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钢铁生产执行系统监控平台构建研究

时间:2020-03-19 来源:大连理工大学 作者:徐艳坤 本文字数:6941字
  摘 要
  
  随着我国钢铁生产企业的发展,在生产过程中已经广泛采用制造执行系统(MES)。制造执行系统在钢铁企业各个工序生产过程中发挥着越来越重要的作用,其稳定高效运行也成为影响企业生产效率和信息化建设的关键因素。通过人工点巡检的方法无法实现对制造执行系统的实时监控,导致无法对生产过程进行全程严密监控,因此研究一套自动化程度较高的监控系统对于提高制造执行系通监控效率,提升生产自动化水平,及时发现排除故障,不断提升钢铁制造企业生产自动化水平具有重要意义。

钢铁生产执行系统监控平台构建研究
  
  本文通过对钢铁企业制造执行系统的特点和原理的分析,并对该系统监控系统要求进行总结,研究一套生产执行系统监控平台。首先依据钢铁企业制造执行系统运行维护现状,进行监控平台的总体设计;第二,以监控需求实际为出发点,对监控平台做了全面分析,确定监控平台架构及实现方式;第三,以面向对象程序设计理论为指导,实例化监控对象,确定监控点位,设计监控平台程序流程图;最后采用面向对象编程技术,设计功能模块,实现监控数据全面、报警功能多样的监控平台。以面向对象程序设计理论为指导,利用通用监控技术,实时采集系统结构中网络状态、Windows 操作系统及服务器性能参数、AIX 操作系统及服务器性能参数、Oracle 数据库性能参数及重要业务数据,并同步展现在监控平台界面,通过对监控平台的总体设计和软硬件设计,最终实现了监控系统的功能。对监控平台画面中监控点位设置报警阀值,当实时监控数据达到或超过报警阀值,监控点位设置为红色,画面提醒;开启监控服务端及客户端主板蜂鸣器的蜂鸣,声音提醒;为每个监控点位设置语音报警内容,通过平台程序逻辑判断,利用语音播放设备,播放语音报警;短信告警,给维护人员手机发送异常监控点位告警信息。通过以上功能设计,实现了制造执行系统的监控报警功能,为企业进一步提高自动化生产提供了重要的技术参考。
  
  关键词:  制造执行系统;监控平台;面向对象;服务器;Oracle。
  
  Abstract
  
  With the development of China's iron and steel production enterprises,Manufacturing Execution System (MES) has been widely used in the production process. Manufacturing execution system (MES) plays an increasingly important role in the production process of various processes in iron and steel enterprises,and its stable and efficient operation has become a key factor affecting the production efficiency and information construction of enterprises. It is impossible to realize real-time monitoring of manufacturing execution system by means of manual spot inspection,which leads to the inability to closely monitor the whole process of production. Therefore,the study of a set of highly automated monitoring system has the advantages of improving the monitoring efficiency of manufacturing execution system,improving the level of production automation,finding and eliminating faults in time,and it has great significance to continuously improving the level of production automation of iron and steel manufacturing enterprises.
  
  In this paper,the characteristics and principles of the manufacturing execution system in iron and steel enterprises are analyzed,and the requirements of the system monitoring system are summarized,and a monitoring platform of the production execution system is studied.Firstly,according to the status of operation and maintenance of manufacturing execution system in iron and steel enterprises,the overall design of monitoring platform is carried out;secondly,the monitoring platform is comprehensively analyzed based on the actual monitoring requirements,and the framework and implementation of monitoring platform aredetermined; thirdly,under the guidance of object-oriented programming theory,monitoring objects are instantiated,monitoring points are determined,and the program flow of monitoring platform is designed. Finally,the object-oriented programming technology is used to design functional modules to realize a monitoring platform with comprehensive monitoring data and diverse alarm functions. Guided by the theory of object-oriented programming and utilizing general monitoring technology,the network state,Windows operating system and server performance parameters,AIX operating system and server performance parameters,Oracledatabase performance parameters and important business data in the system structure are collected in real time,and displayed synchronously in the monitoring platform interface. Through the overall design of the monitoring platform and the design of software and hardware.Finally,the function of the monitoring system is realized. The alarm threshold is set for the monitoring points in the screen of the monitoring platform. When the real-time monitoring data reaches or exceeds the alarm threshold, the monitoring points are set to red= and the screen reminds; the buzzer of the monitoring service and client motherboard is turned on and the sound reminder is turned on; the voice alarm content is set for each monitoring point,and the voice is played through the platform program logic judgement and the voice playing equipment. Alarm; SMS alarm,send abnormal monitoring point alarm information to maintenance personnel's mobile phone. Through the above function design,the monitoring and alarming function of manufacturing execution system is realized,which provides an important technical reference for enterprises to further improve the automation production.
  
  Key Words:Manufacturing Execution System; Monitoring Platform; Object-oriented;Server;Oracle。
  
  1 绪论。
  
  1.1 课题研究背景。

  
  钢铁行业是关系到国民经济建设的支柱行业,也是典型的重工业。随着钢铁生产企业的不断转型升级,对这类企业的信息化管理要求也在不断提高。钢铁行业信息化水平和生产效率直接关系到国家工业化的进步和发展。如图 1.1 是 2006 年到 2015 年的钢铁产量走势图。
  
  
  
  钢铁行业的信息化是典型的制造业信息化,为了改变传统的以预测为主的生产方式,逐渐转向以客户需求为中心的生产模式,许多企业都引进了企业计划管理系统,如PDM(Product Data Management),ERP(Enterprise Resource Planning)等。以上管理系统都显着提升了企业的管理效率,但存在的问题是无法将生产环节与决策环节有机联系,无法将实时准确的生产数据传动到决策管理部门,企业在决策过程中缺乏有力的数据支撑。企业制造执行系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统[1]。MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心、设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块,为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台[2]。
  
  钢铁工业的信息化是制造业信息化的典型特征,为了改变传统的预测生产模式,并逐步转向面向客户的生产模式,许多公司引进了信息化系统,如企业资源规划系统、材料需求计划系统、产品数据管理系统等。上述管理系统大大提高了企业管理的效率,但存在的问题是无法将生产环节与决策环节有机联系,无法将实时准确的生产数据传动到决策管理部门,企业在决策过程中缺乏有力的数据支撑。MES(Manufacturing ExecutionSystem)即企业制造执行系统是一个健全、可靠、全面和可持续的生产协同管理平台,通过对企业信息的集成能够有效将以上问题解决[3]。
  
  企业制造执行系统作为生产信息化管理系统,能在多方面影响钢铁企业生产。首先,使得销售部门对生产线的生产过程准确了解,能够根据生产情况签订合同,避免出现无法按时交货等现象。生产部门也能根据订单情况,合理安排班组生产[4]。其次,企业制造执行系统能够帮助企业加强成本管理,通过对原材料、煤电水气的消耗进行监控,及时进行相关指标的调整,同时还能减少次品,避免不必要的浪费,尽量做到按需生产、减少库存、降低不合理的资金占用情况。最后,企业制造执行系统能显着提高企业经营决策效率。在复杂多变的市场环境下,企业制造执行系统能够帮助决策者及时获取最有效的市场信息,做出合理判断,这对企业长远发展具有不可估量的作用。MES 的发展经历了三个阶段,MES 发展历程图[5]如图 1.2 所示。
  
  
  
  通过上述分析可以看到,企业制造执行系统对制造类企业尤其是钢铁类制造企业提升效率,构建现代管理模式具有重要作用,建立一套稳定可靠的制造执行系统监控平台就变得十分有必要。企业制造执行系统监控平台的主要作用就是化被动为主动,主动发现企业制造执行系统的潜在问题、隐患,及时处理,将故障消灭于萌芽状态,提高故障处理效率,使系统的运行更加稳定高效。另外监控平台实时监控可替代大部分的人工点巡检,既可以节省很多的人力物力,又可以杜绝弄虚作假的现象。因此开发一个实时监控平台,实时监控企业制造执行系统服务器性能、数据库性能以及重要核心数据十分必要[6]。
  
  制造执行系统监控平台是实时监测的主动型监控体系,监控平台通过监控制造执行系统的服务器及网络、数据库服务及性能、重要业务数据等实现系统运行状态实时监控。
  
  监控平台将监控点位作为监控基本单位,并为每个监控点位设置预报警值。维护人员通过观察监控平台画面或者告警信息,当监控点位即将达到或者达到预报警值时,主动处理。制造执行系统监控平台能使企业制造执行系统要充分发挥其在 ERP(EnterpriseResource Planning)与 DCS/PCS(Process Control System)之间的承上启下的作用,将 MES系统的各项功能发挥的淋漓尽致,企业制造执行系统功能如图 1.3 所示[7]。
  
  
  
  制造执行系统监控平台在我国正在逐步推广,许多钢铁企业已经在逐步建立针对企业生产过程的制造执行系统监控平台。有的企业花费高额费进口国外软件产品,或者是定制开发相关的监控平台,在平台开发和后期维护方面与国外还有一定差距。因此我国亟需开发出更适合本国企业的,效率更高的制造执行系统监控平台。
  
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  1.2 国内外研究进展及发展趋势
  1.2.1 国外研究进展及发展趋势
  1.2.2 国内研究进展及发展趋势
  1.3 钢铁企业 MES
  1.3.1 MES 概述
  1.3.2 构建 MES 监控平台的必要性
  1.3.2 MES 的应用
  1.4 制造执行系统运行维护现状
  1.4.1 制造执行系统运行现状
  1.4.2 制造执行系统维护监控现状
  1.5 本文主要内容
  
  2 监控平台需求分析
  
  2.1 监控平台功能要求
  2.2 监控平台需求设计
  2.2.1 总体目标与设计原则
  2.2.2 系统基本功能与结构设计
  2.2.3 监控平台需求设计
  2.3 监控平台环境搭建
  2.3.1 网络结构
  2.3.2 网络设备
  2.3.3 硬件平台
  2.3.4 数据库
  2.3.5 软件平台
  2.4 监控平台业务流程设计
  2.4.1 监控平台业务逻辑
  2.4.2 监控平台程序流程图
  2.5 系统各部分功能分析
  2.5.1 客户端功能分析
  2.5.2 服务端功能分析
  2.5.3 通信中间平台
  2.6 本章小结
  
  3 监控平台功能实现
  
  3.1 监控平台实现要求
  3.1.1 MES(3)监控功能要求
  3.1.2 冷轧 MES 系统监控功能要求
  3.2 监控平台技术路线及功能结构
  3.3 监控平台的网络支撑环境及物理架构
  3.3.1 监控平台网络支撑环境
  3.3.2 监控平台物理架构
  3.4 监控平台数据库系统
  3.4.1 数据采集层
  3.4.2 数据库系统定义
  3.4.3 数据库表定义
  3.5 监控平台程序设计
  3.5.1 监控平台服务端程序设计
  3.5.2 监控平台客户端程序设计
  3.5.3 服务器通信程序设计
  3.5.4 外部短信平台接口程序设计
  3.6 监控数据采集程序设计
  3.6.1 Windows 操作系统服务器性能数据采集
  3.6.2 Aix 操作系统服务器性能数据采集
  3.6.3 数据库性能数据采集方式
  3.7 报警方式程序设计
  3.7.1 蜂鸣
  3.7.2 语音
  3.7.3 短信
  3.8 本章小结
  
  4 监控平台实现效果
  
  4.1 钢铁企业制造执行系统运行效率
  4.2 监控平台功能实现情况
  4.2.1 监控平台功能
  4.2.2 制造执行系统数据采集
  4.3 本章小结

  结 论

  钢铁企业制造执行系统监控平台以面向对象编程理念为指导,采用服务器性能数据采集技术、数据库技术,以 C/S 架构实现了钢铁企业制造执行系统的实时监控。监控平台稳定高效的运行,使钢铁企业制造执行系统运维质量得到大幅提高,不仅具有良好的社会经济效益,还具有广阔的推广应用市场空间。本文以提高钢铁企业制造执行系统运维效率为立足点,结合其建设背景,通过对监控平台的设计与开发,从系统的角度,对其结构、功能进行了深入的研究和分析。本人的研究成果如下:

  (1)通过第一章绪论阐述课题研究背景,深刻了解了信息系统监控平台的国内外研究进展及发展趋势。通过钢铁企业 MES 系统概念学习,深刻了解制造执行系统发展情况,研究其体系结构。然后结合实际维护的 MES 系统及运行情况,了解各个工序业务流程,研究清楚 MES 系统软硬件构成,进行监控平台整体设计,阐述论文主要研究内容。

  (2)通过第二章监控平台需求分析,研究清楚如何进行钢铁企业制造执行系统的监控。首先通过监控基础网络、服务器等硬件设施性能,确保其足以支撑制造执行系统稳定运行。其次通过监控数据库和重要业务数据确保系统正常运行,核心业务可正常开展。再次将影响系统运行的因素量化为监控点位,并根据实际影响对其设置告警值。最后通过客户端/服务端模式进行监控画面展现,同时实现多样化报警,确保报警的有效性。

  (3)通过第三章监控平台功能实现,确保第二章监控平台分析需求得到最终实现。首先划分监控区域,进行监控点位属性设置;其次进行技术路线选择,划分功能结构;再次进行监控平台网络环境及物理架构搭建、数据库设计、程序设计,实现监控平台的客户端/服务端展示;最后进行多样化报警设计,将报警信息及时发送给制造执行系统运维人员,进行故障处理和隐患排查工作,确保系统稳定运行。

  (4)通过第四章监控平台实现效果首先对监控平台实施前后进行数据统计对比分析,发现监控平台实施对制造执行系统运行效率的提升效果明显。其次验证监控平台功能、统计分析报警数据,结果如下:

  ① 实现了钢铁企业制造执行系统运行涉及网络、服务器、数据库服务及重要参数、重要业务数据等性能数据的监控。

  ② 监控平台结合维护实际需要,监控点位超过警值时,监控界面上监控点位置为红色,并以蜂鸣、语音报警、短信等方式告知维护人员,提醒其进行人工干预,消除隐患。

  ③ 实现了监控平台自动检测、安装更新程序功能,解决了因程序更新造成监控平台及客户端异常的隐患。

  ④ 实现了监控平台与客户端监控效果同步,为以后增加监控区域集中显示提供了技术支撑。

  ⑤ 实现监控平台正常运行率的大幅提升。由于网络不稳定、与服务器通信响应慢,造成线程超时等原因造成监控平台异常退出。现在已经通过完善程序异常控制,监控平台正常运行率得到了进一步的提高。

  ⑥ 钢铁企业制造执行系统服务器、网络、数据库等重大故障监控率高达 100%,及时发现了系统隐患和故障,使钢铁企业制造执行系统高效稳定地运行,提高了系统运维效率。

  ⑦ 缓解了钢铁企业制造执行系统人工点巡检压力,减轻了维护人员的工作强度,提高了工作效率。

  钢铁企业制造执行系统监控平台开发设计,极大地提升系统的正常运行率,避免系统重大故障导致企业生产业务中断,同时提高了运维人员劳动效率。如果监控平台得到进一步的推广,将更多的信息系统纳入监控,对整个企业信息系统的运维意义重大,将给企业带来更好的经济效益和社会效益。

  监控平台实现了对钢铁企业制造执行系统主要隐患及故障实时监控,准确报警,但也存在以下不足:

  (1)由于钢铁生产是一个涉及诸多复杂环节的过程,有些工艺过程易于监控和检测,有些工艺流程很难进行监控,受到技术水平和时间限制。未将更多的工艺信息系统纳入监控,因此需要在以后的实践应用中继续努力推广和完善,将更加完善和全面的工艺流程纳入监控范围,使监控平台更好地为企业生产系统运行服务。

  (2)监控平台实现了 Windows、Aix 操作系统的监控,针对 Linux 系统监控还稍有欠缺。但欣慰的是 Linux 与 Aix 比较相似,将监控平台程序稍作修改就可以实现。自己在今后的工作一定认真学习 Linux 和其他版本的 Unix 操作系统,实现监控平台对其的监控,进一步提高监控平台的可扩展性。

  (3)监控平台采用常规 C/S 模式,需要专门的客户端安装程序和配置,分布功能弱。针对该问题需要进一步的研究,可行的方法是采用时下流行的 B/S 模式,通过浏览器直接访问监控平台并进行操作。未来的监控平台的发展趋势是将监控数据通过图像、动画、视频点播等多种方式展现,使监控平台更加生动形象,更加便于操作使用,也便于平台的推广使用。

  参 考 文 献

    徐艳坤. 钢铁企业制造执行系统监控平台设计[D].大连理工大学,2019.
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