钢铁企业基于组件的柔性制造执行系统设计

1 问题的提出

    钢铁企业的产和销是一对矛盾的统一体。从市场销售来看，必须实现按订单生产，并充分考虑订单多品种、小批量的特点，以及其他个性化的客户需求，争取最广泛的细分市场；从生产角度来看，如此的生产方式则很难释放出企业的产能，达到产量的最大化。而在钢铁企业，如果不实现产能最大，只是一味地按订单生产，追求每一个客户的满意，必然增加企业生产成本，降低经济效益。因此，如何在产能和订单之间达到平衡，成为每个钢铁企业面临的关键问题。
    解决上述问题的关键是要依靠制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）由信息系统来综合平衡，优化设定生产销售的模式，并进行生产计划排程，最终实现企业效益最大化。美国先进制造研究机构（Advanced Manufacturing Research，AMR）提出了企业三层集成模型，即计划层[制造资源计划（Manufacturing Resource Planning，MRPⅡ）/企业资源计划（Enterprise Resource Planning）]、执行层（MES）和控制层（Controls），而制造执行系统协会（MES Association，MESA）对MES给出的定义是：MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂里有实时事件发生时，MES能对此及时做出反应和报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。
    而在钢铁企业&通常将应用系统分成4个等级，如图1所示。控制层实际上就是基础自动化（L1）和过程自动化（L2），基础自动化指仪器仪表、传感器等测量设备和传感设备等；过程自动化指面向区域或大型设备；并基于模型的过程控制系统（Process Control System，PCS）。车间管理层（L3）和企业经营管理层（L4）在钢铁企业一般就是指MES和ERP而具有一定规模的钢铁企业基本上已实现了ERP和车间内PCS，车间生产已经高度自动化。这样，如何利用MES，在ERP系统和PCS之间构建起信息的桥梁，成为钢铁企业系统集成的关键问题。

图1 钢铁企业4级系统结构

2 钢铁企业柔性制造执行系统的需求

    制造行业可以粗略分为离散制造行业和流程制造行业。1997年，Gartner组织对制造行业从极端离散制造到绝对流程制造又细分为按订单设计、按订单组装、面向库存生产、大批量生产、重复制造和流程制造6类。不同制造类型的企业对MES的需求不同，而基于MESA对MES的功能定义，已有多家机构和公司提出MES对象模型，比较典型的有：①波音公司向对象管理组织（Object Management Group，OMG）提交的MES信息需求方案,该方案的MES对象模型可作为航空制造等离散制造行业的建模参考；②日本制造科学与技术中心发表的OpenMES规范，可作为半导体行业等设备自动化程度较高的离散制造行业的建模参考；③美国仪表协会（Instrument Society of America，ISA）制定的SP95（standards project 95）规范，旨在发展可覆盖离散制造业、连续流程制造业和批处理流程制造业的跨行业的MES标准。
    而钢铁企业的工艺流程习惯上被划分成“铁前”和“钢后”两个区域&前者主要包括高炉、烧结、焦化、球团等车间；后者主要包括炼钢、连铸、轧钢等车间。针对钢铁企业这种离散与连续并存、多阶段混合式的生产制造行业，至今也少有机构或组织提出完整的基于组件对象模型的设计框架。因此，面对钢铁企业复杂的业务流程、网络和系统环境，以及参差不齐的自动化水平，MES很难适应企业的变化。
    总之，钢铁企业迫切需要功能可扩展和重构，且具有很强集成能力的柔性MES。笔者结合实际钢铁企业MES实施经验，提出柔性MES（flexible MES，f-MES）的概念，并以某钢铁企业业务流程较为复杂的“钢后”的炼钢、连铸、中厚板轧制等车间为对象，在充分的业务分析基础上设计出f-MES的组件模型，同时阐述了f-MES基于组件接口的柔性原理和重构方案。

3 基于组件模型的柔性制造执行系统

    3.1 组件定义
    关于基于组件开发方法，有多种定义。文献[6]将组件定义为“系统中物理的、可替代的部件，该部件遵守并提供一系列接口的实现”；文献[7]在组件定义模型中，将组件定义为“通过接口提供服务的软件包”。
    统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是OMG使用最多的规范，用来对应用结构、行为、架构以及业务流程和数据结构进行建模。UML2.0中，组件被认为是系统或子系统中自治的、封装的单元，这些单元提供了一到多个接口。