北京和利时系统工程有限公司

唐洪华

    随着经济的发展，生产制造企业信息化程度的不断提高，几乎所有流程性行业都已经有了底层的生产控制系统，不少企业也实施了ERP系统，但是管理层和控制层之间缺乏联系，迫切的需要一层新的系统来填补这一空隙，以实现管控一体化。制造执行系统(MES，Manufacturing Execution System)正好能填补这一空白。

1  MES的定义及功能

    制造执行系统是为了保证产品的质量、数量和交货期，有效地使用工厂资源：即人力、机械、设备、原料等，综合管制工厂生产活动的软件系统，是位于企业上层企业资源计划（ERP）和底层工业控制（DCS）之间，面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。MES强调制造计划的执行，它在计划管理层和底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的鸿沟，如图1所示。

    MES的任务是根据上级下达的生产计划，充分利用车间的各种生产资源、生产方法和丰富的实时现场信息，快速、低成本地制造出高质量的产品，其生产活动涉及订单管理、设备管理、库存跟踪、物料流动、数据采集，以及维护管理、质量控制、性能分析及人力资源管理等。MES汇集了车间中用以管理和优化从下定单到产成品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件，它控制和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。MES协会定义的MES功能包括车间的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析及物料管理等11个功能模型组成^[1]_。

图1  企业信息化层次结构图

2  流程工业MES模型

    流程工业是指通过分离、混合、成型或化学反应使生产原材料增值的行业，其生产过程一般是连续的或成批的，需要严格的过程控制和安全性措施,具有工艺过程相对固定、生产周期短、产品规格少但批量大等特点，主要包括化工、冶金、石油、电力、橡胶、制药、食品、造纸、塑料、陶瓷等行业。流程工业MES的含义是：在获取生产流程所需全部信息的基础上，将分散的控制系统、生产调度系统和管理决策系统等有机地集成起来，综合运用自动化技术、信息技术、计算机技术、生产加工技术和现代管理科学，从生产过程的全局出发，通过对生产活动所需的各种信息的集成，集控制、监测、优化、调度、管理、经营、决策于一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求的、总体最优的、高质量、高效益、高柔性的现代化企业综合自动化系统，以达到提高企业经济效益、适应能力和竞争能力的目的[2]。针对流程工业的特点，MES可采用开放性的、柔性的、可扩展的、模块化的、面向对象和应用的基于知识的体系结构，图2示出了流程工业MES模型的功能模块及其在企业信息化中与其它系统的关系。

图2  流程工业MES模型及与其它系统的关系

2.1 实时信息系统

    MES具有良好的开放性，可以和不同厂家的DCS进行数据整合，形成统一的实时信息管理系统。该系统包括过程数据接口、实时数据库、过程数据分析工具、过程可视化组态工具等。管理人员能在同一画面、趋势、报表中集中得到生产工艺上相互关联但又分散在不同DCS系统中的信息，便于对比、分析、跟踪、监视，有利于全面系统地把握全厂生产状况。

    (1)数据获取接口I/O Servers支持OPC、DDE等多种通讯协议，可连接到由和利时、横河、霍尼韦尔、西门子、罗克韦尔、ABB、费希尔－罗斯蒙特、日立、三菱、欧姆龙等工业自动化厂家生产的DCS、PLC、RTU等设备。

    (2)实时数据库存储生产过程中产生的数据，具有存储速度快、存储空间小、内嵌微软管理控制台，具有关系型数据库的强大、灵活的管理功能、可扩展性强，标准的SQL或OLE DB应用编程接口为第三方提供了标准的、主流的开发环境等主要特点。

    (3)数据分析工具，为充分发挥过程数据的最大价值提供了手段，提供数据趋势分析与查询，并通过MS OFFICE生成综合性数据报表和报告。MES和微软的OFFICE办公软件紧密结合，提供了强大灵活的统计报表（报告）功能。

    (4)过程可视化组态工具提供了丰富的监控手段，按照生产的需要对过程数据、管理数据进行整理、加工、计算，得到有用的信息，并以图形、表格等方式表现出来。使生产管理人员得到充分的信息，对生产进行监视，以了解实时生产情况。

    (5)所有的分析数据和监控画面均可放到企业信息门户上，用户无论在办公室、家庭、饭店或世界任何地方，都能随时随地了解生产现场情况。

2.2 质量管理系统

    质量管理贯穿于企业生产活动的全过程。系统提供完整的实验室信息管理系统，将实验室数据为原料采购、生产过程控制与管理、生产技术管理、产品销售等活动所共享，完成样品管理、样品跟踪、实验数据采集、质量标准管理等。

    统计质量控制（SPC）对关键过程控制参数和质量检测参数进行监控，帮助操作人员提高生产操作水平、控制影响产品质量的参数，为提高产品质量控制提供支持（参见图3）。

图3  统计过程控制图

2.3 设备维护管理系统

    设备维护管理系统基于设备的基础信息，根据生产过程实时信息，对设备运行状态进行“健康分析”-在线或离线诊断，产生并传递即时的影响生产的有关维护信息，指导设备维护管理。

    (1)动态监视
    根据设备性能参数实时监视设备运行状态，设备发生故障或进入故障临界区时，进行快速报警，给出维护提示信息，辅助应急处理。

    记录设备运行的历史事件和故障信息，并把这些信息传递给相应的故障分析模块，为故障诊断提供数据。

    (2)设备维护管理
    从生产流程出发，系统提供了包括设备文档管理、工作单管理、预防性维护管理、维护计划管理、安全管理、故障分析、工作流程管理、维护成本管理等功能。

    设备维护管理以工作单的创建、审批、执行、关闭为主线，合理、优化地安排相关资源（人、财、物资），将传统的被动检修转变为积极主动的预防性维修；与实时数据库系统集成，可以实现预测性维修。通过跟踪记录企业全过程的维护历史活动，集成的工作流与业务流程配置功能，使得客户方便地进行系统的授权管理与配置。

2.4 能源管理系统

    能源管理系统主要对企业内部水、电、汽等公用工程资源的管理，为工艺生产正常运行提供监控与管理。它与生产调度系统密切结合，完成生产与能源的协调管理。合理利用资源、节约能源, 最大限度地降低生产成本, 最大限度降低对环境的污染。

    系统提供企业能耗成本、企业能耗定额管理；统计各部门、各车间能源消耗状况；监控设备运行耗能状况；提供产品能源单耗、各工序能耗、大耗能设备的能源利用实时监控等。

2.5 批量管理系统

    批量管理功能适合制药、冶金、精细化工、饮料、食品等批处理行业的需要。

    配方管理：通过从过程模型中选择过程来创建配方，包括主配方（与设备和路径无关）、生产运行动态控制配方（与设备相关）的管理，并自动计算出物料需求和配料数据。

    批量生产管理功能：完成工序至工序的材料跟踪，批量记录和报表，实现生产记录自动化，提供完整的批量生产过程的历史记录，提高生产灵活性和可跟踪性。提供完整的生产记录和材料的来龙去脉。这满足了产品管理的需要，满足GMP（Good Manufactory Practice）和FDA(Food and Drug Administration)的要求。当产品出现问题纠纷时，可以追溯到产品生产过程的各种消耗及生产数据找出问题；或追溯出使用相同原料的其它产品的去向。

2.6 生产成本核算系统

    生产成本核算系统主要是直接生产成本（物料、能源消耗），如果加上工资成本、设备折旧及管理等费用的分摊，可以算出生产的实际成本。利用实时数据动态地监控生产成本，使成本控制发生在生产过程中，而不是在生产的完成后，以达到降低成本的目的；与企业资源管理中静态的资产管理相连接,对生产过程的中间库存和中间产品动态信息进行管理，提供成本和物流控制与管理的信息支持；成本可以落实到每个班组或个人，直接将生产成本与员工的利益挂钩，提高员工的责任心和积极性。有两个方面的作用：

①对生产实际消耗清楚，可以及时发现生产成本的变化，对市场销售及时响应，在保证盈利的情况下，提高产品的竞争力。

②根据历史数据可以制定出合理的标准成本，实际成本与标准成本比较，可以作为班组竞赛和考核的工具。

2.7 生产调度系统

    生产调度系统是管理层与过程控制层之间的纽带。一方面，它对来自ERP的产品生产计划信息在企业生产能力和外部资源约束下进行细化、分解，将产品计划转化为生产计划、生产作业计划并传递给过程控制层；另一方面，它整合过程基础数据，经过分析处理，与生产计划进行比对，控制生产作业计划的执行，将资源利用情况、库存情况准确及时地反馈给企业计划层。

    系统提供以实时数据库为基础的生产调度平台，为生产调度人员提供强大的辅助调度功能，辅助完成生产与库存、生产装置与生产装置间的生产协调、生产装置与公用工程的协调，下达不同生产方案并监督执行，对生产作业计划执行情况进行检验、评估和调整。

    系统提供全面的生产监控及报表功能，完成对生产过程的温度、压力、流量、物位（或液位）等过程参数进行监控和实时操作，完成对重要设备的运行状态、生产实时成本、生产考核指标等进行监控。

3  应用案例分析

    (1)项目背景
    山西神头第一发电厂位于山西省朔州市境内，装机容量130万千瓦，是国家投资建设的华北最大的坑口电厂，占地约10平方公里。神头第一发电厂通过技术革新和技术改造，共完成重大技术攻关项目150多项，信息化走在全国电力行业的前列。神头第一发电厂的生产管理信息系统建设经过充分考察，采用了和利时公司生产管理实时信息系统。于2002年9月实施，2002年10月全面通过验收。

    (2)方案
    该电厂把和利时公司的生产管理系统引入到他们的控制系统中，配置的实时数据库可以通过网关方便地存储和使用6套控制系统所有信息，同时不会影响控制系统的性能和可靠性。

    使用实时数据库和网关软件可以容易获取控制系统的信息，通过对硬件的扩充，使其能够把从DCS获取的所有数据在线保存6个月。

    (3)网络逻辑图（见图4）

图4  网络逻辑图

    (4)效益
    神头第一发电厂自2002年10月投产以来，利用先进的生产管理系统，大大减少了操作人员的工作量，降低了员工的劳动强度。它通过采集控制系统中的实时数据，使管理者在办公室里就可以监测到生产现场生产情况及报警信息，并可以对取得的实时数据进行优化、分析，从而为保证生产设备正常运转、降低生产成本提供重要依据。

    ①实现全部DCS联网，联网后在管理网中实时监测各个机组生产运行情况；            

    ②采集实时数据，分析历史趋势，定制灵活报表；

    ③对全厂控制数据进行综合监测及分析，并可对历史趋势、报表等进行综合分析；

    ④提供开放的数据格式及接口，使实时数据上传到企业的管理系统（ERP）中，建设全厂的管控一体化系统，从而使企业的管理效益达到最大。

    ⑤可以通过WEB方式用浏览器访问实时画面。

4  结语

    MES是企业信息化建设中的关键环节，正越来越被重视。流程行业按照MES实用模型，从基础功能着手，然后在此基础上根据企业的实际情况进行功能扩充，逐步完善企业生产管理系统，实现从DCS到ERP的信息畅通。相信MES能加快企业信息化建设，为我国成为制造业强国作出贡献。

参考文献：
[1]  饶运清. MES-面向制造车间的实时信息系统[J]. 信息技术, 2002, 2: 61-62.
[2]  宋执环, 高春华, 李平. 流程工业CIMS若干问题探讨[J]. 系统工程理论与实践. 2001, 5: 50-55.