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唐洪華

    隨著經濟的發展，生產制造企業信息化程度的不斷提高，幾乎所有流程性行業都已經有了底層的生產控制系統，不少企業也實施了ERP系統，但是管理層和控制層之間缺乏聯系，迫切的需要一層新的系統來填補這一空隙，以實現管控一體化。制造執行系統(MES，Manufacturing Execution System)正好能填補這一空白。

1  MES的定義及功能

    制造執行系統是為了保證產品的質量、數量和交貨期，有效地使用工廠資源：即人力、機械、設備、原料等，綜合管制工廠生產活動的軟件系統，是位于企業上層企業資源計劃（ERP）和底層工業控制（DCS）之間，面向車間層的生產管理技術與實時信息系統。MES強調制造計劃的執行，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的任務是根據上級下達的生產計劃，充分利用車間的各種生產資源、生產方法和豐富的實時現場信息，快速、低成本地制造出高質量的產品，其生產活動涉及訂單管理、設備管理、庫存跟蹤、物料流動、數據采集，以及維護管理、質量控制、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化從下定單到產成品的生產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、響應并報告車間發生的各項活動，同時向企業決策支持過程提供有關生產活動的任務評價信息。MES協會定義的MES功能包括車間的資源分配、過程管理、質量控制、維護管理、數據采集、性能分析及物料管理等11個功能模型組成^[1]_。

圖1  企業信息化層次結構圖

2  流程工業MES模型

    流程工業是指通過分離、混合、成型或化學反應使生產原材料增值的行業，其生產過程一般是連續的或成批的，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、生產周期短、產品規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。流程工業MES的含義是：在獲取生產流程所需全部信息的基礎上，將分散的控制系統、生產調度系統和管理決策系統等有機地集成起來，綜合運用自動化技術、信息技術、計算機技術、生產加工技術和現代管理科學，從生產過程的全局出發，通過對生產活動所需的各種信息的集成，集控制、監測、優化、調度、管理、經營、決策于一體，形成一個能適應各種生產環境和市場需求的、總體最優的、高質量、高效益、高柔性的現代化企業綜合自動化系統，以達到提高企業經濟效益、適應能力和競爭能力的目的[2]。針對流程工業的特點，MES可采用開放性的、柔性的、可擴展的、模塊化的、面向對象和應用的基于知識的體系結構，圖2示出了流程工業MES模型的功能模塊及其在企業信息化中與其它系統的關系。

圖2  流程工業MES模型及與其它系統的關系

2.1 實時信息系統

    MES具有良好的開放性，可以和不同廠家的DCS進行數據整合，形成統一的實時信息管理系統。該系統包括過程數據接口、實時數據庫、過程數據分析工具、過程可視化組態工具等。管理人員能在同一畫面、趨勢、報表中集中得到生產工藝上相互關聯但又分散在不同DCS系統中的信息，便于對比、分析、跟蹤、監視，有利于全面系統地把握全廠生產狀況。

    (1)數據獲取接口I/O Servers支持OPC、DDE等多種通訊協議，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、歐姆龍等工業自動化廠家生產的DCS、PLC、RTU等設備。

    (2)實時數據庫存儲生產過程中產生的數據，具有存儲速度快、存儲空間小、內嵌微軟管理控制臺，具有關系型數據庫的強大、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、主流的開發環境等主要特點。

    (3)數據分析工具，為充分發揮過程數據的最大價值提供了手段，提供數據趨勢分析與查詢，并通過MS OFFICE生成綜合性數據報表和報告。MES和微軟的OFFICE辦公軟件緊密結合，提供了強大靈活的統計報表（報告）功能。

    (4)過程可視化組態工具提供了豐富的監控手段，按照生產的需要對過程數據、管理數據進行整理、加工、計算，得到有用的信息，并以圖形、表格等方式表現出來。使生產管理人員得到充分的信息，對生產進行監視，以了解實時生產情況。

    (5)所有的分析數據和監控畫面均可放到企業信息門戶上，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現場情況。

2.2 質量管理系統

    質量管理貫穿于企業生產活動的全過程。系統提供完整的實驗室信息管理系統，將實驗室數據為原料采購、生產過程控制與管理、生產技術管理、產品銷售等活動所共享，完成樣品管理、樣品跟蹤、實驗數據采集、質量標準管理等。

    統計質量控制（SPC）對關鍵過程控制參數和質量檢測參數進行監控，幫助操作人員提高生產操作水平、控制影響產品質量的參數，為提高產品質量控制提供支持（參見圖3）。

圖3  統計過程控制圖

2.3 設備維護管理系統

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

    (1)動態監視
    根據設備性能參數實時監視設備運行狀態，設備發生故障或進入故障臨界區時，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，為故障診斷提供數據。

    (2)設備維護管理
    從生產流程出發，系統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建、審批、執行、關閉為主線，合理、優化地安排相關資源（人、財、物資），將傳統的被動檢修轉變為積極主動的預防性維修；與實時數據庫系統集成，可以實現預測性維修。通過跟蹤記錄企業全過程的維護歷史活動，集成的工作流與業務流程配置功能，使得客戶方便地進行系統的授權管理與配置。

2.4 能源管理系統

    能源管理系統主要對企業內部水、電、汽等公用工程資源的管理，為工藝生產正常運行提供監控與管理。它與生產調度系統密切結合，完成生產與能源的協調管理。合理利用資源、節約能源, 最大限度地降低生產成本, 最大限度降低對環境的污染。

    系統提供企業能耗成本、企業能耗定額管理；統計各部門、各車間能源消耗狀況；監控設備運行耗能狀況；提供產品能源單耗、各工序能耗、大耗能設備的能源利用實時監控等。

2.5 批量管理系統

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

    配方管理：通過從過程模型中選擇過程來創建配方，包括主配方（與設備和路徑無關）、生產運行動態控制配方（與設備相關）的管理，并自動計算出物料需求和配料數據。

    批量生產管理功能：完成工序至工序的材料跟蹤，批量記錄和報表，實現生產記錄自動化，提供完整的批量生產過程的歷史記錄，提高生產靈活性和可跟蹤性。提供完整的生產記錄和材料的來龍去脈。這滿足了產品管理的需要，滿足GMP（Good Manufactory Practice）和FDA(Food and Drug Administration)的要求。當產品出現問題糾紛時，可以追溯到產品生產過程的各種消耗及生產數據找出問題；或追溯出使用相同原料的其它產品的去向。

2.6 生產成本核算系統

    生產成本核算系統主要是直接生產成本（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，可以算出生產的實際成本。利用實時數據動態地監控生產成本，使成本控制發生在生產過程中，而不是在生產的完成后，以達到降低成本的目的；與企業資源管理中靜態的資產管理相連接,對生產過程的中間庫存和中間產品動態信息進行管理，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對生產實際消耗清楚，可以及時發現生產成本的變化，對市場銷售及時響應，在保證盈利的情況下，提高產品的競爭力。

②根據歷史數據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 生產調度系統

    生產調度系統是管理層與過程控制層之間的紐帶。一方面，它對來自ERP的產品生產計劃信息在企業生產能力和外部資源約束下進行細化、分解，將產品計劃轉化為生產計劃、生產作業計劃并傳遞給過程控制層；另一方面，它整合過程基礎數據，經過分析處理，與生產計劃進行比對，控制生產作業計劃的執行，將資源利用情況、庫存情況準確及時地反饋給企業計劃層。

    系統提供以實時數據庫為基礎的生產調度平臺，為生產調度人員提供強大的輔助調度功能，輔助完成生產與庫存、生產裝置與生產裝置間的生產協調、生產裝置與公用工程的協調，下達不同生產方案并監督執行，對生產作業計劃執行情況進行檢驗、評估和調整。

    系統提供全面的生產監控及報表功能，完成對生產過程的溫度、壓力、流量、物位（或液位）等過程參數進行監控和實時操作，完成對重要設備的運行狀態、生產實時成本、生產考核指標等進行監控。

3  應用案例分析

    (1)項目背景
    山西神頭第一發電廠位于山西省朔州市境內，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的前列。神頭第一發電廠的生產管理信息系統建設經過充分考察，采用了和利時公司生產管理實時信息系統。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管理系統引入到他們的控制系統中，配置的實時數據庫可以通過網關方便地存儲和使用6套控制系統所有信息，同時不會影響控制系統的性能和可靠性。

    使用實時數據庫和網關軟件可以容易獲取控制系統的信息，通過對硬件的擴充，使其能夠把從DCS獲取的所有數據在線保存6個月。

    (3)網絡邏輯圖（見圖4）

圖4  網絡邏輯圖

    (4)效益
    神頭第一發電廠自2002年10月投產以來，利用先進的生產管理系統，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中的實時數據，使管理者在辦公室里就可以監測到生產現場生產情況及報警信息，并可以對取得的實時數據進行優化、分析，從而為保證生產設備正常運轉、降低生產成本提供重要依據。

    ①實現全部DCS聯網，聯網后在管理網中實時監測各個機組生產運行情況；            

    ②采集實時數據，分析歷史趨勢，定制靈活報表；

    ③對全廠控制數據進行綜合監測及分析，并可對歷史趨勢、報表等進行綜合分析；

    ④提供開放的數據格式及接口，使實時數據上傳到企業的管理系統（ERP）中，建設全廠的管控一體化系統，從而使企業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  結語

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

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