宝钢钢管厂调质区MES系统实施

    　　宝钢面对一轮又一轮的铁矿石价格上涨，作为一种先进的管理思想和理念，MES系统帮组宝钢节省成本。钢铁为主的黑色金属类材料出场价格上涨幅度跟铁矿石价格的上涨有很大的关系。铁矿石是钢铁生产必需的主要原料，国际上铁矿石的价格是节节攀高，钢铁企业进口的成本也是越来越高。

　　除了要应对原材料价格的上涨，钢铁企业同时也在追求规模经营，这种情况下，企业必须追求品种结构高级化，集中于发展高技术含量和高附加值的板材产品，控制关键市场、关键生产技术和重大新工艺技术。 因此，钢铁企业需要在产品质量和生产效率方面提高竞争力，钢铁企业迫切需要有一种手段来解决这些问题，作为一种将多种生产过程控制和管理功能集合的软件系统，MES系统对于现代钢铁企业来说是至关重要的选择。 MES的作用就是使制造现场的管理更加透明化、可视化、实时化及规范化，实现生产控制自动化与制造管理信息化的融合。 下面我们以宝钢为例，看看MES如何使现场的管理更加高效、透明。

　　一、宝钢钢管厂调质区MES系统构成

　　改造后调质区的系统结构图如图所示。由3台PLC、2台L2服务器和3台工作站组成生产监控系统，而MES系统的功能主要由2台L2服务器完成，部分MES功能由L2和L3的服务器共同完成。

　　　　图 MES系统结构图

　　划分到用户服务层的组件提供了可视界面，利用这种界面，客户可观察信息和数据，这一层的组件主要用于向应用服务层内的组件发出服务请求。应用服务层组件建立了用户服务层和数据服务层之间的桥梁，根据应用需求定义应用任务，复杂的业务逻辑和大量计算工作都放在应用服务层。数据服务层涉及所有的典型数据处理活动，其中包括数据的获取和修改，以及另一些数据库相关任务，数据服务可用数据库管理系统DBMS内的对象实现，并采取触发器或存储进程的形式。这种结构有3个优点：

　　1)提高了系统可复用性。驻留在服务器中的应用程序可被多个工作站共享，而不必在每台工作站上都安装。

　　2)易于管理易于维护。当应用功能改变时，只对应用服务器中的程序进行修改，不必修改每台工作站上的程序。

　　3)数据服务和应用服务各司其职，使资源更有效利用。

　　调质区MES系统就是参照这种模式设计的，但本项目中应用服务器和数据服务器物理上共用一台服务器。用户经常使用的炉温查询功能人机交互较多，放在工作站上实现。将MES系统的生产计划、数据采集、料流跟踪、质量分析、设备管理等功能都放于L2服务器上实现。数据库读写操作放于SQL Server的存储进程中完成。

　　二、宝钢钢管厂调质区MES系统功能及实现

　　调质区MES系统主要包括生产计划、数据采集、料流跟踪、质量分析、设备管理等五大功能。

　　1）生产计划

　　来自销售公司的订货合同经BPS进行合同输入、合同分配后形成生产计划下达到各分厂的L3服务器，L3根据生产计划中最终产品的要求进行质量设计产生生产作业计划，现场操作工根据L3终端上显示的生产作业计划进行生产。

　　钢管厂调质区是按合同号和炉号组织生产的，炉号是位于生产线上游的加热炉的生产序号，一个合同号中往往包括多个炉号。当一个新的合同的钢管被吊装到调质区准备开始生产前，操作工在L2服务器上输入将生产的合同号，L2服务器向L3服务器发合同请求电文，L3服务器返回该合同的合同信息电文，合同信息电文中包含有钢管的特性数据，如热处理工艺、品名、钢级、标准、材质、外径、壁厚、管端等，还包括经质量设计产生的加工工艺参数，如淬火炉加热段温度、均热段温度和生产节拍、回火炉加热段温度、均热段温度和生产节拍;水淬和油淬数据(压力、流量、水油淬时间等)。其中生产节拍决定了钢管在炉内加热时间，此外合同信息中还有该合同号中包括的全部炉号。L2服务器保存合同信息后，将炉温、生产节拍数据下达到L1生产监控系统中作为生产指示数据，其他数据可作为操作工生产参照数据。

　　用计算机根据最终产品要求计算的工艺参数指导生产，减少了人为错误，更好地保证了产品质量。

　　2）数据采集

　　改造前操作工手工记录每个合同每个炉号的生产时间，当需要进行产品质量分析时，质量管理人员根据操作工记录的炉号生产时间查找该段时间内记录仪在记录纸上绘制的炉温曲线，工作烦琐不便。

　　改造后L2服务器增加实时生产数据采集功能，对影响产品质量的重要生产数据在数据库中长期保存。钢管调质区主要是调节钢管硬度和韧度特性，对钢管质量影响最大的是加工钢管时淬火炉和回火炉炉温及钢管在淬火炉和回火炉中停留时间。所以每隔30s在L2服务器的数据库中保存一次淬火炉6段炉温、回火炉6段炉温、淬火炉生产节拍、回火炉生产节拍。当需要质量分析时，用户只需通过炉温查询功能输入合同号和炉号，便可自动显示出生产该批钢管时的炉温和节拍曲线。

　　3） 料流跟踪

　　料流跟踪是对生产过程进行监视，将实物的加工过程变为信息的传送过程。钢管调质区加工过程中实物形态并没有改变，这部分料流跟踪的主要目的是跟踪钢管在淬火炉、回火炉的生产时间，进而跟踪生产过程中工艺参数的变化，进行质量分析和管理。根据现场提出的要求，料流跟踪设计为在L2服务器的数据库中记录每个炉号中每根钢管的淬火炉、回火炉生产时间，保存三天。记录每个炉号的淬火炉、回火炉生产时间，保存200天。

　　下面简述一下钢管厂调质区的生产工艺。一个炉号的钢管从前一工序被吊装到调质区堆放到淬火炉上料台架，之后钢管一根一根通过输送辊道从淬火炉人口送入炉内，炉内所有钢管每隔一定时间向出口方向移动一个齿位的距离。进行正火工艺处理时，钢管到达淬火炉出口后，将送入冷床冷却，冷却后被送入下一工序，进行淬火工艺处理时，钢管从淬火炉出来后，送入水淬或油淬冷却，之后被送入回火炉再次加热，从回火炉出来后送入下一工序。回火炉的工作原理同淬火炉相似，只是回火炉炉温低于淬火炉炉温，而钢管在回火炉中的时间要长于在淬火炉内时间。

　　料流跟踪功能通过生产线上设置的光栅检测何处有钢管经过。在淬火炉入口、淬火炉出口、回火炉入口、回火炉出口各设有一个光栅监视器，MES跟踪记录以上四处通过的钢管的合同号和炉号、钢管在炉号中的排序号和钢管处理时间。具体实现步骤如下：当新的一炉钢管被吊上淬火炉上料台架，准备依次进入淬火炉前，操作工在L2服务器上输入将要生产的钢管的合同号、炉号和热处理工艺，之后按“新一炉号开始生产”按钮，开始该炉号的生产，这就是换炉操作。每次换炉后，系统在数据库中将为该炉号创建一条新记录，同时淬火炉入口的合同号和炉号自动设定为即将生产的合同号和炉号，钢管序号设定为0。如果是定修后第1次开始生产，换炉时还要将淬火炉出口的的合同号和炉号自动设定为将要生产的合同号和炉号，钢管序号设定为0。每当有钢管从淬火炉入口经过时，该处钢管计数加1，并在数据库中为该根钢管添加一新记录，同时将该根钢管进入淬火炉入口的时间作为它的淬火炉开始生产时间写入数据库。每隔一定时间淬火炉内钢管就向出口方向移动一个齿位，每次有钢管从淬火炉出口经过时，淬火炉出口钢管计数加1，并根据淬火炉出口记录的合同号、炉号和钢管序号，在数据库中写入该根钢管淬火炉结束生产时间。每根钢管的生产时间将用于在线质量分析。在一个炉号的全部钢管都进入淬火炉后，下一炉号开始生产前，操作工输入下一合同号、炉号及热处理工艺，进行换炉操作，这时MES系统将记录前一炉号的最大钢管根数。当淬火炉出口钢管计数达到该炉号的最大根数时，淬火炉出口自动换炉，即淬火炉出口的合同号和炉号自动设定为下一合同号和炉号，钢管序号自动设定为0。同时在数据库中记录该炉号的生产时间，该炉号第1根钢管进入淬火炉的时间作为该炉号的开始生产时间，该炉号的最后一根钢管出淬火炉时间作为该炉号的结束生产时间。回火炉入口和回火炉出口钢管跟踪过程，与淬火炉入口相似，但生产的下一炉号是正火管时，回火炉入口出口换炉后该处合同号、炉号和钢管序号自动清0。每个炉号的生产时间将用于质量统计分析。

　　4）质量分析和管理

　　质量分析的目的，在于及时发现潜在质量问题，加以改进，从而达到严格控制产品质量的目的。

　　在钢管厂调质区，炉温和节拍是影响产品质量的重要因素，所以产品质量分析就转化为对生产钢管时的淬火炉和回火炉炉温、淬火炉和回火炉生产节拍等重要生产数据的分析。根据实际的生产要求，MES系统设计了在线质量分析和统计分析功能。

　　在线分析功能是当某一炉号的钢管在调质区结束生产进入矫直区后，对该炉钢管进行组批。之后进行试批采样，操作工在L2服务器上输入采样钢管的合同号、炉号和钢管序号，MES系统查询数据库中生产该根钢管的时间及这段时间内的炉温和生产节拍，分别求出淬火炉和回火炉6段炉温的最高值、最低值和平均值。然后由操作工输入水油淬冷却时间、外喷压力、外喷流量、内喷压力、内喷流量，并将以上数据组织成质量信息电文发给L3，由L3进行进一步的质量分析，如有严重质量问题，将提示相关部门人员解决。

　　统计分析功能即炉温查询功能，由质量管理人员在工作站上输入合同号和炉号，MES系统首先查询出生产该批钢管的时间，进而查询出这段时间内的淬火炉、回火炉炉温，并显示出炉温曲线，这些历史数据将用于IS09000质量认证。同时当需要加工生产一种新型钢管时，技术人员会通过分析这些统计数据，来决定最佳的工艺生产参数。

　　5）设备管理

　　设备的维护管理就是对设备运转状态进行监视，记录故障停机等事件。

　　L2服务器通过监视淬火炉入口光栅来实时监视淬火炉的生产状态，当发现悴火炉入口超过半小时以上无钢管通过即认为已经停止生产，发生故障停机。恢复生产后，MES系统自动弹出窗口通知操作工故障停机结束，请求输入故障原因、故障设备，并与自动保存的故障停机开始时间、故障停机结束时间一起构成故障停机电文发往L3服务器。L3将长期保存设备的故障记录，并统计每天的设备运转率和故障率。

　　三、宝钢钢管厂调质区MES系统实施效果

　　1）提高了快速响应用户交货应答的速度。以前由于没有一个包括MES系统在内的产供销一体化系统，为了回答用户的要求，就要从销售开始查起。然后，跑到炼钢厂看看这个订单生产了多少，到热轧看看是否已经排入计划中，再到冷轧看看完成情况，这样跑了一圈十五天后才告诉用户，你的订单完成了多少，其实这时生产已经发生了变化。现在，因为用户的制造在线信息都在产供销一体化系统中，只要在终端输入客户合同，1.5秒即可知道订单的进度情况。甚至对于重要的客户（比如上海大众汽车厂）可以开放终端，用户自己就能够掌握他的订单在宝钢的生产节奏，然后，根据上游的生产情况，让钢材不再进自己的仓库，做到零库存生产。这样就可以大大地方便客户，加快生产的节奏，提高客户的满意度。

　　2）提高了产品的交货精度。以前由于没有MES系统的支撑，我们不知道什么时间可以生产、发货给客户，所以，当时在订货时就采取了一个非常宽泛的时间周期，也就是按季交货，就是在一个季度的第一天到最后一天的90天内交货都算不违约，这对客户来说显然是非常不方便的，而现在则可以精确到周或者天，这样客户就可以准确地把握他的订单的生产时间，从而精确地组织下游的生产。

　　3）对现场集中管制监控，对突发事件，进行实时操作指导。不锈钢事业部建立了生产管制中心，它通过MES系统及工业监控电视，建立集生产管制、质量控制、设备监控、能源管理等为一体的生产监控指挥中心，实现对生产制造全过程、实时动态、高度集中的一体化管理控制，实现生产过程优化控制、运行和管理。

　　4）提高产品质量设计的效率，提高了产品的质量。宝钢早期没有上MES系统之前，所有工艺技术、质量检验、制造规范标准都是手工，在接到用户订单后，花大量的时间去查询技术标准进行工艺质量设计，一般要一周以上才能够完成该项工作，并且容易出错。

　　5）MES系统引入后，通过统一国际标准、国家标准、企业标准、内控标准的关系，建立从原料到成品出厂等冶金全流程的产品规范和冶金规范，将用户订货的产品指标要求转换成厂内生产加工过程工艺参数的具体要求，细化了质量控制内容，实现产品的全过程质量控制，只需几秒钟即可完成，提高了效率和管理的精度。提供了产品质量分析的手段，进一步提高了实物质量水平。早期，对于发生的质量问题，由于缺少分析的平台与手段，根本无法进行这项工作。 

　　6）引入MES系统后，由于系统中有大量的详细质量信息，可以从这些质量数据中归纳出问题点来，比如，某周不合格率比平时高，可以通过数据分析找出问题的原因以及改善的办法来。 由于在MES系统中收集的生产现场的质量信息非常细致，并且质量信息保留收集时的原始形态，这就使得多面分析成为可能。 提高了现场作业的效率，减少了操作失误。早期，如果我们在制造现场通常会看到以下的景象：狭窄的操作室里，贴满了作业计划指令，塞满了各种操作规程书等资料。此外，在生产作业同时，还要填写各种检查表、管理台账、记录本等记录。各个管理部门从自身的观点出发收集管理数据，也会要求现场人员增加一些管理图表的填写等等，这就大大增加了现场操作人员的工作，同时也容易产生错误。 

　　7）MES系统引入以后，在终端上就会出现工艺设计参数、检验放行标准、质量控制参数等生产指令以及操作上应该注意的事项，对操作人员发出精确的作业指令。 提高了柔性制造的能力。在冶金生产过程中，随时可能发生各种各样的情况，快速有效地应对，怎样提高企业柔性制造的能力，也是当前企业必须面对的问题。

　　8）引入MES系统后，针对可能发生的紧急事件，MES系统能够采取相应的措施，实现柔性制造。 降本、节能、降耗、减排，提高了企业的效益。通过MES系统的计划管理、合同管理、现场质量控制等，加强了计划性，提高了产品质量，大大减少了包括原材料、在制品在内的无委托余材的产生，降低了对生产性资源的消耗与浪费，同时也加快了生产周期，减少了资金的占用。另一方面，通过将现场能源监控、能源调度、能源绩效分析等与生产制造、质量管理、工序成本分析等集成在一起，将制造过程延伸到能源管理，真正实现集成制造的全过程优化管理。同时，还对能源的统一调度、优化煤气平衡、减少煤气放散、提高环保质量、降低吨钢能耗和提高劳动生产率有着重要的作用。

　　四、宝钢钢管厂调质区MES系统特殊问题及处理方法

　　MES系统中的料流跟踪中的关键是要保证信息流与物流的同步。只有信息流与物流同步才能保证料流跟踪产生正确信息，后续的质量分析才有意义。因为实际生产中可能出现各种复杂的状况，所以保证信息与实物一一对应是实现难度很高的问题。通过分析钢管厂调质区的生产工艺，我们总结出可能导致料流跟踪错误的4种异常情况，用MES系统分别设计了解决方案，下面加以简要介绍：

　　1)其它物体从光栅前经过造成检测器计数不准。钢管厂使用光栅检测是否有钢管从辊道上通过，当辊道上有钢管时，该处光栅信号由OFF变ON，钢管通过后，该处光栅信号由ON变OFF。所以可以利用光栅信号变化来进行钢管跟踪计数。但只判定光栅信号会造成计数不准确，这是因为当有其他物体从光栅前经过时也会造成有钢管通过的假象。解决这一问题的方案是，监测到光栅由OFF变ON后开始计时，只有光栅的ON状态维持2s以上且这时光栅两侧的辊道都处于正转状态，才认为确实有钢管从此经过，钢管计数加1。

　　2)钢管变形造成计数不准。生产中由于某种原因导致钢管变形，会造成漏计或多计钢管，例如一根弯管会造成光栅两次计数，所以MES系统设计为在淬火炉入口、淬火炉出口、回火炉入口、回火炉出口等处允许操作工通过画面按钮增加或减少钢管计数。需要注意的是当增加一根钢管后，钢管计数如超过本炉号最大根数时，系统将自动在该处进行换炉操作，即设定该处合同号、炉号为下一合同号、炉号，钢管序号为0。当减少一根钢管后，钢管计数小于本炉号本次生产的开始钢管序号时，系统将自动设定该处合同号、炉号为前一合同号、炉号，钢管序号为前一炉最大钢管序号。

　　3)水淬油淬设备故障造成重处理管。如果生产淬火管时水淬或油淬出现故障，将从悴火炉出来的淬火管先运送到冷床暂时存放，待故障解决后，在冷床上暂存的管子会被重新吊装到淬火炉上料台架，重人淬火炉处理。这部分管子叫重处理管。因为重处理管在第1次生产时，料流跟踪程序在数据库中已为每根钢管产生了一条记录，并保存了每根钢管的处理时间，待重处理管再次进入淬火炉时，必须修改数据库中已有记录，否则将出现数据库中记录的钢管根数超过实际生产根数的错误，且记录的生产时间也与实际不符。所以当重处理管再次入炉前，操作工需输入最后一根重处理管的合同号、炉号、钢管序号和重处理管根数，按下重处理按钮，MES系统自动将数据库中原来的重处理管记录删除，并用其后生产的钢管记录补充，同时修改淬火炉入口和出口的钢管计数，如果这时淬火炉发生过换炉操作，则炉号信息表中记录的前一炉号和当前炉号的淬火炉处理时间也要自动重新修正。

　　4)服务器故障停机造成丢失钢管信息。当生产过程中发生服务器停机时，可能会造成部分钢管信息丢失。所以MES系统恢复后，允许操作工补充这批钢管信息。操作工在垃服务器上输入要补充信息的钢管的合同号、炉号、开始钢管序号及钢管根数，按下“补充钢管”按钮后，系统自动在数据库中补充这批钢管记录，在淬火炉入口、淬火炉出口、回火炉入口、回火炉出口允许操作工手工设定跟踪的合同号、炉号和钢管序号，之后开始料流跟踪，这样做都是为了使因机器故障造成的信息丢失最小化。　

　　五、结束语

　　;乾元坤和张经理认为，MES系统建设是一项管理改造工程，而非仅仅是一个以技术为主导的项目。企业信息化应用是对企业业务模式的重塑、管理。因此，以用信息技术提升企业核心竞争力和支持企业持续发展为最终目的，认识信息化建设是增强企业竞争力的客观需要、是企业参与国际竞争的重要条件，即“统一思想”至关重要。 同时，企业必须坚持“整体规划、效益优先、分步实施、重点突破”的原则，借用先进的计算机技术、网络技术、通讯技术、企业建模及优化技术进行实施，保障系统的开放性、可扩展性。考虑到企业已有管理系统的通讯、系统集成问题，避免出现更大或是更多的“信息孤岛”，提高企业的信息共享程度，为战略、管理、业务运作提供支持，提高企业生产对市场需求的相应速度。宝钢钢管厂调质区MES系统实施必须以“工厂模型”为依托，以设备全面全生命周期管理为中心，保障MES系统的实用性和实效性。