MES應用的收益和總結

羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕

1 附加值和收益

MES的運行使用已經(jīng)超過了二十年。那些已經(jīng)完成的項目證實了應用的收益和附加值。在現(xiàn)實中，每個新項目的經(jīng)濟效益被不斷評估和復查。其原因是項目的多學科和關系復雜，很難定義一個普遍適用的量化收益方法。

MES附加值和收益并不是一個簡單的問題，其收益是企業(yè)改進的效率和流程。像運行數(shù)據(jù)準確性、及時可用性、提高產(chǎn)量、降低成本和增加客戶滿意度等因素是主要成就。

因此，MES解決方案是企業(yè)追求卓越運營的一個關鍵因素，與運行過程的分析和優(yōu)化密切相關。

以下幾個區(qū)域顯示了與使用MES的優(yōu)化潛力相關：（1）庫存和產(chǎn)能的透明度提高，從而：

·在訂單錄入時可在線訪問可能的交付日期；

·改進了要求的交付日期和總交付成本方面的分析；· 更快的規(guī)劃和訂單履行；· 提高了交付的可靠性；· 響應變化的靈活性更高；· 更高效的工廠利用率。

（2）所有重要生產(chǎn)參數(shù)基于計算機的永久監(jiān)視，降低錯誤和缺陷。

（3）基于計算機的生產(chǎn)規(guī)劃和調(diào)度，降低了生產(chǎn)成本，更好地利用了工廠產(chǎn)能。

（4）工廠分配的優(yōu)化減少了設置時間。

（5）改進的規(guī)劃減少了庫存（原材料、完成品），更加靈活地面向需求生產(chǎn)。

（6）在運營與自動化層（ERP、MES、DCS）之間的廣泛數(shù)據(jù)交換使規(guī)程更加有效。

（7）過程的有效組織、監(jiān)視和記錄，保證了法規(guī)的遵從性（如cGMP/ FDA）。

（8）批處理生產(chǎn)的快速數(shù)據(jù)分析和發(fā)布，導致了更低的成品庫存。

當然，實際的收益分析，只適用于特定的實例，因為不同任務的需求和范圍不能使用通用的方法來分析。

MES項目收益的數(shù)量完全由該系統(tǒng)引入前后的規(guī)程與相關成本的精確比較來確定。實際運行過程的外在效果，如更可靠的交付調(diào)度，避免合同處罰，以及減少人員中斷。

因此，目標/當前狀態(tài)分析，包括當前和未來過程的描述推薦作為項目準備的一部分，用于預期收益的評估。這項研究還展現(xiàn)了最大的潛力和一步一步把MES引入所有區(qū)域的行動。

當把這些模塊設計為廣泛自動化解決方案中的集成元件時，模塊之間的互動就產(chǎn)生了特別積極的影響。各個模塊的相關性依賴于特定的工廠和行業(yè)。假設項目總成本的1%（為大型連續(xù)工廠）至10%（如制藥廠）投資于MES，投資回報率一般在一到兩年完成。另外，難以計算的MES收益（軟收益）是進一步縮短了投資回報期。

圖1 MES潛力

在出版的相關技術報告中，描述了實施MES解決方案的收益，包括實現(xiàn)目標的步驟，以及額外的計劃和無法預見的影響。

本文的目的是對MES跨行業(yè)進行思考和評估。因此，這里還對已完成的項目進行了案例分析。雖然結果的內(nèi)容有一定程度的

減少，為了強調(diào)目標的多樣性，在目標上僅強調(diào)了不同方面。

每個案例分析描述了工廠或過程， 在MES引進之前的情況，實施的MES解決方案，獲得的收益，另外的特定項目特性。如果可能，可對結果進行量化，考慮為案例提供絕對值。

1.1 生物制藥案例分析：全面的工廠自動化、ERP、MES、DCS

（1）過程說明

這項分析展示了一個生物技術工廠，生產(chǎn)活性生物制藥成分，為跨越多自動化層的綜合自動化案例。生產(chǎn)過程的典型階段包括材料準備、材料添加、反應器滅菌、接種、發(fā)酵、收獲、產(chǎn)品轉移和清洗。兩條準備線和八個發(fā)酵器是工廠的核心?？偣?0處處理單元已用整體概念集成，包括清潔單元（WFI、純化蒸汽、就地清洗），色譜和過濾。

（2）初始情況

在新建成的活性成分工廠中，運行過程和生產(chǎn)決策是用市場上的MES軟件來支持。早期階段，MES模塊通常作為獨立的應用運行，并且只與鄰近的自動化層進行通信，交換數(shù)據(jù)，使用特定接口完成控制系統(tǒng)功能。這通常導致了方法的多樣化，實施的互操作性不足，操作員的環(huán)境也不一致。

（3）MES解決方案

選擇現(xiàn)成的控制技術和MES軟件用于工廠的管理和控制。這個概念把兩部分實現(xiàn)為跨所有自動化級的集成環(huán)境，同時滿足監(jiān)管要求。并作用于項目工程，控制配方規(guī)程和操作員處理。配方集中定義和管理，包括版本管理。在執(zhí)行過程中，必要時把控制轉移到其它更適合的系統(tǒng)作為專門的子任務。此概念還包括移動的反應單元，用于手動規(guī)程的電子生成制造說明，綜合材料跟蹤，運營資產(chǎn)（設備、材料、人員）的優(yōu)化利用，與實驗室、產(chǎn)品調(diào)度，以及面向業(yè)務企業(yè)軟件集成的質量數(shù)據(jù)接口。該系統(tǒng)包括了50臺計算機與服務器，60個過程控制器，20臺PLC和100多個操作員站。

自動生成和發(fā)布遵從監(jiān)管的批處理報告是這個系統(tǒng)的附加特性。

（4）增值和收益

基于計算機的方案替代了基于紙質的文檔，顯著減少了產(chǎn)品發(fā)布前的費時規(guī)程，收集、驗證、數(shù)據(jù)編輯和發(fā)布所需的時間，從幾個星期減少到幾個小時，結果顯著且可量化。

所有應用階段的風險和成本由統(tǒng)一操作員環(huán)境和跨學科的綜合概念實現(xiàn)了最小化。項目工程的運營和質量保證共享一個標準化的系統(tǒng)，可訪問和顯示所有可用的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。以前獨立運營的部門，現(xiàn)在結合成一個單元，基于共同定義的方法，導致費用的節(jié)省超過了30%。

圖2 集成自動化概念

該集成解決方案和基于計算機報告系統(tǒng)的整體經(jīng)濟收益每年超過200萬歐元。這個數(shù)字還不反映定性結果，如提高了企業(yè)溝通，項目階段更有效和改進分析的收益，以及基于中央信息庫的規(guī)程優(yōu)化。

（5）更多信息

整個項目大約在2年內(nèi)完成。

1.2 食品和飲料案例分析：能量數(shù)據(jù)采集，作為投資決策支持

（1）過程說明

一家主要生產(chǎn)礦泉水和軟飲料的制造商，每年在一個工廠要灌裝200萬瓶。生產(chǎn)設施基本上由供水、糖漿單元和隨后的飲料混合、裝瓶廠組成。

輔助區(qū)提供生產(chǎn)用的熱水和蒸汽，以及加熱和清洗設施。

（2）初始情況

能源瓶頸，尤其在寒冷的冬日里，需要為加熱系統(tǒng)升級投資。需要替換在1978年安裝的6噸/小時蒸汽輸出的現(xiàn)有鍋爐。

新鍋爐的大小是這個項目的主要挑戰(zhàn)。大小估計的唯一基礎是最大利用率，現(xiàn)在僅有月數(shù)據(jù)。僅用這個基礎來精確計算熱水和蒸汽的需求是不充分的。

另外，工廠內(nèi)的能量分布也是未知的，因為沒有各個單元的消耗量。

（3）MES解決方案

為了確定需求和提供可靠的決策支持，需要建立一個能量管理系統(tǒng)。除了測量燃氣和電力（主能量）的消耗量，該系統(tǒng)還要收集熱水和蒸汽（二次能源）的所需數(shù)據(jù)，并在高峰負荷期間控制關閉。

熱量表分別安裝在鍋爐房，以確定熱水的能量消耗。蒸汽流量計，燃氣表用于測量各個燃氣鍋爐的消耗，電表安裝在變壓器輸出以及各個單元。所有表均連接到現(xiàn)有的總線系統(tǒng)，并集成到能源管理系統(tǒng)。半年過去后，為投資決策已經(jīng)收集了足夠的數(shù)據(jù)。評估表明：較小的蒸汽鍋爐有4噸/小時的輸出就足夠了?，F(xiàn)

有的熱水鍋爐容量為2400千瓦，在冬季吸收加熱需求高峰時，舊鍋爐可保留作為備份。

圖3 熱量概圖

（4）增值和收益

由能量管理系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，顯示了特定產(chǎn)品特定生產(chǎn)單元制造所需的精確能量。這能夠對生產(chǎn)過程進行針對性優(yōu)化。為了避開負載峰值，各個單元不再同時啟動。高峰負荷管理監(jiān)視和控制工廠的通風，辦公室和控制室空調(diào)和污水處理。目標是長期減少工廠的電力需求高峰和燃氣供應儲備。計劃把負荷高峰從1850千瓦減少至1700千瓦，從而每年節(jié)省約10000歐元。燃氣儲備從4000千瓦時降低到3000千瓦時，每年可另外節(jié)省7000歐元。

1.3 煉油廠案例分析：長期規(guī)劃和調(diào)度

（1）過程描述

所分析的煉油廠容量為125000桶。除了原油加工，該公司還銷售初級石油產(chǎn)品，并給客戶提供應用支持。公司在同一站點還運營一個潤滑油調(diào)配工廠。

該煉油廠生產(chǎn)無鉛汽油、潤滑油等化工產(chǎn)品。由于無鉛汽油的需求變化，增加了高辛烷值產(chǎn)品的生產(chǎn)。

（2）初始情況

在很大程度上，用現(xiàn)有規(guī)劃工具管理已建的采購渠道和煉油廠的產(chǎn)品變化。由無鉛汽油市場要求的產(chǎn)品線變化需要新系統(tǒng)和靈活與及時材料規(guī)劃的建模工具。重點是在透明處理，使公司人員能夠管理和維護系統(tǒng)，最小化外部建模和系統(tǒng)專家的參與。新安裝的分階段引入必須重用現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎設施，需要改進內(nèi)部工作流和油罐數(shù)據(jù)管理。

（3）MES 解決方案

實現(xiàn)基于模型的解決方案需要分析可行性和替代產(chǎn)品策略，并執(zhí)行煉油廠供應的月規(guī)劃。第一個模塊處理分期工廠轉換。初始期為汽油和柴油的硫減產(chǎn)，隨后轉移到無鉛汽油。煉油廠修改的復雜影響，以及新過程單元的影響透明顯現(xiàn)。這種透明度提供了對新系統(tǒng)重點的決策支持。

月規(guī)劃在第二個模塊中實施，管理供應鏈，包括原料的選擇和配送。它還設置目標，為特定市場優(yōu)化生產(chǎn)和管理產(chǎn)品，庫存水平和產(chǎn)品分銷。在煉油廠的LP模型中使用跨部門規(guī)劃數(shù)據(jù)，確定調(diào)度和混合，以及計算APC應用參數(shù)。

全廠的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)提供當前的過程數(shù)據(jù)，例如更新模型值。

（4）增值和收益

該模型提供了各種參數(shù)的靈活分析，這些參數(shù)會影響工廠運行和煉油廠結果。為戰(zhàn)略和經(jīng)濟規(guī)劃，以及實際規(guī)劃提供了綜合決策支持。然而，確切的經(jīng)濟效果只能基于假設來量化。如果缺少基礎數(shù)據(jù)或缺乏靈活性，錯誤的戰(zhàn)略決策會造成明顯的經(jīng)濟損失。

在原料成本方面，估計每年節(jié)省了約3百萬歐元（約5%）。

由于精確度提高且同時輸入數(shù)據(jù)，額外的收益是優(yōu)化利用了混合單元和簡化了基于計算機的工作流。透明模型結構的簡化處理提供了額外的財務優(yōu)勢。數(shù)據(jù)內(nèi)容的培訓和支持比以前的解決方案有更好的性價比。

圖4 基于模型規(guī)劃的影響

2 總結與展望

從80年代末到90年代中，MES概念的主要特性由各個客戶特定的MES項目來體現(xiàn)。在很多成功應用的同時，也有些因軟件開發(fā)困難而放棄，這是那段時間的典型狀態(tài)——規(guī)范不完整，不佳的預測開發(fā)成本，以及成本超支和錯過最后期限而取消了整個項目。對MES最初的興奮后來逐漸被失望所替代，對MES的部署和收益也變得更加懷疑。這導致今天MES應用在不同行業(yè)的發(fā)展明顯不均勻。復雜性越高，生產(chǎn)越靈活，產(chǎn)品變化越多，用MES模塊生產(chǎn)的收益就越大，接受的程度也越大。今天，大批量生產(chǎn)，例如在汽車工業(yè)中，沒有MES是不可想象的。

本文的目的是要說明MES解決方案在不同行業(yè)應用的可能性，提供了與供應商無關，當前可用可行的方案概述。早期MES實施的問題已經(jīng)解決。用戶和供應商已經(jīng)吸取了教訓，創(chuàng)建了一種基于標準如IEC62264的共識和語言。由于目標不是針對個別項

目，所以MES解決方案主要由可配置模塊組裝而成?？膳渲貌糠滞ǔ？蛇_60%~70%，客戶特定擴展的部分大約為30%~40%。

基于已建的企業(yè)執(zhí)行模型數(shù)據(jù)結構和在應用之間透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴驶瑢⒋蠓七MMES應用的創(chuàng)新和部署。

應用的復雜性要求對MES項目的成功和收益做持續(xù)檢查，許多項目已經(jīng)反復證明了MES的經(jīng)濟效益。MES的目標必須根據(jù)各自的需求而相應地實現(xiàn)。同時，增加工業(yè)專業(yè)知識人才的數(shù)量和質量能確保企業(yè)更好地優(yōu)化與高產(chǎn)。

早期本地和企業(yè)內(nèi)的IT基礎設施（重新）配置特別重要。這可用于網(wǎng)絡結構和基本數(shù)據(jù)結構，以及信息安全。

如果長期的MES維護成本和人員都包含在項目中，未來MES項目的成功幾乎可以保證。

未來要把握什么？

如上面所示，生產(chǎn)調(diào)度、執(zhí)行以及企業(yè)信息流的集成和互聯(lián)為技術上可行，經(jīng)濟上必要。因此，MES解決方案在所有行業(yè)的進一步發(fā)展是符合邏輯的。解決方案和系統(tǒng)位于企業(yè)模型的第3級（生產(chǎn)運營管理），就像今天在第4級的IT解決方案（業(yè)務規(guī)劃和物流）和在第2級的自動化解決方案（過程管理和數(shù)據(jù)采集）一樣普遍。

企業(yè)的集成越來越需要考慮企業(yè)內(nèi)三個軸的協(xié)同：

· 企業(yè)軸：規(guī)劃—管理—生產(chǎn)；

· 供應鏈軸：供應商—生產(chǎn)—客戶；

· 生命周期軸：開發(fā)—生產(chǎn)—支持。

鑒于這些要求，單一和無所不含的MES概念必須退役。未來要依靠多個應用的協(xié)作，這些應用分布在不同功能級（ERP、MES和過程控制），企業(yè)區(qū)（生產(chǎn)、維修、質量和庫存管理）和不同軸（企業(yè)、供應鏈、生命周期）。

面向服務的架構（SOA），用XML交換交易數(shù)據(jù)和Web服務等技術，方便訪問。

用戶必須授權優(yōu)化執(zhí)行任務，提供賬號和基于Web的門戶，訪問所有企業(yè)級的應用和概覽。同時，應用的特定分布和互動對用戶是透明的。

在未來，會有越來越多的并行仿真和實時優(yōu)化。這些將根據(jù)特定的標準決定最佳生產(chǎn)狀態(tài)，并由此支持決策過程。

MES未來承諾：為用戶提供更多的價值和收益，為供應商提供更令人興奮的發(fā)展機遇。

總之，本文作者祝愿所有的讀者都能成功地實施MES項目。

華镕，男，1982年畢業(yè)于北京科技大學自動化系，現(xiàn)任羅克韋爾自動化（中國）有限公司全球標準及貿(mào)易部中國地區(qū)經(jīng)理。

News [ 新聞 ]

研祥創(chuàng)新格局，助力高端裝備成就工業(yè)新引擎

2015年11月27日下午，研祥攜手國家特種計算機工程技術研究中心、中國工控機產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在上海舉行了以“創(chuàng)新格局 助推工業(yè)互聯(lián)”為主題的高端裝備技術報告會。

會議邀請了國家公安部第三研究所網(wǎng)安中心副主任吳松洋博士、同濟大學交通運輸學院副院長、博士生導師董德存教授、研祥智能副總經(jīng)理孫煜先生、研祥智能副總經(jīng)理陳超先生，還有來自微軟、聯(lián)強國際等行業(yè)內(nèi)的資深技術專家、行業(yè)知名媒體，及行業(yè)集成商、企業(yè)用戶代表等120多人出席會議。會上，嘉賓們不僅針對“高鐵時代的智慧城市新常態(tài)”舉行了高峰論壇，董德存教授和吳松洋博士分別就“軌道交通與工控核心平臺的關系”、“工控信息安全為智慧城市建設保駕護航”議題做了即興演講，嘉賓們還就“從高鐵到大飛機，高端裝備制造業(yè)升級之路”和“智慧城市新常態(tài)呼喚工控信息安全”議題進行了高峰對話，研祥也分享了如何解讀高端裝備給行業(yè)帶來的市場機遇，并就此對研祥推出的新品和案例做了簡要解讀。

數(shù)據(jù)顯示，“十一五”時期，國內(nèi)整個裝備制造業(yè)處于中低端水平，高端裝備制造占到8%左右。到“十二五”時，評估預期將達到20%左右。2014年，我國裝備制造業(yè)主營業(yè)務收入達到30.7萬億元，連續(xù)5年居世界首位。《中國制造2025》提出“十二五”期間，中國高端裝備制造主要從基礎零部件和關鍵元器件，也就是從強基工程等方面來加大技術改造，而在“十三五”期間，則將焦點集中在十大類高端裝備方面。

眼下，世界正進入新一輪工業(yè)革命浪潮，我國“十三五”規(guī)劃也即將出臺。面對如此關鍵的戰(zhàn)略機遇，高端裝備作為“十三五”期間的工業(yè)新引擎，將突出體現(xiàn)在軌道交通、能源等行業(yè)或領域的技術設備進步上，尤以高鐵、地鐵、能源（風電、電力）、視頻監(jiān)控（智能交通、智慧城市）、數(shù)控機床及軍工裝備等最受關注，其對工控核心平臺的需求空間無可限量。

研祥將持續(xù)提供高可靠的產(chǎn)品、服務、技術應用解決方案，并透過設立國家特種計算工程技術研究中心，組建深圳市海洋產(chǎn)業(yè)協(xié)會，籌辦中國工控機產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，聚集行業(yè)內(nèi)相關重點單位，牽頭組織工控機上下游產(chǎn)業(yè)相關單位，力圖在持續(xù)推動工控核心平臺創(chuàng)新水平基礎上，助推高端裝備制造行業(yè)整體升級，全方位成就“中國工業(yè)新引擎”。