流程制造行业信息系统模板

流程制造行业信息

系统模板

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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。在中国，制造'也是国民经济的重要组成部分，工业增加值占

GDP的36%,位居世界第四位，中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中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，与其它产业和消费市

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

及军事保障都至关重要。可是长期以来，中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，中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

进服务，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，流程制造业的信息技术

应用己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、中国流程制造业在信息化建设进程中存在的问题

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1、缺少有效的信息系统体系架构标准或规划设计

追溯中国流程企业的信息化发展历史能够看出，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(ProcessCortrolSystem),而且注重实时数据的采集、存

储及整理。随着ERP(EnterpriseResourcesPlanning)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。当前，能够说以MRPH、

ERP为代表的管理信息系统，以及以集散控制系统(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

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制造执行系统MES(ManufacturingExecutionSystem)是流

程工业综合自动化的核心技术，其主要功能是负责生产管理和调度

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，对养高企业生产效率、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，

当前在发达国家已经普遍推广。在中国，对MES的认识和应用还处

于刚刚起步阶段。随着通信瓶颈的解决，ERP能够经过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的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

流程制造企业是指经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能够有多个出料；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经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

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和减少污染为主要目标，经过计划调度、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。因比，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'也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、医形的形式予以表示。

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，流程企业主要经过稳产、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

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参数等,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

针对当前中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，流程制造业的信息系

统体系架构应该由“ERP(EIS)—MES—PCS"三层架构组成，见下

图1所示：

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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

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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，能够处理大量的信息，

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MES,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O

(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，能够分阶段实施，也能够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，能够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。当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，MES厂商在开发MES软件

时也比较注重与其它应用系统的集成问题，因此在MES与管理系统

ERP的集成时，开发费用较低。

对石油炼制企业来说，对应于三层架构的信息系统体系架构如

下图2所示：

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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系统主要包括人力姿源管理、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，还能够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。

(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，经过生产调度、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MES下

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

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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：

管理决策发企立费海计划(I-RP)&EIS

十产细效

静睛贡海状况

产&，版量生产统计

安全环保原fit纸皿等

计

划

。

制造执行层弧制造执行系统(MES)

£

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根据企业的生产计划、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，并经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)在管理次策层的ERP系统中，整合了企业全部的核心业

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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MES之间的关系及接口

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，能够说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能够对来自MRPH、

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

传递给底层控制层；另一方面，MES能够采集设备、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

求的快速反应，优化客户服务并提高公司的整体工作效率。

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b）ERP与MES之间的接口

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的接口数据包括：

（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—>ERP的接口数据包括：实际投产情况（可

按订单，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（能够根据需要）、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ME5

之间的数据关系和接口。

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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。因此ERP软件中的生产计划模决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，经过接口将数据传

输到ERP生产计划模块中。ERP生产