0 引言
在冶金制造过程中，对各类冶金产品的工艺设计是冶金企业技术质量管理的核心，贯穿了产品的全部生产途径。按照MES系统以往的做法，为面向订货用户的产品目录建立产品规范，为面向生产的工艺要求建立冶金规范。产品规范是一个代码，包括一系列产品的属性；冶金规范的核心是各类冶金规范静态表，涉及公差、工艺、质检、质保书等方面的标准要求。然而，仅靠这套传统的、静态的质量体系难以保证原料在经过了多个生产区域后生产出质量水平稳定、既符合标准要求又符合用户特殊要求的产品。
为此，我们引入工厂建模的思想，建立产品模型和工艺模型。我们建立了一个结构化建模的平台，在此平台上，用户可采用建立层级模型的方式，对冶金企业工厂的物理布局、逻辑规则、产品规范、工艺要求等进行模型化的描述，更重要的是，把上述静态元素以配置的方式结合为一套冶金质量模型，将实际工厂“搬到”计算机上。模型能实现可复用、可扩展、互操作等特性，使得系统功能实现即插即用成为可能。
1 系统简介
首先利用物理工厂建模的软件平台创建若干个行业库。包括冶金行业的：站点、区域、工作中心、工作单元，分别对应了冶金企业、制造分厂、生产工序、生产设备。行业库是可扩展的，可随着工程经验不断趋于完善。此外，把产品和工艺分开建模；工艺建模可再细分为工艺路径模型和工艺要求模型，两者以前面的工序行业库为纽带进行关联。其次，产品模型和工艺模型之间有个动态的配置，一个产品模型的实例，在配上若干用户特殊要求后，才能跟工艺模型的实例产生勾连关系。此外，所有工艺要求模型都有一对特征属性，即索引和序号。一个索引加相关序号，就可以唯一地确定某工艺要求模型中的一个实例。对工艺模型实例化时，对其中用到的那些工艺要求挂上对应的索引。
2 设计关键点
2.1 建立行业库
包括：站点、区域、工作中心、工作单元。以上顺序含有从大到小的层次关系，以此基础，可以形成一套层级模型。
2.2 基础架构的搭建
包括创建：工序实体、产品实体、工艺实体、工艺路径实体、工艺要求实体，主要是为每类实体定义其属性。这几类实体的创建是为后面的建模作准备的。
2.3 冶金质量建模
2.3.1 物理工厂建模
包括：从站点出发建立工厂实例，比如宝钢厂；从区域出发建立分厂实例，比如热轧分厂、钢管分厂；从工作中心出发建立工序实例，比如热轧轧机、热轧精整、无缝钢管热区、一般管精整。
2.3.2 工序建模
在工序实体的基础上，配置工序代码、工序名称等属性值，从而实例化为各道冶金生产工序，如热轧轧机、钢管热区。此外，为每道工序关联工作中心和工艺要求的配置关系。
2.3.3 产品建模
在产品实体的基础上，为各项属性配置具体产品基本要求，从而实例化为各类钢铁产品，如热轧直发卷、普通结构管。此外，为每类产品关联冶金规范码(即一套生产工艺，具体在后面的工艺建模中体现)。
2.3.4 工艺建模
工艺建模分为以下3个层次，是一个从上而下、从粗到细的过程，从而建立起一个层级模型。
(1)冶金工艺建模
在工艺实体的基础上，为各项属性配置具体工艺的基本要求，从而实例化为各类钢铁产品的多套生产工艺(或称冶金规范)，如热轧直发卷的冶金规范、普通结构管的冶金规范等等。生产工艺的具体化通过为每个实例配置具体的工艺要求、质检要求来实现。
(2)工艺路径建模
在工艺路径实体的基础上，为各项属性配置具体工艺路径的基本要求，从而实例化为某类钢铁产品的某套生产工艺下各种生产路径(产线)，如钢管管线管的生产，生产路径可能有2条：分别是“钢管热区—一般管精整线”和“钢管热区。高压锅炉管精整线”。
(3)路径下工序的建模
路径是由多道工序组成的。在已经有了工序建模的基础上，把需要的工序关联起来，就形成了实例化的工艺路径。每道工序自动产生已经配置好的属性值和工作中心，此处还需要为工序上所配的工艺挂上具体要求，详见后面“产品模型和工艺模型的关联”的叙述。
(4)工艺要求的建模
工艺要求的建模独立于前面的工艺—路径—工序的建模。工艺要求有上百种之多，比如：成品规格的公差要求、取样要求、检化验要求、加热炉加热温度、控轧要求、包装要求、质保书要求等等。因为不同工艺要求的属性是不同的，所以需要为每种工艺要求分别建立一个实体。并在这些实体的基础上实例化为各种具体的工艺要求。
2.3.5 质量建模
把前面各类相对静态的模型(物理工厂模型、产品模型、工艺模型、工艺要求等)配置成一个有机体的过程，就是质量建模的过程。这是本发明的核心内容。
(1)产品模型和工艺模型的关联
到目前为止，产品模型和工艺模型还是各自独立的，而什么产品应有什么工艺显然必定是有对应关系的，本发明的关键之一就是为两者建立合理的、可靠的纽带。
产品模型中的关键属性是产品大类、标准、牌号、热处理方式；工艺模型上对应地也有这些属性，但并非两者简单相等就可以做出关联，因为还存在其他影响因素，使得两者不是简单的一一对应。比如，产品的最终用途是因素之一。例如，即使是同样标准牌号的冷轧产品，用作家电和用作汽车，其强度要求是不同的。再比如，产品的最终用户是因素之二。例如，即使同样标准牌号的冷轧产品同样用在汽车上，A品牌的车和B品牌的车对强度的要求也是不同的。
考虑到这些因素，产品模型和工艺模型之间还有个动态的配置模型，通过配置，一个产品模型的实例，在配上最终用途、最终用户等α条件后，才能跟工艺模型的实例产生勾连关系。有了这个动态模型，就能突破传统的按国标、企标等对原料组织冶金生产，最后分配给订货合同的局限性；从而保证产品最大限度地命中标准要求以及用户的特殊要求，从根本上支持了MES系统按合同组织生产的思想，最终提高了企业的竞争力。
(2)工艺模型和工艺要求的关联
无论公差要求、质检要求、热处理工艺、控轧要求等等总共上百个冶金工艺要求的实际属性如何千差万别，它们被模型化之后，都被设置上一对特征属性——索引、序号。索引是用来确定某种工艺下同一产品分类、同标准、同牌号、同精度等级下的一套要求；这套同类的工艺要求下，再用规格组距进行划分，每组规格组距就是一个序号。一个索引加相关序号，就可以唯一地确定某工艺要求模型中的一个实例。
基于工艺要求模型的这个架构，工艺要求就可以跟工艺模型的实例进行关联了。在工艺模型的三个层次“工艺-路径-工序”下，有一项重要的属性，就是当前层次下可能配置哪些工艺要求。所有可能需要的工艺要求都必须列在其中，但在对模型实例化时，只对其中真正用到的那些工艺要求挂上对应的索引。
索引是从事先建好的工艺要求模型的实例上选取的。与此相对应，工艺要求模型中有个重要属性，就是对工艺要求的分类，即描述了当前工艺要求是对应了工艺模型三层次中的哪个/些层次。
有了这套跟工艺要求动态相关的工艺模型，就能保证在MES系统以合同组织生产的前提条件下，对合同所要求的产品，能贯彻一贯质量管理的理念。订货合同先对应一个产品模型的实例，再根据其d条件能勾连到一个工艺模型的实例，然后根据其订货规格，能对应出各工艺要求的实例。通过这条通路，每个订货合同都能唯一地确定一套贯穿了整套生产途径的各类工艺要求，这套工艺要求在MES系统排作业计划时下发到各相关的机组岗位，对生产过程起到指导作用；在过程自动化的支持下，更能在很多产出工序发挥在线质量跟踪、自动质量判定的作用，这就贯彻了一贯质量管理的理念。
3 建模过程
在建模平台上，通过人工录入或者外部导入相结合的方法，封装生成产品、工厂、工序、工艺要求等冶金企业最基本质量元素，来完成工艺要求的综合集成，从而建立冶金企业统一的质量模型。质量建模是整个工厂建模的基础部分。对工厂建模来说，其后续任务还包括创建统一的、封装的业务模型，为MES系统中各功能模块提供标准化的数据基础和应用接口，以保障各功能模块的即插即用和工作协同。
建立工厂模型中的质量模型的过程如图1所示。
图1 建模过程示意图
4 应用效果和结论
从以往的MES生产工艺管理的设计方法及传统的冶金老企业中的冶金工艺展现出来的一般来说是一堆庞杂无序的EXCEL表格；即使有了一个类似的管理系统，也往往缺少一套全局化的脉络，而仅停留在现有工序的范围内，可扩充性较差，更谈不上从模型的高度去实现结构化、配置化和可视化。相比而言，采用本文建模的设计方法的好处在于：
1)形成覆盖面广的行业库，这些行业库中的对象可随着工程经验的积累而不断丰富和完善，从而更加趋于专业和完整，最终可以快速地为各种冶金企业提供服务。
2)冶金质量模型兼容了传统的产品规范和冶金规范体系，又提升了产品和工艺的可配置性。一方面，用动态配置模型保证了产品的质量稳定可靠且保证符合标准以及用户特殊要求；另一方面，使得产品和工艺的设计手段和集成方式更为快捷方便和易于实现。
3)冶金质量模型为MES系统的订单管理、生产管理、计划管理、物料及实绩管理、仓库管理、发货管理等其他功能模块提供了统一的基础模型，并为那些后续的业务模型提供了稳定可靠的数据支撑。
4)在这个质量模型的基础上，还能进一步建立动态的业务模型，从而建立各种不同生产条件下的统一的生产流程，从而大大提高MES系统的可配置性。
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本文标题：基于工厂建模的冶金质量模型
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