石化企业MES系统技术架构与部署研究

    

　　随着信息技术的发展和普及，国外大型流程工业企业，特别是石油化工企业，均十分重视信息集成技术的应用，纷纷以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统。MES是连接现场层与管理层的生产管理技术与实时信息系统，它是实施企业敏捷制造战略，实现车间生产敏捷化的基本技术手段。石化企业十分重视MES的建设，并取得了一些应用成果，本文详细分析介绍了石化企业的应用架构、主要功能及系统部署。

一、MES概述

　　1、 MES的定义

　　MES(Manufacturing Execution System)-生产执行系统，是美国管理界上世纪九十年代提出的新概念。MESA(MES国际联合会)对MES的定义是：MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时作出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还能通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。

　　2、 MES的发展

　　MES作为生产形态变革的产物，其起源大多源自工厂的内部需求，传统的MES(T-MES)就是从70年代的零星车间级应用发展起来的。20世纪80年代后期，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，流程工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉;同时，信号处理技术、计算机技术、通信技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理和经营于一体的综合自动化新模式。

　　由于MES强调控制和协调，使现代制造业信息系统不仅有很好的计划系统，而且能使计划落实到实处的执行系统。MES可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交货、提高产品的质量和提高服务质量。MES适用于不同行业(石化、钢铁、家电、汽车、通讯、IT、医药)，能够对单一的大批量生产和既有多品种小批量生产又有大批量生产的混合型制造企业提供良好的企业信息管理。MES可以将数据信息从产品级取出，穿过操作控制级，送达管理级，通过连续信息流来实现企业信息全集成。目前国内外许多企业已开始采用这项技术来增强自身的核心竞争力。

　　3、 MES相关标准

　　针对于MES的国际标准有IEC/ISO 62264和ANSI/ISA-95，它定义了企业级业务系统与工厂车间级控制系统相集成时所使用的术语和模型。该标准还定义了中间层MES系统应支持的生产作业活动。很多供应商、用户、顾问都参与了该标准的制定和定义，这就确保了该标准具有坚实的基础以及高度的可用性。该标准目前由三部分组成，即企业功能部分，信息流部分和控制功能部分。其中第3部分定义了MES的作业活动。它着重阐述了与生产(Production)、维护(Maintenance)及质量(Quality)等有关的作业活动。

二、石化行业的特点与MES在石化领域的应用

　　1、 石化行业的特点

　　石化行业是我国国民经济的支柱产业之一，为国民经济的持续发展作出了积极的贡献。石油化工生产属于连续性生产，生产线一级自动化程度较高。DCS、PLC(可编程控制器)和IPC(工业个人计算机)系统已成为石化企业的主要控制手段。另外，石化行业的生产是一个多投入、多产出的过程，即：每套装置的产出同时包含着各种不同的半成或产成品，其中半成品进入下一套装置又会产生各种不同的产品，同时还存在着物料回流的现象。

我国石化企业的管理模式主要有两种，即集中式管理模式和分布式管理模式。集中式管理模式指地区公司不下设工厂，其生产管理相关的职能部门及管理活动集中在地区公司一级进行。分布式生产管理模式则指地区公司下设工厂，工厂下设相关职能部门，其生产管理分散在各工厂内部进行，地区公司仅负责协调监督工作。

　　2、MES在石化领域的应用

　　随着信息技术的发展和普及，国外大型流程工业企业，特别是石油化工企业，均十分重视信息集成技术的应用，纷纷以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至跨国集团公司级的信息集成系统。MES以面向数据的模型为核心系统，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进行过程监视、控制和诊断、环境监测、单元整合、模拟和优化，并进行物料平衡、生产计划、调度、排产、离线在线模拟与优化等操作管理。这样，就使流程工业综合自动化系统中原来难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到了解决。目前，MES已成为西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论和产品的主流框架。MES的建设在我国石化行业还处于初级阶段。前几年在中石油、中石化做了很多相关工作，如计划调度、实时数据库系统等，但都比较零散，缺乏系统性。近几年，随着我国石化行业信息化建设的迅猛发展，中石油、中石化都制定了各自的信息技术总体规划，都把MES作为信息化建设的重点。中石油已于2004年在大连石化进行了MES试点。中石化也于2004年在茂名、济南、安庆、荆门进行了MES试点。

三、石化企业MES的技术架构

　　1、 石化企业MES的技术架构

　　根据石化企业的特点，可以将石化企业MES的业务领域分解为四个关键领域，即生产计划与排产，生产运行管理，生产执行和生产统计，这些业务领域是一个工厂管理的核心。工厂维护，物料管理，质量管理，销售与分销，工程项目管理，健康、安全与环保管理、财务管理、人事管理等业务领域虽然不属于MES直接覆盖的领域，但MES需要与这些业务领域交换信息。

　　石化企业的生产运行和管理，需要一系列应用系统来支持：

　　1)生产运行系统是支持工厂管理的核心系统;

　　2)集散控制系统(DCS)、先进过程控制系统(APC)、实时优化系统(RTO)等控制系统，是生产运行系统最直接的实时数据来源。

　　3)企业资源计划系统(ERP)和生产运行系统(MES) 是支持生产运行系统的最主要的两个应用系统，它们为生产运行系统提供有关工厂维护，物料管理，质量管理，销售与分销管理，健康、安全与环保，以及财务管理和人事管理的相关信息。生产运行系统的信息又会进一步反馈到这些系统中去。

　　4)一些工程项目管理和工艺管理的业务领域由工程类应用系统或企业资源计划系统的部分模块来实现。

　　5)工厂的一些基础信息，如装置流程图等，由工厂基本信息系统来管理和维护。

　　2、 各主要模块的功能

　　主流的石化企业MES系统包括以下模块，各模块的功能如下所述：

　　1) 生产计划与排产：利用生产运行系统的工具，在工厂层面进行更进一步、细化的优化排产;

　　2) 运行管理：按照生产计划和生产排产系统产生的作业计划，对生产运行的整个过程进行协调和管理;

　　3) 物料移动管理：对工厂内的物料移动进行计划、执行、监控和记录;

　　4) 物料平衡：通过物料平衡和动力平衡的方法，对测量得到的生产数据进行整合，为其它应用提供准确的数据;

　　5) 收率计算：支持对生产期间加工量和收率的计算;

　　6) 实时数据库：用于存储和管理实时生产过程数据，以及长期的历史生产数据;

　　7) 实时数据库应用：一组附加的面向生产执行层面用户的应用模块，用于监控生产操作，跟踪、分析生产条件，对事件进行预警和处理; 

8) 实验室信息管理系统：对实验室的质量检验信息进行管理，并为生产执行及时提供质检报告;

　　9) 生产统计：一组面向最终用户的应用模块，用于自定义、显示并且发布统计报表;

　　10)生产运行信息平台：对生产运行信息进行发布，用于各级用户的查询。

四、系统部署

　　1、 系统部署的原则

　　根据MES系统技术架构、石化企业的生产运作模式，进行系统部署。系统部署要遵循统一性、先进性、实用性、可操作性、灵活性、适应性、经济性等原则，严格按相关标准规范执行。

　　2、 系统部署方式

　　从专业系统实施、开发和维护的角度考虑，MES系统部署应需要开发、测试、生产等3套硬件环境。其中，开发环境主要用于初始开发及今后的升级维护;测试环境主要提供给开发者一个测试平台;生产环境则是系统实际的工作环境。由于各公司的生产管理模式不同，硬件部署也分为集中式和分布式两种模式。下面以生产环境为例说明两种系统部署方式。

　　1) 集中式系统部署

　　所有服务器部署在公司层面，车间不设置专门的服务器。在公司层面部署Web服务器、应用服务器、实时数据库服务器、关系型数据库(Oracle)服务器、实验室信息应用(LIMS)服务器，以及磁盘阵列和磁带库等硬件设备。所有的服务器通过100/1000兆以太网链路与局域网相连，实时数据库服务器、关系型数据库(Oracle)服务器、实验室信息应用(LIMS)服务器和域及备份服务器通过SAN链路与光纤交换机相连，构成了SAN存储环境。备份服务器通过备份软件对光纤磁带库进行备份管理，可以做到在线实时备份相关重要数据。

　　2) 分布式系统部署

　　此管理模式的系统部署比较复杂，在公司层面部署Web服务器、应用服务器、实时数据库服务器、关系型数据库(Oracle)服务器、实验室信息应用(LIMS)服务器，以及磁盘阵列和磁带库等硬件设备。考虑到数据安全性，在公司层面构建SAN存储网络。在各分厂层面部署Web服务器、实时数据库服务器、实验室信息应用(LIMS)服务器等硬件设备。但是如果公司下属工厂数量比较多，或者工厂的规模比较大时，考虑到系统的性能问题，则需要在工厂一级的层面上追加部署相关应用服务器。

五、结束语

　　MES是连接现场层与管理层的生产管理技术与实时信息系统，它是实施企业敏捷制造战略，实现车间生产敏捷化的基本技术手段。MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。我国石化企业的MES才刚刚试点、刚刚应用，面临着不少问题和障碍，但是随着客户化开发和应用的深入，MES将在我国的石化企业信息化建设中发挥重要的作用，将为企业带来巨大的经济效益。