1 引言

　　國內(nèi)石化企業(yè)與國外相比在生產(chǎn)管理上尚有差距，主要表現(xiàn)在：業(yè)務(wù)流程與溝通機制臃腫；現(xiàn)場生產(chǎn)管理粗放，生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)采集不夠準(zhǔn)確及時；油品移動和公用工程缺乏跟蹤管理，難以核算生產(chǎn)成本；物料難以平衡；調(diào)度缺乏優(yōu)化；計劃層與控制層存在數(shù)據(jù)斷流、企業(yè)信息資源無法共享。上述問題給企業(yè)在競爭激烈的商業(yè)環(huán)境下實現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)取得優(yōu)勢造成巨大的瓶頸。

　　本文根據(jù)目前石化企業(yè)生產(chǎn)管理中存在的問題，針對其業(yè)務(wù)流程特點設(shè)計開發(fā)了石化食業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system。MES)。該系統(tǒng)溝通企業(yè)控制層和計劃層，實現(xiàn)企業(yè)范圍內(nèi)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(chǔ)上實現(xiàn)整個企業(yè)物流的可視化，通過跟蹤物流及時發(fā)現(xiàn)并解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，增強企業(yè)對內(nèi)外環(huán)境變化的適應(yīng)性，提高生產(chǎn)管理的精細(xì)化水平。

　　2 MES在企業(yè)信息集成中的作用

　　當(dāng)今企業(yè)的信息化建設(shè)有了長足的發(fā)展。在生產(chǎn)管理方面，以企業(yè)資源計劃(enterprise resource planning，ERP)為核心的經(jīng)營管理信息系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)企業(yè)的供應(yīng)鏈優(yōu)化。在生產(chǎn)過程自動化方面，通過實施集散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)、可編程邏輯控制系統(tǒng)(programmable logic controller,PLC)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition。SCADA)等實現(xiàn)過程控制的優(yōu)化。生產(chǎn)的復(fù)雜性要求企業(yè)必須對內(nèi)外環(huán)境的各種變化作出快速恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)方可在全球性激烈的商業(yè)競爭中獲得優(yōu)勢。企業(yè)行為必須從單項、局部的改善向著綜合、集成的優(yōu)化轉(zhuǎn)變，必須更加注重計劃、組織、控制3大職能的整體優(yōu)化，通過信息融合實現(xiàn)企業(yè)信息全而集成。

　　MES作為車間級管理系統(tǒng)于20世紀(jì)90年代被提出作為實現(xiàn)倉業(yè)信息系統(tǒng)全局優(yōu)化的解決方案。MES能通過信息的傳遞，對訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠里有實時事件發(fā)生時，MES能對此快速做出反應(yīng)和報告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對其進行指導(dǎo)和處理。

　　MES與企業(yè)資源計劃、過程控制系統(tǒng)共同構(gòu)成流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)。通過雙向信息交_瓦形式，MES起到信息集線器的作用，在企業(yè)與供應(yīng)鏈之間提供生產(chǎn)活動的關(guān)鍵基礎(chǔ)信息。MES的實施能夠有效提高企業(yè)生產(chǎn)效率、管理水平和市場響應(yīng)能力，優(yōu)化車間管理，提升企業(yè)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(yīng)用。Simens、ABB、GE、Honeywell、Rockwell、三菱等，基于長期以來在業(yè)界的積累，都有特色化系列化的產(chǎn)品和方案。日本標(biāo)準(zhǔn)化與制造科技中心制訂發(fā)布了OpenMES標(biāo)型。中國目前主要停留在MES思想內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)方面的研究上。在理論研究方面，引入并行、敏捷、網(wǎng)絡(luò)化、可重構(gòu)等一些先進思想；在系統(tǒng)設(shè)計方面，則采用面向?qū)ο蟆?gòu)件、代理等技術(shù)，取得不少有益成果。但在軟件的自主開發(fā)和應(yīng)用上還與國外存在一定的差距。

　　3 石化企業(yè)MES系統(tǒng)設(shè)計

　　MES體系結(jié)構(gòu)特別是功能模型的研究對于系統(tǒng)可集成性至關(guān)霞要。不同行業(yè)生產(chǎn)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(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會提出的由11個模塊組成的功能模型實際上是多種工業(yè)MES功能模塊的集合而非集成，而且更傾向于離散行業(yè)生產(chǎn)過程，對于石化企業(yè)并不完全適用。石化企業(yè)作為典犁的流程工業(yè)企業(yè)，其生產(chǎn)過程存在如下特點：物料流和能量流連續(xù)，產(chǎn)品相對穩(wěn)定，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)工藝包含各種物理、化學(xué)變化，機理復(fù)雜并表現(xiàn)出連續(xù)性、不確定性、強非線性和強耦合性，生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息量和處理難度都比較大，再加上企業(yè)決策、經(jīng)營銷售、計劃調(diào)度、物資供應(yīng)、庫存運輸、產(chǎn)品開發(fā)的環(huán)環(huán)相扣關(guān)系，使得企業(yè)在生產(chǎn)組織和執(zhí)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(wěn)定的業(yè)務(wù)流程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)隨市場的變化而變化，這要求MES系統(tǒng)具有很強的靈活性和適應(yīng)性。國內(nèi)石化企業(yè)在生產(chǎn)管理方面與國外食業(yè)存在的差距以及國外制造執(zhí)行系統(tǒng)本土化方面存在的不足也使得設(shè)計出適合國內(nèi)石化企業(yè)實際情況MES系統(tǒng)的需求變得迫切。

　　本文石化企業(yè)MES的設(shè)計以行業(yè)上中下游業(yè)務(wù)為主要應(yīng)用背景，采用基于集成平臺和業(yè)務(wù)模塊構(gòu)架的MES系統(tǒng)架構(gòu)，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(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問機制的石化一體的整體解決方案。

　　3.1 系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程

　　MES系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程橫向涉及操作層、調(diào)度層、統(tǒng)計層和ERP支撐層4個層面，縱向涉及生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)管理效率。

　　系統(tǒng)作業(yè)層面主要涉及生產(chǎn)裝置、罐區(qū)、倉儲和進出廠業(yè)務(wù)，通過生產(chǎn)裝置的投入產(chǎn)出管理、罐區(qū)及倉儲的收付管理和原料(油)進廠管理及產(chǎn)成品出廠管理，為調(diào)度層面的調(diào)度平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。調(diào)度層面的調(diào)度平衡綜合來自操作層面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于物料移動模型和企業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)則，完成調(diào)度級物料平衡計算，并以此為管理工具，發(fā)現(xiàn)牛產(chǎn)過程的存在問題并進行分析和解決，在為統(tǒng)計平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源的同時，提升企業(yè)管理精細(xì)化水平。統(tǒng)計層而的統(tǒng)計平衡綜合來自調(diào)度層面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于統(tǒng)計平衡模型和企業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)則，完成統(tǒng)計級物料平衡計算，為ERP等外部數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)支撐，并為生產(chǎn)管理的各個層面提供可組態(tài)的報表和查詢功能。

　　3.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計

　　MES總體功能架構(gòu)如圖1所示。圖1系統(tǒng)主要由生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)統(tǒng)計、生產(chǎn)調(diào)度、操作管理、物料移動、能源管理、關(guān)鍵績效指標(biāo)(key performance indicator，KPI)、綜合展示等核心業(yè)務(wù)模塊，以及集成平臺和ERP支撐模塊構(gòu)成。各模塊概述如下：

　　圖1 系統(tǒng)總體功能架構(gòu)

　　(1)集成平臺

　　集成平臺基于實時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等核心數(shù)據(jù)庫，提供統(tǒng)一工廠模型庫、業(yè)務(wù)模型庫、規(guī)則庫和算法庫，通過統(tǒng)一訪問控制技術(shù)實現(xiàn)用戶訪問權(quán)限認(rèn)證、安全認(rèn)證、單點登陸驗證，實現(xiàn)與實驗室信息管理系統(tǒng)(laboratory information management，LIMS)集成以及數(shù)據(jù)支撐服務(wù)，完成整個系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)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(chǎn)監(jiān)控和操作日志。

　　(3)物料移動

　　物料移動是由一系統(tǒng)物料移動關(guān)系組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是MES完成物流傘程跟蹤的最重要的信息載體，是調(diào)度平衡和統(tǒng)計平衡的重要基礎(chǔ)。圖2為系統(tǒng)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(qū)管理、進出廠管理、班量管理、倉儲管理等基礎(chǔ)子模塊。物料移動模塊通過上述基礎(chǔ)子模塊實現(xiàn)物料移動過程跟蹤，根據(jù)操作指令記錄移動過程中裝置側(cè)線、儲罐、庫位、進出廠點、互供點節(jié)點量和節(jié)點間移動關(guān)系，通過移動關(guān)系子模塊實現(xiàn)從操作記錄到移動關(guān)系的轉(zhuǎn)換，為調(diào)度平衡每班推量做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

　　(4)生產(chǎn)調(diào)度

　　生產(chǎn)調(diào)度模塊主要包括生產(chǎn)平衡和調(diào)度日報。生產(chǎn)平衡基于物料移動模塊解析后的物理節(jié)點量和物理移動關(guān)系，利用集成平臺提供的統(tǒng)一規(guī)則庫、算法庫、工廠模型及模型求解器，自動完成節(jié)點拓?fù)淠Ｐ蛣討B(tài)生成和節(jié)點置平衡計算，達到企業(yè)的調(diào)度級平衡，為生產(chǎn)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐；提供平衡工具，實現(xiàn)調(diào)度平衡前節(jié)點間移動關(guān)系和節(jié)點量的檢查，實現(xiàn)調(diào)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(chǎn)計劃

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

　　(6)生產(chǎn)統(tǒng)計

　　生產(chǎn)統(tǒng)計模塊主要包括物料統(tǒng)計平衡和三劑輔料消耗統(tǒng)計。

　　物料統(tǒng)計平衡功能依據(jù)調(diào)度平衡推量后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行歸并匯總，按照邏輯節(jié)點量和邏輯移動關(guān)系與物理節(jié)點量和物理移動關(guān)系之間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)統(tǒng)計層邏輯節(jié)點拓?fù)淠Ｐ偷膭討B(tài)生成，并以規(guī)則庫、模型庫和求解器，完成模型平衡計算，達到石化企業(yè)車間、MES工廠、公司3級物料統(tǒng)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(xiàn)MES工廠和公司物料統(tǒng)計實物“日平衡、旬確認(rèn)、月結(jié)算”；基于銷售結(jié)算數(shù)據(jù)實現(xiàn)物料所有權(quán)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)物料所有權(quán)“日平衡、旬確認(rèn)、月結(jié)算”；實現(xiàn)基于裝置的物料投入產(chǎn)出平衡，基于統(tǒng)計物料的原油、原料、成品、半成品的收發(fā)存平衡以及產(chǎn)銷存平衡；為基礎(chǔ)統(tǒng)計報表、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)統(tǒng)計和ERP系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

　　三劑輔料消耗統(tǒng)計功能依據(jù)采集的每套裝置三劑輔料日消耗數(shù)據(jù)，通過平衡工具完成平衡，生成三劑消耗統(tǒng)計報表，實現(xiàn)對每套裝置三劑輔料消耗情況的動態(tài)跟蹤，為生產(chǎn)裝置績效考核和成本跟蹤、生產(chǎn)統(tǒng)計提供數(shù)據(jù)支撐。

　　(7)能源管理

　　能源管理模塊主要包括企業(yè)能源數(shù)據(jù)采集、能源節(jié)點計算、產(chǎn)耗平衡、能耗平衡統(tǒng)計和ERP支撐等5項功能。

　　(8)KPI績效

　　KPI績效模塊依據(jù)裝置和班組已設(shè)定的和可以度量的績效指標(biāo)，通過對裝置和班組生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)綜合分析，計算并跟蹤實際績效KPI，輔助改進裝置生產(chǎn)操作，從而為全廠整體生產(chǎn)目標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐。

　　KPI績效模塊主要建立面向裝置和班組的生產(chǎn)績效指標(biāo)體系，實現(xiàn)績效指標(biāo)自動計算、績效指標(biāo)的可視化展示及跟蹤。

　　(9)綜合展示

　　綜合展示模塊利用數(shù)據(jù)抽取和展現(xiàn)技術(shù)，為企業(yè)各級管理人員提供全過程多維度、多角度的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)綜合展示，輔助管理層指揮和決策，展示內(nèi)容主要包括生產(chǎn)調(diào)度信息、生產(chǎn)統(tǒng)計信息、能源及三劑輔料消耗信息、數(shù)據(jù)報警信息、計量數(shù)據(jù)、化驗分析數(shù)據(jù)、KPI績效等。

　　(10)ERP支撐模塊

　　ERP支撐功能依據(jù)物料統(tǒng)計平衡結(jié)果和能源統(tǒng)計平衡結(jié)果，通過支撐模型，實現(xiàn)對ERP系統(tǒng)物料管理(material management，MM)、生產(chǎn)計劃(production planning，PP)、銷售分銷(sales and distribution，SD)等模塊裝置收發(fā)貨數(shù)據(jù)、日交庫數(shù)據(jù)、盤點數(shù)據(jù)、公用工程完工確認(rèn)數(shù)據(jù)、銷售訂單發(fā)貨數(shù)據(jù)支撐。

　　4 石化企業(yè)MES系統(tǒng)應(yīng)用案例

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

　　(1)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，整合數(shù)據(jù)信息

　　系統(tǒng)實施之前，企業(yè)各專業(yè)部門所掌握和發(fā)布的生產(chǎn)數(shù)據(jù)常常因為算法或采集時間點的差異而影響到生產(chǎn)經(jīng)營決策所依據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。系統(tǒng)的實施統(tǒng)一了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集時間點，從而集成了企業(yè)內(nèi)的異構(gòu)數(shù)據(jù)源，保證各部門采集的信息相一致，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部信息共享。

　　(2)精細(xì)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(huán)節(jié)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(diào)度模塊的超差報警，及時反映生產(chǎn)問題并分析解決，避免了滯后性。系統(tǒng)實施后，氽業(yè)物料跟蹤到原油品種及側(cè)線組分，生產(chǎn)平衡提交數(shù)據(jù)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(nèi)完成。

　　能源的數(shù)采和平衡周期細(xì)化到每日，以日為單位對企業(yè)的能源消耗進行跟蹤，強化了企業(yè)及員工的節(jié)能降耗意識，提升企業(yè)能源管理水平。

　　(3)減輕員工工作量，提高工作效率

　　系統(tǒng)在相當(dāng)程度上減輕了現(xiàn)場數(shù)據(jù)錄入工作量?，F(xiàn)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(tǒng)操作時間普遍在30分鐘左右。統(tǒng)計人員的計算、登帳、報表等工作由系統(tǒng)輔助完成，系統(tǒng)的平衡策略和操作者的經(jīng)驗相結(jié)合，更有效地解決各環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題。

　　(4)加速業(yè)務(wù)流程重組，促進扁平化管理

　　系統(tǒng)實旅期間該企業(yè)進行業(yè)務(wù)流程重組，隨著業(yè)務(wù)流程的變化對系統(tǒng)模型進行相應(yīng)調(diào)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(xù)工作提供依據(jù)，一定程度上促進企業(yè)業(yè)務(wù)流程重組和組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善長期以來金字塔管理模式所帶來的業(yè)務(wù)重疊、效率不高等弊端。

　　5 結(jié)論

　　制造執(zhí)行系統(tǒng)可極大提高企業(yè)信息管理水平從而實現(xiàn)更加高效和優(yōu)化的生產(chǎn)。應(yīng)用實踐表明系統(tǒng)具有良好的可重構(gòu)性、可集成性和敏捷性，在石化企業(yè)中與原有的信息系統(tǒng)相互支持，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)信息的合理有效集成，增強了業(yè)務(wù)透明度，提高了工作效率。系統(tǒng)在企業(yè)的成功實施，對于相關(guān)企業(yè)的信息化建設(shè)具有重大的指導(dǎo)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(jīng)驗和知識固化在MES系統(tǒng)，實現(xiàn)更高層次的人機協(xié)同操作，是接下來石化企業(yè)MES系統(tǒng)研發(fā)和實施需要努力的方向。