MES系统在化工行业的开发应用探讨

　　1 概述

　　化学工业是我国重要的基础支柱产业。它是一个多品种、多层次、服务面广、配套性强的产业，与其他产业和消费市场关系密切，又是资金密集和技术密集的产业，对国家经济发展起着至关重要的作用。但是长期以来，我国化学工业与发达国家相比还存在着较大的差距，突出的表现就是生产制造过程能耗高，设备运转周期短、维修费用高，环境污染严重，能源利用效率比发达国家低近10个百分点。面对经济全球化这一机遇和挑战，我国化工企业已逐步利用自动化技术、管理技术和信息技术在改变原有的生产管控模式。加强生产过程的监控与管理，提高产品质量，降低成本和改善服务，不断提高自我适应能力。其中信息技术的先进管理体系已成为企业竞争的关键所在。

　　2 化学工业信息技术应用的现状分析

　　化学工业生产过程具有如下的特点：1、生产过程连续，加工能力强，物料和能量的供给要求连续、及时、可靠;2、生产工艺复杂，生产过程涉及多种化学变化与物理变化，生产控制技术要求高、信息量大，故障诊断和处理比较复杂;3、产品结构复杂，除了主产品外，还会产生大量副产品和中间产品，产品与产品之间的关联性较大;4、基础自动化水平较高，对自动化的依赖性比较强，绝大部分的物料变量依靠仪表进行测量或通过分析仪表间接获得，少量人工计量;5、生产以安全、稳定、长周期、满负荷、优质、均衡、高产、低耗和减少污染为主要目标。

　　由于行业的生产特点，大部分企业都非常重视过程控制方面的系统建设，在重要的装置上都实施了自动化控制系统DCS或PLC,并且注重实时数据的采集、存储及整理，实现了过程监控。由于稳定的系统先天条件必须为封闭系统，所以生产装置中的每一套控制系统都是相互独立封闭的系统。世界各家软硬件系统商也在这个前提之下，径自开发自家的产品，通常不会将“系统整合”的概念放在他的软硬件规划中。随着ERP(Enterprise Resources Planning)系统的日渐普及和推广，许多企业也实施了相应的ERP系统，对企业资源进行综合计划与管理，使管理得到了优化和提升。由于大部分的企业没有做信息整合，所以在企业内部各业务单元的信息是相互独立的，不能共享，形成了一个个信息孤岛。给企业经营管理和生产管理带来了信息沟通上的障碍。

　　目前，以ERP-SAP为代表的管理信息系统，以及以集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)为代表的自动化控制系统，在化工行业已经大规模应用，由于缺少有效的信息系统架构和平台，导致企业上层计划和管理指令不能迅速准确的下达，同时生产单元的执行结果的也不能做到及时反馈。据资料显示有49%的ERP系统没有达到预期的社会效益、经济效益和目标。其中一个重要因素是与生产现场的信息连接与集成被忽略了，而生产现场的数据，特别是整合过的高质量的数据，即生产信息是ERP的基础。由于计划层与控制层无法进行良好的双向信息交流，阻碍了各系统功能的正常发挥，也无法体现出信息系统的整体效益。MES 作为横贯计划经营和过程操作两个层面的信息管理系统，近些年来受到众多行业，特别是石油化工行业的重视。MES 系统解决方案给人们带了来数据共享、实施协调，提高企业执行效率及决策能力的希望。

　　3 MES(生产执行系统)的发展

　　20世纪70年代后半期开始，一些企业为了解决生产管理中的个性问题引入了一些单一功能的软件产品和个别系统，如设备维保系统、质量管理系统、生产统计等功能的生产管理系统，形成了MES系统的雏形。MES(Manufacturing Execution System)直译为制造执行系统，俗称生产管理系统。直到90年代初，才由AMR(美国的咨询调查公司Advanced Manufacturing Research)组织提出并使用。MES在90年代初期的重点功能是实现生产现场信息的整合。到了90年代后期，特别是流程制造工业提出了整体解决方案和信息系统的需求，希望通过各种功能，诸如资源分配管理、调度、质量保证管理、设备维护管理、生产绩效分析、排程、文件控制、及物料和生产跟踪等之间的交互作用来描述MES过程。同时将MES生产执行系统与上层ERP等业务系统和底层PCS等生产设备控制系统一起定义为企业的神经系统，一是把业务计划的指令传达到生产现场，二是将生产现场的信息及时收集、上传和处理。MES不单是面向生产现场的系统，而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统，是连结现场层和经营层，改善生产经营效益的前沿系统。

　　4 我国化工行业MES开发及应用探讨

　　对于流程工业，特别是石油化工行业，国内外涌现出一批MES 产品解决方案，如Honeywell的Business、 FLEXPKS;ASPEN Tech 的ASPEN Plantelligence，石化盈科的SMES，浙大中控的MES Suite等。目前MES在发达国家“离散制造业和流程制造业”都已经普遍推广，随着通信瓶颈的解决，ERP可以通过MES直接与控制系统交换实时数据，实现操作运行层与管理层的紧密集成。在我国，对MES的认识和应用还处于起步阶段。反观国内，ERP系统与生产控制系统之间一般还没有实现信息集成，问题的关键在于 MES在国内尚未普遍推广。从目前国内的应用情况来看，已实施MES 的企业大部分是以实时数据库、物料平衡、生产计划及调度等模块为主，而“流程制造业”关注的操作管理、工艺管理、质量管理、设备维护管理、绩效管理等模块应用的很少，成功经验不多。正因为如此，我国化学工业生产制造能耗高，设备运转周期短、维修费用高，环境污染严重等问题没有得到较大的改善，很多企业还在继续探讨和开发运用MES的功能。

　　借鉴国外成功企业的做法，日本的文化内涵更接近于东方。日本在MES的基础上，提出了“制造管理系统”、“制造实行系统”、“生产实行系统”和“综合生产管理系统”的新解。台塑关系企业提出“实时生产管理系统”和“管控一体化”的理念。除了遵循AMR的定义和描述外，两者更强调对生产现场各种信息的实时采集与集成，将过程信息(PIMS，工厂信息管理系统)作为MES的核心，通过CIM(计算机集成制造)将工厂系统和业务系统进行理想整合。根据ERP提出“生产什么、生产多少”的宏观指令，进行何时何分、哪条生产线投入何种原料、用何种工艺、完成何种产品的具体指令和调度。强调生产现场信息数字化管理、工艺管理、物流管理、质量管理、生产指令、进度跟踪管理、设备运行监督与控制和运维管理等生产环节的管理。真正帮助生产厂解决生产管理问题，提升生产力，进而达到节能、减排、增效、降耗的目标。

　　对于准备引入MES系统的企业，建议借鉴日本企业以及台塑关系企业的做法，关注以下几个步骤和注意事项。即项目计划编制、组织组建、培训与准备、需求定义、建模与差异分析、概要设计与详细设计、软件接口规格定义与设计、接口开发与联调等步骤。注意MES在经营系统的重要地位，考虑生产现场信息系统的几个要素：人、信息系统、业务规则、设备、MES软件包的适应性。强调应用效果，生产现场信息系统是MES成功的基础等事项。以下是开发应用的想法与大家探讨。

　　4.1 基础系统建设

　　建立工厂区全面性的数据整合平台，是发展MES的基础。但是在将实时生产数据整合前，首先要将生产系统建设完整。

　　4.1.1 检化验信息管理系统LIMS系统

　　LIMS各项功能依据ISO17025的要求标准设计，实现作业流程标准化;实现实验室数据自动化管理，降低人为处理、复制数据低效率且易出错的问题;与MES高度整合，才能使生产与质量实时结合，对最终产品质量的提升起到关键作用。

　　4.1.2 重大设备在线监控系统(震动、转速、轴偏移监测)

　　建立独立的重要设备监测系统，作为设备预防保养的基础，是设备开展计划性检修的依据。

　　4.1.3 厂内安环系统(火警、气体监测、门禁与报警系统)

　　化工属高危行业，安全是各项工作的前提和保障，是预防性的做好厂区安全的基础。

　　4.2 基础系统整合

　　通过实时数据库，集成生产过程中的动态信息，建立企业生产的工厂统一模型(数据模型与业务模型)，从而为生产管理的各功能模块应用提供标准化的一致信息。

　　生产信息整合架构示意图

　　4.3 成立跨部门项目小组：

　　建立一套全公司所有系统共通数据平台，非一朝一夕可完成，需要一套完整的计划循序渐进。考虑每个系统的数据特性差异，并确保每套控制系统在安全与稳定运行基础上作数据采集工作。项目执行前每一个厂的调研工作(设备系统接口规格，工艺上的功能需求，生产瓶颈，以及未来规划的目标)要确实。项目成员具备相关专业技能(如系统整合、软件开发技术)，生产单位要积极参与并提供工艺相关经验，以确保项目功能满足生产厂的需求，真正帮助生产厂解决生产管理问题，提升生产力，进而达到节能、减碳、增效、降耗四大目标。

　　4.4 MES功能开发

　　从生产管理的需求和目的出发，分阶段的开发为生产管理服务的一些功能模块。如：

　　4.4.1 工艺管理

　　流程画面管理：集成DCS画面，开发流程画面管理功能，整合质量、设备、保养等相关信息。对于生产流程管理效率可以得到大幅的提升，当遇到工艺异常时，也能利用实时数据库的历史数据快速判定原因，排除异常。

　　趋势分析管理：运用实时数据库，开发各类型的趋势分析与历史数据分析统计功能。

　　工作规范管理：各种工艺、保养操作，集成在文件管理中心，并结合在流程画面管理功能中，按下超级链接实现随时、随地查询。

　　4.4.2 设备状态管理与异常报警功能

　　开发设备状态集成管理功能，依照设备所在区域或管理权责，展开设备配置树形图，点选设备立即显示设备所有相关信息，实时动态、历史趋势、运转时数、开关次数等等。并能设定警戒值，具有异常报警功能。计算运转时数，开发条件式保养策略。

　　4.4.3 生产管理

　　每日生产管理：开发每日实时、历史生产动态集成画面，提供依据管理目的设定的实时生产信息，必要的计算、统计、分析作业全部交由计算机自动完成，管理人员可以更专注思考问题处理对策。

　　成品库存与原副料耗用管理：成品储存、包装量管理，原副料消耗采用自动统计功能。产量、质量统计报表自动产生。

　　4.4.4 能源管理

　　集成水、汽、电耗用数据，自动产生耗用统计报表，作为节水、节能改善重要参考依据。

　　4.4.5 质量管理

　　质量趋势变化统计报表、生产质量追溯功能、质量异常报警与追踪管理等作为质量管理的重点。自动导入LIMS数据，降低人为处理、复制数据等低效率且容易出错的问题。LIMS与MES完整集成，使质量信息具有实时性，在MES功能中能实时掌握到质量信息，对于制造质量提升起到关键性的作用。

　　4.4.6 安全环保管理

　　集成全厂区气体检测系统于实时数据库，开发危险气体检测管理系统，提供泄漏立即报警与报警记录、查询功能。将消防受信主机信号集成至实时数据库，开发在MES平台实时掌握火警异常动态。保障整个生产厂区的安全生产。

　　4.5 全公司布署

　　全公司系统布署时要考虑的问题层面会逐渐扩大，例如：考虑建立跨厂的独立控制系统网络，信息安全的设置就变的相对重要。MES要思考如何与企业ERP及保养管理系统数据库作信息交换，全公司的使用者如何定权限管控，网站网络频宽是否充足、全厂报警系统通知层级为何，哪些系统必须纳入MES之中等等问题，都是在全公司系统布置时必须考虑规划的，避免全公司系统过于庞大，投资金额过高或是扩充性不足妨碍系统未来的发展。

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