目前，我国大多数的钢铁企业采用DCS、PLC、 MMI等技术进行生产现场的自动化控制，钢铁企业MES后，车间级制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）在整个生产过程中起着承上启下的作用——企业内部物流的控制与管理、生产过程成本的控制与管理等生产管理活动都在MES层完成。它接收 ERP的生产计划、成本指针、能源计划等信息，并结合生产实际将这些计划下达给生产过程系统；根据生产现场实际，回馈生产完成信息和统计数据；对生产中的紧急事件，如设备故障、紧急订单等进行处理，保证正常的生产秩序。MES系统在钢铁企业的生产组织中的重要地位使得MES系统的安全等级要求非常高。而在 MES系统中，数据库系统作为整个信息的聚集体，是整个系统的核心部件，其安全性至关重要。它不仅关系到MES系统是否可以正常而安全地运行，同时也密切关系到企业的生产组织能否准确有效地进行。因此，如何有效地保证数据库系统的安全，实现数据的保密性、完整性和有效性，已成为保证MES系统安全性的重要一环。

    MES在钢铁企业弥补了公司级与底层控制系统之间的生产执行领域的空白。本文介绍了MES的框架结构及在计划调度、炼钢厂生产调度、CSP生产线上的应用。

    MES是Manufacturing Execution System的缩写，即生产制造执行系统。

    在钢铁企业信息化过程中一般将信息系统与控制系统一般分为4级，其中1级为基础自动化系统，2级为过程控制系统（PCS）3级为分厂（车间）生产制造执行系统（MES），4级为企业资源计划管理（ERP）。3级生产制造执行系统是企业信息化的基础和有机组成，4级是对整个企业人财物、产供销等资源的综合管理。生产制造执行系统以分厂生产管理为核心，主要目标是提高产品质量、提高产量。

    根据管理过程学派的观点，“管理”主要致力于研究和说明管理人员做些什么（计划）和如何做好这些工作（执行）两方面的内容。企业级管理关注的是前者，分厂级管理侧重于后者。表1给出了两者的特点与比较。

    MES定位为分厂级信息化，旨在提高企业的制造执行能力。其它地位不可能简单地被企业级信息化所覆盖，其功能也不是仅仅是实行管理与控制的信息交互那么单纯，MES有其独特地内涵和效益目标。

    1、钢铁企业制造执行系统的框架结构

    1.1钢铁企业MES的作用

    在钢铁企业中，过程自动化与ERP是IT技术应用的两个不同的方向。过程自动化系统产品和ERP系统产品分别由不同的供应商提供。这些供应商之间互不了解，独立发展的产品和技术使得ERP系统和过程自动化系统都具有各自的局限性。ERP的局限性：钢铁生产是离散与连续并存的多阶段混合式的生产，从原料投入到最终产品产生的过程中存在多道工序，并同时兼有物理和化学变化。在生产过程中既要考虑资源和工序方面的限制，也要考虑到温度、能耗以及质量偏差调整等钢铁生产中的特殊因素。ERP系统通常无法对如此复杂的动态生产过程进行细致、实时的执行管理，也无法直接获得和利用过程控制系统中的生产实绩数据。

    过程自动化系统的局限性：虽然某些过程自动化领域中的一些产品具有一定的制造执行功能，但是这些产品来自不同的厂家，不具备完整的功能规划和统一的数据结构。（例如：马钢三钢厂的转炉基础自动化和O.G系统，分别为鞍钢设计和日本进口），因此由过程自动化衍生而成的信息系统难以满足工厂的管理需求。

    以上二者的局限性，使得企业范围的信息化过程暴露出上层计划系统与底层控制系统之间的生产执行领域的空白。MES恰恰能填补这个空白，它不仅仅是工厂内部的管理系统，而且在业范围内的信息集成中起着承上启下的作用。

    1.2钢铁企业MES的结构框架

    美国的先进制造研究机构AMR提出的3层企业集成模型对钢铁企业的信息化具有重要的参考作用，它针对钢铁企业的特点，明示了MES在信息化体系中的位置，并突出了生产计划与调度体系的核心作用。

    钢铁企业信息化的3层结构界定了MES的功能范围，明确了MES的位置。在此基础上，结合了钢铁生产过程的特点，提出了钢铁企业MES的功能结构的参考框架，包括10个功能模块。

    2、钢铁企业MES在计划调度的应用

    MES是面对分厂级（车间级）的先进生产管理系统，生产计划调度是其核心功能。MES中的计划调度系统，对应与生产管理的短期计划安排，即实施层次，计划调度主要进行资源优化和计划编排，并为计划的执行和控制提供指导。良好的调度能直接控制生产的稳定和有序执行；能够预先解决生产中的干扰，缩短产品在车间的时间，减少成品库存，保证准时交货。

    根据企业生产工艺的特点，通常将制造业分为3种类型：连续制造业、离散制造业和介于两者之间的混合企业。典型的钢铁生产介于离散生产过程和连续生产之间，属于混合型制造企业。

    2.1钢铁行业的生产计划与调度有其特殊性

    a.钢铁企业生产工艺流程从原料投入到最终产品产出，整条物流中多数工序同时兼有物理和化学变化，是高温、高能耗工艺程序，他的生产过程存在实时性、连续性和随机性等特点，生产计划调度的复杂性很高。

    b.钢铁行业生产的关键是保证生产安全、稳定，物流畅通，最大限度地发挥瓶颈设备的能力，满负荷、优质、高效地生产。

    c.钢铁行业的生产计划和调度不仅要考虑信息流和物料流，还必须考虑能源供应。其调度决策功能需要对物料和能量提供最佳决策，决策应不仅以提高生产效率和降低生产成本为目标，同时还应将节省能源、减少污染等目标考虑在内。

    d.在制品的温度和生产时间在过程中的地位非常重要。温度太低，批次不得不重新加热，导致能耗和时间的增加；温度太高，可能会破坏工具。时间过早，机器被占用；过晚则产品的连续性会被破坏。

    2.2MES中的生产计划调度系统

    主要包括生产订单生成、生产计划生成和在线生产调度3部分。

    （1）生产订单生成

    如何安排生产取决于所接受的销售订单，而销售订单一般是无续且杂乱的，不仅是不同客户，甚至同一客户的订单都包括不同规格、不同品种，甚至不同交货期的产品，而钢铁生产线只有集中安排生产有规律性的产品（比如相同钢种，相同规格且具有一定数量）在一段时间内生产才能优化工艺，发挥出自身的生产能力，降低生产成本。

    计划人员集中一段时间的销售订单，例如一周中的所有订单，然后选择品种、规格、数量等因素，根据各因素的关注程度，采用一定的算法进行归并，最后得出生产订单。生产订单包含了成品的各种信息，如：生产订单号、销售订单号、产品代码、钢种、质量代码、钢卷号、客户代码等等。

    （2）生产计划生成

    当MES产生生产订单，并下达生产订单后，生产计划生成模块即开始运行，将订单分解至每一工序，由计算机按生产过程内部参数（如生产工序在线时间、收得率等），生成各工序的生产计划：炉次计划、浇次计划、轧制批量计划。

    ①炉次计划

    它是指炼钢厂根据合同特征、冶炼工艺、设备能力、与后续工艺的衔接关系等客观要求，对生产订单按炉次进行优化组合，达到总体生产成本最低、余材量最少，并基本保证后续工序的要求。

    首先根据生产订单要求的重量并结合各钢种冶炼收得率和连铸成坯率确定所需要钢水的重量，然后根据订单中钢材的品种、技术条件等因素确定炼钢的工艺路线，最后根据组合优化的理论，以炼钢生产中各类成本最小为目标，以一定的资源能力和工艺要求为约束，进行多目标多约束的优化组合，最终形成炉次计划。

    在组合优化中考虑的主要约束包括：同炉次内订单的钢种、规格、坯型、交货期等参数要相同或接近；符合主设备生产能力的限制；保证与后续工序的衔接；限制不常见的余材量等。

    ②浇次计划

    它是指在连铸工序中，在中间包及结晶器等易损部件不更换的情况下，连铸机能连续浇铸的炉次序列。

    由于连铸机每次开浇都需要一定的准备、调整时间，结束一个浇次时还需要更换塞棒、水口等部件，因此希望每次能连续浇铸的炉数尽可能的多，从而提高生产率，节省准备费用和调整时间。

    编制浇次计划包括给浇次分配炉次集合以及浇次内部炉次的排序。首先按照组成同一浇次的炉次所要求满足的条件建立浇次优化模型，并对模型进行初始化，然后选用一定方法求解浇次优化模型，一般可考虑采用基于规则的启发式方法或综合的智能优化方法，最后调度人员可根据实际情况进行人工调整。

    编制浇次计划主要考虑的约束条件包括：组成同一浇次的钢种成分最好相同，对异钢种连浇要根据具体情况处理；同一浇次中板坯的宽度不能频繁改变，一般按照宽度非增原则顺序排列，且变化不能太大；浇次中的炉次数量要根据塞棒和中包使用寿命进行限制。

    （3）在线生产调度

    钢铁生产过程产线长、工序多，任何环节出现故障都会影响到整个生产的正常进行。为了保证整个生产的正常进行，必须为每一个中间环节提供可供选择的调度手段，以实现正常的物流管理，以及在非正常情况下的物流有效调度。

    计划调度系统具有在线协调生产的功能，对生产线的每一个生产工序都有事件监控能力，能够判断从各二级计算机传递的监控点事件信息是否处于正常或故障状况，根据故障影响生产的时间长短，相应地调整生产计划。生产调度人员也可以对现场做出相应的协调指令，增强对现场生产的调控能力。例如：当轧制工序出现故障需排除时，二级机将送上轧机延迟信号，MES将据此对后工序进行延时调整，并调整相应的生产计划，达到协调生产的目的。

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