0 引 言

　　钢铁企业信息化系统可分为三层结构，由上到下依次为BPS(业务计划系统)、MES(制造执行系统)、PCS(过程控制系统) 。其中BPS层主要任务是营销管理、财务管理、制定公司的生产计划;MES层主要完成生产作业计划、生产调度、设备管理、质量管理、料流跟踪等功能;PCS层主要负责生产过程的监控。

　　宝钢作为国内自动化程度最高的钢铁企业，计算机系统分为4级，L1基础自动化级，L2过程计算机控制级，L3生产控制管理级(厂级)，L4公司管理级，其中L1属于PCS层，L2完成数模计算和MES功能，L3完成MES和BPS层功能，L4对应BPS层。宝钢一直拥有先进的过程控制系统，近年来随着厂级和公司级管理计算机改造的完成，现在已经建立起完善的BPS，但因为许多早期投入使用的生产线.上的计算机系统中不具备制造执行系统功能，使得上层的计划系统和下层的过程控制系统存在信息断层，所以需要对这部分计算机系统进行改造。最终实现从原料到成品全程自动化控制，建立一个以财务为中心，以合同为组织生产依据的综合管理信息系统。宝钢钢管厂调质区计算机部分改造就是在这种背景下提出的。改造前调质区只有一台L3的终端，用于生产计划显示，不具备制造执行系统功能。改造后增加了生产计划、料流跟踪、质量管理、设备管理等MES功能。

　　1 系统构成

　　1.1 硬件系统构成

　　改造后调质区的系统结构图如图1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，而制造执行系统功能主要由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1 系统结构图

　　1.2 MES程序结构

　　在L2 MES设计过程中，选用了先进的客户机、服务器结构。系统分为用户服务层、应用服务层和数据服务层。程序结构如图2所示。

　　图2 MES程序结构

　　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。

　　2 MES功能及实现

　　调质区MES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。MES数据流图如图3所示。

　　图3 MES数据流图

　　2.1 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。

　　2.2 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(反映为节拍)。所以每隔30 s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。

　　2.3 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(即加工淬火管还是正火管)，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。

　　2.4 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，本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，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，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。

　　2.5 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，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。

　　3 特殊问题及处理方法

　　MES中的料流跟踪是一个非常重要的功能，而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2 s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，所以应用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，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。

　　4 结束语

　　钢管调质区制造执行系统自2002年1月完全投入使用，在控制产品质量上发挥了良好的作用。新增的MES使原来分离的BPS和PCS连接为有效的整体，为将来实现全程自动化生产打下基础。

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