轮胎生产过程MES系统研究与应用

lihuolin958

    目前，国内的轮胎企业为提高企业竞争力，大多实现了企业资源规划系统(EnterpriSe ReSourcePlanning，ERP)和生产过程控制系统(Process Control Sys，PCS)。由于2个系统的应用对象和实现范围不同，造成系统之间的信息孤岛化，导致企业管理层制订计划时缺乏有效的实时信息支撑，而下层控制环节缺乏优化调度、协调和远程监管，海量冗余数据缺乏有效的智能化处理和利用，出现了“数据丰富，信息匮乏”的尴尬局面，制约着企业竞争力的进一步提升。

    为了解决上述问题，国外专家早在20世纪80年代中期就开始进行研究，并最终在20世纪90年代提出制造执行系统(Manufacturing ExecutionSystem，MES)这一概念。MES系统是位于计划层和控制层之间的中间层(执行层)，它起到连接计划层与控制层的桥梁作用。一方面，ⅧS系统可以对来自于计划层的生产管理信息进行细化、分解，将来自于计划层的要求转化为具体的控制信息，传递给控制层，由控制层对设备进行控制生产；另一方面MES系统通过各种通信方式采集现场设备、仪表的各种状态和工艺信息，实时监控底层设备的运转状态，并进行在线或离线分析、计算与处理，从而方便、可靠地将控制系统与信息系统整合在一起。

    针对传统的孤岛化信息系统已难以满足市场竞争的需要，结合国内众多轮胎厂的实际情况和轮胎生产过程的特点，通过MES系统的研发，真正实现了轮胎生产过程信息的集成，本文对该MES系统的架构原理及其应用情况进行了介绍。

1 轮胎生产过程的特点

    MES系统解决的是信息孤岛化问题，所以系统的范围就需要覆盖轮胎生产过程中的每道工序：它们分别为密炼、部件、成型和硫化。数据采集和控制的对象就是所有的轮胎生产相关的设备，比如密炼设备、复合压出设备、成型设备、硫化设备等，如此大的覆盖范围和采集控制对象加大了系统构建的复杂性和不确定性。

    同时由于轮胎制造业过程工艺的复杂性和特殊要求，其生产属于前期流程制造和后期离散制造的复合制造过程。由于工艺的复杂性、技术发展还相对不足以及轮胎制造系统固定投资相对较大等原因，加瞄系统在轮胎行业的实现与其他传统行业相比存在以下几个显著特点：

    a．由于轮胎生产工艺的复杂性，导致了生产过程中产品结构的复杂化，如在轮胎生产的不同时期，原材料与产品存在不同的关系，从而要采用不同的方式来描述产品的结构，这些都将增加MES系统描述的难度。

    b．由于历史和工艺的原因，轮胎企业生产过程中各个工序的自动化水平参差不齐，存在全自动化的计算机过程控制系统与手工操作共存和不同厂商不同标准的设备共存的情形，由此增加了MES系统中现场数据的采集成本，同时加大了软硬件系统实现的难度。

    c．轮胎生产过程中，涉及到的设备种类繁多，现场各种等级的强弱电设备共存，设备对于电子信号干扰严重，同时生产环境恶劣，空气质量和环境温度远远超过一般标准，这些将会影响到№S系统现场设备运行的稳定性以及信号传输的可靠性。

    d．目前，轮胎企业的生产调度和控制工作完全由车间管理人员简单地依靠生产机台的运行状态和经验来完成，同时轮胎生产过程的各种信息冗杂，导致在现有的工作模式下，管理层的生产计划信息与生产实时信息之间存在较大的双向滞后，从而难以实现企业资源的最优配置和高效的调度，为此必须建立高效的MES系统，并在此基础上建立具有可操作性的计算机调度系统，这是构建现代化综合集成制造系统的关键，也是未来的发展趋势。

    综上所述，由于轮胎生产过程的复杂性，导致了MES系统从系统架构、系统描述到最后信息网络的实现，比典型的流程工业更复杂，再加上生产过程众多不确定性因素的存在，增加了实施自动化生产调度的难度。为此，必须根据轮胎生产过程的现场采壤系统实际情况，对传统MES系统进行改进，以满足轮胎生产过程的要求。

2系统的架构

    在轮胎生产企业建立本系统，目的是要解决EI心系统和PCs系统之间的信息孤岛问题，真正实现全厂综合信息化，从而提高企业的生产效率和决策的可靠性，加快企业对市场的响应速度，降低企业的生产成本，最终使企业核心竞争力得到提高。但是由于轮胎生产行业的特殊性(复杂的工艺流程和产品结构、参差不齐的自动化程度、大量的现场干扰等)，在建立MES系统时要考虑到更多更复杂的要求，比如要实现生产现场的实时显示以及远程的实时控制，就必须要考虑到系统庞大数据传输导致的滞后问题和数据传输通道的容量问题；要保证系统运行稳定可靠，就要解决现场恶劣环境对设备运行的影响以及现场各种强弱电设备对数据传输的干扰；要对现场各种设备进行数据采集，需要解决复杂数据采集的接口问题等等。下面分别从MES系统的软硬件架构2个方面来阐述。

    系统的硬件架构由现场数据采集系统、数据交换系统、服务器系统和客户端系统4个部分组成(如图1所示)。在完成此架构的过程中，重点考虑了如下几个问题： 数据采集系统中，使用环境抗干扰能力较强的工业

    a．保证实时可靠的数据采集和传送。在现场计算机通过以太网或现场总线的方式进行现场数据采集。在数据长距离传送过程中采用信号增强器，避免由于信号衰减而造成的数据不可靠。同时使用100M／1000M交换机，以增加数据传送通道容量，避免数据堵塞。

图1 系统硬件架构图

    b．系统的安全性与可靠性。构建Web服务器组与数据库服务器组，并在数据库服务器组使用了磁盘陈列技术，确保数据的完整性以及稳定性。软件是MES系统的核心，由于轮胎生产过程的复杂性，导致了加坠系统软件的复杂化，系统的软件架构大致包括采集层、逻辑层和业务层(如图2所示)。

图2 软件系统构架图

    系统结构选择。在采集层中，由于通信接口自动化程度的差异较大，采用C/S模式，各设备分别通过植人工业计算机中的特定采集程序进行数据采集并上传数据库服务器。业务层面向的对象是终端用户，负责查询结果的显示和操作指令的输人，因其响应速度要求较高，覆盖范围较广，故采用B/5模式。逻辑层主要负责响应外来请求，包括对数据的管理、设备的预警、生产的调度、质量的预测、远程监控等，由于涉及到的数据量十分庞大，为了减轻服务器的负荷和避免数据传送的堵塞，本系统采用了存储过程技术来对数据进行处理。

    数据安全可靠。综合信息系统的基础数据的安全可靠性是构建Iv}S系统时需要重点考虑的问题之一，我们从数据传输协议、数据同步、通信设备状态的自诊断等方面进行了考虑，同时对系统各级用户通过权限管理，赋予不同操作权限，从而保证系统数据的安全可靠性。

    数据智能化处理。为了降低生产成本，提高生产效率和产品质量，针对目前检测手段不足或人工进行知识提取复杂等问题，在系统中引人了基于计算机建模的预测模型，如通过建立的预测模型，对设备故障预警和产品质量进行在线预测，以及炼胶生产线的胶料质量在线预测、通信设备的状态在线实时诊断等，从而提高了系统的智能化可监控能力。

3 系统的实施

    在上述MES架构的基础上，通过对轮胎企业的生产特点和管理业务流程的了解和分析，研发了轮胎企业的MES系统。该系统目前已在某轮胎厂投人运行，下面将介绍已实施MES系统的几个主要功能模块。

    a.数据采集模块:生产过程的数据采集准确地说并不是一个功能模块，但它却是MES系统和厂级生产管理信息化系统的信息来源和基础，是整个系统的根基。在本系统中，数据采集从通信方式来讲，涉及到串行通信、现场总线通信、以太网通信和基于组态软件的间接数据采集等多种方式，通信协议繁多，需通过编写专门的采集程序实现。

    b，质量管理模块:此模块共包括质量标准管理、在线质量管理、离线质量管理和质量预测4种功能。质量标准管理就是发布、添加、修改判定工人生产质量的标准。在线质量管理通过获取现场实时信息，经过系统运算，判断是否符合标准的过程。离线质量管理是系统对终检部门的检测结果进行及时的收集和存储，帮助用户更加全面和及时地了解产品质量情况。同时引人了CPK指数(制作过程综合能力指数)，通过这个指数可以更加直观地反映出产品的质量情况，并对检测手段不足的关键质量指标，建立数学模型，进行在线实时预测，以及对产品的质量进行预测，为相关质量指标的检测提供软手段。

    c.设备管理模块:此部分包括设备档案资料管理、设备运行状态监控和设备维修维护管理3个功能。设备档案资料管理主要指的是对设备基础数据资料的管理和维护。设备运行管理包括对设备运行状态进行监控，分类记录各种停机时间，统计设备故障率和运转率等。设备维修维护管理改变了大多数轮胎企业使用的预防维修(Preventive intenance)或称为计划维修，这种方法虽然能减少发生故障的概率，但是由于计划固定，容易产生维修过剩或维修不足，浪费企业很大一部分资金。在本系统中，我们通过建立适当的模型，对系统本身的设备和部分关键设备进行了故障诊断，提高了设备管理的效率和质量，同时有利于提高设备的有效工作时间，降低企业的经营成本，从而提高了核心竞争力。

    d．生产调度模块：面对激烈的市场竞争，企业应该提高市场的响应速度，传统的调度模式存在很大的局限性，为此在MES系统的研究过程中，我们试探性地进行了车间调度算法的研究，企图在轮胎生产过程中实现车间调度的计算机自动化。对于轮胎企业而言，硫化工序是整个轮胎生产过程的瓶颈，所以生产调度目前主要着眼于硫化车间的调度，利用遗传算法建立相应的优化调度模型。该调度算法具体的工作流程和步骤如下(如图3所示)。

图3 调度算法流程图

    (1)先获取各种初始化参数，包括生产任务的具体信息，待硫化规格的加工时问、可加工机台等工艺信息，生成初始种群。

    (2)根据适应度函数计算适应度值。

    (3)约束条件判断，满足此条件，就按自适应遗传算法进行选择、交叉、变异，产生新的种群。再重复第(2)步，不满足条件，就直接输出结果。

4 结束语

    本文分析了轮胎生产过程的复杂特点，并在此基础上提出了轮胎生产过程皿S的架构方案及其主要功能模块，目前已从软硬件上构建了一个具有较高综合性能的皿S系统，并提供了与ERP系统和PCS系统的接口，解决了传统信息系统下的信息孤岛化严重的问题，使数据的综合智能化应用得到了提高，有助于提高企业的决策效率、决策可靠性，以及对市场的相应速度，有利于提升企业的核心竞争能力。当然，由于轮胎生产过程的复杂性，基于MES系统的研究和开发还有很多工作要做，全面构建一个综合智能化系统尚有很长的路需要走，目前国内才刚刚起步。

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