。所以，为了保证水泥生产线能够持续、高效的运行，就要在生产过程中对设备进行实时监测，提供故障诊断功能；还要根据主要设备的特性制定详尽的维护、保养计划，对易损零配件的品质进行评定；同时建立设备及其零配件的数据库和供应商数据库，对生产使用过程中出现的情况及时地记录分析，以作为今后进行采购或生产决策的依据。以下是对设备管理子系统的终端用户调研后编写的，他们的需求主要有：

1）系统应该能够提供整个设备使用周期的管理，包括对设备采购、设备安装调试、设备润滑保养、设备故障诊断、设备点检维修和设备报废的管理。

2）系统应该可以提供对设备备品备件的管理。

3）系统应该可以提供对设备基础资料的管理，包括技术参考资料、设备供货厂商以及设备购置厂商的信息

对设备管理子系统的需求分析，得出其功能模块划分如图2所示，其中利用专家系统对设备故障进行诊断，得出维修建议的功能是重点和难点部分。

4.2 系统设计

4.2.1 数据库设计

系统的数据库主要包括： 维修方案库、规则库和基础信息库[5]：

1） 维修方案库维修方案库就是维修知识库，主要包括各类维修故障的典型维修案例。

2）规则库主要包括系统功能模块的配置规则，如保养则、状态检测规则、润滑规则、库存预警规则和备件更换预警规则等。

3）基础信息库主要包括设备信息库、备件信息库、故障代码库、维修记录库和运行台时库等。

4.2.2 功能设计

根据系统调研和实际功能需求， 将系统功能划分为设备固定资产管理、使用管理、故障维修管理、预防维护管理、状态检测管理、备件管理等几个主要功能模块[6]。

1）设备前期管理：设备购置是对设备的采购合同进行管理，包括供货商、订货数量、单价、保修期限等基本信息。前期管理中还包括设备的安装与调试，它是前期管理的重要部分，直接关系着设备能否正常使用以及生产能否顺利进行。

2）设备资产管理：包括设备台帐管理、设备移装调动和设备变动情况。其中，设备台帐记录了设备的基本信息、附品附件信息、技术参数信息和驱动其运行的电机功率信息，是对设备进行管理的基础档案。设备移装调动是针对设备在工厂内部移位或调动的情况进行管理；设备变动是针对设备更新、替换的情况进行管理。

3）设备使用管理：要保证设备的正常运行，就要对设备进行巡检，对故障、事故进行统计，设备使用管理完成这一功能。巡检人员通过填写巡检记录，将巡检的主要内容及发生的情况记录在案，并根据设备运行过程中的故障表和事故表，对设备的运行时间进行统计。另外，设备使用管理还对巡检人员的信息进行管理。

4）设备保养润滑：设备保养润滑是延长设备使用寿命的重要手段。设备管理人员根据设备的运行情况制定相应的保养计划进行保养，并对设备保养过程中的润滑剂信息和润滑标准予以备案。

5）设备故障诊断：利用专家知识建立设备故障诊断专家系统。专家系统的建立主要依据四项内容：设备功能、故障现象、故障原因和处理方法。工作人员根据设备出现故障时的故障现象，利用专家知识进行诊断，进而得出可能的原因以及相应的处理方法。

6）设备点检维修：在确定了设备的主要故障之后，要对设备进行维修。现场工作人员根据设备的故障信息，生成维修派工单交给维修部的工程师，由维修工程师完成维修工作。另外，为了保证设备的安全运行，还要定期对设备进行预防性维修的点检工作，降低发生故障的可能性，并根据点检情况生成点检记录，以备日后统计管理使用。

7）设备备品备件管理：主要对设备备品备件的库存情况进行管理。管理员一旦发现备件库存不足，应及时通知采购人员进行采购。

8）设备资料管理：管理设备的技术参考资料、设备的供货厂商和购置厂商。将设备的运行使用情况和厂商的售后服务情况进行集中管理，对供货商的信誉、产品质量、供货能力等方面进行评估，结果写入供货商档案，作为今后设备采购时的参考。

4.3 系统开发

4.3.1 系统实现

系统采用典型的三层Client-Serve体系结构风格，如图3所示。前台开发工具使用PowerBuilder9.0， 后台服务器使用SQL Server 2000 数据库。C/S 结构特点表现易维护、易升级和易实施， 只需维护服务器端， 无需开发客户端程序。系统架构三层体系结构为客户应用层、中间层（ 业务逻辑层）、数据库服务层[7]。客户层方便用户的信息查询、更新和维护；中间层是系统的主体部分， 提供Web服务和DCOM组件服务，为客户层服务；数据库服务层的主要功能是响应请求，为中间逻辑层提供数据支持[8]。

4.3.2 应用开发

某水泥公司长期以来公司一直延用手工管理方式， 设备管理水平比较落后， 工作效率低下， 已远远不能满足当前设备管理的要求。通过实施设计开发的设备管理决策支持系统， 极大的提高了设备管理的准确性、灵活性和及时性， 形成了一套有效的设备管理制度体系，系统运行界面如图4所示客户端用户界面分为菜单区、工具栏区、导航窗口区、工作区几个部分。其中工具栏和导航窗口提供了用户进入某个模块的具体功能的快捷途径。

根据用户的个人习惯，工具条可以停靠在用户窗口的顶部、底部、左侧和右侧，也可以浮动在窗口中。工具栏可以是单独的按钮的形式，也可以是按钮+文字的更为直观的形式[9]。另外本系统是多文档的工作模式，用户在使用时可以打开多个窗口以便于对不同的工作进行处理和对所需数据进行查询。

5 总 结

通过分析水泥行业生产管理的特点，提出了以计划调度为主线、成本控制为核心的制造执行系统的体系结构和功能，进一步阐述了设备管理子系统的设计与实现。介绍的设备管理系统能有效解决设备管理问题， 显著提升设备管理水平、生产能力和对生产过程的控制能力；同时也为生产管理、车间计划调度、库存控制和性能分析等MES中其它子系统提供详实的数据信息，保证其它系统的正常运行。

参考文献

[1] 谢星岸，王志新.B/S在水泥企业制造执行系统MES中的应用[J].微计算机信息，2006，22（71）：148-150.

[2] 刘秀彬，栾玉梅.流程工业综合自动化系统的核心MES系统[J].应用能源技术，2003（4）：47-49.

[3] 黄河清，俞金寿.面向流程工业的MES及其关键技术[J].自动化仪表，2004，25（1）：11-15.

[4] 于宏亮，郝丽娜，王孝红，等.中小型水泥企业综合自动化系统研究与实现[J].东北大学学报：自然科学版，2006，27（6）：619-622.

[5] 孙连三.巧用PowerBuilder和EAServer架构企业Web应用[M]. 北京：人民邮电出版社， 北京， 2002.

[6] 夏翔，轶翔，庆星，等.水泥厂设备管理多层分布系统及优化设计的实现[J].四川大学学报：自然科学版，2003，2（40）：252-255.

[7] 张茜，张银福. 基于Web 服务器的设备管理技术研究与实现[J].计算机工程与应用， 2003（24）.

[8] 邱小卫，邹莆，设备管理信息系统的开发和应用[J].计算机应用，2000，8：18-19.

[9] YANG H T，CHANG W Y，HUANG C L. On-line fault diagnosis of power substation using connectionist expert system[J].IEEE PWRS，1995，10（1） ：323-331.

1）系统应该能够提供整个设备使用周期的管理，包括对设备采购、设备安装调试、设备润滑保养、设备故障诊断、设备点检维修和设备报废的管理。

2）系统应该可以提供对设备备品备件的管理。

3）系统应该可以提供对设备基础资料的管理，包括技术参考资料、设备供货厂商以及设备购置厂商的信息

对设备管理子系统的需求分析，得出其功能模块划分如图2所示，其中利用专家系统对设备故障进行诊断，得出维修建议的功能是重点和难点部分。

4.2 系统设计

4.2.1 数据库设计

系统的数据库主要包括： 维修方案库、规则库和基础信息库[5]：

1） 维修方案库维修方案库就是维修知识库，主要包括各类维修故障的典型维修案例。

2）规则库主要包括系统功能模块的配置规则，如保养则、状态检测规则、润滑规则、库存预警规则和备件更换预警规则等。

3）基础信息库主要包括设备信息库、备件信息库、故障代码库、维修记录库和运行台时库等。

4.2.2 功能设计

根据系统调研和实际功能需求， 将系统功能划分为设备固定资产管理、使用管理、故障维修管理、预防维护管理、状态检测管理、备件管理等几个主要功能模块[6]。

1）设备前期管理：设备购置是对设备的采购合同进行管理，包括供货商、订货数量、单价、保修期限等基本信息。前期管理中还包括设备的安装与调试，它是前期管理的重要部分，直接关系着设备能否正常使用以及生产能否顺利进行。

2）设备资产管理：包括设备台帐管理、设备移装调动和设备变动情况。其中，设备台帐记录了设备的基本信息、附品附件信息、技术参数信息和驱动其运行的电机功率信息，是对设备进行管理的基础档案。设备移装调动是针对设备在工厂内部移位或调动的情况进行管理；设备变动是针对设备更新、替换的情况进行管理。

3）设备使用管理：要保证设备的正常运行，就要对设备进行巡检，对故障、事故进行统计，设备使用管理完成这一功能。巡检人员通过填写巡检记录，将巡检的主要内容及发生的情况记录在案，并根据设备运行过程中的故障表和事故表，对设备的运行时间进行统计。另外，设备使用管理还对巡检人员的信息进行管理。

4）设备保养润滑：设备保养润滑是延长设备使用寿命的重要手段。设备管理人员根据设备的运行情况制定相应的保养计划进行保养，并对设备保养过程中的润滑剂信息和润滑标准予以备案。

5）设备故障诊断：利用专家知识建立设备故障诊断专家系统。专家系统的建立主要依据四项内容：设备功能、故障现象、故障原因和处理方法。工作人员根据设备出现故障时的故障现象，利用专家知识进行诊断，进而得出可能的原因以及相应的处理方法。

6）设备点检维修：在确定了设备的主要故障之后，要对设备进行维修。现场工作人员根据设备的故障信息，生成维修派工单交给维修部的工程师，由维修工程师完成维修工作。另外，为了保证设备的安全运行，还要定期对设备进行预防性维修的点检工作，降低发生故障的可能性，并根据点检情况生成点检记录，以备日后统计管理使用。

7）设备备品备件管理：主要对设备备品备件的库存情况进行管理。管理员一旦发现备件库存不足，应及时通知采购人员进行采购。

8）设备资料管理：管理设备的技术参考资料、设备的供货厂商和购置厂商。将设备的运行使用情况和厂商的售后服务情况进行集中管理，对供货商的信誉、产品质量、供货能力等方面进行评估，结果写入供货商档案，作为今后设备采购时的参考。

4.3 系统开发

4.3.1 系统实现

系统采用典型的三层Client-Serve体系结构风格，如图3所示。前台开发工具使用PowerBuilder9.0， 后台服务器使用SQL Server 2000 数据库。C/S 结构特点表现易维护、易升级和易实施， 只需维护服务器端， 无需开发客户端程序。系统架构三层体系结构为客户应用层、中间层（ 业务逻辑层）、数据库服务层[7]。客户层方便用户的信息查询、更新和维护；中间层是系统的主体部分， 提供Web服务和DCOM组件服务，为客户层服务；数据库服务层的主要功能是响应请求，为中间逻辑层提供数据支持[8]。

4.3.2 应用开发

某水泥公司长期以来公司一直延用手工管理方式， 设备管理水平比较落后， 工作效率低下， 已远远不能满足当前设备管理的要求。通过实施设计开发的设备管理决策支持系统， 极大的提高了设备管理的准确性、灵活性和及时性， 形成了一套有效的设备管理制度体系，系统运行界面如图4所示客户端用户界面分为菜单区、工具栏区、导航窗口区、工作区几个部分。其中工具栏和导航窗口提供了用户进入某个模块的具体功能的快捷途径。

根据用户的个人习惯，工具条可以停靠在用户窗口的顶部、底部、左侧和右侧，也可以浮动在窗口中。工具栏可以是单独的按钮的形式，也可以是按钮+文字的更为直观的形式[9]。另外本系统是多文档的工作模式，用户在使用时可以打开多个窗口以便于对不同的工作进行处理和对所需数据进行查询。

5 总 结

通过分析水泥行业生产管理的特点，提出了以计划调度为主线、成本控制为核心的制造执行系统的体系结构和功能，进一步阐述了设备管理子系统的设计与实现。介绍的设备管理系统能有效解决设备管理问题， 显著提升设备管理水平、生产能力和对生产过程的控制能力；同时也为生产管理、车间计划调度、库存控制和性能分析等MES中其它子系统提供详实的数据信息，保证其它系统的正常运行。

参考文献

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[9] YANG H T，CHANG W Y，HUANG C L. On-line fault diagnosis of power substation using connectionist expert system[J].IEEE PWRS，1995，10（1） ：323-331.

1）系统应该能够提供整个设备使用周期的管理，包括对设备采购、设备安装调试、设备润滑保养、设备故障诊断、设备点检维修和设备报废的管理。

2）系统应该可以提供对设备备品备件的管理。

3）系统应该可以提供对设备基础资料的管理，包括技术参考资料、设备供货厂商以及设备购置厂商的信息

对设备管理子系统的需求分析，得出其功能模块划分如图2所示，其中利用专家系统对设备故障进行诊断，得出维修建议的功能是重点和难点部分。

4.2 系统设计

4.2.1 数据库设计

系统的数据库主要包括： 维修方案库、规则库和基础信息库[5]：

1） 维修方案库维修方案库就是维修知识库，主要包括各类维修故障的典型维修案例。

2）规则库主要包括系统功能模块的配置规则，如保养则、状态检测规则、润滑规则、库存预警规则和备件更换预警规则等。

3）基础信息库主要包括设备信息库、备件信息库、故障代码库、维修记录库和运行台时库等。

4.2.2 功能设计

根据系统调研和实际功能需求， 将系统功能划分为设备固定资产管理、使用管理、故障维修管理、预防维护管理、状态检测管理、备件管理等几个主要功能模块[6]。

1）设备前期管理：设备购置是对设备的采购合同进行管理，包括供货商、订货数量、单价、保修期限等基本信息。前期管理中还包括设备的安装与调试，它是前期管理的重要部分，直接关系着设备能否正常使用以及生产能否顺利进行。

2）设备资产管理：包括设备台帐管理、设备移装调动和设备变动情况。其中，设备台帐记录了设备的基本信息、附品附件信息、技术参数信息和驱动其运行的电机功率信息，是对设备进行管理的基础档案。设备移装调动是针对设备在工厂内部移位或调动的情况进行管理；设备变动是针对设备更新、替换的情况进行管理。

3）设备使用管理：要保证设备的正常运行，就要对设备进行巡检，对故障、事故进行统计，设备使用管理完成这一功能。巡检人员通过填写巡检记录，将巡检的主要内容及发生的情况记录在案，并根据设备运行过程中的故障表和事故表，对设备的运行时间进行统计。另外，设备使用管理还对巡检人员的信息进行管理。

4）设备保养润滑：设备保养润滑是延长设备使用寿命的重要手段。设备管理人员根据设备的运行情况制定相应的保养计划进行保养，并对设备保养过程中的润滑剂信息和润滑标准予以备案。

5）设备故障诊断：利用专家知识建立设备故障诊断专家系统。专家系统的建立主要依据四项内容：设备功能、故障现象、故障原因和处理方法。工作人员根据设备出现故障时的故障现象，利用专家知识进行诊断，进而得出可能的原因以及相应的处理方法。

6）设备点检维修：在确定了设备的主要故障之后，要对设备进行维修。现场工作人员根据设备的故障信息，生成维修派工单交给维修部的工程师，由维修工程师完成维修工作。另外，为了保证设备的安全运行，还要定期对设备进行预防性维修的点检工作，降低发生故障的可能性，并根据点检情况生成点检记录，以备日后统计管理使用。

7）设备备品备件管理：主要对设备备品备件的库存情况进行管理。管理员一旦发现备件库存不足，应及时通知采购人员进行采购。

8）设备资料管理：管理设备的技术参考资料、设备的供货厂商和购置厂商。将设备的运行使用情况和厂商的售后服务情况进行集中管理，对供货商的信誉、产品质量、供货能力等方面进行评估，结果写入供货商档案，作为今后设备采购时的参考。

4.3 系统开发

4.3.1 系统实现

系统采用典型的三层Client-Serve体系结构风格，如图3所示。前台开发工具使用PowerBuilder9.0， 后台服务器使用SQL Server 2000 数据库。C/S 结构特点表现易维护、易升级和易实施， 只需维护服务器端， 无需开发客户端程序。系统架构三层体系结构为客户应用层、中间层（ 业务逻辑层）、数据库服务层[7]。客户层方便用户的信息查询、更新和维护；中间层是系统的主体部分， 提供Web服务和DCOM组件服务，为客户层服务；数据库服务层的主要功能是响应请求，为中间逻辑层提供数据支持[8]。

4.3.2 应用开发

某水泥公司长期以来公司一直延用手工管理方式， 设备管理水平比较落后， 工作效率低下， 已远远不能满足当前设备管理的要求。通过实施设计开发的设备管理决策支持系统， 极大的提高了设备管理的准确性、灵活性和及时性， 形成了一套有效的设备管理制度体系，系统运行界面如图4所示客户端用户界面分为菜单区、工具栏区、导航窗口区、工作区几个部分。其中工具栏和导航窗口提供了用户进入某个模块的具体功能的快捷途径。

根据用户的个人习惯，工具条可以停靠在用户窗口的顶部、底部、左侧和右侧，也可以浮动在窗口中。工具栏可以是单独的按钮的形式，也可以是按钮+文字的更为直观的形式[9]。另外本系统是多文档的工作模式，用户在使用时可以打开多个窗口以便于对不同的工作进行处理和对所需数据进行查询。

5 总 结

通过分析水泥行业生产管理的特点，提出了以计划调度为主线、成本控制为核心的制造执行系统的体系结构和功能，进一步阐述了设备管理子系统的设计与实现。介绍的设备管理系统能有效解决设备管理问题， 显著提升设备管理水平、生产能力和对生产过程的控制能力；同时也为生产管理、车间计划调度、库存控制和性能分析等MES中其它子系统提供详实的数据信息，保证其它系统的正常运行。

参考文献

[1] 谢星岸，王志新.B/S在水泥企业制造执行系统MES中的应用[J].微计算机信息，2006，22（71）：148-150.

[2] 刘秀彬，栾玉梅.流程工业综合自动化系统的核心MES系统[J].应用能源技术，2003（4）：47-49.

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[8] 邱小卫，邹莆，设备管理信息系统的开发和应用[J].计算机应用，2000，8：18-19.

[9] YANG H T，CHANG W Y，HUANG C L. On-line fault diagnosis of power substation using connectionist expert system[J].IEEE PWRS，1995，10（1） ：323-331.