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石化企业制造执行系统(MES)及其应用-网络转载-中国传动网应用案例

信息来源:chuandong.biz  时间:2009-07-28  浏览次数:81

  1 引言
  国内石化企业与国外相比在生产管理上尚有差距,主要表现在:业务流程与沟通机制臃肿;现场生产管理粗放,生产实时数据采集不够准确及时;油品移动和公用工程缺乏跟踪管理,难以核算生产成本;物料难以平衡;调度缺乏优化;计划层与控制层存在数据断流、企业信息资源无法共享。上述问题给企业在竞争激烈的商业环境下实现经营目标取得优势造成巨大的瓶颈。
  本文根据目前石化企业生产管理中存在的问题,针对其业务流程特点设计开发了石化食业的制造执行系统(manufacturing execution system。MES)。该系统沟通企业控制层和计划层,实现企业范围内信息集成以及物流、资金流和信息流的三流合一。并可在此基础上实现整个企业物流的可视化,通过跟踪物流及时发现并解决生产中出现的问题,增强企业对内外环境变化的适应性,提高生产管理的精细化水平。
  2 MES在企业信息集成中的作用
  当今企业的信息化建设有了长足的发展。在生产管理方面,以企业资源计划(enterprise resource planning,ERP)为核心的经营管理信息系统得到广泛应用,实现企业的供应链优化。在生产过程自动化方面,通过实施集散控制系统(distributed control system,DCS)、可编程逻辑控制系统(programmable logic controller,PLC)、数据采集与监视控制系统(supervisory control and data acquisition。SCADA)等实现过程控制的优化。生产的复杂性要求企业必须对内外环境的各种变化作出快速恰当的反应方可在全球性激烈的商业竞争中获得优势。企业行为必须从单项、局部的改善向着综合、集成的优化转变,必须更加注重计划、组织、控制3大职能的整体优化,通过信息融合实现企业信息全而集成。
  MES作为车间级管理系统于20世纪90年代被提出作为实现仓业信息系统全局优化的解决方案。MES能通过信息的传递,对订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂里有实时事件发生时,MES能对此快速做出反应和报告,并用当前的准确数据对其进行指导和处理。
  MES与企业资源计划、过程控制系统共同构成流程工业综合自动化系统。通过双向信息交_瓦形式,MES起到信息集线器的作用,在企业与供应链之间提供生产活动的关键基础信息。MES的实施能够有效提高企业生产效率、管理水平和市场响应能力,优化车间管理,提升企业市场竞争力。
  MES在国外尤其是美国和日本得到了广泛深入的研究应用。Simens、ABB、GE、Honeywell、Rockwell、三菱等,基于长期以来在业界的积累,都有特色化系列化的产品和方案。日本标准化与制造科技中心制订发布了OpenMES标型。中国目前主要停留在MES思想内涵、体系结构方面的研究上。在理论研究方面,引入并行、敏捷、网络化、可重构等一些先进思想;在系统设计方面,则采用面向对象、构件、代理等技术,取得不少有益成果。但在软件的自主开发和应用上还与国外存在一定的差距。
  3 石化企业MES系统设计
  MES体系结构特别是功能模型的研究对于系统可集成性至关霞要。不同行业生产流程、管理机制和要求的差异,使得其对MES的要求也不同。美国制造执行系统协会提出的由11个模块组成的功能模型实际上是多种工业MES功能模块的集合而非集成,而且更倾向于离散行业生产过程,对于石化企业并不完全适用。石化企业作为典犁的流程工业企业,其生产过程存在如下特点:物料流和能量流连续,产品相对稳定,生产周期长,生产工艺包含各种物理、化学变化,机理复杂并表现出连续性、不确定性、强非线性和强耦合性,生产数据信息量和处理难度都比较大,再加上企业决策、经营销售、计划调度、物资供应、库存运输、产品开发的环环相扣关系,使得企业在生产组织和执行时面临着超常的难度。另一方面如前文所言,日益激烈的市场竞争使得过去相对稳定的业务流程和产品结构随市场的变化而变化,这要求MES系统具有很强的灵活性和适应性。国内石化企业在生产管理方面与国外食业存在的差距以及国外制造执行系统本土化方面存在的不足也使得设计出适合国内石化企业实际情况MES系统的需求变得迫切。
  本文石化企业MES的设计以行业上中下游业务为主要应用背景,采用基于集成平台和业务模块构架的MES系统架构,形成以MES集成平台为核心、综合集成计划层和控制层并提供统一数据访问机制的石化一体的整体解决方案。
  3.1 系统总体业务流程
  MES系统总体业务流程横向涉及操作层、调度层、统计层和ERP支撑层4个层面,纵向涉及生产计划和生产绩效2个层面,重点考虑物料平衡和能源管理2条主线提高企业生产管理效率。
  系统作业层面主要涉及生产装置、罐区、仓储和进出厂业务,通过生产装置的投入产出管理、罐区及仓储的收付管理和原料(油)进厂管理及产成品出厂管理,为调度层面的调度平衡提供基础数据来源。调度层面的调度平衡综合来自操作层面的基础数据,基于物料移动模型和企业业务规则,完成调度级物料平衡计算,并以此为管理工具,发现牛产过程的存在问题并进行分析和解决,在为统计平衡提供基础数据来源的同时,提升企业管理精细化水平。统计层而的统计平衡综合来自调度层面的基础数据,基于统计平衡模型和企业业务规则,完成统计级物料平衡计算,为ERP等外部数据提供数据支撑,并为生产管理的各个层面提供可组态的报表和查询功能。
  3.2 系统功能架构设计
  MES总体功能架构如图1所示。图1系统主要由生产计划、生产统计、生产调度、操作管理、物料移动、能源管理、关键绩效指标(key performance indicator,KPI)、综合展示等核心业务模块,以及集成平台和ERP支撑模块构成。各模块概述如下:
  图1 系统总体功能架构
  (1)集成平台
  集成平台基于实时数据库、关系数据库等核心数据库,提供统一工厂模型库、业务模型库、规则库和算法库,通过统一访问控制技术实现用户访问权限认证、安全认证、单点登陆验证,实现与实验室信息管理系统(laboratory information management,LIMS)集成以及数据支撑服务,完成整个系统静态数据和动态数据的存储与交换。
  (2)操作管理
  操作管理主要包括操作指令、生产监控和操作日志。
  (3)物料移动
  物料移动是由一系统物料移动关系组成的网络结构,是MES完成物流伞程跟踪的最重要的信息载体,是调度平衡和统计平衡的重要基础。图2为系统物料移动界面。
  图2 物料移动界面
  物料移动模块包括炼油装置、化工装置、罐区管理、进出厂管理、班量管理、仓储管理等基础子模块。物料移动模块通过上述基础子模块实现物料移动过程跟踪,根据操作指令记录移动过程中装置侧线、储罐、库位、进出厂点、互供点节点量和节点间移动关系,通过移动关系子模块实现从操作记录到移动关系的转换,为调度平衡每班推量做数据准备。
  (4)生产调度
  生产调度模块主要包括生产平衡和调度日报。生产平衡基于物料移动模块解析后的物理节点量和物理移动关系,利用集成平台提供的统一规则库、算法库、工厂模型及模型求解器,自动完成节点拓扑模型动态生成和节点置平衡计算,达到企业的调度级平衡,为生产调度提供数据支撑;提供平衡工具,实现调度平衡前节点间移动关系和节点量的检查,实现调度平衡过程的人机交互,提高平衡效率,降低平衡周期。
  (5)生产计划
  生产计划模块主要包括工厂计划优化管理系统(processes industry modeling system,PIMS)集成和计划跟踪功能。
  (6)生产统计
  生产统计模块主要包括物料统计平衡和三剂辅料消耗统计。
  物料统计平衡功能依据调度平衡推量后的生产数据进行归并汇总,按照逻辑节点量和逻辑移动关系与物理节点量和物理移动关系之间的对应关系,实现统计层逻辑节点拓扑模型的动态生成,并以规则库、模型库和求解器,完成模型平衡计算,达到石化企业车间、MES工厂、公司3级物料统计原始日平衡;基于实物罐存、实物库存和进出厂计量单实现MES工厂和公司物料统计实物“日平衡、旬确认、月结算”;基于销售结算数据实现物料所有权转换,实现物料所有权“日平衡、旬确认、月结算”;实现基于装置的物料投入产出平衡,基于统计物料的原油、原料、成品、半成品的收发存平衡以及产销存平衡;为基础统计报表、技术经济指标统计和ERP系统提供数据支撑。
  三剂辅料消耗统计功能依据采集的每套装置三剂辅料日消耗数据,通过平衡工具完成平衡,生成三剂消耗统计报表,实现对每套装置三剂辅料消耗情况的动态跟踪,为生产装置绩效考核和成本跟踪、生产统计提供数据支撑。
  (7)能源管理
  能源管理模块主要包括企业能源数据采集、能源节点计算、产耗平衡、能耗平衡统计和ERP支撑等5项功能。
  (8)KPI绩效
  KPI绩效模块依据装置和班组已设定的和可以度量的绩效指标,通过对装置和班组生产运行数据综合分析,计算并跟踪实际绩效KPI,辅助改进装置生产操作,从而为全厂整体生产目标提供数据支撑。
  KPI绩效模块主要建立面向装置和班组的生产绩效指标体系,实现绩效指标自动计算、绩效指标的可视化展示及跟踪。
  (9)综合展示
  综合展示模块利用数据抽取和展现技术,为企业各级管理人员提供全过程多维度、多角度的生产数据和信息数据综合展示,辅助管理层指挥和决策,展示内容主要包括生产调度信息、生产统计信息、能源及三剂辅料消耗信息、数据报警信息、计量数据、化验分析数据、KPI绩效等。
  (10)ERP支撑模块
  ERP支撑功能依据物料统计平衡结果和能源统计平衡结果,通过支撑模型,实现对ERP系统物料管理(material management,MM)、生产计划(production planning,PP)、销售分销(sales and distribution,SD)等模块装置收发货数据、日交库数据、盘点数据、公用工程完工确认数据、销售订单发货数据支撑。
  4 石化企业MES系统应用案例
  某石化企业MES系统的实施项目于2008年8月启动,系统已成功通过总部验收,总体运行稳定可靠。该石化企业制造执行系统的成功实施带来了生产管理等各层面良好效果:
  (1)统一数据源,整合数据信息
  系统实施之前,企业各专业部门所掌握和发布的生产数据常常因为算法或采集时间点的差异而影响到生产经营决策所依据的数据质量。系统的实施统一了生产数据的采集时间点,从而集成了企业内的异构数据源,保证各部门采集的信息相一致,实现企业内部信息共享。
  (2)精细化物料及能源的管理
  通过物流的综合管理,及时地检查出管理环节或者特定仪表的问题,对解决油品的跑冒滴漏问题成效显著;通过调度模块的超差报警,及时反映生产问题并分析解决,避免了滞后性。系统实施后,氽业物料跟踪到原油品种及侧线组分,生产平衡提交数据盈亏由原来的10%左右降低到1%以下,从前需要3天左右的物料月平衡可在几个小时内完成。
  能源的数采和平衡周期细化到每日,以日为单位对企业的能源消耗进行跟踪,强化了企业及员工的节能降耗意识,提升企业能源管理水平。
  (3)减轻员工工作量,提高工作效率
  系统在相当程度上减轻了现场数据录入工作量。现场岗位人员的工作量随着熟练程度的提高逐步下降,每班系统操作时间普遍在30分钟左右。统计人员的计算、登帐、报表等工作由系统辅助完成,系统的平衡策略和操作者的经验相结合,更有效地解决各环节可能出现的问题。
  (4)加速业务流程重组,促进扁平化管理
  系统实旅期间该企业进行业务流程重组,随着业务流程的变化对系统模型进行相应调整并对拆分重组工厂的计量边界进行整理,为各部门重组后续工作提供依据,一定程度上促进企业业务流程重组和组织结构优化,改善长期以来金字塔管理模式所带来的业务重叠、效率不高等弊端。
  5 结论
  制造执行系统可极大提高企业信息管理水平从而实现更加高效和优化的生产。应用实践表明系统具有良好的可重构性、可集成性和敏捷性,在石化企业中与原有的信息系统相互支持,实现企业内信息的合理有效集成,增强了业务透明度,提高了工作效率。系统在企业的成功实施,对于相关企业的信息化建设具有重大的指导和借鉴意义。如何进一步提高该方案的通用性,如何将操作人员和管理人员的经验和知识固化在MES系统,实现更高层次的人机协同操作,是接下来石化企业MES系统研发和实施需要努力的方向。

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