流程工业MES应用浅析

    一、MES概述

    流程制造业是一个多品种、配套性强的产业，与其他产业关系密切。从生产特征上讲，它又是一个资金密集型和技术密集型的产业，对国民经济发展至关重要。但是长期以来，我国流程制造业与发达国家相比还存在着较大的差距，突出的现象就是生产制造损失大，设备运转周期短，能源利用效率比发达国家低。许多企业通过实施MRPⅡ/ERP来加强管理。然而，这些顶层的宏观管理系统无法监控具体的生产流程，在对制造业企业来说是最为重要的生产管理环节出现管理空白。因此，为了提高企业的综合竞争力，随着精益生产理论的推进，企业还需要一套高度精细化和智能化的制造执行系统（MES）来控制整个生产过程，以使企业向生产制造柔性化和管理精细化方向发展，提高市场应对的实时性和灵活性，降低不良品率，改善生产线的运行效率，降低生产成本。

    MES的核心是执行，它位于企业上层企业资源计划系统和底层工业控制系统之间，面向车间层和设备层进行具体细节的生产管理，但又不失企业整体资源计划的主要方向，保证实际的生产过程满足计划，它是联结计划管理层和底层控制层的纽带，把宏观的企业计划管理和微观的生产细节管理紧密联系起来，在有效地使用人力、设备、原料、能源等工厂资源的基础上，保证产品的质量、数量和交货期。

    二、MES在流程型企业的主要功能

    MESA国际组织根据国外早期MES的应用，定义了MES的11个功能模块，包括：工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪管理、性能分析和数据采集。实际上，在目前企业信息化应用中，这些功能中的下部分已经由其他信息系统来实现，如人力资源管理和文档控制等，在ERP中都已有较为系统的管理。鉴于多数企业ERP实施早于MES，这里我们主要考虑流程行业与生产密切相关的其他方面。

图1 流程行业MES结构

    ◎详细生产排程

    详细生产排程是流程行业MES系统的入口，根据企业信息化中其他计划管理系统实施的程度，决定MES详细生产排程实施的深度。

    详细生产排程根据企业的主生产计划，根据具体的产品生产工艺，按照所涉及的各生产单元能力及既有生产任务。将主生产计划分解为各个生产单兀在每个班次或每个时段的生产任务，一般来说，我们将这种具体的生产任务理解为生产工单。生产工单是各生产单元执行具体生产任务的依据，因此，工单的配置合理性决定了生产任务执行的优劣，决定了实际的生产过程是否满足成本最小化、保证交付等需求。

    假若企业已经实施了比较全面的ERP计划管理模块，如SAP PP，则详细生产排程的丁作在ERP中已经完成，MES无须再重复该工作，直接将排好的任务下载执行即可。

    ◎现场调度管理

    流程型生产过程中的调度管理与生产工艺和生产能力密切相关，要考虑配方、物料平衡、工艺参数等问题，需要依靠完善、准确的工艺参数设置和实时的现场数据采集技术，把采集到的实际生产数据与既定的生产工艺对比，合理安排各种物料的投放，调整设备的温度、压力等参数使之符合生产工艺。现场调度对主产品、副产品、废品、成品、半成品等进行全面的管理。同时，对能源（蒸汽、冷却水、空气以及水电等动力等）系统的管理也是流程企业MES现场调度的功能之一，对企业的运行效益具有重要的意义。

    ◎工艺体系的建立

    流程企业制造执行系统良好运行的基础是建立起一套完整的工艺体系，该工艺体系包含生产某种产品的物料清单，生产该产品的工艺路线，以及在不同生产单元的特定工艺参数。物料清单决定了所需要的各种原料配比，工艺路线决定了物料、成品和半成品的流向，往往也结合物料清单确定在什么位置投放多少数量的某种原料，工艺参数则决定了在生产过程中的不同时刻和位置，原料和在制品的适合环境，包含温度、湿度、浓度、压力、酸碱度及其他行业特定的参数。

    ◎控制体系的建立

    工艺体系建立好之后，MES的工作便做到了“有法可依”，MES与底层设备（DCS等）相连接，实时监控各项工艺指标，一旦发现指标偏离预定的工艺参数，即通过一定方式通知生产人员或生产设备，调整工艺使之符合要求。

    控制体系主要控制三方面的内容，一是“量”的控制，即各种原料和辅料的使用量。在每一个原料投放点，MES根据当前生产的产品工艺，计算应该投放的物料数量，通过各种控制器或者指导生产操作人员投放相应数量的物料。通过设备直接投料的方式下，MES往往与阀门开关及转子流量计等联接，实现投料数量的自动控制。

    控制体系控制的第二点是“度”，控制影响产品质量的温度、压力等参数。一般来说，流程型生产的产品在任何时刻，特别是关键生产工序，都有明确的参数值或参数范围，MES监控实际的生产环境，当环境参数偏离或出现偏离的倾向时，控制设备进行参数调整。在该类控制中，MES不仅需要从设备读取数据，也需要向设备传递控制信息。很多流程型生产企业里，关键工序的生产设备基本已实现自我控制，即在重要的设备、装置上都实施了过程控制系统PCS（Process Cortrol System），PCS使得重要设备可以自行监控并及时调整偏离的参数。在这种情况下，MES只需要与PCS系统接口即可。

    控制体系控制的第三点是“质”，即检测各环节在制品的质量指标，并及时纠正偏离。通过在各个质量监测点对产品的实时、定时的质量检验，与产品应该达到的质量指标进行对比分析，对偏离的质量指标实施必要的补救措施。

    ◎设备管理体系

    流程型企业一般对生产设备具有较强的依赖性，而且生产作业人员难以直观地判断一些大型设备（反应釜等）的内部以及阀门等是否处于良好的作业状态，很多时候要等到设备出现问题影响生产之后才能发现，因此，相对于离散型生产企业来说，流程型生产企业更需要建立起完善的设备监测和管理体系。

    设备管理体系包含设备定期检测维护管理以及设备实时监控两大部分，定期维护是设备良好运行的保障，而实时监控能在危险来临之前及时采取措施避免。常规ERP和设备管理系统只能具备定期维护管理功能，而对于连续生产的流程型企业，建立重要设备的实时性能监控是十分必要的，这是在该类企业实施MES过程中应该充分考虑的问题。

    ◎成本中心的建立

    对于连续生产的流程型企业，MES系统能更有效地建立准确的生产成本中心。因为MES采集了生产过程中的实时数据，可以包含物料数量、能源消耗、产成品及损耗数量等信息，能够在一批产品生产完成时快速计算出该批成品的生产成本和生产效率，这是常规的ERP产品所不能的。