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唐洪華

    隨著經(jīng)濟的發(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)來填補這一空隙，以實現(xiàn)管控一體化。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES，Manufacturing Execution System)正好能填補這一空白。

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、機械、設備、原料等，綜合管制工廠生產(chǎn)活動的軟件系統(tǒng)，是位于企業(yè)上層企業(yè)資源計劃（ERP）和底層工業(yè)控制（DCS）之間，面向車間層的生產(chǎn)管理技術與實時信息系統(tǒng)。MES強調(diào)制造計劃的執(zhí)行，它在計劃管理層和底層控制之間架起了一座橋梁，填補了兩者之間的鴻溝，如圖1所示。

    MES的任務是根據(jù)上級下達的生產(chǎn)計劃，充分利用車間的各種生產(chǎn)資源、生產(chǎn)方法和豐富的實時現(xiàn)場信息，快速、低成本地制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品，其生產(chǎn)活動涉及訂單管理、設備管理、庫存跟蹤、物料流動、數(shù)據(jù)采集，以及維護管理、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)活動全過程的相關硬件或軟件組件，它控制和利用實時準確的制造信息來指導、傳授、響應并報告車間發(fā)生的各項活動，同時向企業(yè)決策支持過程提供有關生產(chǎn)活動的任務評價信息。MES協(xié)會定義的MES功能包括車間的資源分配、過程管理、質(zhì)量控制、維護管理、數(shù)據(jù)采集、性能分析及物料管理等11個功能模型組成^[1]_。

圖1  企業(yè)信息化層次結(jié)構圖

2  流程工業(yè)MES模型

    流程工業(yè)是指通過分離、混合、成型或化學反應使生產(chǎn)原材料增值的行業(yè)，其生產(chǎn)過程一般是連續(xù)的或成批的，需要嚴格的過程控制和安全性措施,具有工藝過程相對固定、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品規(guī)格少但批量大等特點，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)等有機地集成起來，綜合運用自動化技術、信息技術、計算機技術、生產(chǎn)加工技術和現(xiàn)代管理科學，從生產(chǎn)過程的全局出發(fā)，通過對生產(chǎn)活動所需的各種信息的集成，集控制、監(jiān)測、優(yōu)化、調(diào)度、管理、經(jīng)營、決策于一體，形成一個能適應各種生產(chǎn)環(huán)境和市場需求的、總體最優(yōu)的、高質(zhì)量、高效益、高柔性的現(xiàn)代化企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)，以達到提高企業(yè)經(jīng)濟效益、適應能力和競爭能力的目的[2]。針對流程工業(yè)的特點，MES可采用開放性的、柔性的、可擴展的、模塊化的、面向?qū)ο蠛蛻玫幕谥R的體系結(jié)構，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)的關系。

圖2  流程工業(yè)MES模型及與其它系統(tǒng)的關系

2.1 實時信息系統(tǒng)

    MES具有良好的開放性，可以和不同廠家的DCS進行數(shù)據(jù)整合，形成統(tǒng)一的實時信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括過程數(shù)據(jù)接口、實時數(shù)據(jù)庫、過程數(shù)據(jù)分析工具、過程可視化組態(tài)工具等。管理人員能在同一畫面、趨勢、報表中集中得到生產(chǎn)工藝上相互關聯(lián)但又分散在不同DCS系統(tǒng)中的信息，便于對比、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、橫河、霍尼韋爾、西門子、羅克韋爾、ABB、費希爾－羅斯蒙特、日立、三菱、歐姆龍等工業(yè)自動化廠家生產(chǎn)的DCS、PLC、RTU等設備。

    (2)實時數(shù)據(jù)庫存儲生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，具有存儲速度快、存儲空間小、內(nèi)嵌微軟管理控制臺，具有關系型數(shù)據(jù)庫的強大、靈活的管理功能、可擴展性強，標準的SQL或OLE DB應用編程接口為第三方提供了標準的、主流的開發(fā)環(huán)境等主要特點。

    (3)數(shù)據(jù)分析工具，為充分發(fā)揮過程數(shù)據(jù)的最大價值提供了手段，提供數(shù)據(jù)趨勢分析與查詢，并通過MS OFFICE生成綜合性數(shù)據(jù)報表和報告。MES和微軟的OFFICE辦公軟件緊密結(jié)合，提供了強大靈活的統(tǒng)計報表（報告）功能。

    (4)過程可視化組態(tài)工具提供了豐富的監(jiān)控手段，按照生產(chǎn)的需要對過程數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)進行整理、加工、計算，得到有用的信息，并以圖形、表格等方式表現(xiàn)出來。使生產(chǎn)管理人員得到充分的信息，對生產(chǎn)進行監(jiān)視，以了解實時生產(chǎn)情況。

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

2.2 質(zhì)量管理系統(tǒng)

    質(zhì)量管理貫穿于企業(yè)生產(chǎn)活動的全過程。系統(tǒng)提供完整的實驗室信息管理系統(tǒng)，將實驗室數(shù)據(jù)為原料采購、生產(chǎn)過程控制與管理、生產(chǎn)技術管理、產(chǎn)品銷售等活動所共享，完成樣品管理、樣品跟蹤、實驗數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量標準管理等。

    統(tǒng)計質(zhì)量控制（SPC）對關鍵過程控制參數(shù)和質(zhì)量檢測參數(shù)進行監(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（參見圖3）。

圖3  統(tǒng)計過程控制圖

2.3 設備維護管理系統(tǒng)

    設備維護管理系統(tǒng)基于設備的基礎信息，根據(jù)生產(chǎn)過程實時信息，對設備運行狀態(tài)進行“健康分析”-在線或離線診斷，產(chǎn)生并傳遞即時的影響生產(chǎn)的有關維護信息，指導設備維護管理。

    (1)動態(tài)監(jiān)視
    根據(jù)設備性能參數(shù)實時監(jiān)視設備運行狀態(tài)，設備發(fā)生故障或進入故障臨界區(qū)時，進行快速報警，給出維護提示信息，輔助應急處理。

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

    (2)設備維護管理
    從生產(chǎn)流程出發(fā)，系統(tǒng)提供了包括設備文檔管理、工作單管理、預防性維護管理、維護計劃管理、安全管理、故障分析、工作流程管理、維護成本管理等功能。

    設備維護管理以工作單的創(chuàng)建、審批、執(zhí)行、關閉為主線，合理、優(yōu)化地安排相關資源（人、財、物資），將傳統(tǒng)的被動檢修轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動的預防性維修；與實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集成，可以實現(xiàn)預測性維修。通過跟蹤記錄企業(yè)全過程的維護歷史活動，集成的工作流與業(yè)務流程配置功能，使得客戶方便地進行系統(tǒng)的授權管理與配置。

2.4 能源管理系統(tǒng)

    能源管理系統(tǒng)主要對企業(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)計各部門、各車間能源消耗狀況；監(jiān)控設備運行耗能狀況；提供產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、大耗能設備的能源利用實時監(jiān)控等。

2.5 批量管理系統(tǒng)

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

    配方管理：通過從過程模型中選擇過程來創(chuàng)建配方，包括主配方（與設備和路徑無關）、生產(chǎn)運行動態(tài)控制配方（與設備相關）的管理，并自動計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，批量記錄和報表，實現(xiàn)生產(chǎn)記錄自動化，提供完整的批量生產(chǎn)過程的歷史記錄，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。當產(chǎn)品出現(xiàn)問題糾紛時，可以追溯到產(chǎn)品生產(chǎn)過程的各種消耗及生產(chǎn)數(shù)據(jù)找出問題；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、設備折舊及管理等費用的分攤，可以算出生產(chǎn)的實際成本。利用實時數(shù)據(jù)動態(tài)地監(jiān)控生產(chǎn)成本，使成本控制發(fā)生在生產(chǎn)過程中，而不是在生產(chǎn)的完成后，以達到降低成本的目的；與企業(yè)資源管理中靜態(tài)的資產(chǎn)管理相連接,對生產(chǎn)過程的中間庫存和中間產(chǎn)品動態(tài)信息進行管理，提供成本和物流控制與管理的信息支持；成本可以落實到每個班組或個人，直接將生產(chǎn)成本與員工的利益掛鉤，提高員工的責任心和積極性。有兩個方面的作用：

①對生產(chǎn)實際消耗清楚，可以及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)成本的變化，對市場銷售及時響應，在保證盈利的情況下，提高產(chǎn)品的競爭力。

②根據(jù)歷史數(shù)據(jù)可以制定出合理的標準成本，實際成本與標準成本比較，可以作為班組競賽和考核的工具。

2.7 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)

    生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是管理層與過程控制層之間的紐帶。一方面，它對來自ERP的產(chǎn)品生產(chǎn)計劃信息在企業(yè)生產(chǎn)能力和外部資源約束下進行細化、分解，將產(chǎn)品計劃轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)作業(yè)計劃并傳遞給過程控制層；另一方面，它整合過程基礎數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理，與生產(chǎn)計劃進行比對，控制生產(chǎn)作業(yè)計劃的執(zhí)行，將資源利用情況、庫存情況準確及時地反饋給企業(yè)計劃層。

    系統(tǒng)提供以實時數(shù)據(jù)庫為基礎的生產(chǎn)調(diào)度平臺，為生產(chǎn)調(diào)度人員提供強大的輔助調(diào)度功能，輔助完成生產(chǎn)與庫存、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)，下達不同生產(chǎn)方案并監(jiān)督執(zhí)行，對生產(chǎn)作業(yè)計劃執(zhí)行情況進行檢驗、評估和調(diào)整。

    系統(tǒng)提供全面的生產(chǎn)監(jiān)控及報表功能，完成對生產(chǎn)過程的溫度、壓力、流量、物位（或液位）等過程參數(shù)進行監(jiān)控和實時操作，完成對重要設備的運行狀態(tài)、生產(chǎn)實時成本、生產(chǎn)考核指標等進行監(jiān)控。

3  應用案例分析

    (1)項目背景
    山西神頭第一發(fā)電廠位于山西省朔州市境內(nèi)，裝機容量130萬千瓦，是國家投資建設的華北最大的坑口電廠，占地約10平方公里。神頭第一發(fā)電廠通過技術革新和技術改造，共完成重大技術攻關項目150多項，信息化走在全國電力行業(yè)的前列。神頭第一發(fā)電廠的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)建設經(jīng)過充分考察，采用了和利時公司生產(chǎn)管理實時信息系統(tǒng)。于2002年9月實施，2002年10月全面通過驗收。

    (2)方案
    該電廠把和利時公司的生產(chǎn)管理系統(tǒng)引入到他們的控制系統(tǒng)中，配置的實時數(shù)據(jù)庫可以通過網(wǎng)關方便地存儲和使用6套控制系統(tǒng)所有信息，同時不會影響控制系統(tǒng)的性能和可靠性。

    使用實時數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)關軟件可以容易獲取控制系統(tǒng)的信息，通過對硬件的擴充，使其能夠把從DCS獲取的所有數(shù)據(jù)在線保存6個月。

    (3)網(wǎng)絡邏輯圖（見圖4）

圖4  網(wǎng)絡邏輯圖

    (4)效益
    神頭第一發(fā)電廠自2002年10月投產(chǎn)以來，利用先進的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，大大減少了操作人員的工作量，降低了員工的勞動強度。它通過采集控制系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)，使管理者在辦公室里就可以監(jiān)測到生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)情況及報警信息，并可以對取得的實時數(shù)據(jù)進行優(yōu)化、分析，從而為保證生產(chǎn)設備正常運轉(zhuǎn)、降低生產(chǎn)成本提供重要依據(jù)。

    ①實現(xiàn)全部DCS聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)后在管理網(wǎng)中實時監(jiān)測各個機組生產(chǎn)運行情況；            

    ②采集實時數(shù)據(jù)，分析歷史趨勢，定制靈活報表；

    ③對全廠控制數(shù)據(jù)進行綜合監(jiān)測及分析，并可對歷史趨勢、報表等進行綜合分析；

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

    ⑤可以通過WEB方式用瀏覽器訪問實時畫面。

4  結(jié)語

    MES是企業(yè)信息化建設中的關鍵環(huán)節(jié)，正越來越被重視。流程行業(yè)按照MES實用模型，從基礎功能著手，然后在此基礎上根據(jù)企業(yè)的實際情況進行功能擴充，逐步完善企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從DCS到ERP的信息暢通。相信MES能加快企業(yè)信息化建設，為我國成為制造業(yè)強國作出貢獻。

參考文獻：
[1]  饒運清. MES-面向制造車間的實時信息系統(tǒng)[J]. 信息技術, 2002, 2: 61-62.
[2]  宋執(zhí)環(huán), 高春華, 李平. 流程工業(yè)CIMS若干問題探討[J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐. 2001, 5: 50-55.