唐洪華

    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)制造企業(yè)信息化程度的不斷提高，幾乎所有流程性行業(yè)都已經(jīng)有了底層的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，不少企業(yè)也實(shí)施了ERP系統(tǒng)，但是管理層和控制層之間缺乏聯(lián)系，迫切的需要一層新的系統(tǒng)來(lái)填補(bǔ)這一空隙，以實(shí)現(xiàn)管控一體化。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES，Manufacturing Execution System)正好能填補(bǔ)這一空白。

1  MES的定義及功能

    制造執(zhí)行系統(tǒng)是為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量和交貨期，有效地使用工廠資源：即人力、機(jī)械、設(shè)備、原料等，綜合管制工廠生產(chǎn)活動(dòng)的軟件系統(tǒng)，是位于企業(yè)上層企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）和底層工業(yè)控制（DCS）之間，面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。MES強(qiáng)調(diào)制造計(jì)劃的執(zhí)行，它在計(jì)劃管理層和底層控制之間架起了一座橋梁，填補(bǔ)了兩者之間的鴻溝，如圖1所示。

    MES的任務(wù)是根據(jù)上級(jí)下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃，充分利用車間的各種生產(chǎn)資源、生產(chǎn)方法和豐富的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息，快速、低成本地制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品，其生產(chǎn)活動(dòng)涉及訂單管理、設(shè)備管理、庫(kù)存跟蹤、物料流動(dòng)、數(shù)據(jù)采集，以及維護(hù)管理、質(zhì)量控制、性能分析及人力資源管理等。MES匯集了車間中用以管理和優(yōu)化從下定單到產(chǎn)成品的生產(chǎn)活動(dòng)全過(guò)程的相關(guān)硬件或軟件組件，它控制和利用實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的制造信息來(lái)指導(dǎo)、傳授、響應(yīng)并報(bào)告車間發(fā)生的各項(xiàng)活動(dòng)，同時(shí)向企業(yè)決策支持過(guò)程提供有關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)的任務(wù)評(píng)價(jià)信息。MES協(xié)會(huì)定義的MES功能包括車間的資源分配、過(guò)程管理、質(zhì)量控制、維護(hù)管理、數(shù)據(jù)采集、性能分析及物料管理等11個(gè)功能模型組成^[1]_。

圖1  企業(yè)信息化層次結(jié)構(gòu)圖

2  流程工業(yè)MES模型

    流程工業(yè)是指通過(guò)分離、混合、成型或化學(xué)反應(yīng)使生產(chǎn)原材料增值的行業(yè)，其生產(chǎn)過(guò)程一般是連續(xù)的或成批的，需要嚴(yán)格的過(guò)程控制和安全性措施,具有工藝過(guò)程相對(duì)固定、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品規(guī)格少但批量大等特點(diǎn)，主要包括化工、冶金、石油、電力、橡膠、制藥、食品、造紙、塑料、陶瓷等行業(yè)。流程工業(yè)MES的含義是：在獲取生產(chǎn)流程所需全部信息的基礎(chǔ)上，將分散的控制系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)和管理決策系統(tǒng)等有機(jī)地集成起來(lái)，綜合運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生產(chǎn)加工技術(shù)和現(xiàn)代管理科學(xué)，從生產(chǎn)過(guò)程的全局出發(fā)，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)所需的各種信息的集成，集控制、監(jiān)測(cè)、優(yōu)化、調(diào)度、管理、經(jīng)營(yíng)、決策于一體，形成一個(gè)能適應(yīng)各種生產(chǎn)環(huán)境和市場(chǎng)需求的、總體最優(yōu)的、高質(zhì)量、高效益、高柔性的現(xiàn)代化企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，以達(dá)到提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的目的[2]。針對(duì)流程工業(yè)的特點(diǎn)，MES可采用開(kāi)放性的、柔性的、可擴(kuò)展的、模塊化的、面向?qū)ο蠛蛻?yīng)用的基于知識(shí)的體系結(jié)構(gòu)，圖2示出了流程工業(yè)MES模型的功能模塊及其在企業(yè)信息化中與其它系統(tǒng)的關(guān)系。

圖2  流程工業(yè)MES模型及與其它系統(tǒng)的關(guān)系

2.1 實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)

    MES具有良好的開(kāi)放性，可以和不同廠家的DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，形成統(tǒng)一的實(shí)時(shí)信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括過(guò)程數(shù)據(jù)接口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、過(guò)程數(shù)據(jù)分析工具、過(guò)程可視化組態(tài)工具等。管理人員能在同一畫(huà)面、趨勢(shì)、報(bào)表中集中得到生產(chǎn)工藝上相互關(guān)聯(lián)但又分散在不同DCS系統(tǒng)中的信息，便于對(duì)比、分析、跟蹤、監(jiān)視，有利于全面系統(tǒng)地把握全廠生產(chǎn)狀況。

    (1)數(shù)據(jù)獲取接口I/O Servers支持OPC、DDE等多種通訊協(xié)議，可連接到由和利時(shí)、橫河、霍尼韋爾、西門子、羅克韋爾、ABB、費(fèi)希爾－羅斯蒙特、日立、三菱、歐姆龍等工業(yè)自動(dòng)化廠家生產(chǎn)的DCS、PLC、RTU等設(shè)備。

    (2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，具有存儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)空間小、內(nèi)嵌微軟管理控制臺(tái)，具有關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)大、靈活的管理功能、可擴(kuò)展性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)的SQL或OLE DB應(yīng)用編程接口為第三方提供了標(biāo)準(zhǔn)的、主流的開(kāi)發(fā)環(huán)境等主要特點(diǎn)。

    (3)數(shù)據(jù)分析工具，為充分發(fā)揮過(guò)程數(shù)據(jù)的最大價(jià)值提供了手段，提供數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析與查詢，并通過(guò)MS OFFICE生成綜合性數(shù)據(jù)報(bào)表和報(bào)告。MES和微軟的OFFICE辦公軟件緊密結(jié)合，提供了強(qiáng)大靈活的統(tǒng)計(jì)報(bào)表（報(bào)告）功能。

    (4)過(guò)程可視化組態(tài)工具提供了豐富的監(jiān)控手段，按照生產(chǎn)的需要對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、加工、計(jì)算，得到有用的信息，并以圖形、表格等方式表現(xiàn)出來(lái)。使生產(chǎn)管理人員得到充分的信息，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)視，以了解實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況。

    (5)所有的分析數(shù)據(jù)和監(jiān)控畫(huà)面均可放到企業(yè)信息門戶上，用戶無(wú)論在辦公室、家庭、飯店或世界任何地方，都能隨時(shí)隨地了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況。

2.2 質(zhì)量管理系統(tǒng)

    質(zhì)量管理貫穿于企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的全過(guò)程。系統(tǒng)提供完整的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)為原料采購(gòu)、生產(chǎn)過(guò)程控制與管理、生產(chǎn)技術(shù)管理、產(chǎn)品銷售等活動(dòng)所共享，完成樣品管理、樣品跟蹤、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)管理等。

    統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制（SPC）對(duì)關(guān)鍵過(guò)程控制參數(shù)和質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，幫助操作人員提高生產(chǎn)操作水平、控制影響產(chǎn)品質(zhì)量的參數(shù)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量控制提供支持（參見(jiàn)圖3）。

圖3  統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制圖

2.3 設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)

    設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)基于設(shè)備的基礎(chǔ)信息，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)信息，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行“健康分析”-在線或離線診斷，產(chǎn)生并傳遞即時(shí)的影響生產(chǎn)的有關(guān)維護(hù)信息，指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)管理。

    (1)動(dòng)態(tài)監(jiān)視
    根據(jù)設(shè)備性能參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備發(fā)生故障或進(jìn)入故障臨界區(qū)時(shí)，進(jìn)行快速報(bào)警，給出維護(hù)提示信息，輔助應(yīng)急處理。

    記錄設(shè)備運(yùn)行的歷史事件和故障信息，并把這些信息傳遞給相應(yīng)的故障分析模塊，為故障診斷提供數(shù)據(jù)。

    (2)設(shè)備維護(hù)管理
    從生產(chǎn)流程出發(fā)，系統(tǒng)提供了包括設(shè)備文檔管理、工作單管理、預(yù)防性維護(hù)管理、維護(hù)計(jì)劃管理、安全管理、故障分析、工作流程管理、維護(hù)成本管理等功能。

    設(shè)備維護(hù)管理以工作單的創(chuàng)建、審批、執(zhí)行、關(guān)閉為主線，合理、優(yōu)化地安排相關(guān)資源（人、財(cái)、物資），將傳統(tǒng)的被動(dòng)檢修轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)的預(yù)防性維修；與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)集成，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修。通過(guò)跟蹤記錄企業(yè)全過(guò)程的維護(hù)歷史活動(dòng)，集成的工作流與業(yè)務(wù)流程配置功能，使得客戶方便地進(jìn)行系統(tǒng)的授權(quán)管理與配置。

2.4 能源管理系統(tǒng)

    能源管理系統(tǒng)主要對(duì)企業(yè)內(nèi)部水、電、汽等公用工程資源的管理，為工藝生產(chǎn)正常運(yùn)行提供監(jiān)控與管理。它與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)密切結(jié)合，完成生產(chǎn)與能源的協(xié)調(diào)管理。合理利用資源、節(jié)約能源, 最大限度地降低生產(chǎn)成本, 最大限度降低對(duì)環(huán)境的污染。

    系統(tǒng)提供企業(yè)能耗成本、企業(yè)能耗定額管理；統(tǒng)計(jì)各部門、各車間能源消耗狀況；監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行耗能狀況；提供產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、大耗能設(shè)備的能源利用實(shí)時(shí)監(jiān)控等。

2.5 批量管理系統(tǒng)

    批量管理功能適合制藥、冶金、精細(xì)化工、飲料、食品等批處理行業(yè)的需要。

    配方管理：通過(guò)從過(guò)程模型中選擇過(guò)程來(lái)創(chuàng)建配方，包括主配方（與設(shè)備和路徑無(wú)關(guān)）、生產(chǎn)運(yùn)行動(dòng)態(tài)控制配方（與設(shè)備相關(guān)）的管理，并自動(dòng)計(jì)算出物料需求和配料數(shù)據(jù)。

    批量生產(chǎn)管理功能：完成工序至工序的材料跟蹤，批量記錄和報(bào)表，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)記錄自動(dòng)化，提供完整的批量生產(chǎn)過(guò)程的歷史記錄，提高生產(chǎn)靈活性和可跟蹤性。提供完整的生產(chǎn)記錄和材料的來(lái)龍去脈。這滿足了產(chǎn)品管理的需要，滿足GMP（Good Manufactory Practice）和FDA(Food and Drug Administration)的要求。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題糾紛時(shí)，可以追溯到產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的各種消耗及生產(chǎn)數(shù)據(jù)找出問(wèn)題；或追溯出使用相同原料的其它產(chǎn)品的去向。

2.6 生產(chǎn)成本核算系統(tǒng)

    生產(chǎn)成本核算系統(tǒng)主要是直接生產(chǎn)成本（物料、能源消耗），如果加上工資成本、設(shè)備折舊及管理等費(fèi)用的分?jǐn)?，可以算出生產(chǎn)的實(shí)際成本。利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地監(jiān)控生產(chǎn)成本，使成本控制發(fā)生在生產(chǎn)過(guò)程中，而不是在生產(chǎn)的完成后，以達(dá)到降低成本的目的；與企業(yè)資源管理中靜態(tài)的資產(chǎn)管理相連接,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的中間庫(kù)存和中間產(chǎn)品動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行管理，提供成本和物流控制與管理的信息支持；成本可以落實(shí)到每個(gè)班組或個(gè)人，直接將生產(chǎn)成本與員工的利益掛鉤，提高員工的責(zé)任心和積極性。有兩個(gè)方面的作用：

①對(duì)生產(chǎn)實(shí)際消耗清楚，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)成本的變化，對(duì)市場(chǎng)銷售及時(shí)響應(yīng)，在保證盈利的情況下，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

②根據(jù)歷史數(shù)據(jù)可以制定出合理的標(biāo)準(zhǔn)成本，實(shí)際成本與標(biāo)準(zhǔn)成本比較，可以作為班組競(jìng)賽和考核的工具。

2.7 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)

    生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是管理層與過(guò)程控制層之間的紐帶。一方面，它對(duì)來(lái)自ERP的產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃信息在企業(yè)生產(chǎn)能力和外部資源約束下進(jìn)行細(xì)化、分解，將產(chǎn)品計(jì)劃轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃并傳遞給過(guò)程控制層；另一方面，它整合過(guò)程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理，與生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行比對(duì)，控制生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的執(zhí)行，將資源利用情況、庫(kù)存情況準(zhǔn)確及時(shí)地反饋給企業(yè)計(jì)劃層。

    系統(tǒng)提供以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)，為生產(chǎn)調(diào)度人員提供強(qiáng)大的輔助調(diào)度功能，輔助完成生產(chǎn)與庫(kù)存、生產(chǎn)裝置與生產(chǎn)裝置間的生產(chǎn)協(xié)調(diào)、生產(chǎn)裝置與公用工程的協(xié)調(diào)，下達(dá)不同生產(chǎn)方案并監(jiān)督執(zhí)行，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行情況進(jìn)行檢驗(yàn)、評(píng)估和調(diào)整。

    系統(tǒng)提供全面的生產(chǎn)監(jiān)控及報(bào)表功能，完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的溫度、壓力、流量、物位（或液位）等過(guò)程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)時(shí)操作，完成對(duì)重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)實(shí)時(shí)成本、生產(chǎn)考核指標(biāo)等進(jìn)行監(jiān)控。

3  應(yīng)用案例分析

    (1)項(xiàng)目背景
    山西神頭第一發(fā)電廠位于山西省朔州市境內(nèi)，裝機(jī)容量130萬(wàn)千瓦，是國(guó)家投資建設(shè)的華北最大的坑口電廠，占地約10平方公里。神頭第一發(fā)電廠通過(guò)技術(shù)革新和技術(shù)改造，共完成重大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目150多項(xiàng)，信息化走在全國(guó)電力行業(yè)的前列。神頭第一發(fā)電廠的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)過(guò)充分考察，采用了和利時(shí)公司生產(chǎn)管理實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。于2002年9月實(shí)施，2002年10月全面通過(guò)驗(yàn)收。

    (2)方案
    該電廠把和利時(shí)公司的生產(chǎn)管理系統(tǒng)引入到他們的控制系統(tǒng)中，配置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)方便地存儲(chǔ)和使用6套控制系統(tǒng)所有信息，同時(shí)不會(huì)影響控制系統(tǒng)的性能和可靠性。

    使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)關(guān)軟件可以容易獲取控制系統(tǒng)的信息，通過(guò)對(duì)硬件的擴(kuò)充，使其能夠把從DCS獲取的所有數(shù)據(jù)在線保存6個(gè)月。

    (3)網(wǎng)絡(luò)邏輯圖（見(jiàn)圖4）

圖4  網(wǎng)絡(luò)邏輯圖

    (4)效益
    神頭第一發(fā)電廠自2002年10月投產(chǎn)以來(lái)，利用先進(jìn)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，大大減少了操作人員的工作量，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。它通過(guò)采集控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使管理者在辦公室里就可以監(jiān)測(cè)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況及報(bào)警信息，并可以對(duì)取得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化、分析，從而為保證生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、降低生產(chǎn)成本提供重要依據(jù)。

    ①實(shí)現(xiàn)全部DCS聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)后在管理網(wǎng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行情況；            

    ②采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析歷史趨勢(shì)，定制靈活報(bào)表；

    ③對(duì)全廠控制數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)及分析，并可對(duì)歷史趨勢(shì)、報(bào)表等進(jìn)行綜合分析；

    ④提供開(kāi)放的數(shù)據(jù)格式及接口，使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到企業(yè)的管理系統(tǒng)（ERP）中，建設(shè)全廠的管控一體化系統(tǒng)，從而使企業(yè)的管理效益達(dá)到最大。

    ⑤可以通過(guò)WEB方式用瀏覽器訪問(wèn)實(shí)時(shí)畫(huà)面。

4  結(jié)語(yǔ)

    MES是企業(yè)信息化建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，正越來(lái)越被重視。流程行業(yè)按照MES實(shí)用模型，從基礎(chǔ)功能著手，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況進(jìn)行功能擴(kuò)充，逐步完善企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從DCS到ERP的信息暢通。相信MES能加快企業(yè)信息化建設(shè)，為我國(guó)成為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：
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[2]  宋執(zhí)環(huán), 高春華, 李平. 流程工業(yè)CIMS若干問(wèn)題探討[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐. 2001, 5: 50-55.