钢铁企业CIMS信息流分析与功能设计

刘福德，姚明海

（渤海大学 大学基础教研部，锦州 121013）

钢铁企业CIMS信息流分析与功能设计

刘福德，姚明海

（渤海大学 大学基础教研部，锦州 121013）

CIMS技术结合了先进的信息技术和生产管理理念，实现企业生产经营的信息化和集成化，能够适应市场环境变化，提高企业竞争力。结合钢铁企业生产过程的特点，以信息流分析为基础进行功能设计，为钢铁企业开发和实施CIMS提供解决方案。首先，设计了钢铁企业CIMS的总体结构，通过CIMS信息流图表明了ERP/MES/PCS之间的关系，并描述了信息传递过程，研究了信息集成方法；然后，依据信息流分析设计了软件功能结构并对功能进行了简要描述。实际应用时要与企业自身状况相结合，以实现生产和经营的无缝集成。

钢铁企业；CIMS；信息流分析；功能设计；计算机集成制造系统

0 引言

钢铁企业是我国国民经济的支柱产业，钢铁企业发展是我国国民经济发展的重要标志之一。随着市场经济发展和国有大中型企业改革深化，强化企业内部管理，提高企业在国际市场的竞争能力是每一个国有企业特别是大型钢铁联合企业所面临的重大课题，企业内部信息电子化建设具有不可替代的作用。市场经济的高要求和复杂多变，增加了企业管理的难度。传统的企业管理模式容易造成宏观生产失控和实时控制混乱等问题，制约着企业发展。实施CIMS工程，利用信息技术实现企业管理的科学化、精细化和高效化，是推动企业科技进步和实现管理现代化的重要措施。

CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统），是将计算机技术、自动化技术和制造技术相结合，将生产制造过程的信息采集、传递和加工处理过相统一，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。在经济全球化环境下，CIMS技术不断发展，被赋予了新的含义，即现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing System），通过信息集成、过程优化及资源优化，使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机联系，从而提高企业的市场应变能力和竞争力[1,2]。CIMS适用于离散型制造业、连续性制造业和混合型制造业。钢铁生产过程是融温度、时间、空间和资源约束为一体的复杂动态系统，同时具有连续与离散特质的多阶段混合生产方式，适用于CIMS来组织管理。目前国际上对流程工业系统集成较为通用的是ERP/MES/PCS三层框架结构，结合钢铁企业生产经营活动的特点所设计的CIMS总体结构如图1所示。

图1 钢铁企业CIMS的总体结构

如图1所示的系统结构由两个支撑分系统和四个功能分系统构成。其中，两个功能分系统分别是数据库分系统和计算机网络分系统，计算机网络分系统由硬件设备、通信设施和网络软件构成，是系统运行的基础设施。数据库分系统提供系统运行所需数据的收集、存储、提取和分析等功能；四个功能分系统分别是企业网络服务分系统、资源计划分系统、生产执行分系统和过程控制系统，其中，企业网络服务分系统是提供互联网服务的应用系统，其他三个分系统是本文研究的核心内容，将下面详细说明。本文作者将大型钢铁联合企业CIMS的成功经验总结出来，以信息流分析为基础进行功能设计，为钢铁企业开发和实施CIMS提供解决方案。

1 信息流分析

钢铁企业CIMS的核心是资源计划分系统（ERP，Enterprise Resource Planning)、生产执行分系统（MES，Manufacturing Execution System）和过程控制分系统（PCS，Process Control System）。其中，ERP是经营管理与决策的基础，是改善企业管理的有效途径；MES是CIMS信息集成中承上启下的重要环节，是实现生产过程优化运行与管理的技术核心系统；PCS进行数据采集、生产过程操作与过程监控，是流程工业的关键系统。在复杂的钢铁生产过程中，单一的ERP无法实时采集生产数据，也不能对资源进行有效调度和配置；单一的MES无法对生产信息进行细化和分解，也无法实现与控制信息的有效结合；单一的PCS无法将控制数据直接应用于生产调度。因此，必须掘弃“信息孤岛”，实施信息集成化技术，发挥整体优势，有效利用上层的ERP与下层的PCS之间的数据，提高调度的实时性和灵活性。参照相关文献[3～6]，ERP/MES/PCS整合的信息流如图2所示。

图2 钢铁企业CIMS信息流图

1.1 信息传递过程

在图2所示的钢铁企业CIMS信息流图中，从层次结构分析，MES处于中间层，是连接ERP和PCS之间的桥梁，具有承上启下的作用，解决了生产管理与设备控制之间的断层问题。一方面，MES为ERP提供数据信息。另一方面，运用PCS底层采集的数据，为优化和控制生产线提供依据和保证，以适应钢铁生产实时化的要求；从时间因素分析，ERP处理的问题域是中长期的生产计划，MES处理的问题域是近期生产任务的协调安排问题，PCS实时地接收生产指令，使设备正常加工运转。信息流在ERP/MES/PCS之间传递和反馈，三者相互关联、互为补充，实现企业的连续信息流，保证了信息的实时性，使企业生产计划、调度和动态成本管理成为一体。信息传递包括两个过程：

1）ERP与MES之间的信息传递。ERP是将物流、资金流和信息流进行全面一体化的信息系统，融合了管理理念、业务流程、基础数据和人力物力资源，核心功能是资源计划，将生产计划数据直接应用于MES的生产调度管理。同时，接收MES的生产统计、计量管理、物料平衡、生产管理和设备运行等数据，进一步优化资源计划。ERP与MES之间传递的信息流包括物料清单、生产需求、生产工艺、加工计划、库存情况、人力资源、订单及完成情况、物资消耗、产品质量和备品备件等。

2）MES与PCS之间的信息传递。过程控制系统负责处理生产过程中各种信息，过程监控层接收现场信息后，利用各种先进控制方法，通过DCS系统优化控制，使生产过程在最佳状态下运行。故障发生时，可自动报警，利用专家系统进行故障诊断，并指导运行人员排除故障。MES与PCS之间信息的传递包括生产调度、生产数据、工序情况、设备运行参数、设备运行状况、人员状况、生产计划、生产优化、生产情况报告和物料盘点信息等。PCS根据MES传递的信息进行相应操作，将并操作结果和实时数据返回给MES。

1.2 信息集成技术

CIMS信息来源于企业经营管理、生产调度、实时采集、上级部门、供应商和销售商等多种渠道，信息集成的过程也就是对这些来源不同和形态不一的信息进行系统分析、合并同类、辨清正误和消除冗余的过程，进而实现ERP/MES/PCS的统一使用。信息集成分为数据传输、数据共享、数据互操作、数据与知识重用等四个层次。传输、共享和互操作是集成的基础，重用是集成的最高层次。结合钢铁企业CIMS的特点，信息集成建议采用OPC标准、共享数据库和XML数据交换技术相结合。其中，OPC（OLE for Process Control）标准定义了数据访问的COM接口，采集现场硬件设备的数据，通过标准的OPC接口供上层系统使用；共享数据库是成本最低效率最高的集成方式，大部分数据使用这种方式，既可以将共享的信息复制到一个公共数据库，也可以采用数据联邦的方式构建虚拟数据库来实现多个数据库共享；对于不同平台的异构数据库，采用XML数据交换技术，发挥XML扩展性、自描述性和多语种支持的特点，实现跨平台和跨地域异构应用间的协同工作[7～9]。

2 软件功能设计

软件功能是软件应具有的效能和作用，依据钢铁企业CIMS信息流图设计软件功能。

2.1 软件功能结构

功能结构是将系统功能分解后按功能从属关系表示的层次结构图，钢铁企业CIMS功能结构如图3所示。

图3 钢铁企业CIMS功能结构

图3所示的功能结构由四个分系统构成，除企业网络服务分系统未分解下层子系统外，ERP/MES/PCS各个分系统又分解为若干个子系统，系统分解基于模块化的设计思想，每个子系统在逻辑上相互独立，通过信息流和信息集成技术实现子系统间的通信，保证子系统间的信息共享和协同工作。

2.2 软件功能描述

图3中的企业网络服务分系统具有两种功能，一是作为门户网站，为企业提供信息展示和与客户进行有效沟通的渠道；二是作为Web服务，为Web应用提供支持并实现企业Web信息资源的有效整合。其他三个分系统软件功能描述如下：

1）资源计划分系统ERP。财务是现代企业管理的“心脏”，根据钢铁企业的生产经营管理流程和组织机构特点，应建立以财务管理为中心的ERP分系统，以均衡物料、安全高效、低耗优质和优化工艺操作为目标，最大限度地适应企业内部和外部环境，有效解决ERP实施过程中遇到的难题。ERP包括财务、计划、项目投资、原料供应、固定资产、备品备件、人力资源和产品销售等子系统，把人、财、物等各种资源与产、供、销等各个环节，通过科学的方法来实行有效地计划、组织、协调和控制，把企业所有生产经营活动联成一个整体，各个子系统在生产经营中协调有序地发挥作用，通过对信息流的有效控制，实现对物流和资金流的闭环控制[10]。

2）生产执行分系统MES。钢铁生产是包括烧结、炼铁、炼钢、钢锭开坯和轧钢等一系列工艺过程的生产过程，为了充分发挥设备的生产能力，达到降低生产成本和提高经济效益的目的，按照先进制造技术和信息技术的发展趋势，应建立基于知识的MES分系统，通过知识的不断积累推动企业发展。MES包括生产调度、过程优化、生产管理、成本控制、质量管理、计量管理和设备运行管理等子系统。MES为管理人员提供各类生产统计信息、计量信息和物料平衡信息，实现生产计划管理与生产过程信息管理的有机结合，为领导提供辅助决策功能。通过采用过程建模与优化控制技术，实现钢铁生产过程的优化控制和优化运行，从而提高生产效率。

3）过程控制分系统PCS。以计算机控制为主，还包括传感器、执行机构和在线分析等仪表系统及多媒体监控系统。钢材生成过程综合了物理、化学和物理化学等变化复杂机理，通过过程控制分系统PCS，完成数据采集、工艺参数调整、生产过程操作、关键设备监控和生产协调等功能。PCS具体包括焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢、连铸连轧和辅助生产等过程控制子系统，每个子系统又由基础自动化和过程自动化提供支持。其中，基础自动化由电气传动自动化和仪表自动化构成，实现自动控制、数据采集、监控操作和数据通信等功能；过程自动化由过程计算机系统构成，对生产过程进行模型优化，实现设备协调生产，提高质量，降低消耗[11,12]。

3 结束语

钢铁企业生产过程复杂，面对激烈的市场竞争环境，企业需要加强自身建设，从产品、工艺、生产设备和生产管理等方面来提高竞争力。CIMS是先进的生产控制管理理论与技术的集成，是企业提高竞争力的有效途径。钢铁企业CIMS建设是一个复杂的系统工程，涉及到许多技术因素和非技术因素，本文的信息流分析与功能设计，是作者实际开发大型钢铁企业CIMS的经验总结，具有重要的参考价值。实际应用本文研究成果时，还要结合企业的自身状况，将先进的计算机技术、网络通信技术、自动控制技术和人工智能技术有效结合，实现与企业生产和经营管理的无缝集成。

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[8] 空竹的博客.基于ERP/PDM/MES/PCS的数字制造系统信息集成研究[EB/OL].http://blog.sina.com.cn/ericxufund,2016-12-2.

[9] 360个人图书馆.流程型企业SCM/ERP/MES/PCS集成[EB/OL]. http://www.360doc.com/content/16/0316215.shtml,2016-12-2.

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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

辽宁省博士科研启动基金项目（201601349）

刘福德（1964 -），男，辽宁兴城人，副教授，本科，研究方向为CIMS系统开发。