流程制造行业信息系统

1、流程制造行业信息系统架构一、流程制造业信息技术应用的重要性 经济全球化趋势已经给各国经济发展带来越来越深刻的影响， 各 国制造企业在世界市场上进行着日益激烈和残酷的竞争。 剧烈的和不 可测的市场环境变化，对制造企业的生存与发展提出了严峻的挑战。 在我国，制造业是国民经济的重要组成部分，工业增加值占GDP勺36，位居世界第四位，我国已成为世界制造大国，以石油化工、冶 金等行业为代表的流程制造业在我国制造业中占据了很大的比例， 是 重要的基础支柱产业。同时，流程制造工业是一个多品种、多层次、 服务面广、配套性强的产业，与其他产业和消费市场关系密切。它又 是资金密集和技术密集的产业， 对国家经济发展

2、及军事保障都至关重 要。但是长期以来，我国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、能耗高，设备运转周期短、维修费 用高，环境污染严重，能源利用效率比发达国家低近 10 个百分点， 主要行业的产品能耗同国际先进水平相比，则高出 30左右，这个 问题在流程制造业表现得尤为突出。面对经济全球化这一机遇和挑 战，我国企业必须利用信息技术、 管理技术和自动化技术加快改革步 伐，彻底改变原有的管理模式，加强产品设计创新能力，提高产品质 量，缩短交货期，降低成本和改善服务，不断提高自我适应能力。因 此，基于信息技术的先进管理体系与制造技术成为企业竞争的关键所 在，流程制造业的

3、信息技术应用已经成为企业具备国内国际竞争力的 不可或缺的重要手段。二、我国流程制造业在信息化建设进程中存在的问题1、缺少有效的信息系统体系架构标准或规划设计 追溯我国流程企业的信息化发展历史可以看出， 其信息化建设从 20世纪 80年代就已经开始了，而且随着信息技术的发展在不断地进 步，经历了从单机管理、单元操作，到计算机集成制造系统（CIMS）的发展历程。但在此过程中信息系统的体系架构没有相对固定的标 准，传统的架构是五层架构（监控层、优化层、调度层、管理层、决 策层），由于这种划分层次的方法造成许多信息系统功能的交叉和信 息的不畅， 甚至出现信息阻断， 因此给信息系统的开发和实施带来许 多

4、不便，影响了信息系统在企业发展过程中应起的重要作用。2、不少企业在管理和过程控制方面都实施了相应的系统， 但大 部分是“信息孤岛”难以进行有效的集成由于流程行业的生产特点， 大部分流程企业都非常重视过程控制 方面的系统建设，在重要的设备、装置上都实施了过程控制系统 PCS（Process Cortrol System）,并且注重实时数据的采集、存储及整 理。随着 ERP（ Enterprise Resources Planning）登陆中国市场和日渐普及，流程制造业中有许多企业也都实施了相应的ERP系统，在管理方面得到了优化和提高。目前，可以说以MRPI、ERP为代表的管理信息系统，以及以集散

5、控制系统（DCS、现场总线为代表的自 动化技术， 在流程制造行业已经大规模应用。 尽管这两类系统的推广 取得了一定效果， 但却忽略了两者之间的有效集成， 导致企业上层计 划缺乏有效的实时信息支持、下层控制环节缺乏优化的调度与协调。计划层与车间执行层无法进行良好的双向信息流交互， 企业难以实时 反应，阻碍了各系统功能的正常发挥， 也无法体现出信息系统的整体 效益。3、制造执行系统没有得到高度的重视并清晰地体现在信息系统 中，不能作为综合信息系统的有机组成部分制造执行系统 MES( Manufacturing Execution System )是流程 工业综合自动化的核心技术，其主要功能是负责生

6、产管理和调度执 行。在集成诸如质量控制、 文档管理、生产调度等功能的基础上， MES 为控制包括物料、 设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源， 提供了一个统一平台，对提高企业生产效率、提高产品质量、降低消 耗具有重要的作用。MES在十几年前就已诞生，目前在发达国家已经 普遍推广。在我国，对MES勺认识和应用还处于刚刚起步阶段。随着 通信瓶颈的解决，ERF可以通过MES直接与控制系统交换实时数据， 实现操作运行层与管理层的紧密集成。 这一趋势近年已在工业发达国 家凸现，主要的工业自动化设备和系统供应商都在致力于开发 MES勺 软件平台和系统支持服务。反观国内，ERP系统与生产控制系统之间

7、一般还没有实现信息集成，问题的关键在于 MES在国内尚未引起 应有的重视。 因此，在流程制造业的信息化建设中必须注重制造执行 系统的应用，将其作为综合信息系统的有机组成部分。三、流程制造企业的特征及对信息化的核心需求流程制造企业是指通过物理反应和化学反应使原材料增值的行 业，一般采用面向库存的生产方式，主要依靠产品价格和质量开拓市 场。以石油炼化企业为例，其生产过程具有如下的特点：生产过程连 续，加工能力强，物料和能量的供给要求连续、及时、可靠；生产工 艺复杂，生产过程涉及多种化学变化与物理变化，生产控制技术要求 高、信息量大，故障诊断和处理比较复杂；产品结构复杂，除了主产 品外，还会产生大量

8、副产品和中间产品，产品与产品之间的关联性较 大，一套生产装置单股进料可以有多个出料；基础自动化水平较高， 对自动化的依赖性比较强，绝大部分的物料变量依靠仪表进行测量或 通过分析仪表间接获得，少量人工计量；生产以安全、稳定、长周期、 满负荷、优质、均衡、高产、低耗和减少污染为主要目标，通过计划 调度、优化操作、先进控制等手段使过程实现优化生产，以获得最大 的经济效益。针对炼化企业的以上生产特点，其对信息化的核心需求体现在各个层 面上：在生产计划方面，需要根据装置的生产能力和产品需求，采用过程结构和配方进行物料需求计划。在调度管理方面，要考虑配方、产品混合、物料平衡、污染防 治等问题，需要进行主产

9、品、副产品、协产品、废品、成品、半成品 和回流物的管理。热蒸汽、冷却水、压缩空气以及水电等动力能源辅 助系统的管理也对流程企业的运行效益具有重要的意义。生产过程的柔性是靠改变各装置间的物流分配和生产装置的工作点来实现的，必 须由先进的在线优化控制技术来保证。 质量管理与生产过程监控系统 紧密相关，产品检验以采样方式为主，采用统计质量控制。因此，产 品检验必须与生产管理及过程控制系统密切配合。在信息处理方面，流程工业要求实时在线采集大量的生产过程 数据、工艺质量数据和设备状态数据等， 要及时处理大量的动态数据， 并以图表、图形的形式予以表示。在安全可靠性方面，流程企业需要保证生产的高效、安全和稳

10、 定运行，才能获取最大的经济效益，因此，安全可靠生产是流程企业 的首要任务。在经营决策方面，流程企业主要通过稳产、高产、提高产品产 量和质量、降低能耗和原料、 减少污染来提高生产率， 增加经济效益。 流程企业生产过程的资本投入大， 因而更注重生产过程中的资金流的 管理。在人的作用方面，过程企业由于生产的连续性，生产加工过程 自动化程度较高， 人的作用主要是监视生产装置的运行、 调节运行参 数等，一般不需要直接参与加工。四、流程制造业信息系统体系架构a) 流程制造业信息系统体系架构 针对目前我国在流程行业信息化建设方面存在的问题，根据流 程制造业的生产特点及对信息化的核心需求， 流程制造业的信息

11、系统 体系架构应该由“ ERP(EIS) ME PCS三层架构组成，见下图1所示：图 1 ：流程制造业的信息系统体系架构三层构构的优势：（1）更适合于扁平化的现代企业结构过去，制造企业一般采用传统的五层 CIM结构，虽然这种体系 框架在制造业信息化发展进程中起过很大的推动作用， 但随着研究与 开发的深入，在综合信息系统的设计和应用实践中遇到了较大问题。 在流程制造业的生产经营活动中， 除了底层的过程控制和顶层的管理 决策外，中间层次是很难将生产行为与管理行为截然分开的。因此， 在牵涉到大量既有生产性质又有管理性质的信息时， 根据五层结构就 很难明确应该归于哪一层次， 造成了企业综合信息系统在开

12、发过程中 标准的难以统一和概念的混乱。 相比于传统的五层结构， PCS-MES-ERP（EIS）构成的三层结构更符合现代企业生产管理结构的“扁平化” 思想，促使管理以职能为中心向以过程为中心的转变， 更易于集成和 实现，进而解决信息系统在经营层和生产层之间脱节的现状。（2）信息流通畅 这种结构信息流形式清晰，控制信息自顶向下，反馈信息自底 向上。各层的控制模块同时进行信息处理，可以处理大量的信息，满 足实时控制需求。（3）适用范围广 这一结构将企业综合信息系统分为考虑生产过程问题的过程控 制系统PCS考虑企业经营管理问题的企业资源计划 ERP以及考虑 生产与管理结合问题的中间层制造执行系统 M

13、ES使企业综合信息系 统中原本难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到解决。（4）适应性强 这种结构具有很强的模块性，相对比较独立，功能模块之间界 面分明，可以分阶段实施，也可以并行开发缩短实施周期。同时，这 种结构具有较好的可修正性和扩展性，当生产环境或目标发生变化 时，可以进行局部修正的扩展。（5）开发成本低MES 广泛采用分布式技术和重构技术，逻辑严谨，形式规范，容易建立和被操作人员迅速掌握。目前许多软件供应商支持MES软件，而且提供了相应的接口或接口标准，ME商在开发MES软件时也比较注重与其他应用系统的集成问题，所以在 MES与管理系统ERP 的集成时，开发费用较低。对石油炼制

14、企业来说，对应于三层架构的信息系统体系架构如 下图 2 所示：图 2 ：石油炼制企业的信息系统体系架构b）体系结构中各部分的主要内容（ 1）企业资源计划（ ERP）炼化企业中ERP系统主要包括人力资源管理、财务管理、采购/ 物料管理、生产计划、工厂设备维护、质量管理、销售和分销以及健 康安全环保管理等模块， 还可以由此出发建立数据分析、 数据仓库等 决策支持系统。其作用主要是根据企业的人、财、物各种资源的状况 和产、供、销各个环节的信息，对生产进行合理有效的计划、组织， 使生产经营活动协调有序地进行。 并由决策支持系统根据企业内外部 信息对企业产品决策、中长远目标、发展规划和企业经营进行决策。

15、（2）生产执行系统（ MES）MES主要对整个生产过程进行动态优化管理，从根本上解决流 程行业生产过程的多变性和不确定性问题。 包括生产计划与调度、 操 作管理、数据调理与物料平衡、生产管理、绩效监控与绩效管理、储 运管理、实验室信息管理等功能。其主要作用是根据ERP系统下达的 计划，通过生产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理过 程组织生产，并将信息加以采集、传递和加工处理，及时呈报 ERP系 统。达到实现ERP与 PCS间数据的连接与共享，实现生产全过程的一 体化，统一计划与物流调度，对现场的生产、质量的控制与管理的目 的。（3）过程控制系统（ PCS）PCS 系统包括整个炼油工艺

16、过程控制和单体设备基础自动化两 个部分，主要解决设备的自动控制以保证生产过程的连续平稳、 生产 出合格产品，完成对生产过程的监测和常规控制， 并根据MESF达的 生产指令进行各流程的过程控制， 设定各种设备的具体动作参数， 进 行各种模型计算和控制计算，以达到过程优化操作、先进控制、故障 诊断、过程仿真等目的，同时收集执行过程中的实际数据上传 MES和 ERP系 统。c）各层面信息系统之间的相互关系 各层面主要信息系统之间的关系如下图 3 所示：图 3：各层面主要信息系统之间的关系管理决策层利用ERP进行企业生产组织、生产管理、经营决策 等方面的优化，给出企业的产品策略和生产计划， 其中包括产

17、品种类、 产品质量与产量等， 并将生产计划、 安全环保质量要求等信息传递给 生产执行系统MES MES艮据企业的生产计划、装置设备、原油、原 材料等情况，由生产调度模块编制生产调度指令，对各生产装置（或 单元）进行优化计算，给出优化配方或生产方案，并据此制定操作指 令、控制参数、 加工方法等，将这些信息传递给过程控制系统执行实 际的生产过程。控制层PCS按照优化的配方或生产方案对底层生产过 程进行实时操作与控制。同时，过程控制系统采集生产过程数据，再 把生产状态、测量数据、质量数据、设备状态等信息传递给生产调度 模块，作为生产调度模块进行生产绩效分析、资源状况分析、质量分 析的基础数据，也为调

18、整生产经营计划提供依据。这样，实际上是完 成了计划指令下达和生产执行情况反馈的闭环过程。从数据流方面看，各层次上的应用系统存在业务数据的传递关 系，主要表现为：（1）过程控制层次主要将过程控制中产生的过程数据传递给 生产执行层的生产实时数据库， 并通过数据整合和平衡手段， 进行相 应的生产数据平衡。（2）生产执行层将相关生产计划优化数据，平衡后的生产数 据（投入和产出），传递给管理决策层。（3）在管理决策层的ERP系统中，整合了企业全部的核心业 务数据（从原油原辅料采购、库存、生产、质量管理到销售分销）、 辅助业务数据（设备检维修、人力资源以及健康安全与环保）以及与 此相关的财务数据。 并汇总

19、企业经营所需的各种业务数据， 形成决策 支持相关的数据信息。五、ERP与MEd间的关系及接口ERP 重点是面向企业计划管理，以订单和市场需求为计划源头， 力求充分利用企业内的各种资源、 降低库存、 提高企业的整体运作效 率。而MES则主要负责生产管理和调度执行， 可以说MES是在企业计 划管理和车间生产控制之间架起一座信息沟通和管理的桥梁， 借助这 个桥梁，企业将更容易建立一个快速反映、有弹性、精细化、统一的 信息化制造环境， 帮助企业提高产品质量和环境， 降低材料和人力等 资源的消耗。一方面，MES以对来自MRPII、ERP软件的生产管理 信息进行细化、分解，将来自计划层操作指令传递给底层控

20、制层；另 一方面，MES可以采集设备、仪表的状态数据，以实时监控底层设备 的运行状态，再经过分析、计算与处理，从而方便、可靠地将控制系 统与信息系统整合在一起，并将生产状况及时反馈给计划层。a） EPR与MES集成的优点（1） 进一步改进现有的操作流程，实现企业管理层和车间管 理层一体化标准运作， 从而更加有效地缩短产品周期， 提高劳动生产 率。2） 实现公司内部信息和数据的集中管理，减少信息和数据内部流通的时间（ 3） 增加系统数据当日更新和管理报表即时统计的功能。（4）以实时数据为依据的生产计划更加正确及时地反映整个 生产情况。（5）配合供应链管理系统，减少供应链成本，增强对顾客需 求的快

21、速反应，优化客户服务并提高公司的整体工作效率。b） ERP与MEd间的接口MES与ERP之间的数据关系和接口是比较复杂的，不同的行业 其接口点也不尽相同。一般制造企业中，企业资源计划（ERP系统需要MES提供的成本、制造周期和预计产出时间等实时生产数据；MES 中进行生产调度的数据来自ERP的计划数据，以保证MES自身正常运 行。ERP-MES勺接口数据包括：（ 1） 基本资料部分： 客户资料、 供应商、 资源（设备， 人力）、 物料（产品）编码、仓库编号、厂别，ORG等（ 2） 实时资料部分：订单或生产计划、工单、仓库物料存量、 成品库存等。MES-ER啲接口数据包括：实际投产情况（可按订单

22、， 工单，生产计划等方式统计）、产品在各工序（作业站）之间移转的 资料（可以根据需要）、资源使用情况 （生产过程中使用的设备， 人工等）、物料使用情况（可按BOM与投产数量计算出）、成品入库数量、生产线报废数量等。而对于流程制造行业，ERP与 MES之间的接口与一般制造业有 许多不同点。下面以石油炼制行业为例，如图 4,说明ERP与 MES之间的数据关系和接口图4:石油炼制行业ERP与 MES之间的数据流及接口由于大部分ERP软件中生产计划模型比较适用于离散型生产的 制造业，定义物料清单和进行物料需求计划是 ERP生产计划模型的关 键功能，而炼油行业因其过程的连续性和物料的可调性， 故无法确定

23、 物料清单，因而也无法准确编制物料需求计划。另外，由于生产工序 复杂，并非单纯地按顺序进行， 而是经常出现交叉， 故很难准确描述。 所以ERP软件中的生产计划模块对炼油生产计划的适应性不够理想， 对生产计划模块一般采用专门针对于流程制造业的包括由生产计划 及调度、油品移动、排产优化构成的完整的生产计划系统。由此系统 制定出生产计划，包括原油采购计划、物料需求计划、生产装置加工 计划、产品产量计划等，通过接口将数据传输到ERP生产计划模块中。 ERP生产计划模块将数据信息传递到采购/物料管理模块，完成原油 及原材料的采购。炼化企业的采购一般分为原油采购和生产设备及其他辅助原材 料的采购。 原油采购根据企业生产计划和原油罐存信息， 制定原油采 购计划，并且确定原油采购种类与数量。然后，它根据原油采购计划 和生产装置能力， 对原油供应信息、 供应商信息及运输信息进行分析 评价，做出原油选择决策。 在采购执行过程中，系统动态跟踪采购原 油供应情况、原油运输情况和到达