控制网

王晓东

1  前言
企业资源规划（Enterprise Resources Planning，ERP）是当今企业信息化的重点。它是将企业所有资源进行整合集成管理，简单的说是将企业的三大流：物流、资金流、信息流进行全面一体化管理的管理信息系统。在企业中，一般的管理主要包括三方面的内容：生产控制（计划、制造）、物流管理（分销、采购、库存管理）和财务管理（会计核算、财务管理）。
生产控制管理模块是ERP系统的核心所在，它将企业的整个生产过程有机的结合在一起，使得企业能够有效的降低库存，提高效率。同时各个原本分散的生产流程的自动连接，使生产流程能够前后连贯的进行，而不会出现生产脱节，耽误交货时间。
生产控制管理模块中的车间控制是将作业分配到各个车间，再进行作业排序、作业管理、作业监控。这是随时间变化的动态作业计划。制造标准是在编制计划中需要的许多生产基本信息，包括零件、产品结构、工序和工作中心，它们都用唯一的代码在计算机中识别。
控制系统和ERP系统在生产车间交叉，而企业的信息化需要两者相互融合，才能更好地促进企业的发展。所以MES（Manufacturing Execution System）应运而生，它包括了一系列的改进生产过程的解决方案，可以加速生产周期，缩短产品推向市场的时间，改进产品质量，执行严格的产品追踪，提高设备利用率等。典型的MES应用包括：质量信息系统、统计分析、产品追踪、自动化数据管理、资源管理、生产调度。应该说MES并非一个新事物，与很多厂商提出的管控一体化具有相同的概念范畴。但国内管控系统的应用大多只有控制、监视以及生产统计功能，并不具有生产管理功能。
由北京天高智机公司研制的制丝线管控系统不仅具有传统控制系统的控制和监测功能，而且具备了MES的基本框架并实现了基本功能，实现了生产过程自动化和生产信息管理系统功能的有机融合。下面就以实施完成的某卷烟厂制丝线管控系统为例进行简要介绍。
2  系统结构
从企业系统结构来看，整个企业从上到下分为四层：企业管理层、生产管理层、控制执行层、现场设备层，如图1所示。制丝线管控系统位于生产管理层、控制执行层、设备层三层，实现了三层的基本功能，并为企业管理层提供了信息浏览工具和数据库接口。
(1)  企业管理层 它是利用计算机网络技术把各部门、各车间的计算机联网，并与生产线上的网络联通，以传送它们之间的信息，从而进行多方面的综合管理。
(2)  生产管理层 由计算机、打印机构成。使用iFIX组态软件和ORALCE数据库，实现生产状态监测、生产管理、质量管理、设备管理。该层通过计算机网络与企业管理层进行数据通讯，向上级部门发布生产和工艺数据，为企业的决策提供依据，并接受企业的指令等；向下通过SIEMENS工业以太网与控制执行层进行数据通讯。对车间生产线进行监控，以及对车间生产线下发生产任务、配方、工艺参数、控制参数等，以实现集中监控和管理。

 图1  企业结构系统示意图

(3)  控制执行层 该层由SIEMENS S7-400 PLC及现场操作终端组成。实现开关量、模拟量控制，设备运行状况显示，数据采集、显示，参数设置、设备故障显示等。PLC直接对设备层上的数字开关量(如电机的启停、电磁阀的通断等)、模拟量(如加香、温度、流量、水份等)进行控制、监测等。在现场操作终端上设置必要的工艺参数、控制参数等，并可以显示有关的设备状态和生产数据。
(4)  设备层 该层接受控制执行层的控制命令。通过现场总线（如SIEMENS PROFIBUS-DP）与控制执行层通讯。通过自身的执行机构(如电机、电磁阀等)、传感器检测机构(如光电开关、接近开关等)、智能单元来按控制程序(工艺)完成生产。
3  系统功能
制丝线管控系统可分为控制系统和生产管理系统两部分。
(1)  控制系统根据生产指令和设备状态自动启停设备，通过控制回路实现配方所要求的工艺参数和配比比例，并采集相关的生产数据（包括设备状态、工艺参数、贮存信息、生产记录）传送给生产管理系统。生产管理系统监测所有设备状态和工艺参数和控制系统的状态、汇总生产记录和贮存信息、管理配方和工艺参数表；制定生产计划，并根据生产计划向各控制子系统下发生产任务、配方、工艺参数，将工艺参数进行历史归档，并在此基础上进行质量统计和质量分析，将设备故障和设备停机记录存入数据库，并根据此分析设备停机原因和设备维护决策。
(2)  制丝线管控系统的管理功能包括生产统计、生产调度、质量管理、设备管理等。
  生产统计是实现将生产记录和库存记录存入数据库，并根据生产类别/牌号、班次、班别实现生产线的生产数据统计，为生产调度提供数据基础。
  生产调度是制定每天的生产计划，按照各工艺段下发生产任务和工艺参数。生产调度需要管理系统和控制系统的紧密配合。
  配方管理包括配方和工艺参数的查询、修改、添加、删除。
  质量管理包括质量报表、质量分析(合格率、最大值、最小值、平均值、均差、超限数据统计等)。
  设备管理包括报警记录、生产停机记录、设备运转情况统计、设备维修管理、备件管理。
4  采用技术
在系统设计和实现方面采用了大量先进技术，保证了管控系统的顺利实施和功能的完整实现。
(1)  现场总线技术
我们在现场I/O中，采用了PROFIBUS-DP技术。它具有配置方便，简单快速的起动，生产中的高度灵活性，可靠和确实的诊断数据，可靠的数字传输技术等优点。
(2)  PLC
采用SIEMENS S7-400 PLC，它不仅支持现场总线，而且支持工业以太网。
(3)  工业以太网
我们在控制网络中采用了SIEMENS的工业以太网。它具有以下优点：
①  数据传输速率高，能提供足够的带宽；在整个管控系统中有大量的实时数据需要传送，工业以太网为数据传输提供高速公路；
②  采用与标准以太网共同的CSMA/CD技术使互联极为方便。由于与厂级网具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT(信息技术)系统；
③  CP443-1 IT/CP343-1 IT网卡的应用使工业以太网具有E-mail和WEB等互联网技术，通过E-mail、浏览器等链接到办公室自动化系统可以直接地将控制数据发送到管理网络。
(4)  组态软件
iFIX是过程监视及控制软件，不仅支持报警和报警管理、实时和历史趋势，而且具有网络和数据库功能。它内置标准的vba功能，引用ADO、OO4O后可以方便实现数据库的查询、插入、删除、修改，也可以使用iFIX内置的Visiconx来实现生产数据的查询。
(5)  数据库
选用了大型关系型数据库ORACLE，其性能优越，可管理性和安全性非常好，而且与ERP系统连接非常方便。
(6)  Web Server
Windows2000 Server中的IIS(Internet Information Server)提供了Web服务功能，采用ASP技术实现与ORACLE数据库的链接。由此可对生产过程中的汇总数据归档，以及对报警纪录进行浏览。我们还使用了iWebServer，它可以方便地读取iFIX中的实时数据。使用Web Server提供了廉价却有效的生产查询解决方案。
同时为增加管控系统的可靠性还采用了冗余、备份、镜像等高可靠性技术。
5  系统实施
由于管控系统的复杂性，在实施中应注意以下几点：
(1)  需求分析的重要性 在系统设计之前，必须深入了解用户的需求。并不断改进设计方案，如此几次后再确定设计方案。
(2)  方案设计要细致严谨 不仅要考虑用户需求和功能的实现，更要考虑技术的可行性。
(3)  协调的重要性 系统不仅需要与机械、传感器等厂家协调，而且需要与ERP系统连接，甚至系统中还包含其他厂商实现的子系统，所以必须将协调工作放在现场工作的首位，并最好由专人负责协调工作。
(4)  文档的重要性 在系统实施中有大量的技术协议和数据定义文档，而且随时变化，必须有专人负责文档的更新和统一工作。
(5)  统一的数据定义 数据和数据库的定义必须有统一的命名方法和统一的存放原则，而且项目组必须遵守这一原则。出现问题必须以数据定义为准。
(6)  统一的编程思想和方法 不同的子系统应该采用统一的内部数据命名方法，相同的功能采用统一的思路，而且功能块和数据块尽可能协调一致。
(7)  技术问题要尽可能在项目初期暴露和解决。
6  系统带来的好处
(1)  将设备控制、生产执行、生产管理紧密地集成在一起，为生产决策提供了坚实的信息基础和有力的生产手段，初步完成了现场数据向生产信息到管理决策的转换。
(2)  转换工厂数据变成工厂智能，真正将办公室与现场连接起来，生产人员可使用客户端工具或浏览器来监视、分析及报告其生产过程。
(3)  简化了复杂繁琐的工作流程。
(4)  提高生产效率。
7  结语
通过制丝线管控系统的实施和用户的反馈，我们认为系统的广度可以再拓宽，如质量在线分析、设备预警、生产决策、成本管理和效能管理等功能。深度可以再挖掘，如信息的丰富性及信息之间的内在联系。这是需要我们长期研究的课题，另外系统的安全性和可靠性也是需要加强的方面。
MES是一个跨自动化、计算机、管理、信息等多学科的系统科学，它的实现不仅需要技术人员对技术的了解和生产模式及工艺要求的了解，更需要甲方管理观念的转变和配合。而且实施过程中更需要多方配合，要克服固有束缚，本着一切为企业的信息集成服务的思想。企业信息化是永无止境的，它需要业内人士的不停探索和大胆尝试。