控制网

1  引言

    从计划到市场，从封闭到开放，近年来我国浮法玻璃工业发展的内外环境发生了巨大变化，一方面我国的浮法玻璃工业已经取得了突破性发展，不仅产量逐年递增，而且技术也在不断更新；但另一方面，由于我国浮法玻璃行业产能增长过快，造成市场竞争加剧，而且原材料价格的上涨更使企业的生产成本上升，再加上大型跨国玻璃集团在中国的扩张步伐逐步加快，这一切都使国内浮法玻璃生产企业的生存面临更大的压力。国内浮法玻璃生产企业要想在买方市场和全球化竞争压力下生存发展，就必须全面提升核心竞争力，其主要表现在企业对市场反应的速度、质量、成本、服务和柔性，这些要素的改善和提高，都离不开企业信息化建设这一重要的基础和后盾。

    浮法玻璃工业作为典型的流程生产工业，现有的信息可分为两大类：

    (1) 生产数据，包括生产控制系统产生的实时数据以及由此产生的计算统计数据如配料量、熔化量、拉引量、能耗、电耗、氮氢用量、成品率等，还包括直接来源于生产线的人工技术数据如原料的配方和化验分析数据、成品质量检测数据、锡耗等；

    (2) 管理数据，包括经营决策、计划、调度、财务、销售、采购、库存、人力资源等数据。现代生产企业的信息化建设的关键就是要将上述的生产信息和管理信息结合起来，建立一个管理控制一体化系统，具体的说，就是运用系统集成的思想和方法，采用计算机技术、网络技术、自动控制技术和应用技术及现代企业管理模式，建立一个全集成的、开放的、全厂综合自动化的信息平台，将企业生产经营过程中有关管理、技术和人力等三要素的信息流、物流及资金流进行有机的集成并整体优化。可以说，管控一体化系统的建设是生产企业信息化建设中不可或缺的关键环节，其内容涵盖了生产企业信息化建设的全部内涵，是生产企业信息化建设的最重要组成部分。

2  管控一体化结构体系的发展和市场动向

    在管控一体化技术的发展过程中，其结构体系经过了多年发展，逐渐形成了的ERP/MES/PCS三层结构体系，即ERP企业资源计划、MES制造执行系统、PCS过程控制系统。

    PCS系统重点在于对设备和工艺过程进行有效的、高精度、高水平的检测控制，其目标是满足工艺指标要求，从生产的角度保证产品的质量最优、生产成本最低并按时按量交货。PCS系统主要通过DCS（分布式控制系统）及其变种、PLC（可编程序控制器）、SCADA（数据采集监控系统）、常规仪表、继电器控制等完成对设备和工艺过程的检测控制。

    MES系统是基于精确的实时数据、以生产综合指标为目标的生产过程优化控制、优化运行与优化管理的技术，在整个管控一体化系统中承上启下，是ERP系统与PCS信息沟通的桥梁。对于面向制造加工工业和流程工业的ERP，脱离MES将无法根据市场需求去组织、管理和优化生产。由于每个行业的生产工艺不同，不同的行业对MES系统的要求和着重点是完全不同的，其实施可从旨在解决一两个当务之急的工厂生产瓶颈问题着手，开发相应的MES子系统，并逐步地扩大为一个完整的层面。

    ERP系统是指建立在先进的管理思想和信息技术基础上，把客户需求和企业内部的制造活动以及供应商的制造资源整合在一起，通过对采购、生产、成本、库存、销售、财务、人力资源进行合理规划，从而达到最佳资源组合、取得最佳效益的计算机综合信息系统。与MES系统不同，ERP系统侧重于企业的经营决策、生产组织、生产管理等宏观方面的优化，是计划的制定者，而MES系统则是计划的执行者。

    PCS、MES、ERP三大系统是高度相关的，只有在管理技术、控制技术、信息技术和优化技术的共同推进下实现三大系统的综合集成，才能真正完成信息的综合应用，实现管控一体化。一个完整的、能够引导企业保持长期的业务利益和价值的综合信息系统，必须是ERP，MES和PCS三者整合后协同作用的结晶。

    当今对管控一体化发展表现得最积极的当属工业自动化系统的供应商，各大著名公司纷纷推出了一系列的解决方案，如西门子的全集成自动化(TIA)、GE Fanuc的智能化生产管理(IPM)、罗克韦尔公司(AB)的电子化制造(e-Manufacturing)、施耐德(Modicon)的透明工厂、ABB的Industrial IT、Honeywell的Experion PKS、Foxboro的I/A Series A2、Emerson公司的Plant Web、横河的企业技术解决方案(ETS、e-RM)、和利时的MACS SmartPro等，均属于管控一体化概念的范畴。这些系统的共同特点是立足PCS层，以过程控制为主，部分公司通过并购或开发增加了旗下系统的MES、ERP功能或具备了与MES、ERP集成的软、硬件基础，进行自下而上的渗透，但大部分系统所谓的管控一体化解决方案仅仅是概念上的延伸。相比之下，国内的和利时公司则在管控一体化方面走出了扎实的路子，不仅自主开发了ERP系统HS2000 ERP，还进一步开发了作为MES系统重要组成的实时信息系统RealMIS，与其DCS系统MACS SmartPro整合在一起，提供了管控一体化的一种解决方案，获得了很好的业绩。

    相比PCS系统供应商应对管控一体化是自下而上的渗透，ERP软件开发商应对管控一体化则是自上而下的渗透。目前国内参与ERP市场竞争的供应商及相关企业要超过30家，如国外的供应商SAP、Baan等、国内供应商用友、利玛、和佳、中软冠群等，一些杰出的开发商早已从管控一体化的视角开发或完善自己的ERP系统，并结合应用的行业，逐渐增加相应的MES功能，但也许是限于工艺技术、控制技术的掌握程度，总体来说，ERP系统自上而下的延伸力度不如PCS系统自下而上的延伸力度。

    不管是哪种方向的扩张渗透，都在蚕食MES系统的地盘，其原因就在于ERP和PCS的开发已经趋于成熟，而MES起步较晚，行业通用性不强、也没有受到足够的重视，市场上成熟的MES产品不多，获得成功应用的少之又少，但这种现状却不能抹杀MES在管控一体化系统中的重要性。

3  中国浮法玻璃管控一体化的现状

    作为传统制造业，和绝大多数建材企业一样，我国浮法玻璃生产企业的管控一体化建设总体上处于起步阶段，其现状是过程自动化的相对先进性与管理信息化的滞后性并存，许多企业仅仅从技术层面理解信息化问题，仅对以信息化带动技术进步，解决质量过程控制问题给予重视，绝大多数企业并没有建立集生产、经营决策、计划、调度、财务、销售、采购、库存、人力资源管理等管控一体化系统。

3.1  过程控制系统（PCS层）信息化的现状和问题

    一条完整的浮法玻璃生产线可分为许多工段，包括配料混合、熔制、锡槽、退火窑、冷端等主线工段、还包括氮氢站、油站（或天然气站、煤气站）、循环水站、压缩空气站、高低压变配电所、余热锅炉房等公用工程。由于长期以来的应用习惯，各工段采用的控制系统模式各不相同，品牌也更是五花八门。

    配料混合控制通常采用监控计算机+PLC+配料控制器的模式或监控计算机+PLC（其中包含了PLC的配料模块）的模式，虽然监控计算机采集并保存了配料混合的所有实时数据，但是各浮法生产线的配料控制系统并不都具备开放的数据接口，如有些系统仅以EXCEL文件的形式保存数据，更难以提供先进的如OPC等数据接口。当然，那些采用了iFIX、Cimplicity HMI、WINCC等监控组态软件或采用了SQL Server等数据库的配料控制系统，就可以提供开放的数据库接口（ODBC）或OPC接口。

    目前熔制、锡槽、退火窑三大热工设备的控制基本上采用第三代或第四代DCS系统，ABB的Industrial IT、Emerson的DeltaV、 Foxboro的I/Aseries和A2、Honeywell的PlantScape和Experion PKS、西门子的PCS7、和利时的MACS SmartPro等国内外著名品牌DCS在全国百余条生产线上都有应用，上述绝大部分系统的共同特点之一就是开放性，向上通过提供开放的数据库接口（ODBC）或OPC接口去连接管理层，向下则支持多种标准的现场总线。但是早期应用于浮法线的老版本的DCS则大多是自我封闭的系统，基本上不具备开放性。

    冷端的控制几乎全采用PLC，根据机组功能分为横切机、掰断加速、分片、堆垛等若干套单机PLC控制系统，以往这些单机系统之间的信号联络大多通过I/O模块，而许多重要的信息如玻璃规格、辊道速度、输送目标等都无法通过PLC之间的数字通讯来实现。没有通讯网络在冷端控制系统本身就已经制造了许多个自动化孤岛，更无法实现和其他工段的网络通讯。但近年来，各大PLC生产厂商纷纷提升各自PLC系统的网络系统水平，一方面工业以太网已经成为主流，许多PLC的CPU模块上均已集成了以太网接口，不仅CPU模块之间可以便捷可靠高速通讯，任何挂在网上的计算机都可以通过PLC厂家提供的驱动软件从CPU读写数据；另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与系统内的智能设备实现了数字化通讯。因此，一些新设计的冷端控制系统已考虑了数字化、网络化和开放性。

    氮氢站的控制基本上是由设备附带，自成体系。根据机组大小和价格，制氮控制系统采用DCS或PLC，也有采用常规仪表的。而制氢控制系统大多采用常规仪表，少数系统采用PLC。虽然采用DCS和PLC的那些系统从技术上具备了和外部通讯的条件，但总体上说，所有的制氮制氢控制系统无论从硬件上还是软件上，基本上没有考虑开放性。

    部分10kV以上高压变配电所采用了微机综保系统，可以预留外部通讯接口，其他的高/低压变配电所基本上没有配备电力监视系统，一切电流、电压、功率、电度等电力数据无法和外部通讯。

    根据熔窑燃料的不同，相应的浮法线附有油站、天然气站或煤气站，除煤气站常常进入三大热工设备的DCS系统外，油站和天然气站大都采用常规仪表控制，没有配备过程数据采集系统，因此和外部数字通讯更无从谈起。余热锅炉房、循环水站、压缩空气站等基本上采用常规仪表控制或继电器控制，和外部数字通讯的条件也不具备。

    应该说，当前我国浮法玻璃企业的生产过程控制系统的水平已经基本跟上了世界自动化技术的发展，许多新的控制技术和产品在浮法玻璃生产线上都有不同程度的应用，但是从管控一体化的角度来看，还是存在诸多问题：

(1)  自动化信息孤岛使生产线各工段的信息共享难以实现

    由上述可见，国内浮法生产线各工段的控制系统形态各异，总体上很少考虑与外部的数字网络通讯问题，很多采用较新型号的DCS系统也仅仅是预留了以太网接口，有些系统连OPC软件模块也没有配备，PLC系统也是如此，多采用常规仪表、继电器控制的公用工程也缺少SCADA系统。实际上，当前的浮法生产线并没有实现设备之间、各系统之间、控制与管理之间的信息共享，各工段自动化系统是一个一个的信息孤岛，严重制约了企业的发展和资源共享。

(2)  应用程序的开发没有顾及未来实施管控一体化的需要

    无论是选用DCS还是PLC或者是其他厂家自成体系的微机控制系统，都必须二次开发符合浮法玻璃生产线工艺要求的应用程序，但往往是生产线控制系统投产在前，而管理系统遥遥在后，应用软件的开发根本就没有从管控一体化的角度系统考虑信息交换的问题，未来上层管理系统下达的协调优化信息无法融入当前的应用程序，而当前的信息也只是考虑自身应用，没有系统的整理以备日后上层管理系统使用，这都给未来实施管控一体化造成了一定的障碍。

(3)  现场总线没有全面应用制约了现场级控制设备和仪表的数字透明化

    现场总线的核心是数据通讯，可以传输大量的信息，将现场控制设备和仪表纳入现场总线的目的是能实现控制设备和仪表的远程状态监控、故障诊断、预防维护、在线调校等功能，即所谓的数字透明化。尽管最新的DCS和PLC都支持各种形式的现场总线，包容了FCS的功能，而很多现场级设备和仪表也配备了多种现场总线接口，但现场总线在浮法玻璃生产线上仅是局部应用，少量系统采用了现场总线化的质量流量计、变送器、调节阀、变频器等，绝大部分系统都还停留在依靠一对一布线来实现检测、反馈与操作指令等模拟信号传输的阶段，这就使管理层无法获知底层设备的全面信息，形成了盲区。

(4)  先进的控制和优化策略的应用程度较低

    实施管控一体化的终极目标是提高企业的效益，既要管理出效益，也要控制出效益。虽然目前在浮法玻璃生产线上应用的控制系统相对先进，但绝大部分的针对浮法工艺的控制策略都采用常规的PID控制，许多成熟的、先进的控制和优化策略，如预测控制、模糊控制、神经元网络控制、专家系统控制等高级智能控制等等都没有得到应用，不言而喻，这些先进的策略有助于提高质量、减少能耗、降低成本。所以，先进的控制和优化策略的应用程度较低也将影响管控一体化的实施效果。

3.2  企业资源计划（ERP层）和制造执行系统（MES层）的应用现状

    ERP无论是在中国还是在全世界都掀起了一场关于管理思想和管理技术的革命，这一新的管理方法和管理手段正在越来越多的中国的企业中被迅速的应用和发展。由于资金和认识的限制，目前绝大部分浮法玻璃企业都没有规划或实施ERP系统。虽然大多数浮法玻璃企业在管理层面上采用了财务管理、人事管理、电子报表等基础管理系统，但这些系统目前还停留在单项系统、单个部门的应用上，已经不能适应企业的进一步发展对管理的需要。

    尽管ERP在国内浮法玻璃企业的应用相当少，但从认知的角度，相比MES，还是逐渐进入了管理者的视野。制造执行系统MES，作为管控一体化不可缺少的一个层面，不仅在浮法生产企业，就是在国内其他生产企业，认识的人也很少。虽然作为一个完整的层面，MES系统还没有进入国内浮法生产企业，但实际上，作为过程控制系统的衍生，部分MES的功能已经在一些浮法生产线上实现，或至少具备了实现的硬件和系统软件条件，表现在以下几个方面：

(1)  三大热工设备的DCS系统具备了实现MES系统部分功能的条件。

    在浮法玻璃生产线上，由于热工工艺的独特性，熔窑、锡槽、退火窑等三大热工设备之间的关联远比三大热工设备与其他工段之间的关联更为密切，对三大热工设备的调度、执行、优化控制和跟踪等管控手段也与其他工段不同，如果实施一个完整的MES系统，有理由也有必要将三大热工设备归入同一个MES子系统；三大热工系统在PCS层面上的控制也有别于其他工段以数字量为主的顺序控制，而是以模拟量为主的过程控制，控制策略也大相庭径，擅长过程控制的DCS系统或其变种理所当然的将三大热工设备纳入其控制范畴，从DCS的视角看，控制不仅仅意味着组态若干个控制回路去控制相应的指标，而是应将整个热端看作一个相对独立的控制实体，这与MES系统在基础上不谋而合，因此，在没有MES系统的情况下，DCS就硬件和系统软件来说完全有条件承担起大部分针对热端的MES功能。 但遗憾的是，国内浮法玻璃管理控制技术的开发者没有给予MES足够的认识和重视，而专业的MES软件开发商限于工艺技术的壁垒，也无法深入浮法玻璃生产领域，目前DCS系统包含的还仅仅是PCS层的内涵。

(2)  全自动拉边机的普及大大增强了MES系统的实用性。

    在使用普通拉边机的浮法玻璃生产线上，改变玻璃厚度需要对拉边机进行一系列复杂的人工操作和调整，既费时又费力，在此基础上实施MES系统，其实用性将大打折扣，例如当ERP系统确认了某种厚度的玻璃订单，并在合适的时候交由MES系统执行时，MES系统将根据生产线的实时信息自动产生一系列的最优化操作指令，如改变闸板开度、确定每一对拉边机的摆角、速度、推进和压下与否、在合适的时间调节退火参数等，而这时的拉边机人工调整就成了瓶颈工序，人工调整在时间和效果两方面的不确定性直接影响制造周期、成品率和质量，同时增加了ERP系统对订单响应的不确定性，从ERP系统的视角看，就是产能不足。近年来全自动拉边机在国内多条浮法玻璃线上得到应用，且有普及的趋势，由于全自动拉边机的摆角、速度、推进和压下与否等参数均可通过数字设定精确的被执行或调整，其状态信息也能实现数字化反馈，虽然目前采用全自动拉边机的生产线基本上还是以人工数字设定为主，本质上还是属于人工调整，但采用全自动拉边机将大大增强今后MES系统的实用性这一点是肯定的。

(3)  冷端优化切割系统是MES系统不可分割的一部分。

    或许开发者事先并没有意识到，冷端优化切割系统已经完全体现了MES系统的功能设想，只要配置好与ERP系统的接口，就是一个完整的针对冷端的MES子系统。浮法玻璃生产的连续性决定了其产销管理模式首先应是优先响应订单，当订单生产完成后，就要面向库存生产。ERP系统综合了订单、库存、产能、成本、人力、历史分析、市场预测、生产线实时信息等因素后，将形成一份动态的、按优先等级分为若干种计划的生产任务，每种计划都包含了厚度、规格、等级、数量、时间等信息，所有的计划按厚度可分为几大类，一般来说优先等级最高的是符合当前生产厚度的一类，每一类里也就是说在同一厚度下，优先等级最高的是紧急订单，其次是一般订单，最后是完成订单后的面向库存的计划。优化切割系统将根据ERP系统下达的当前厚度计划中的优先级、规格、等级、数量、完成时间等信息，综合在线玻璃缺陷装置提供的实时缺陷信息，产生包含满足等级要求的各计划规格和最小化严重缺陷规格的切割队列，再下达给横纵切机组控制系统。从上述可以看出，虽然冷端优化切割系统在目前国内浮法生产企业的应用还不是很广泛，但这却是实施浮法玻璃企业管控一体化、构造具有浮法玻璃特色的MES系统不可或缺的关键部分。

4  中国浮法玻璃管控一体化的发展思路

    正如上文所说，浮法玻璃行业的现状是过程自动化的相对先进性与管理信息化的滞后性并存，而资金投入的相对不足、复合型人才的缺乏、观念和认识上的相对落后则是造成信息化滞后的根本原因，因此，提高认识，改变观念，突破资金与人才因素的制约，加强信息化建设资金投入与人才培养，是实施管控一体化的基本前提。

    近年来，管控一体化在以钢铁、石化、医药等为代表的流程型工业企业蓬勃发展，已成为企业提高竞争力，决胜市场的关键手段。但由于行业之间的生产工艺、产销模式、信息基础、知识结构、资金投入等都有很大区别，浮法玻璃行业可以借鉴这些已经成功的现有行业经验，但不能照搬。管控一体化系统的建设是一个复杂的高科技的系统工程，不可能一蹴而就，应分阶段逐步实施，就浮法玻璃企业而言，长期以来都是以信息化带动技术进步、解决质量过程控制问题为出发点，属于典型的技术驱动，很少从管理的角度来考虑信息化的问题，而这种思维定式在短期内很难改变，因此，浮法玻璃企业管控一体化的分步建设从系统体系结构上说应自下而上，在实施的过程中逐渐改变观念，统一认识，减少阻力。

(1)  做好前期的整体规划，确定合适的管控一体化功能结构体系

    不少企业在管控一体化建设过程中出现的问题往往由于缺乏前期的整体规划或者虽然进行了规划，但规划的深度和细度不够，导致企业内部对管控一体化的认识不统一，因而在技术道路、系统架构等方面走了弯路。因此，根据浮法玻璃生产企业的具体情况，深入细致的进行整体规划，确立适当的技术道路和系统构架是浮法玻璃生产企业管控一体化建设的首要步骤。基于对我国浮法玻璃企业管控一体化现状与管理、控制及其一体化和信息技术发展趋势的认识研究，本文提出了适应浮法玻璃工业特点的管控一体化的系统构架，如图1所示。

(2)  在新建或升级改造过程控制系统的过程中充分融入管控一体化的思想

    过程控制系统（PCS层）是浮法玻璃生产企业的强项，但也是实施管控一体化过程中阻力最大操作最难的一个关键环节，如果脱离了过程控制，那么管控一体化就失去了存在的基础。由于各工段的控制系统无论从品种还是从品牌都五花八门，既无法统一也没有统一的必要，这就对信息的集成提出了很高的要求。浮法玻璃企业应抓住新建或冷修的每一次机会，贯彻管控一体化的思想，必须要求各工段的控制系统供应商按统一的网络接口标准及相应的系统软硬件技术标准和规范设计各自的控制系统，在应用软件的开发上要充分考虑与上层管控系统的信息交换，并尽可能采用先进的控制优化策略，在资金和技术允许的条件下，现场设备仪表也尽可能的采用现场总线技术。对多数采用常规仪表或继电器控制的公用工程，应根据资金的情况在合适的时间实施SCADA系统（数据采集监控系统），以便其信息能进入管理视野。

(3)  分工段逐步实施具有浮法玻璃特色的MES子系统

    浮法玻璃企业MES系统的实施必须抓住重点问题，谋求整体最优，应认识到，MES的发展和应用是一个过程，而不是一个事件。虽然市场上有不少商业成套MES软件，具有投资规模、项目周期和易维护性等方面的优点，但由于MES软件开发商很难突破工艺壁垒，现成的软件毕竟不能解决个性化问题，这也是目前业界对MES系统的开发模式和技术标准争论不休的根本原因。因此，对于浮法玻璃企业，构造MES系统暂时还不合适走购买商业成套软件的道路，另一方面，也并不是浮法生产线的所有工序都要建设MES系统。合适的、符合目前浮法玻璃企业实际的做法是分工段逐步实施具有浮法玻璃特色的MES子系统，重点发展冷端优化切割系统、基于DCS系统硬软件的热端MES子系统、基于原料、配合料分析化验数据和熔化效果专家经验、具有配方优化机制的配料MES子系统，这些子系统将是构成浮法玻璃生产企业管控一体化MES层的骨干。

(4)  进行管控一体化网络平台的建设，配置合适的实时数据库，完善MES层管控一体化网络平台的建设首先要搭建企业内部网络，构架基础信息通路，在软硬件的配置上要充分考虑到系统整体的需要，并要留有足够的余量，以满足企业未来发展的需要。

    根据目前网络技术发展的水平和实际应用需求，应选用光缆介质的千兆以太网作为主干网。其次要考虑实时数据库的配置问题，实时数据库是管控一体化的核心问题之一，与传统关系数据库不同，实时数据库可解决数据与时间的相关性和共享大量数据，其作用一方面是采集过程控制系统的实时数据经优化、计算、分析后提供给上层ERP系统，使ERP系统能在第一时间获取生产数据，迅速的作出相关的反应和调整；另一方面使ERP系统的指导信息能实时的下达给MES系统，以迅速的组织和优化生产，同时，实时数据库作为MES系统的重要组成部分，也是各MES子系统整合贯通的桥梁，可以说，实时数据库和各MES子系统一起，构成了浮法玻璃完整的MES层。

(5)  选择合适的ERP系统，与MES层、PCS层全面集成融合

    国内的浮法玻璃企业在工厂管理上花了很大力气，如采取降耗、减员增效等传统的管理模式和手段，但都不系统，就事论事，是间断性的、表面的，没有总结内在的规律，因此，实施一套全面体现现代管理思想的ERP系统并与MES和PCS全面集成融合，达到管控一体化的目标，是浮法玻璃生产企业最终的必然选择。但目前国内外ERP产品龙蛇混杂，浮法玻璃企业ERP选型要慎重，考虑的因素不仅仅是厂商品牌、产品价格、功能模块是否全面等表象的因素，而应更加关注ERP产品的可用性。企业实施ERP最终能否成功不只是看ERP能否成功上线，更应该看ERP能否适应企业不断的发展。

6  结语

    总之，浮法玻璃生产企业管控一体化的建设是一个循序渐进的过程，需要长时间的累积并逐渐完善，而这种融合了现代科学管理思想、信息技术和自动控制技术的综合管理系统，对面临内外竞争压力的浮法玻璃生产企业所产生的作用是不可估量的。笔者有理由相信，以实施管控一体化为突破口，全面提升企业的管理水平，是中国浮法玻璃企业迈向世界先进水平的必由之路。

参考文献

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