油气输送钢管制造执行系统的设计与应用

王昆鹏

（中石化石油机械股份有限公司研究院，中国石化石油机械装备重点实验室， 湖北 武汉 430223）

中石化石油机械股份有限公司钢管分公司是一家生产油气输送钢管的企业。其产品包括用于油气输送的直缝埋弧焊、螺旋缝埋弧焊和高频焊钢管。该公司已实施SAP ERP，为提升其生产管理水平和增强产品的可追溯性启动了制造执行系统（Manufacturing Execution Systems，以下缩写为 MES）实施项目。本文作者是MES实施项目组（以下简称项目组）成员，介绍了项目组如何设计与应用钢管制造执行系统。

1 制造执行系统简介

MES是连接下层分布式控制系统（即Distributed Control System，缩写为DCS，由Siemens PLC组成的系统一般被称为过程控制系统，即Process Control System，缩写为PCS）或数据采集与监视控制系统（即Supervisory Control and Data Acquisition System，缩写为SCADA系统）与上层企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）等管理信息系统的“信息枢纽”（MES在制造企业信息化架构中的位置如图1所示）。MES一方面管理人员、机器、原料、方法、环境及控制生产系统，确保生产按计划执行，另一方面从生产现场实时采集并处理生产数据，监控生产状态或生产异常，分析并反馈生产绩效。制造企业上下层系统紧密协作关系到整体“随需应变”战略的实现。

图1 MES在制造企业信息化架构中的位置

为了规范MES的设计和实现，国际自动化学会（即International Society of Automation，缩写为ISA）自2000年起陆续发布ISA95企业控制系统集成标准，简称 ISA95或 S95（如图 1所示），由 Siemens、GE、SAP等公司参与制订。ISA95随后成为IEC/ISO 62264国际标准。

2 业务流程分析和设计

第一步是分析和设计MES相关的业务流程。项目组定义某一组活动为一个业务流程，这组活动有一个或多个输入，输出一个或多个结果，这些结果对客户来说是一种增值。简言之，业务流程是企业中一系列创造价值的活动组合[1]。

在制造企业里实施MES不仅是一个IT项目，而且是一个旨在实施新的软件解决方案和业务变更的变更管理流程。为了MES的成功实施，客户在管理企业内部变更方面所起的作用很重要。MES实施范围的焦点在于交付产品以完成一份客户订单的流程，即按订单制造。本文没有分析与MES实施无关的其他内部流程，例如维护客户账号的流程、检查客户信用的流程、接受应付账款等等。

业务流程设计的成果是一套文档。其中每份文档描述一个已定义流程。重中之重是设计一项总体业务流程。总体业务流程描述客户的价值链，也概略描述关于所有被确认的业务流程以及它们之间的交互。图2描绘了本文MES总体业务流程图的局部。

图2 系统总体业务流程图局部

设计文档描述了任意一个业务流程的输入、输出，也描述了该流程涉及的组织、图示及其中任意一步的输入和输出，还描述了该流程涉及的业务执行者和关键绩效指标。

3 架构设计

项目组整理了如下所示的关于架构设计的高级客户需求：为组织架构中的所有单位定义一个唯一的解决方案；为每个生产站点设置一个集中式数据库；集中式管理主数据。

在上述高级需求的基础上，项目组考虑了以下三个主要的架构方面[2]。

系统总体蓝图：描述一些有关的系统以及它们与业务流程设计之间的相互作用和映射。

MES数据库架构：按照集中式或分布式数据库结构定义MES数据库。

MES硬件架构：定义关于硬件和网络基础设施的系统需求。

系统总体蓝图包括As-Is架构（即依据企业现实情况搭建的系统架构）的定义。该架构描述该公司正在运行的一些系统和它们之间实际的交互。为了定义As-Is架构，项目组定义了关于正在运行的那些系统及其主要功能的初始列表。然后，该列表被转换成一个描绘那些系统、它们之间的交互以及主要接口信息定义的框图。

考虑到将要实现的MES功能，项目组设计了一个To-Be架构（即项目组对As-Is架构进行优化后的系统架构，如图3所示）。由于一些旧有系统的功能只是MES功能领域的一部分，因此在该To-Be架构中，这些旧有系统已经被替换。考虑到分步和逐个单位实施完整系统的需求，项目组也定义了一些过程中的To-Be架构。

图3 系统To-Be架构

业务流程设计已经被映射到To-Be架构上，以辨认可能存在的分歧和定义关于系统之间接口的初始列表。焦点在于理解那些将被自动化的流程。还要将活动映射到一些被选择的系统，以确保项目组能够选择、配置和实施一个支持这些系统的解决方案。

另一个步骤是在考虑将系统进一步扩展到远程站点的基础上定义一个数据库架构[3]。其原因是该公司的生产站点可能被设置在不同的地理位置。分析业务流程可知，集中式结构执行了其中一些操作，而其他操作被分配到各个单位。还应考虑的其他方面是网络连接的可靠性和个别单位或站点的独立性需求。

系统的数据库架构有以下几种。

集中式架构：适用于所有单位（包括远程站点）。

单站点内的集中式架构：有一些业务流程用此架构。除个别单位以外，这些业务流程与所有单位分享数据。这些个别单位非常重要，以至于在每个站点中需要一份数据的本地备份。

单位架构：关于每个单位的数据库架构，用于以管理生产、库存、质量和发运数据。

架构设计的最后一步是硬件和网络需求的定义[4]。项目组准备完成此步骤时考虑了数据库架构、用户数量、预计数据库事务处理以及数据量。

架构分析的成果之一是相应地减少了实施已选业务流程时所用系统的数量，从而减少了系统接口和接口信息的数量。为了进一步简化维护活动，项目组基于数据库中的接口表用一个单接口技术设计了所有接口。

MES从该公司SAP ERP接收生产订单，将这些订单转换为车间作业计划并生成MES负责生产过程监控的模块可以处理的信息，该模块从自动化生产和质检设备中收集数据，并监控生产过程。

4 模块功能的设计

从系统功能的视角看，钢管制造执行系统主要由下面这些模块组成。

4.1 主数据管理

主数据管理模块具有静态和动态数据管理功能。MES静态数据包括国内和国际标准的产品规格和焊接工艺参数、分厂工位布局、生产和质检设备信息以及生产工艺流程等数据。动态数据包括关于其他模块的配置信息。当一些业务规则发生变化时，最终用户在没有MES开发工程师帮助的情况下也能为其他模块配置和修改一些信息。

4.2 质量管理

该模块根据SAP ERP下发的销售订单进行质量设计，形成并维护产品规范和产品生产工艺要求的集合，即制造规范（如图4所示）。将面向客户的产品处理成面向生产的工艺和检验化验要求。在焊接平头后系统自动生成试验批号并委托给理化实验室做试验，理化实验室录入试验数据并自动判定或者人工判定试验信息合格与否。根据订单信息和原料信息编制工艺卡，指导生产。

图4 制造规范设计

4.3 生产执行采集

该模块全面、实时、准确地采集现场数据。这些数据包括钢管基本信息（管号、材质、炉批号、工程、执行标准等），钢管生产过程的信息（焊接电流、焊接速度、焊剂温度等），钢管检验信息（X光检验结果、水压检验结果、连探检验结果等，如图5所示），钢管整理的信息（磨削长度、扩径量、倒棱量）。

图5 水压机实时压力曲线采集

4.4 生产执行管理

该模块能综合查询SAP ERP下发的销售订单或生产订单信息；根据生产订单确定的产品编码、数量、生产完成日期等信息，结合分厂实际生产情况编制作业计划；以各产线生产实绩（如图6所示）为基础，物料从各产线的上料工位开始至成品工位，展示物料的实时状态和关键数据；可追溯产品生产过程中的信息，支持对产品生产全过程历史的查询，增强产品生产过程的可视性；收集和处理成本核算所需的产品生产过程中所发生的物料相关数据。对订单的生产过程进行全程管理，实时跟踪订单需经过的各个工序的通过量信息；对生产现场收来的生产实绩，系统都要自动地按照设定的处理逻辑进行处理，从而实时掌握物料的各种变动情况；实时掌握物料的各种变动情况，并以此更新存货表，保持实物和信息的一致。

图6 直缝预焊实绩管理

4.5 仓库管理

该模块主要负责处理仓库管理和发运管理业务。仓库管理是对厂内物料形态从原料到成品的仓库进行管理，实现信息实时跟踪，减少倒垛率，保证上下物流的畅通。仓库管理功能包括物料库存查询、入库管理、出库管理等功能。发运管理从产成品产出后至交付客户手中采用集中一贯的管理模式，减少各部门间冗余的信息传递过程及繁杂的书面单据传递，将产成品的销售发货管理（如图7所示）集中一个部门管理，便于运输能力的充分利用，减少成品发货环节，加快成品发货速度，缩短成品在库时间，压缩占库资金。

4.6 报表管理

该模块利用图形、表格等各种直观的方式展示生产实绩信息、质量信息和物料跟踪信息等数据，用户可根据需要灵活地查询业务相关数据，必要时该模块可运用大数据技术对集中式数据仓库中的数据进行统计分析，为管理决策者提供可选决策方案。

5 结语

通过企业信息化管理系统的应用，提高产品质量的稳定性，提升的管理水平和科学决策能力，成为当前油气输送钢管制造企业谋生存、求发展的重要方向。钢管制造执行系统的设计与实现，使本文所提及的油气输送钢管制造企业强化了对产品质量的实时控制能力和全面回顾产品历史的产品追溯能力，提升了生产管理水平和企业的市场竞争力。

图7 销售发货

[1] Hammer M，ChampyJ.Reengineeringthe Corporation：Manifestofor Business Revolution，A[M].Zondervan，2009.

[2] Scholten B.MES guide for executives：why and how to select，implement，and maintain a manufacturingexecution system[M].ISA，2009.

[3] MeyerH，FuchsF，ThielK.Manufacturingexecution systems（MES）：Optimal design，planning，and deployment[M].McGraw Hill Professional，2009.

[4] Wang J，Zhu J，Shi B，et al.Research and application of spiral welded pipe information management system[C]//Intelligent Control and Automation（WCICA），2014 11th World Congress on.IEEE，2014：5 313-5 316.