0 引言
在冶金制造過程中，對各類冶金產品的工藝設計是冶金企業技術質量管理的核心，貫穿了產品的全部生產途徑。按照MES系統以往的做法，為面向訂貨用戶的產品目錄建立產品規范，為面向生產的工藝要求建立冶金規范。產品規范是一個代碼，包括一系列產品的屬性；冶金規范的核心是各類冶金規范靜態表，涉及公差、工藝、質檢、質保書等方面的標準要求。然而，僅靠這套傳統的、靜態的質量體系難以保證原料在經過了多個生產區域后生產出質量水平穩定、既符合標準要求又符合用戶特殊要求的產品。
為此，我們引入工廠建模的思想，建立產品模型和工藝模型。我們建立了一個結構化建模的平臺，在此平臺上，用戶可采用建立層級模型的方式，對冶金企業工廠的物理布局、邏輯規則、產品規范、工藝要求等進行模型化的描述，更重要的是，把上述靜態元素以配置的方式結合為一套冶金質量模型，將實際工廠“搬到”計算機上。模型能實現可復用、可擴展、互操作等特性，使得系統功能實現即插即用成為可能。
1 系統簡介
首先利用物理工廠建模的軟件平臺創建若干個行業庫。包括冶金行業的：站點、區域、工作中心、工作單元，分別對應了冶金企業、制造分廠、生產工序、生產設備。行業庫是可擴展的，可隨著工程經驗不斷趨于完善。此外，把產品和工藝分開建模；工藝建模可再細分為工藝路徑模型和工藝要求模型，兩者以前面的工序行業庫為紐帶進行關聯。其次，產品模型和工藝模型之間有個動態的配置，一個產品模型的實例，在配上若干用戶特殊要求后，才能跟工藝模型的實例產生勾連關系。此外，所有工藝要求模型都有一對特征屬性，即索引和序號。一個索引加相關序號，就可以唯一地確定某工藝要求模型中的一個實例。對工藝模型實例化時，對其中用到的那些工藝要求掛上對應的索引。
2 設計關鍵點
2.1 建立行業庫
包括：站點、區域、工作中心、工作單元。以上順序含有從大到小的層次關系，以此基礎，可以形成一套層級模型。
2.2 基礎架構的搭建
包括創建：工序實體、產品實體、工藝實體、工藝路徑實體、工藝要求實體，主要是為每類實體定義其屬性。這幾類實體的創建是為后面的建模作準備的。
2.3 冶金質量建模
2.3.1 物理工廠建模
包括：從站點出發建立工廠實例，比如寶鋼廠；從區域出發建立分廠實例，比如熱軋分廠、鋼管分廠；從工作中心出發建立工序實例，比如熱軋軋機、熱軋精整、無縫鋼管熱區、一般管精整。
2.3.2 工序建模
在工序實體的基礎上，配置工序代碼、工序名稱等屬性值，從而實例化為各道冶金生產工序，如熱軋軋機、鋼管熱區。此外，為每道工序關聯工作中心和工藝要求的配置關系。
2.3.3 產品建模
在產品實體的基礎上，為各項屬性配置具體產品基本要求，從而實例化為各類鋼鐵產品，如熱軋直發卷、普通結構管。此外，為每類產品關聯冶金規范碼(即一套生產工藝，具體在后面的工藝建模中體現)。
2.3.4 工藝建模
工藝建模分為以下3個層次，是一個從上而下、從粗到細的過程，從而建立起一個層級模型。
(1)冶金工藝建模
在工藝實體的基礎上，為各項屬性配置具體工藝的基本要求，從而實例化為各類鋼鐵產品的多套生產工藝(或稱冶金規范)，如熱軋直發卷的冶金規范、普通結構管的冶金規范等等。生產工藝的具體化通過為每個實例配置具體的工藝要求、質檢要求來實現。
(2)工藝路徑建模
在工藝路徑實體的基礎上，為各項屬性配置具體工藝路徑的基本要求，從而實例化為某類鋼鐵產品的某套生產工藝下各種生產路徑(產線)，如鋼管管線管的生產，生產路徑可能有2條：分別是“鋼管熱區—一般管精整線”和“鋼管熱區。高壓鍋爐管精整線”。
(3)路徑下工序的建模
路徑是由多道工序組成的。在已經有了工序建模的基礎上，把需要的工序關聯起來，就形成了實例化的工藝路徑。每道工序自動產生已經配置好的屬性值和工作中心，此處還需要為工序上所配的工藝掛上具體要求，詳見后面“產品模型和工藝模型的關聯”的敘述。
(4)工藝要求的建模
工藝要求的建模獨立于前面的工藝—路徑—工序的建模。工藝要求有上百種之多，比如：成品規格的公差要求、取樣要求、檢化驗要求、加熱爐加熱溫度、控軋要求、包裝要求、質保書要求等等。因為不同工藝要求的屬性是不同的，所以需要為每種工藝要求分別建立一個實體。并在這些實體的基礎上實例化為各種具體的工藝要求。
2.3.5 質量建模
把前面各類相對靜態的模型(物理工廠模型、產品模型、工藝模型、工藝要求等)配置成一個有機體的過程，就是質量建模的過程。這是本發明的核心內容。
(1)產品模型和工藝模型的關聯
到目前為止，產品模型和工藝模型還是各自獨立的，而什么產品應有什么工藝顯然必定是有對應關系的，本發明的關鍵之一就是為兩者建立合理的、可靠的紐帶。
產品模型中的關鍵屬性是產品大類、標準、牌號、熱處理方式；工藝模型上對應地也有這些屬性，但并非兩者簡單相等就可以做出關聯，因為還存在其他影響因素，使得兩者不是簡單的一一對應。比如，產品的最終用途是因素之一。例如，即使是同樣標準牌號的冷軋產品，用作家電和用作汽車，其強度要求是不同的。再比如，產品的最終用戶是因素之二。例如，即使同樣標準牌號的冷軋產品同樣用在汽車上，A品牌的車和B品牌的車對強度的要求也是不同的。
考慮到這些因素，產品模型和工藝模型之間還有個動態的配置模型，通過配置，一個產品模型的實例，在配上最終用途、最終用戶等α條件后，才能跟工藝模型的實例產生勾連關系。有了這個動態模型，就能突破傳統的按國標、企標等對原料組織冶金生產，最后分配給訂貨合同的局限性；從而保證產品最大限度地命中標準要求以及用戶的特殊要求，從根本上支持了MES系統按合同組織生產的思想，最終提高了企業的競爭力。
(2)工藝模型和工藝要求的關聯
無論公差要求、質檢要求、熱處理工藝、控軋要求等等總共上百個冶金工藝要求的實際屬性如何千差萬別，它們被模型化之后，都被設置上一對特征屬性——索引、序號。索引是用來確定某種工藝下同一產品分類、同標準、同牌號、同精度等級下的一套要求；這套同類的工藝要求下，再用規格組距進行劃分，每組規格組距就是一個序號。一個索引加相關序號，就可以唯一地確定某工藝要求模型中的一個實例。
基于工藝要求模型的這個架構，工藝要求就可以跟工藝模型的實例進行關聯了。在工藝模型的三個層次“工藝-路徑-工序”下，有一項重要的屬性，就是當前層次下可能配置哪些工藝要求。所有可能需要的工藝要求都必須列在其中，但在對模型實例化時，只對其中真正用到的那些工藝要求掛上對應的索引。
索引是從事先建好的工藝要求模型的實例上選取的。與此相對應，工藝要求模型中有個重要屬性，就是對工藝要求的分類，即描述了當前工藝要求是對應了工藝模型三層次中的哪個/些層次。
有了這套跟工藝要求動態相關的工藝模型，就能保證在MES系統以合同組織生產的前提條件下，對合同所要求的產品，能貫徹一貫質量管理的理念。訂貨合同先對應一個產品模型的實例，再根據其d條件能勾連到一個工藝模型的實例，然后根據其訂貨規格，能對應出各工藝要求的實例。通過這條通路，每個訂貨合同都能唯一地確定一套貫穿了整套生產途徑的各類工藝要求，這套工藝要求在MES系統排作業計劃時下發到各相關的機組崗位，對生產過程起到指導作用；在過程自動化的支持下，更能在很多產出工序發揮在線質量跟蹤、自動質量判定的作用，這就貫徹了一貫質量管理的理念。
3 建模過程
在建模平臺上，通過人工錄入或者外部導入相結合的方法，封裝生成產品、工廠、工序、工藝要求等冶金企業最基本質量元素，來完成工藝要求的綜合集成，從而建立冶金企業統一的質量模型。質量建模是整個工廠建模的基礎部分。對工廠建模來說，其后續任務還包括創建統一的、封裝的業務模型，為MES系統中各功能模塊提供標準化的數據基礎和應用接口，以保障各功能模塊的即插即用和工作協同。
建立工廠模型中的質量模型的過程如圖1所示。
圖1 建模過程示意圖
4 應用效果和結論
從以往的MES生產工藝管理的設計方法及傳統的冶金老企業中的冶金工藝展現出來的一般來說是一堆龐雜無序的EXCEL表格；即使有了一個類似的管理系統，也往往缺少一套全局化的脈絡，而僅停留在現有工序的范圍內，可擴充性較差，更談不上從模型的高度去實現結構化、配置化和可視化。相比而言，采用本文建模的設計方法的好處在于：
1)形成覆蓋面廣的行業庫，這些行業庫中的對象可隨著工程經驗的積累而不斷豐富和完善，從而更加趨于專業和完整，最終可以快速地為各種冶金企業提供服務。
2)冶金質量模型兼容了傳統的產品規范和冶金規范體系，又提升了產品和工藝的可配置性。一方面，用動態配置模型保證了產品的質量穩定可靠且保證符合標準以及用戶特殊要求；另一方面，使得產品和工藝的設計手段和集成方式更為快捷方便和易于實現。
3)冶金質量模型為MES系統的訂單管理、生產管理、計劃管理、物料及實績管理、倉庫管理、發貨管理等其他功能模塊提供了統一的基礎模型，并為那些后續的業務模型提供了穩定可靠的數據支撐。
4)在這個質量模型的基礎上，還能進一步建立動態的業務模型，從而建立各種不同生產條件下的統一的生產流程，從而大大提高MES系統的可配置性。
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本文標題：基于工廠建模的冶金質量模型
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