1 引言

　　國內石化企業與國外相比在生產管理上尚有差距，主要表現在：業務流程與溝通機制臃腫；現場生產管理粗放，生產實時數據采集不夠準確及時；油品移動和公用工程缺乏跟蹤管理，難以核算生產成本；物料難以平衡；調度缺乏優化；計劃層與控制層存在數據斷流、企業信息資源無法共享。上述問題給企業在競爭激烈的商業環境下實現經營目標取得優勢造成巨大的瓶頸。

　　本文根據目前石化企業生產管理中存在的問題，針對其業務流程特點設計開發了石化食業的制造執行系統(manufacturing execution system。MES)。該系統溝通企業控制層和計劃層，實現企業范圍內信息集成以及物流、資金流和信息流的三流合一。并可在此基礎上實現整個企業物流的可視化，通過跟蹤物流及時發現并解決生產中出現的問題，增強企業對內外環境變化的適應性，提高生產管理的精細化水平。

　　2 MES在企業信息集成中的作用

　　當今企業的信息化建設有了長足的發展。在生產管理方面，以企業資源計劃(enterprise resource planning，ERP)為核心的經營管理信息系統得到廣泛應用，實現企業的供應鏈優化。在生產過程自動化方面，通過實施集散控制系統(distributed control system,DCS)、可編程邏輯控制系統(programmable logic controller,PLC)、數據采集與監視控制系統(supervisory control and data acquisition。SCADA)等實現過程控制的優化。生產的復雜性要求企業必須對內外環境的各種變化作出快速恰當的反應方可在全球性激烈的商業競爭中獲得優勢。企業行為必須從單項、局部的改善向著綜合、集成的優化轉變，必須更加注重計劃、組織、控制3大職能的整體優化，通過信息融合實現企業信息全而集成。

　　MES作為車間級管理系統于20世紀90年代被提出作為實現倉業信息系統全局優化的解決方案。MES能通過信息的傳遞，對訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。當工廠里有實時事件發生時，MES能對此快速做出反應和報告，并用當前的準確數據對其進行指導和處理。

　　MES與企業資源計劃、過程控制系統共同構成流程工業綜合自動化系統。通過雙向信息交_瓦形式，MES起到信息集線器的作用，在企業與供應鏈之間提供生產活動的關鍵基礎信息。MES的實施能夠有效提高企業生產效率、管理水平和市場響應能力，優化車間管理，提升企業市場競爭力。

　　MES在國外尤其是美國和日本得到了廣泛深入的研究應用。Simens、ABB、GE、Honeywell、Rockwell、三菱等，基于長期以來在業界的積累，都有特色化系列化的產品和方案。日本標準化與制造科技中心制訂發布了OpenMES標型。中國目前主要停留在MES思想內涵、體系結構方面的研究上。在理論研究方面，引入并行、敏捷、網絡化、可重構等一些先進思想；在系統設計方面，則采用面向對象、構件、代理等技術，取得不少有益成果。但在軟件的自主開發和應用上還與國外存在一定的差距。

　　3 石化企業MES系統設計

　　MES體系結構特別是功能模型的研究對于系統可集成性至關霞要。不同行業生產流程、管理機制和要求的差異，使得其對MES的要求也不同。美國制造執行系統協會提出的由11個模塊組成的功能模型實際上是多種工業MES功能模塊的集合而非集成，而且更傾向于離散行業生產過程，對于石化企業并不完全適用。石化企業作為典犁的流程工業企業，其生產過程存在如下特點：物料流和能量流連續，產品相對穩定，生產周期長，生產工藝包含各種物理、化學變化，機理復雜并表現出連續性、不確定性、強非線性和強耦合性，生產數據信息量和處理難度都比較大，再加上企業決策、經營銷售、計劃調度、物資供應、庫存運輸、產品開發的環環相扣關系，使得企業在生產組織和執行時面臨著超常的難度。另一方面如前文所言，日益激烈的市場競爭使得過去相對穩定的業務流程和產品結構隨市場的變化而變化，這要求MES系統具有很強的靈活性和適應性。國內石化企業在生產管理方面與國外食業存在的差距以及國外制造執行系統本土化方面存在的不足也使得設計出適合國內石化企業實際情況MES系統的需求變得迫切。

　　本文石化企業MES的設計以行業上中下游業務為主要應用背景，采用基于集成平臺和業務模塊構架的MES系統架構，形成以MES集成平臺為核心、綜合集成計劃層和控制層并提供統一數據訪問機制的石化一體的整體解決方案。

　　3.1 系統總體業務流程

　　MES系統總體業務流程橫向涉及操作層、調度層、統計層和ERP支撐層4個層面，縱向涉及生產計劃和生產績效2個層面，重點考慮物料平衡和能源管理2條主線提高企業生產管理效率。

　　系統作業層面主要涉及生產裝置、罐區、倉儲和進出廠業務，通過生產裝置的投入產出管理、罐區及倉儲的收付管理和原料(油)進廠管理及產成品出廠管理，為調度層面的調度平衡提供基礎數據來源。調度層面的調度平衡綜合來自操作層面的基礎數據，基于物料移動模型和企業業務規則，完成調度級物料平衡計算，并以此為管理工具，發現牛產過程的存在問題并進行分析和解決，在為統計平衡提供基礎數據來源的同時，提升企業管理精細化水平。統計層而的統計平衡綜合來自調度層面的基礎數據，基于統計平衡模型和企業業務規則，完成統計級物料平衡計算，為ERP等外部數據提供數據支撐，并為生產管理的各個層面提供可組態的報表和查詢功能。

　　3.2 系統功能架構設計

　　MES總體功能架構如圖1所示。圖1系統主要由生產計劃、生產統計、生產調度、操作管理、物料移動、能源管理、關鍵績效指標(key performance indicator，KPI)、綜合展示等核心業務模塊，以及集成平臺和ERP支撐模塊構成。各模塊概述如下：

　　圖1 系統總體功能架構

　　(1)集成平臺

　　集成平臺基于實時數據庫、關系數據庫等核心數據庫，提供統一工廠模型庫、業務模型庫、規則庫和算法庫，通過統一訪問控制技術實現用戶訪問權限認證、安全認證、單點登陸驗證，實現與實驗室信息管理系統(laboratory information management，LIMS)集成以及數據支撐服務，完成整個系統靜態數據和動態數據的存儲與交換。

　　(2)操作管理

　　操作管理主要包括操作指令、生產監控和操作日志。

　　(3)物料移動

　　物料移動是由一系統物料移動關系組成的網絡結構，是MES完成物流傘程跟蹤的最重要的信息載體，是調度平衡和統計平衡的重要基礎。圖2為系統物料移動界面。

　　圖2 物料移動界面

　　物料移動模塊包括煉油裝置、化工裝置、罐區管理、進出廠管理、班量管理、倉儲管理等基礎子模塊。物料移動模塊通過上述基礎子模塊實現物料移動過程跟蹤，根據操作指令記錄移動過程中裝置側線、儲罐、庫位、進出廠點、互供點節點量和節點間移動關系，通過移動關系子模塊實現從操作記錄到移動關系的轉換，為調度平衡每班推量做數據準備。

　　(4)生產調度

　　生產調度模塊主要包括生產平衡和調度日報。生產平衡基于物料移動模塊解析后的物理節點量和物理移動關系，利用集成平臺提供的統一規則庫、算法庫、工廠模型及模型求解器，自動完成節點拓撲模型動態生成和節點置平衡計算，達到企業的調度級平衡，為生產調度提供數據支撐；提供平衡工具，實現調度平衡前節點間移動關系和節點量的檢查，實現調度平衡過程的人機交互，提高平衡效率，降低平衡周期。

　　(5)生產計劃

　　生產計劃模塊主要包括工廠計劃優化管理系統(processes industry modeling system，PIMS)集成和計劃跟蹤功能。

　　(6)生產統計

　　生產統計模塊主要包括物料統計平衡和三劑輔料消耗統計。

　　物料統計平衡功能依據調度平衡推量后的生產數據進行歸并匯總，按照邏輯節點量和邏輯移動關系與物理節點量和物理移動關系之間的對應關系，實現統計層邏輯節點拓撲模型的動態生成，并以規則庫、模型庫和求解器，完成模型平衡計算，達到石化企業車間、MES工廠、公司3級物料統計原始日平衡；基于實物罐存、實物庫存和進出廠計量單實現MES工廠和公司物料統計實物“日平衡、旬確認、月結算”；基于銷售結算數據實現物料所有權轉換，實現物料所有權“日平衡、旬確認、月結算”；實現基于裝置的物料投入產出平衡，基于統計物料的原油、原料、成品、半成品的收發存平衡以及產銷存平衡；為基礎統計報表、技術經濟指標統計和ERP系統提供數據支撐。

　　三劑輔料消耗統計功能依據采集的每套裝置三劑輔料日消耗數據，通過平衡工具完成平衡，生成三劑消耗統計報表，實現對每套裝置三劑輔料消耗情況的動態跟蹤，為生產裝置績效考核和成本跟蹤、生產統計提供數據支撐。

　　(7)能源管理

　　能源管理模塊主要包括企業能源數據采集、能源節點計算、產耗平衡、能耗平衡統計和ERP支撐等5項功能。

　　(8)KPI績效

　　KPI績效模塊依據裝置和班組已設定的和可以度量的績效指標，通過對裝置和班組生產運行數據綜合分析，計算并跟蹤實際績效KPI，輔助改進裝置生產操作，從而為全廠整體生產目標提供數據支撐。

　　KPI績效模塊主要建立面向裝置和班組的生產績效指標體系，實現績效指標自動計算、績效指標的可視化展示及跟蹤。

　　(9)綜合展示

　　綜合展示模塊利用數據抽取和展現技術，為企業各級管理人員提供全過程多維度、多角度的生產數據和信息數據綜合展示，輔助管理層指揮和決策，展示內容主要包括生產調度信息、生產統計信息、能源及三劑輔料消耗信息、數據報警信息、計量數據、化驗分析數據、KPI績效等。

　　(10)ERP支撐模塊

　　ERP支撐功能依據物料統計平衡結果和能源統計平衡結果，通過支撐模型，實現對ERP系統物料管理(material management，MM)、生產計劃(production planning，PP)、銷售分銷(sales and distribution，SD)等模塊裝置收發貨數據、日交庫數據、盤點數據、公用工程完工確認數據、銷售訂單發貨數據支撐。

　　4 石化企業MES系統應用案例

　　某石化企業MES系統的實施項目于2008年8月啟動，系統已成功通過總部驗收，總體運行穩定可靠。該石化企業制造執行系統的成功實施帶來了生產管理等各層面良好效果：

　　(1)統一數據源，整合數據信息

　　系統實施之前，企業各專業部門所掌握和發布的生產數據常常因為算法或采集時間點的差異而影響到生產經營決策所依據的數據質量。系統的實施統一了生產數據的采集時間點，從而集成了企業內的異構數據源，保證各部門采集的信息相一致，實現企業內部信息共享。

　　(2)精細化物料及能源的管理

　　通過物流的綜合管理，及時地檢查出管理環節或者特定儀表的問題，對解決油品的跑冒滴漏問題成效顯著；通過調度模塊的超差報警，及時反映生產問題并分析解決，避免了滯后性。系統實施后，氽業物料跟蹤到原油品種及側線組分，生產平衡提交數據盈虧由原來的10％左右降低到1％以下，從前需要3天左右的物料月平衡可在幾個小時內完成。

　　能源的數采和平衡周期細化到每日，以日為單位對企業的能源消耗進行跟蹤，強化了企業及員工的節能降耗意識，提升企業能源管理水平。

　　(3)減輕員工工作量，提高工作效率

　　系統在相當程度上減輕了現場數據錄入工作量。現場崗位人員的工作量隨著熟練程度的提高逐步下降，每班系統操作時間普遍在30分鐘左右。統計人員的計算、登帳、報表等工作由系統輔助完成，系統的平衡策略和操作者的經驗相結合，更有效地解決各環節可能出現的問題。

　　(4)加速業務流程重組，促進扁平化管理

　　系統實旅期間該企業進行業務流程重組，隨著業務流程的變化對系統模型進行相應調整并對拆分重組工廠的計量邊界進行整理，為各部門重組后續工作提供依據，一定程度上促進企業業務流程重組和組織結構優化，改善長期以來金字塔管理模式所帶來的業務重疊、效率不高等弊端。

　　5 結論

　　制造執行系統可極大提高企業信息管理水平從而實現更加高效和優化的生產。應用實踐表明系統具有良好的可重構性、可集成性和敏捷性，在石化企業中與原有的信息系統相互支持，實現企業內信息的合理有效集成，增強了業務透明度，提高了工作效率。系統在企業的成功實施，對于相關企業的信息化建設具有重大的指導和借鑒意義。如何進一步提高該方案的通用性，如何將操作人員和管理人員的經驗和知識固化在MES系統，實現更高層次的人機協同操作，是接下來石化企業MES系統研發和實施需要努力的方向。