MES在各行業(yè)中的需求與解決方案（五）

羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司 華镕

啤酒行業(yè)的特點(diǎn)是工廠的能力可大可小，變化很大。小啤酒廠的規(guī)模約為每年生產(chǎn)20萬升啤酒，即40萬瓶0.5升的啤酒；而德國(guó)最大的啤酒廠每年可生產(chǎn)約5億升啤酒，還有跨國(guó)啤酒企業(yè)的產(chǎn)量有的高達(dá)10億升/年，有些啤酒廠的生產(chǎn)能力甚至超過這個(gè)數(shù)字。酒廠規(guī)模的大小對(duì)自動(dòng)化和MES也產(chǎn)生了不同的需求。在小型啤酒廠，一般只有釀造廠房和一些清洗設(shè)備形成“自動(dòng)化孤島”自動(dòng)運(yùn)行。起步的產(chǎn)量約為1千萬升/年，啤酒廠用一套完全集成的自動(dòng)化解決方案控制整個(gè)生產(chǎn)過程。大型啤酒廠則完全依靠生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行，由中央控制室監(jiān)視。

MES的主要功能是保證質(zhì)量，生產(chǎn)調(diào)度支持，包括物流和庫存的數(shù)據(jù)，并用產(chǎn)品質(zhì)量和效益評(píng)估生產(chǎn)。

MES系統(tǒng)的核心功能是面向目標(biāo)的生產(chǎn)支持。專有系統(tǒng)超出辦公軟件產(chǎn)品范圍的情況，通?？梢栽谀戤a(chǎn)量5千萬升的啤酒廠中找到。釀造業(yè)一直都在考慮大型化和國(guó)際化的運(yùn)營(yíng)模式，對(duì)不同工廠選定的性能指標(biāo)進(jìn)行比較也變得越來越重要。而MES正好能夠提供這些性能指標(biāo)。

生產(chǎn)企業(yè)的內(nèi)部設(shè)施主要分為兩個(gè)區(qū)域，分別是釀造和裝瓶，即啤酒原漿的生成和各種瓶子的灌裝，最后成為準(zhǔn)備銷售的啤酒。這兩個(gè)區(qū)域是不同的部門，需要不同MES功能。下面的敘述著重于生成過程，即釀造部分。

1 典型運(yùn)行的一般描述

啤酒的準(zhǔn)備部分分成四個(gè)過程單元：

（1）筒倉區(qū)域 = 原料儲(chǔ)存；

（2）釀造廠房 = 麥汁準(zhǔn)備；

（3）發(fā)酵酒窖 = 發(fā)酵過程；

（4）過濾啤酒 = 啤酒過濾，準(zhǔn)備裝瓶。

在大多數(shù)情況下，所用的原料是麥芽和啤酒花。酵母在生產(chǎn)過程中生成并再產(chǎn)。消耗的材料是清潔劑和助濾劑。副產(chǎn)品包括酒糟，酵母和助濾劑。

由于完整的釀造過程需要約4周時(shí)間，為了保證必要的生產(chǎn)時(shí)間，銷售需要進(jìn)行相應(yīng)地預(yù)測(cè)。

原料的質(zhì)量變化和市場(chǎng)的口味變化，需要產(chǎn)品不斷創(chuàng)新以及靈活的配方管理。這個(gè)功能通常在控制系統(tǒng)級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)。配方在單元級(jí)或設(shè)備級(jí)上定義。廠級(jí)或通用配方已不太常見，偶爾存在于制造的說明書上。從80年代以后，啤酒廠已普遍采用在控制系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)配方。

各個(gè)過程工位的生產(chǎn)調(diào)度：

筒倉區(qū)

（1）從ERP系統(tǒng)得到原材料的采購規(guī)劃；

（2）在ERP內(nèi)發(fā)貼，或在集成環(huán)境下，通過MES反饋給ERP；

（3）庫存水平和消耗，從MES反饋到ERP。

釀酒廠

（1）規(guī)劃時(shí)限：1個(gè)星期；

（2）相對(duì)較少的變化（大約1～10）；

（3）按釀造線規(guī)劃釀造過程（如圖1所示）。

圖 1 使用罐調(diào)度支持調(diào)度功能

（4）發(fā)酵窖（下一階段）的容量決定了同一釀造的順序號(hào)；（5）為規(guī)劃輸入?yún)?shù)（如圖2所示）。

圖 2 在MES中自動(dòng)關(guān)聯(lián)資源和過程執(zhí)行

· 發(fā)酵窖中的目前液位，填補(bǔ)發(fā)酵窖中丟失容量。

· 根據(jù)選擇釀造的品種，預(yù)測(cè)長(zhǎng)期銷售。這決定了這種釀造類型要生產(chǎn)的數(shù)量。作為規(guī)劃的一部分，還要把該總量分成為多個(gè)批次（啤酒）。

· 計(jì)劃的不確定性是由于釀造生成與成品啤酒銷售中間存在2～4星期的延遲。

發(fā)酵酒窖

（1）酒罐的灌裝是按釀造規(guī)劃決定的；

（2）1～4周的批次時(shí)間；

（3）酒罐的排空是由過濾規(guī)劃決定的；

（4）在發(fā)酵窖中其余的工作（酵母培養(yǎng)、清洗）作為每周調(diào)度的一部分執(zhí)行。

成品啤酒裝瓶的過濾和交付

（1）規(guī)劃時(shí)限為2至3天；

（2）相對(duì)多的品種數(shù)量（約為5～50種）；

（3）裝瓶要快速適應(yīng)規(guī)劃的變更；

（4）裝瓶的典型緩沖時(shí)間小于1天。

生產(chǎn)調(diào)度主要由工廠和設(shè)備的可用性決定，而不是由原材料決定。

人員規(guī)劃

這項(xiàng)工作與所提的能力要求差不多。因此，每個(gè)班次的人員規(guī)劃要有足夠的人數(shù)。這可以通過簡(jiǎn)單的列表完成。

生產(chǎn)準(zhǔn)備要求

（1）原材料供應(yīng)是ERP系統(tǒng)的責(zé)任；

（2）所需設(shè)備單元和路線的選擇與分配；

（3）檢查批次（質(zhì)量發(fā)布）以及設(shè)備（清洗）的必要狀態(tài)；

（4）考慮了從過程控制系統(tǒng)或MES得到的當(dāng)前過程狀態(tài)后，對(duì)下一個(gè)處理步驟提出要求。

生產(chǎn)執(zhí)行要求

（1）自動(dòng)化過程的監(jiān)視；

（2）為手動(dòng)任務(wù)描述完成工作流程；

（3）在MES中獲得生產(chǎn)和消費(fèi)量數(shù)據(jù)；

（4）觸發(fā)所需樣品的收集和質(zhì)量保證的分析；

（5）根據(jù)質(zhì)量結(jié)果，為進(jìn)一步的處理阻止或釋放批次；

（6）在生產(chǎn)結(jié)束時(shí)請(qǐng)求清洗。

生產(chǎn)評(píng)估要求

（1）從該過程控制系統(tǒng)獲得批處理數(shù)據(jù)；

（2）合并所有相關(guān)的數(shù)據(jù)（DCS、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)、手動(dòng)收集）；

（3）根據(jù)規(guī)范檢查選擇的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

（4）對(duì)與目標(biāo)值產(chǎn)生偏差的批次進(jìn)行快速檢查，這有助于對(duì)生產(chǎn)問題的識(shí)別；

（5）對(duì)沒有產(chǎn)生缺陷批次的百分比評(píng)估；

（6）根據(jù)有限數(shù)量的性能指標(biāo)，評(píng)估生產(chǎn)目標(biāo)；

（7）用驗(yàn)證的收集數(shù)據(jù)，評(píng)估生產(chǎn)批次的管理；

（8）可能需修正所有收集數(shù)據(jù)，其中包括自動(dòng)收集的數(shù)據(jù)。當(dāng)把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到ERP系統(tǒng)時(shí)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致無用和引起問題。

2 通過MES功能支持運(yùn)行

（1）資源管理

生產(chǎn) 質(zhì)量 維護(hù) 庫存概述· 單元和子單元分配可能在控制系統(tǒng)層發(fā)生。這是在單元類中根據(jù)單元設(shè)備指定的· 不靈活，技術(shù)修復(fù)過程運(yùn)行設(shè)備· 在DCS中管理資源· 在單元上可以修復(fù)過程規(guī)范· 經(jīng)常在不同生產(chǎn)線有相同的功能（例如2條釀造線，有多個(gè)罐裝和排空路經(jīng)）· 生產(chǎn)狀態(tài)管理在DCS中執(zhí)行· 保持過程狀態(tài)：如：灌裝、填充、排出、清空、清洗等以及衛(wèi)生狀態(tài)（使用了、清洗了、消毒了）；狀態(tài)遵從S88.01規(guī)程材料· 從ERP發(fā)出材料類和材料的轉(zhuǎn)移指令· 在DCS中把材料類分配到過程· 在DCS中把材料分配到配方員工· 需要時(shí)，把所有自動(dòng)化人員分配到所有生產(chǎn)區(qū)域· 在MES中，很少做人員規(guī)劃產(chǎn)品屬性要求· 收集需要的質(zhì)量數(shù)據(jù)成分屬性的收集和評(píng)估· 相關(guān)成分屬性的分析和存儲(chǔ)· 評(píng)估（接受或拒絕）· 對(duì)生產(chǎn)要求影響的評(píng)估，必要時(shí)需要調(diào)整參數(shù)管理· 檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)手段· 由實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)人員分析績(jī)效戰(zhàn)略決策：情境或預(yù)防性維護(hù)· 規(guī)劃設(shè)備停頓和維修（周期）· 設(shè)想情境維護(hù)· 計(jì)劃人員要與預(yù)計(jì)運(yùn)營(yíng)階段和短期需求相吻合材料的需求和容量規(guī)劃ERP · 關(guān)鍵原料的長(zhǎng)期供應(yīng)合同（麥芽/酒花）· 參考去年的數(shù)據(jù)MES · 決定并管理當(dāng)前和歷史的庫存（MES往往引導(dǎo)ERP）· 對(duì)ERP反饋消耗和生產(chǎn)數(shù)據(jù)· 分配過程工單（根據(jù)連接的ERP）· 核對(duì)當(dāng)前的庫存水平

（2）定義管理

生產(chǎn) 質(zhì)量 維護(hù) 庫存制造規(guī)程和配方的定義· 規(guī)程和配方中的參數(shù)在DCS中定義· 區(qū)別：設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)、產(chǎn)品參數(shù)· 通常在單元類級(jí)定義規(guī)程，在具體單元級(jí)定義配方。例外的是罐區(qū)，配方僅在類級(jí)存在· 為手動(dòng)任務(wù)鏈接SOP規(guī)范· 為存儲(chǔ)在DCS中的參數(shù)輸入限值· 對(duì)質(zhì)量相關(guān)參數(shù)限值的定義在MES中進(jìn)行 =〉必須選擇· 如果不期望質(zhì)量缺陷，按規(guī)范檢查才有意義· 批次分類“不在規(guī)范中”· 規(guī)范需要經(jīng)常維護(hù)，否則有糟糕的評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)LIMS接口· 多數(shù)規(guī)范已存在實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)中· 實(shí)驗(yàn)室要對(duì)DCS反饋超限信息· 質(zhì)量相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要報(bào)告給實(shí)驗(yàn)室材料特性規(guī)范· 成分質(zhì)量· 成分檢測(cè)和公布規(guī)程· 產(chǎn)品質(zhì)量質(zhì)量數(shù)據(jù)調(diào)整· 工單相關(guān)的調(diào)整機(jī)制創(chuàng)建、發(fā)布和控制· 檢測(cè)方法· 檢測(cè)規(guī)程· 建立限值· 成分公布/限制· 修補(bǔ)批次發(fā)布/限制與DCS的界面· 通過在線界面發(fā)布質(zhì)量· 反饋到批次級(jí)對(duì)運(yùn)行維護(hù)周期和標(biāo)準(zhǔn)的要求· 維護(hù)工單規(guī)程· 維護(hù)清單（設(shè)備、人員）· 確定維護(hù)間隔· 維護(hù)要求的限制創(chuàng)建、量化、發(fā)布和控制· 測(cè)量校準(zhǔn)周期· 對(duì)選擇的組件，根據(jù)工作小時(shí)（周期）面向?qū)ο蟮木S護(hù)計(jì)劃· 設(shè)備區(qū)的全面維護(hù)（預(yù)定關(guān)機(jī)的服務(wù)）庫存量的修正條文（備份量）· 最小化庫存水平· 庫存定義的天數(shù)

（3）詳細(xì)調(diào)度

生產(chǎn) 質(zhì)量 維護(hù) 庫存工廠設(shè)備和生產(chǎn)分配調(diào)度· 從ERP或供應(yīng)鏈管理軟件傳送生產(chǎn)要求· 釀造廠：在DCS中把ERP（每個(gè)產(chǎn)品數(shù)量）的生產(chǎn)要求拆分成生產(chǎn)批次（釀造）· 發(fā)酵：分別從產(chǎn)品狀態(tài)或清潔要求進(jìn)行必要的處理，無高一級(jí)規(guī)劃· 過濾：根據(jù)目前的庫存水平和從ERP的裝瓶規(guī)劃為裝瓶提供過濾啤酒· 在DCS中分配運(yùn)行生產(chǎn)單元（生產(chǎn)線/路線、單元、容器）· 根據(jù)需要變更短期規(guī)劃· 也在MES中顯示設(shè)備分配狀態(tài)和生產(chǎn)狀態(tài)根據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)物流規(guī)劃調(diào)整· 在生產(chǎn)過程中計(jì)劃分析· 從當(dāng)前的批次信息中創(chuàng)建采樣計(jì)劃規(guī)劃數(shù)據(jù)的交接· 到維護(hù)管理模塊成份· 根據(jù)庫存水平和生產(chǎn)規(guī)劃征調(diào)遞交產(chǎn)品· 為要求的數(shù)量?jī)?yōu)化裝瓶規(guī)劃，最小化空閑時(shí)間

（4）分派

生產(chǎn) 質(zhì)量 維護(hù)按照預(yù)定和當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化工廠設(shè)備分配· 在DCS中存在所有的功能· 手動(dòng)或者根據(jù)設(shè)備的可用性啟動(dòng)生產(chǎn)· 自動(dòng)選擇可用的單元（請(qǐng)求如過程清洗）· 在不同工藝階段通過MES模塊解耦操作員行為· 用固定的批量生產(chǎn)，按照工廠規(guī)模預(yù)先定義限制范圍為運(yùn)行生產(chǎn)活動(dòng)分配工單· 為中間可能需要的清洗分配工單（通過DCS實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化）· 反饋過程狀態(tài)，作為規(guī)劃依據(jù)工單分配· 提取樣品· 分析設(shè)備的分配根據(jù)當(dāng)前需求在線規(guī)劃和調(diào)整資源· 人員需求

（5）執(zhí)行管理

生產(chǎn) 質(zhì)量 維護(hù) 庫存優(yōu)化管理和生產(chǎn)單元控制· 信條：沒有MES必須也能生產(chǎn)· 用配方控制自動(dòng)或半自動(dòng)運(yùn)行規(guī)程· 在DCS中管理離散和調(diào)節(jié)控制設(shè)備的可變參數(shù)集（配方內(nèi)容）· 自動(dòng)路由控制· 批次的混合、計(jì)量、選擇和取消可靈活選擇，如像單元是分離的· 可平滑切換酒罐的變更，雖然在批次開始時(shí)所需罐的數(shù)量不固定過程控制· 在MES中監(jiān)視過程狀態(tài)· 當(dāng)前違反規(guī)范的列表· 在MES中評(píng)估生產(chǎn)（KPI）產(chǎn)品質(zhì)量· 生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，在線測(cè)量產(chǎn)品質(zhì)量執(zhí)行分析· 在線訪問檢測(cè)工單和規(guī)程· 反饋分析結(jié)果· 制作結(jié)果文檔反應(yīng)· 阻止或釋放成分和/或生產(chǎn)批次下指令·傳輸給DCS維護(hù)工單的控制和監(jiān)視· 運(yùn)行周期，小時(shí)的收集· 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的校準(zhǔn)間隔· 在線訪問作業(yè)工單、服務(wù)計(jì)劃、文件和規(guī)程商店· 自動(dòng)發(fā)布交貨時(shí)間· 送貨單數(shù)據(jù)分配· 人工庫存移動(dòng)的收集（如集裝箱貨物）；材料入庫和生產(chǎn)分配水平· 預(yù)訂使用的材料，發(fā)布生產(chǎn)量· 預(yù)訂空狀態(tài)修正· 當(dāng)前水平的人工庫存· 反饋給ERP

（6）數(shù)據(jù)收集

生產(chǎn) 質(zhì)量 維護(hù) 庫存收集和顯示當(dāng)前處理的數(shù)據(jù)（控制系統(tǒng)）· 給MES報(bào)告所有批次，主要在運(yùn)行級(jí)（開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，整個(gè)過程運(yùn)行時(shí)間，材料識(shí)別，使用的配方版本等）· 根據(jù)相應(yīng)的過程或連續(xù)改進(jìn)過程（CIP）對(duì)工單分類，作為報(bào)告的基礎(chǔ)為生產(chǎn)運(yùn)行定義，收集和備案通用質(zhì)量指標(biāo)· 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)收集：從過一旦設(shè)備變化更新維護(hù)數(shù)據(jù)· 維護(hù)工作記錄消耗/生產(chǎn)· 材料移動(dòng)（批次ID，存儲(chǔ)位置，材料，數(shù)量等）

· 使用當(dāng)前和最近（天，周）的運(yùn)行參數(shù)，這些參數(shù)由控制室的操作員歸檔在控制系統(tǒng)組件中長(zhǎng)期歸檔· 為當(dāng)前或未來的分析，收集和歸檔工廠范圍內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)；通常這些參數(shù)用在控制室外電子數(shù)據(jù)記錄· 記錄所有與批處理或生產(chǎn)進(jìn)展相關(guān)的事件和操作員操作· 從DCS把批次事件（操作員操作，報(bào)警，報(bào)告值）傳遞給MES中的批次數(shù)據(jù)·從LIMS系統(tǒng)把分析數(shù)據(jù)傳遞給MES中的批次數(shù)據(jù)程和實(shí)驗(yàn)室收集和存儲(chǔ)分析數(shù)據(jù)電子數(shù)據(jù)記錄· 檢測(cè)工單和分析結(jié)果· 負(fù)責(zé)員工· 收集運(yùn)行周期· 收集運(yùn)行時(shí)間· 維護(hù)工作后復(fù)位表值· 建立批次關(guān)系（鏈接源與目標(biāo)批次）· 為過程批次分配消耗/生產(chǎn)· 材料預(yù)定方法

（7）跟蹤

生產(chǎn) 質(zhì)量 維護(hù) 庫存生產(chǎn)對(duì)象跟蹤· 創(chuàng)建濃縮生產(chǎn)概述· 生產(chǎn)參數(shù)、損失、消耗· 查明KPI · 跟蹤分配時(shí)間報(bào)告· 預(yù)定義“標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告”，涵蓋經(jīng)常性報(bào)告任務(wù)· 用戶可配置報(bào)告查詢，提供更強(qiáng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)和組合能力· 數(shù)據(jù)傳遞到MS Excel，然后在MS Excel中進(jìn)一步處理生產(chǎn)評(píng)估· 每個(gè)批次的所有相關(guān)值應(yīng)在規(guī)范范圍內(nèi)· 在規(guī)范內(nèi)的批次數(shù)量是1個(gè)規(guī)范值質(zhì)量參數(shù)的目標(biāo)與實(shí)際評(píng)估以及顯示· 當(dāng)分析值超出公差范圍時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警維護(hù)數(shù)據(jù)調(diào)整· 保持周期服務(wù)庫存水平· 庫存概述 – 當(dāng)前水平或指定時(shí)間的水平· 庫存位置歷史· 批次跟蹤· 材料庫存移動(dòng)材料移動(dòng)· 主要產(chǎn)品流動(dòng)：從麥芽接收，然后到釀造廠，發(fā)酵，過濾，最后到裝瓶生產(chǎn)線· 在極少數(shù)情況下，從釀造鏈接到裝瓶線的灌裝機(jī)· 如果副產(chǎn)品要出售到制藥或食品和飲料行業(yè)，跟蹤副產(chǎn)品（酵母）是有意義的

（8）分析

生產(chǎn) 質(zhì)量 維護(hù) 庫存分析計(jì)劃情況與實(shí)際情況· 時(shí)間差異分析· 生產(chǎn)要求與運(yùn)行數(shù)據(jù)的比較報(bào)警，事件和消息列表的評(píng)估· 從DCS的數(shù)據(jù)分析報(bào)警，事件和消息生成電子批記錄· 批次的定時(shí)進(jìn)展· 質(zhì)量相關(guān)測(cè)量的趨勢(shì)圖材料跟蹤或材料家譜· 概述：在批次中用了什么成分？· 概述：哪個(gè)批次中使用了特殊成分？統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估· KPI · OEE分析· 基于MES數(shù)據(jù)的在線分析過程（OLAP）質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析和記錄· 生成統(tǒng)計(jì)評(píng)估：KPI · 質(zhì)量數(shù)據(jù)的變化· 在中長(zhǎng)期生產(chǎn)中質(zhì)量進(jìn)步的指示質(zhì)量監(jiān)視，評(píng)估和記錄· 質(zhì)量相關(guān)差異維護(hù)數(shù)據(jù)的分析和記錄· 運(yùn)行時(shí)間、人員開支、問題設(shè)備· 參數(shù)· 查明事件驅(qū)動(dòng)維護(hù)措施的數(shù)量（成本、生產(chǎn)損失）· 資源需求和成本庫存數(shù)據(jù)的分析和記錄· 消耗、庫存水平· 與運(yùn)行數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)· 成分利用的程度· 評(píng)估交付完整性（到期日，數(shù)量）

雖然本文介紹的是啤酒行業(yè)，但也適用于類似的食品和飲料行業(yè)。

華镕，男，1982年畢業(yè)于北京科技大學(xué)自動(dòng)化系，現(xiàn)任羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司全球標(biāo)準(zhǔn)及貿(mào)易部中國(guó)地區(qū)經(jīng)理。