橡胶轮胎行业MES系统架构设计与应用

关键词: 轮胎制造；MES 系统；信息化
引言
我国是世界橡胶工业大国，自 2002 年以来，一直保持生胶消耗量世界第一位，而轮胎工业耗胶为全 行业的 60%。轮胎工业是国家基础工业之一。以轮胎作为主要产品的橡胶工业已成为我国化学工业的主体 之一，2006 年工业总产值占化学工业的 1/5，利税占 1/4，据国家统计局统计，我国 2006 年轮胎产量为 2.8 亿，其中子午线轮胎为 1.8 亿，子午化率达到 64%，在国民经济中占有重要地位。在企业信息化管理 系统方面，各国际知名轮胎厂商均已经或将要使用 ERP、MRPⅡ等成熟的软件系统管理企业，极大的提高了 企业管理效率，降低了管理成本。但这些系统都局限于企业办公和高层业务处理，缺少 MES 系统的支持， 没有实现对车间、工序、机台的信息化管理和控制，在工序和机台的车间生产层面产生了数字信息化断层， 无法结合设备自动化控制层。
青岛软控 MES 产品是结合国际 ISA-95 标准和多年的项目开发实施经验，采用先进的自动控制技术、 条形码技术、RFID 设备技术和先进的车间生产管理理念，覆盖了轮胎企业生产的全工序，实现了轮胎全生 命周期的信息化管理，为轮胎企业生产车间提供一套完整的解决方案。
青岛软控 MES 产品是企业实现敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段，是帮助企业提高 生产管理水平和获得效益最大化的一个工具；是规范生产每一个环节使之标准化，监控和记录生产全过程 的一部法则；是企业信息化承上（ERP 系统）启下（PCS 系统）的一座桥梁；是凝聚了生产管理者、技术 专家的智慧和经验，借助 IT 技术的一个生产（制造）执行和监控系统。
图 3 先进密炼控制模块 2.3.2 优化排产 基于 RFID 信息采集和设备效能实时反馈的生产计划调度优化模块是轮胎 MES 层的又一主要技术。部 分软件功能如图 4 所示。能够提供启发式优化算法和混合整数非线性规划（MINLP）两类排产功能，实现 对设备故障、插单情况下的生产实时调度，最大限度地缩短生产周期和整体的交货期，保障设备利用率。 实际使用效果表明降低在制品库存 30%，减少资金占用，提高生产有效性；同时通过准确的采购需求，减
面对每个班次数十种规格数千条的轮胎产量、每天数万条轮胎发货量、仓库数十万条的存放能力， 销售和生产计划主管如何获取当前轮胎的实时库存数据，以准确的制定生产计划和销售计划；
硫化是轮胎生产的关键工序，工艺配方、步序、温度、压力参数要求严格，历史数据的积累对质 量提高、工艺改善的意义重大。如何实现对轮胎硫化过程中配方、温压曲线数据的实时记录和网 络查询； 轮胎召回制度日益严格，国内外市场对轮胎质量的要求逐步提高，企业对成品轮胎的检测手段也日 渐完善——外观检测、X 光检测、动平衡检测、均匀性检测、气泡检测。如何为每一条轮胎都完整保 存质检原始数据，并可随时提供给客户； 轮胎三包理赔流程复杂，一旦出现错误理赔则企业损失巨大，理赔处理过慢又会招致客户的不满。 如何快速、准确的处理每一个三包理赔申请单。
青岛软控 MES 产品提供了设备管理模块。通过设备自身的传感器和控制机构，MES 系统可读取并记录 设备运行的状态参数；如设备发生故障，操作人员可快速的使用系统对故障进行申报，系统会详尽的记录
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故障处置过程信息，为设备维护人员积累故障档案信息。 原料和产品
青岛软控 MES 产品可通过条码管理的方法对机台耗用物料和产出品的数据信息进行记录，并在生产时 可智能判断原料、产品与当前工艺、施工标准是否一致，防止用错料、使用错误工艺导致生产废次品情况 的出现。同时，MES 系统还可对生产计划信息进行维护，自动记录执行的情况，并对产品产量数据进行实 时准确记录和统计，为管理人员提供直观、方便的分析手段。 生产工艺
生产追溯 信息化系统自动记录生产时的设备、人员、能源消耗等数据信息，在实现生产追溯的同时，同时建立
起员工工作绩效和批次成本分析的基础数据。
3 管理、经济效益分析
MES 系统的实施可为企业带来显著的直接管理、经济效益包括：
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提高生产效
减少操作时
率 消除人为误差
合理安排计划
减少工作量
间
提高故障检修速度 RFID 自 动 读 取 条形码辅助准确输入
（1）设备监控系统。轮胎企业的标准监控组件库，定义标准组件对象（包括轮胎的各个工序：压延 工序（钢丝帘布），复合挤出（胎面、胎侧、垫胶、填充胶），内衬（卷胶片、气密层）、零度带束层、钢 圈、多刀纵裁、直裁、斜裁、两鼓成型机、硫化机，检测设备等），用户自定监控组态功能。实现生产数 据的实时采集、设备状态的实时采集、物料消耗的实时采集、设备故障的在线诊断、在线诊断以及设备群
产品的框架结构示意图如下所示：
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核
心
系
统
经销商 合作伙伴
区
Internet
密炼管控网络系统
防火墙
外部WEB服务器 内部WEB服务器 生产数据库
管理数据库＋ 数据仓库
半成品数字管控系统
轮胎条码物流系统
MES
生 产 网 络 原材料库 配料
炼胶
胶料库 复合挤出 钢丝压延裁断成型硫化 质检
出入库 三包理赔
PCS
过
程
控
全自动
密炼机
帘布压延机
成型机
硫化机 成品检测 出入库
制
配料
上辅机
条形码应用
复合挤出机
裁断机
RFID应用
条形码+RFID应用
图 1 轮胎 MES 系统框架
2 轮胎企业 MES 功能结构、技术特点及主要功能介绍
2.1 功能结构 青岛软控 MES 产品围绕车间现场生产过程中的操作人员、设备状态、原料产品、生产工艺四个重要因 素设计全面完善的功能结构。功能模块主要包括：轮胎制造全过程信息追溯；物料管理；车间人员管理； 计划自动排产；橡胶工艺维护；在制品实时管理；仓库管理；质量管理（标准、数据、SPC（Statistical Process Control））；能源动力监控；设备管理（实时监控、维修、润滑、点检、校验、故障、备品备件、 KPI（Key Performance Indicators）分析）；成本管理；条码扫描追溯等。以全方位收集车间生产的数据 信息，控制生产流程，管理施工标准和工艺配方参数，规范现场人员操作，防止不良产品的出现。 操作人员
目前，国内各主要轮胎制造商目前虽已大多实施了部分 ERP 系统，但均缺乏对车间、工序、机台进行 有效管理的信息化手段，因此 MES 系统在轮胎行业的重要性日渐显现。此外，在信息化软件系统的实施和 评价体系方面，目前国内外轮胎企业已实施的系统均为 ERP 或 MRPII 系统，不涉及生产现场管理和设备控 制层通信；实施的方式、方法和评价标准多着眼于企业办公管理环境和通用的进、销和存业务，不适用于 对车间、工序、机台信息化系统的实施和评价，缺乏核心技术支撑模块。而且往往是针对特定轮胎企业（如 企业专有 MES 系统的开发），不具有行业共性，其它企业/行业难以借鉴。
图 2 实时工艺监控曲线 2.2 技术特点
该系统通过积极与国内高等院校和研究所合作，消化吸收国外技术，成功掌握整套的轮胎行业的机械、 控制等核心技术，依托强大的软件设计能力，在掌握核心底层技术的同时，适时的研发轮胎 MES 管控网络 系统，为轮胎行业的 MES 标准化奠定了坚实的基础。其技术特点涉及：
1 轮胎企业 MES 技术架构
轮胎生产涉及炼胶、半制品、成型、硫化和成品质检等多个流程工序，加之企业的轮胎规格众多，工 序间物料对应关系复杂，如何保证各工序 100%按照工艺要求生产具有重要意义。因此轮胎生产企业面临诸 多挑战：
制造车间中生产设备众多，不同设备之间的运行匹配程度决定了企业的整体生产效率。如何能有效 的获取和分析当前设备实时状态、设备开机率、故障率等数据，实现对生产设备的精益管理；
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少原材料采购浪费 20%以上，节省成本。实施生产调度优化系统后，显著降低工作量，节省人力成本。
图 4 优化排产模块 2.3.3 轮胎制造全过程信息追溯 采用先进的条形码设备和技术；RFID 设备和技术和无线手持终端设备，实现数据的自动采集，并通过 信息化系统建立信息追溯。轮胎企业可以建立轮胎全生产周期的档案数据，实时记录每一条轮胎的相关数 据并存档；实现对轮胎企业自行开发的生产技术标准的严格执行和控制，保障每一条轮胎的生产制造都是 在企业规定的统一技术条件的指导下完成；对轮胎企业制定的全面质量控制标准的严格执行进行监督和控 制，保障企业全面质量控制制度的贯彻落实。 信息化网络系统对每个轮胎生产过程的所有参数和指标实时记录，利用芯片植入轮胎内，实行轮胎 “身份证”管理，并依据这些可追溯性数据，对问题胎、废旧轮胎进行个性化翻新和再加工处理，实现了 从原料到产品、再到轮胎翻新、废旧轮胎制造胶料、胶料再利用的产业循环，对推动轮胎行业发展循环经 济意义重大。
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图 38 轮胎全生命周期条码信息追溯 工艺追溯
记录轮胎生产各工序的标准工艺设置和实际执行工艺，保证工艺路线执行的准确、可控。 批次追溯
对生产的投入和产出批次进行记录，准确记录每批物料的消耗和使用信息，实现物料使用的事前防 误、事中控制和事后分析（供货厂商总体评价）。
质量追溯 通过质量检测系统实现物料与质量的自动关联，在生产过程中进行控制，通过信息化管控网络系统 实现了全面质量管理。
青岛软控 MES 产品提供了人员信息管理模块。在 MES 系统中，维护和保存有操作人员的基础信息，通 过方便的交接班操作功能，准确的获取人员到岗离岗的信息；通过严格的权限分级控制管理，有效避免操 作人对设备和生产运行关键参数的无意识改动，避免错误的发生；通过详细的操作日志记录功能，详细的 记录对系统进行操作的人员、时间、内容等信息，方便对问题原因的查找。 设备状态
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控智能接口（硫化、成型等）。 （2）轮胎车间管控网络系统。在设备监控系统基础之上，实现轮胎行业的原材料物料、半成品部件
（WIP）、胎胚、成品轮胎的管理、各工序的组态设定、计划高级排产、能源动力监控、设备管理（实时监 控、维修、润滑、点检、校验、故障、备品备件、KPI）、车间员工管理、在线检验系统；在线生产数据采 集；工序工艺参数管理；轮胎检测系统；轮胎条码系统和成品出库系统；轮胎三包理赔追溯（召回）系统。