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1、连续工业生产与离散工业生产MES的比较综述与评论化工自动化及仪表,2003,30(5):14ControlandInstrumentsinChemicalIndustry连续工业生产与离散工业生产MES的比较胡春,李平(浙江大学工业控制技术研究所.浙江杭州310027)摘要:在对比连续工业生产与离散工业生产物料及产品特点的基础上,分析两种生产类型的特点,比较两者对MES各模块功能需求及模块阃关系存在的差异.通过比较分析进一步促进流程工业MES的研究工作,建立能适应多种工业生产类型的MES体系结构,提升混杂生产类型的企业内部及企业间的信息系统集成水平.为建立可重构,可配置,可扩展的MES体系结构
2、建立基础,缩短MES开发周期,降低系统实施成本,进一步推进企业信息化的发展.关键词:制造执行系统;MES;功能模型;体系结构中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1000-3932(2003)(05)-0001-041引言为了提高企业对市场的响应速度,有效地管理生产,企业信息系统逐渐向扁平化,集成化方向发展,由多层递阶体系结构发展为三层体系结构.处于三层体系结构底层,面向具体设备和装置的控制层系统,经过长期的工业自动化发展后已较为成熟;处于三层体系结构顶层的ERP等计划层信息系统,也正为越来越多的企业所应用,以适应快速,复杂的现代企业管理要求.制造执行系统(MES)是处于体系结构中间层
3、,服务于工厂,车间的生产,面向执行的执行层信息系统的总称,它联接着计划层和控制层各信息系统,使整个企业信息系统有机地集成在一起.计划,执行,控制三层体系结构的提出,既能使企业信息系统各层围绕自己的对象提供良好服务,又能使整个企业的信息系统在信息和功能上有机地集成.由于MES在企业信息系统中起着承上启下的重要作用,自20世纪90年代初正式提出后,MES的研究和开发已成为企业信息系统研究的重要组成部分,但目前国内对其研究还处于起步阶段.离散工业MES的发展较早,在半导体,航空,汽车等行业中已被应用,并且有效地提高了工厂的管理和生产水平.流程工业虽然在过程自动化领域发展较早,但在工厂和车间层信息系统
4、MES的开发和研究却相对较晚,阻碍了流程工业企业信息化进程.利用CORBA,XML,COM/DCOM等先进信息技术开发具有可集成性,可扩展性,可配置性的MES是当前的发展趋势.2连续工业生产和离散工业生产的特点流程工业存在连续操作,间歇操作以及两者混杂等多种模式,在离散工业中也存在类似的混杂情况,文献7,8曾对两者CIMS做过一些对比分析.为了突出特点,比较差异,以下的讨论将对仅包含连续操作的流程工业生产和仅包含离散操作的纯离散工业生产进行比较.定义:(1)连续工业生产:除了启停及异常情况外,生产中物料呈连续状态通过整个生产流程,主要通过化学,物理化学变化实现产品的工业生产,例如石化,天然气,
5、水处理,电力,造纸等工业的主要生产流程.(2)离散工业生产:生产中物料处于离散状态,主要通过物理加工和组装实现产品的工业生产,例如机械制造,仪器仪表,电子等工业的主要生产流程.由于连续工业生产与离散工业生产在物料和产品两方面特点的差异(如表1),导致了两种类型的工业生产在流程中存在诸多差异,进而决定了相应的MES的不同.2.1连续工业生产特点(1)同步,串行生产.由于物料是液态或气态,收稿日期:2003-08-04(修改稿)基金项目:国家高技术研究发展计划(2001AA4142,40)?2?化工自动化及仪表第30卷为了便于加工,输送,生产设备间通过管道等相互衔接,按照串行方式生产,在物理上形成
6、固定的生产路径,设备间同步要求较高,生产的进度常常通过一个或几个主变量控制.表1连续工业生产与离散工业生产的物料及产品特点工业生产类型连续工业生产离散工业生产物态液态或气态固态物料物性对控制参数的影响较大较小特点种类固定变化组成均匀物质多种不同部件产品类型固定变化特点生命周期长短加工途径化学,物理变化物理变化(2)设备功能的冗余度低.生产过程中的设备一般为面向特定产品或特定加工环节的,功能比较单一.而且由于以串行方式生产,在发生故障时影响较大,所以对设备故障的预防和诊断能力对生产的顺利进行非常重要.(3)控制量相互耦合.产品生产主要通过化学变化实现,主要控制量为温度,压力,流速等变量,由于通常
7、其反应机理较为复杂,物料成分不同,生产时控制参数往往不同,而且控制量间常相互耦合,因此,对流程各变量的控制是至关重要的,将决定产品的质量,得率及成本等关键指标.(4)切换代价大.由于启动和停机的时间较长,控制复杂,生产流程以串行方式相互衔接,柔性弱,设备清洗耗费大等因素,使得流程工业生产切换或设备故障造成中断的代价大.另一方面,流程工业各行业的产品类型比较固定,因此连续工业生产切换少,调度主要根据生产计划进行排产.由于生产路径比较确定,物料种类及产品种类比较固定,因而调度的复杂性较低.(5)生产对安全和污染的控制要求高.由于化学反应多为高温高压条件,存在副产物及不稳定等特性,使得在生产过程中对
8、生产的安全和污染的控制要求较高.连续工业流程生产确保完成计划的条件下,应使流程中被加工的物料处于高收益的稳态,因此资源的管理应以流程生产为中心.流程通过控制系统和连续的物料使各相连的操作单元形成一个整体,这一方面简化了调度和管理的难度,另一方面却增加了控制的难度.由于流程切换代价大,企业生产的柔性主要由计划调度,模拟及流程后续产品再加工或包装环节来实现.2.2离散工业生产特点(1)并行,异步生产.由于产品部件多,可以独立加工,设备间可以以缓冲区或库存等方式调节设备间生产能力的差异,使生产流程能够并行,异步进行.但由于决定生产进程的关键路径会随生产变化而变化,增加了生产的调度和协调的复杂性.(2
9、)设备功能冗余度大.加工设备多为数控机床,可以通过控制程序和工具的更换实现多种加工功能,因此对于某一产品常存在多种实现路径可供选择,这也增加了调度和协调的复杂性.(3)控制量相互独立.产品生产主要通过位移,角度作为控制量进行物理加工,设备控制参数由设计决定,不受物料物性影响,设备间独立性强,因而生产过程中设备控制相对简单.(4)切换代价小.流程切换不存在象连续工业那样复杂的启停和清洗过程,主要是加工程序的上载和刀具的更换,所以切换代价较小.(5)资源管理复杂.由于每个操作可能涉及不同的物料,设备,工具及文档等资源,这些资源离散地分布在企业中,因此在异步,并发的离散流程中,协调在生产中起着重要作
10、用J.离散系统通过非增值的操作环节(如传输,存储和检查)和设备功能的冗余提高制造系统的柔性,如何权衡柔性和效率成为其重要的优化标准.由于异步,并行生产方式,流程的柔性强及设备间存在缓冲的特点使设备故障对生产的影响相对较小,但也对生产调度和协调提出更高的要求.3MES功能需求的差异由于物料和产品特点的不同导致了连续工业生产和离散工业生产存在诸多差异,这就使它们从各自的特点出发对相应的MES提出不同的要求,对比的功能模块划分主要是参照MESAInternational提出的功能模型u引.(1)流程管理与控制模块连续工业生产:与数据获取模块,质量管理模块,底层控制系统进行实时通讯;以控制层的基础控制
11、能力为基础,提供各种先进的控制算法,实时地监控生产动态过程按调度要求安全,稳定地进行;提供对生产失控或出现故障的实时报警,并能采取相应的紧急措施.离散工业生产:通过对流程的离散事件动态监控,自动地纠正生产操作或提供决策支持,以实现生产调度要求;在出现意外或生产进程偏离调度太远第5期胡春等.连续工业生产与离散工业生产MES的比较.3?时,及时报警相关人员使其采取相应的措施.(2)生产调度与任务分配模块连续工业生产:根据生产计划,综合流程实际能力,物料与能源供应,预防维护及切换代价等因素,制定生产的具体班次安排,生产进度安排等;由于产品的生产周期长,切换较少,以及流程设备冗余小,所以各任务的加工设
12、备往往在调度时已确定.离散工业生产:根据工厂设备实际的加工,传输,存储能力的变化,制定并优化生产的具体流程及各设备的详细操作顺序;为了提高生产柔性,生产任务是根据生产执行具体情况及设备状况,结合资源配置和管理模块现场动态分配,因而一般分为两个模块.(3)资源配置与状态模块连续工业生产:由于生产存在波动变化特性,为了保证生产连续,顺利进行,这一模块一般包含于流程管理与控制模块中.离散工业生产:提供各资源的实时状态;与任务分配紧密协调,为各生产单元配置工具,设备,物料,文档等资源,保证各操作按调度的要求准备和执行.(4)质量管理模块连续工业生产:把直接或间接质量测量及分析结果实时反馈到相应的模块;
13、保证产品符合行业标准和客户要求;跟踪产品原料的相关信息,生产控制参数和配方,质量检测结果及相关的批次,编号和数量等等.离散工业生产:跟踪产品原料,各加工部件的设备,操作人员,批次等,为产品的使用,改进设计及质量管理提供依据;根据检测结果确定产品问题,提供相应的决策支持.(5)维护管理模块连续工业生产:管理和指导设备,工具的维护活动;根据结合数据获取模块采集的生产数据进行故障分析和诊断.离散工业生产:管理和指导设备,工具的维护活动,确保其可用性.(6)劳动力管理模块连续工业生产和离散工业生产在劳动力管理方面区别较小,主要功能为:提供人员的状态和相关的信息;跟踪个人的工作执行情况;为操作人员提供决
14、策支持等.(7)文档管理模块连续工业生产:管理产品的配方,工艺流程,控制参数,相关行业标准,污染控制标准等.离散工业生产:管理产品的设计,操作流程,工艺说明等;根据任务分配,为生产单元提供相应程序和信息等.(8)数据获取模块连续工业生产:及时为其它模块提供所需数据,从工厂层实时地获取数据,并进行数据校正及格式转换等处理;为管理者,上层信息系统提取所需信息.离散工业生产:获取各种操作,设备,物料,产品等数据,并汇总成其它模块/系统,管理者所需信息.(9)性能分析与模拟模块连续工业生产:对产品的相关数据,能源的耗费,设备的使用情况进行综合评估;依据获取的数据建立,修正生产模型,使其真实有效地反映实
15、际生产过程,通过模拟分析提升控制效果.离散工业生产:对比资源利用率,资源可用性,产品生产周期等的当前性能与参考性能的对比作出相应的评估;通过模拟仿真为生产调度提供参考.由上述对比分析可知,在离散工业生产中,因为加工流程要随产品改变,要按定单生产,就要以产品为中心,确定每批产品的物料清单,工序和参数,因此离散MES应以产品为中心,通过各模块间相互支持和通讯.快速协调工厂的各生产活动,使生产并行,有序,快速地进行.在连续工业生产中,整个流程是个统一体,流程生产以计划为基准,资源则以流程为基准,因此连续MES应以流程整体控制为中心.系统中,流程管理与控制,资源配置与管理模块间紧密地结合,并与质量管理
16、模块以及控制层实时关联,以安全,高效,优质,均衡为目标.另外,可以看出MESA功能模型划分主要针对离散工业,未充分考虑流程工业的特点.在开发实施时,应充分考虑通过封装利用已有的,成熟的流程控制系统,不仅能减少开发成本,缩短周期,也有利于减少发展信息系统对生产的影响.4小结在比较连续工业生产与离散工业生产物料及产品特点的基础上,分析了两种工业生产的特点.根据连续工业生产和离散工业生产的不同特点,进一步分析两种工业MES各功能模块的侧重点及模块之间关系存在的差异.希望通过比较分析,进一步促进流程工业MES的研究.同时也为了建立既能适应离散工业生产的需要,又能适应连续工业生产的需要的体系结构,为两种
17、工业生产模式企业间的协同生产及具有多种工业生产模式的企业内部的集成?4?化工自动化及仪表第30卷创造良好的基础,缩短MES开发周期和降低系统实施成本,进一步推进企业信息化的发展.参考文献IAMRConsulting.NextGenerationPlantSystems:TheKeytoCompetitivePlantOperationZ/OL.http:/www.tamconsulti2MESAInternationa1.TheBenefitsofMES:AReportfromtheFieldZ/OL.hap:/www.mesa.org/educationcenter/default_old.
18、asp,1997.3孙宇,陈杰,蒋晓春,等.略论制造执行系统研究J.高技术通讯,1999,(1O):60-62.4王凌,王雄,金以慧.MES一流程工业CIMS发展的关键J.化工自动化及仪表,2001,28(4):1-5.5胡春,李平,宋执环,等.制造执行系统体系结构中功能模型的研究J.信息与控制,2002,31(6):561-566.6BarryJ,AparicioM,DunfiakT,et.NHIPSMART:AnInvestigationofDistributedObjectApproachestoSupportMESDevelopmentandDeploymentinaVirtualEn
19、terpriseA.Pro-ceedingsof2ndInternationalEnterpriseDistributedObjectComputingWorkshopC.1998.366-377.7赵欣宇,柴天佑,赵新力.CIMS和CIPS体系结构对比分析的研究J.信息与控制,1998,27(4):304-309.8XiongG,NybergTR.ComparisonBetweenCIMSandCIPSA.Proceedingsof7thIEEEInternationalConferenceonEmergingTechnologiesandFactoryAutomationc.1999,l:
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21、DiscreteIndustriesHUChun,LIPing(InstituteofIndustrialProcessControl,Zhejm,University,Hangzhou310027,China)Abstract:Basedoncomparisonofpropertiesofmaterialsandproductsbetweenproductionsofcontinuousindustriesanddiscreteindustries,propertiesofthesetwotypesofindustryproductionareanalyzed.Andthen,differe
22、ncesoffunctionsofMESmodulesandrelationshipbetweenthemarecomparedbetweenthesetwotypesofindustryproduc-tion.OnepurposeofcomparisonanalysisistofacilitateresearchworkonMESofprocessindustries;theotheristobuildanMESarchitecture,whichcanadapttomulti-industriesproduction,topromotelevelofinformationsystemsin
23、-tegratedwithinhybridproductionenterprisesorbetweendifferententerprises.Anditwillfinallycontributetobuiltanintegratable,configurableandextendableMESarchitecture,shoencircleofMESdevelopmentandcutdowncostofMESappHcation.Soitwillfurtherimpulseenterpriseinformatization.Keywords:manufacturingexecutionsys
24、tem;MES;functionmodel;architecture橡塑技术与装备征订启事<橡塑技术与装备)于1975年创刊,是国内外公开发行的唯一以橡塑工艺技术,加工机械及新材料新产品为重点内容的专业技术期刊,由全国橡胶塑料设计技术中心和北京橡胶工业研究设计院联合主办.以普及和提高橡塑工艺技术与装备的专业技术知识,交流技术经验,传递科学新信息,推广应用科技新成果,开展橡塑机械理论的探讨与研究,促进橡塑工业的技术进步,提高橡塑工艺和装备人员的技术水平,提高橡塑企业的管理水平为宗旨.主要栏目:综述与专论,新技术新材料与新产品,工艺与设备技术改造,机械设计与制造,设备管理与维护,微机应用与自
25、动控制,环保/节能与安全,综合信息.月刊,定价12元/月,国际大l6开,正文铜版双色印刷,广告彩色胶印.国际标准刊号:ISSNIOO9-797x,国内统一刊号:CNIl-4534/TQ,邮发代号:2-780.国外代号:M1653.本刊备有20002003年度光盘版合订本,100元/套,欢迎来电来函订阅邮购.银行汇款:北京橡胶工业研究设计院开户行:建行北京西四支行帐号:6510003022610051705邮编:100039地址:北京阜石路甲l9号<橡塑技术与装备>编辑部订刊联系人:李跄跄广告联系人:章其华,李跄跄编辑部联系人:马明明电话:010-51338303,68186589传
26、真:010-68186589,68132426Http:wwChmaRP.corncnE-mail:crteChinaRP河北化-r)征订启事<河北化工>为化工综合性技术期刊,由河北省化学工业研究院和河北省化学工业技术情报中心站主办,国内外公开发行,邮发代号18-333.大l6开64页码,双月刊,逢双月20日出版.国内订价8.5O元/本,全年5l元(含邮费).国内可通过全国各地邮局征订或直接向编辑部汇款订阅.<河北化工>是<中国期刊网,<中国学术期刊(光盘版)>,<中国学术期刊综合评价数据库,<中文科技期刊数据库>收集期刊.主要报导化工新成果,新工艺,新产品,新设备,和先进经验及行业发展方向,动态,市场信息等.主要栏目:综述与论坛,科研与生产,经济与市场,分析与测试,综合利用,化工知识,信息等栏目.<河北化工>常年承办广告业务(广告经营许可证1301024D00007),封面用纸为157g铜版纸,设计,印刷精美.欢迎来人,来电,来函联系广告.开户行:工商行石家庄建华办事处户名:河北省石油化学工业技术情报中心站帐号:0402022409221000187地址:石家庄建华南大街l8号邮编:0:031电话:11-5051579传真:(X311-5051096联系人:赵健E-mail:Mbjb163.c衄
