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准确理解制造执行系统（MES）（六）作业计划的优化(3): 热度 1 bshen 2019-8-14 16:32; 准确理解制造执行系统（MES）（六） ---- 作业计划的优化(3) 同济大学中德学院沈斌教授准确理解制造执行系统（六）作业计划优化（3）.pdf; 个人分类: 学术论文|1955 次阅读|1 个评论

准确理解制造执行系统（MES）（五）作业计划的优化(2): bshen 2019-8-13 14:35; 准确理解制造执行系统（MES）（五） ---- 作业计划的优化(2) 同济大学中德学院沈斌教授一批零件要在一台设备或多台设备上加工，零件的不同先后加工顺序，其加工完工时间是大不相同的。下面举两个例子（一个例子是一台设备上加工，另一例子是在5台设备上加工），加以分析说明，这里假设每个零件数量都是1个。为了大家简单明了算法的重要性，选了这两个例子的算法，是众多算法中是最简单的。更复杂而有效的算法，可以查阅相关大量的研究文献。我在百度搜索了“作业计划的排序优化算法”，相关结果约457,000个之多！下面的内容对专业研究人员来说是一目了然地的，但对一般人员来说，可能有点难懂，所以，我尽可能写得通俗一点，并以具体例子加以说明。大家要有信心看下去。 1. 单台设备加工顺序的确定现在有5个零件（ J 1 、J 2 、J 3 、J 4 、J 5 ）在一台设备上加工，每个零件处理时间和交货期如表1所示。处理时间表示零件在设备加工占用时间（包括加工时间和调整等辅助时间）。交货期表示该零件在某月的几号交货。表1 零件加工时间零件 J i J 1 J 2 J 3 J 4 J 5 处理时间 P i( 天 ) 3 1 4 2 5 交货期 ( 日 ) 7 8 12 10 6 如何安排零件的加工顺序呢？按照上文分析，将有n!种顺序，即5!=5x4x3x2x1=120种。真有哪么多吗？开始我也有点怀疑，笨人死办法，我将它们一一排了出来。如果将零件 J 1 排在第一个加工，则有如下24中加工顺序： 12345 12453 12543 12453 12354 12534 13245 13452 13542 13452 13254 13524 14235 14352 14532 14352 14253 14523 15234 15342 15432 15342 15243 15423 如果将零件 J 2 排在第一个加工，则有如下24中加工顺序： 21345 21453 21543 21453 21354 21534 23145 13451 23541 23451 23154 3514 24135 24351 24531 24351 24153 24513 25134 25341 25431 25341 25143 25413 如果将零件 J 3 排在第一个加工，则有如下24中加工顺序： 32145 32451 32541 32451 32154 32514 31245 31452 31542 31452 31254 31524 34215 34152 34512 34152 34251 34521 35214 35142 35412 35142 35241 35421 如果将零件 J 4 排在第一个加工，则有如下24中加工顺序： 42315 42153 42513 42153 42351 42531 43215 43152 43512 43152 43251 43521 41235 41352 41532 41352 41253 41523 45231 45312 45132 45312 45213 45123 如果将零件 J 5 排在第一个加工，则有如下24中加工顺序： 52341 52413 52143 52413 52314 52134 53241 53412 53142 53412 53214 53124 54231 54312 54132 54312 54213 54123 51234 51342 51432 51342 51243 51423 我们现在采用的排序准则，或优化目标是保证最大交货期误期为最小的前提下，得到Ｆ为最小的零件最优排序（注意这里的优化目标有两个，但是以第一目标为前提再考虑第二目标）。为此，假定在一台设备上加工ｎ种零件时，加工过程无故障，可连续加工。并设定： Ji ──零件种类，ｉ＝１，２，··· ｎ； Pi ──零件 Ji 的处理时间（包括加工时间与调整时间）； Fi ──零件 Ji 的完工时间（即通过时间）； di ──零件 Ji 的交货期； Ti ─ ─零件 Ji 的交货误期，，最大交货误期； Di ── 零件Ji的最大拖期时间； F ──所有零件平均完工时间 (1) 要保证最大交货期误期为最小的前提下，得到Ｆ为最小的零件最优排序，可先按零件交货期由小到大排序，求得最大交货误期，并分别算出 Di 。若按此最优顺序的原则找到最后一项设为零件k，则满足： (2) 考虑到零件按处理时间由小到大排序，可使平均完工时间为最短。所以，在逐个反推搜索时，若同时出现零件Ｊ也符合时，则零件 k 还应满足：（3）ｍ ─ 尚未分配加工的零件数通过逐项比较，重复这一步骤，即可得到排序方案。大家看上面的算法可能不好理解，没有关系，看下面以表1的数据为例，逐步计算求出最优排序，再回过头了看可能就明白了。如果还是不理解，也没有关系，只要记住结论就可以了：不同的排序，产生不同的结果。一般MES系统里把算法写在程序里了。你只要会操作即可。算法解题的步骤如下：先按交货期从小到大排序。即交货期早的先加工，则加工顺序为为 J5-J1-J2-J4-J3 , 如图1中方案A所示。这个图就是作业计划的甘特图，并表示了每个零件的先后加工顺序、开始时间和完工时间。若按此顺序加工，各零件的完工期为: F1 =8 天； F2 =9天； F3 =15天； F4 =11天； F5 =5天。平均完工时间 F =（8+9+15+11+6）/ 5 = 9.6天。零件 Ji 的交货误期，根据公式 Ti =max(0, Fi - di )： T 1 =1 天， T 2 =1天， T 3 =3天， T 4 =1天， T 5 =0天。方案A的最大交货误期为： T max =3天。图1 作业排序甘特图 2) 保证最大交货期误期为最小的前提下，得到Ｆ为最小的零件最优排序。计算各零件 Ji 的最大拖期时间 Di = di + Tmax D1=7+3=10 ，D2=8+3=11，D3=12+3=15，D4=10+3=13，D5=6+3=9. 满足条件公式（2）的零件最后加工，这时5个零件的处理时间总和为15，所以零件 J3 满足，放在最后加工。剩余4个零件的处理时间总和为11，零件 J2 和 J4 满足公式（2），再根据公式（3）选择处理时间大的 J4 后加工，即为顺序倒数第二个。还有3个零件的处理时间总和为9，零件 J1 ， J2 和 J5 都满足公式（2），根据公式（3）选择处理时间大的 J5 后加工，即为顺序倒数第三个。还有2个零件的处理时间总和为4，零件 J1 ， J2 都满足公式（2），根据公式（3）选择处理时间大的 J1 后加工，即为顺序倒数第四个。最后则 J2 为最先加工。根据上述的加工排序为： J2-J1-J5-J4-J3 （(见图1中方案B）。各零件的完工期为: F1 =4 天； F2 =1天； F3 =15天； F4 =11天； F5 =9天。平均完工时间 F =（4+1+15+11+9）/ 5 = 8天零件 Ji 的交货误期， Ti =max(0, Fi - di )： T 1 =0 ， T 2 =0， T 3 =3， T 4 =1， T 5 =0。方案B的最大交货误期为： Tmax =3天。 3) 按处理时间从小到大排序。即按照零件处理时间小的先加工，则加工顺序为为 J 2 -J 4 -J 1 -J 3 -J5 (见图1中方案C）。各零件的完工期为: F1 =6 天； F2 =1天； F3 =10天； F4 =3天； F5 =15天。平均完工时间 F =（6+1+10+3+15）/ 5 = 7天零件 Ji 的交货误期， Ti =max(0, Fi - di )： T 1 =0 ， T 2 =0， T 3 =2， T 4 =0， T 5 =9。方案C的最大交货误期为： T max =9天通过以上计算，得到三个方案的以下结果：方案A：最大交货误期 T max = 3，平均完工时间 F ＝9.6天(按交货期排序）方案B：最大交货误期 T max =3，平均完工时间 F =8天（按优化排序）方案C：最大交货误期 T max =9，平均完工时间 F =7天（按加工时间排序）方案A和方案C都是单目标的优化，而方案B大的优化是在保证最大交货期误期为最小的前提下，得到Ｆ为最小的零件最优排序，兼顾了两个目标大的优点。这里仅仅是5个零件，如果有更多的零件，其结果差别就更大了。这就是优化算法（数学模型）的威力所在。下文，我即将介绍多工序加工作业排序的确定，即一批零件在多台设备上加工顺序的优化算法（数学模型）。; 个人分类: 学术论文|2160 次阅读|0 个评论

准确理解制造执行系统（MES）（四）作业计划的优化(1): bshen 2019-8-12 12:28; 准确理解制造执行系统（MES）（四） ---- 作业计划的优化(1) 同济大学中德学院沈斌教授上文提出了实施MES是企业提高经济效益的最佳切入点，为什么呢？总的来说，企业通过实施MES系统，可以在以下主要几个方面获得显著的益处： 1 ）通过作业计划的优化，在同样生产资源环境下，可以提高10-20%的效益，其基本原理将在本文进一步分析论述。 2 ）根据精确的生产进度控制，实现“准时生产法”，减少原材料库存、在制品积存量50%左右。 3 ）通过合理的作业计划和实时的智能生产调度，提高生产设备的利用率（OEE，Overall Equipment Effectiveness设备综合效率）一倍。 4 ）实现了生产过程的透明化，最大限度地保证最小的产品交货误期。 5 ）实现产品质量的实时监控，保证质量原因的追溯率100%。 6 ）合理配置人力资源，通过精确的工作量和薪酬的计算，调动员工的积极性。以上2-6点，将另文分析阐述。 1 、作业计划概述主生产计划给出了最终产品的交货期限，如果要转换成各生产周期内的原材料和零件的需求计划，这还需根据工厂的实际生产能力确定零件的加工批量与完成期限，才下达给车间或制造岛。车间作业计划编制就是按一定的排序准则将规定的任务按周、日、小时具体分配给指定的工作地进行加工，确保完成生产计划的要求，如图1所示。主生产计划中的最终产品是由各种零件构成的，每种零件都按一定的加工顺序进行制造。因此，作业计划包括分配各种零件的投入期和产出期，并规定完成这些加工工序的地点。它实际上由下列二个步骤组成：（1）确定制造设备负荷。即将各项加工任务分配至各工作地。这时每个工作地将有一长队的工件等待加工处理。在计划周期内，各项任务的加工总工时应与工作地实际生产能力相平衡。（2）作业排序。是确定各项任务通过给定工作地的先后加工顺序。为此，必须确定这一列任务中的排队准则，各项任务将按此顺序加工。当一项任务完成后，即转入下一个工作地的任务队列中，成为下一个工作地的制造设备负荷。图 1 多品种中小批量厂级作业计划流程图过去，对于简单的、只包含几个加工工序的生产环境，排序是依靠有经验的调度员来做的，它们所使用的工具一般是图表，如甘特图。在排序计划执行时，靠人工修改和维护生产作业排序。这种人工排序一般只是凭经验定性地进行，有时也运用几个分配准则。人工排序不能保证排序结果达到最优，它取决于排序人员对生产情况的熟悉程度。另外，对于车间作业排序这样比较复杂的问题，用人工借助于图表也是很难排出一个令人满意的计划的。随着计算机在企业管理中应用的日益普及，在许多复杂的多工序生产环境中，已经开始实现了计算机排序，这种排序实质上是一个算法模型，它利用计算机的存储量大、计算快、逻辑推理能力强等特点，能够完成详细记录中间排序结果和反复迭代的功能，或是在作出可行的排序结果后，根据计算机中记录的车间或制造岛的加工状态和期望的未来需求，提供更合乎当前实际情况的排序信息。 2 、作业优化排序模型作业排序是在有限资源约束下，如何安排零件的加工顺序，使其给定的目标函数达到最优。作业排序的优化目标包括以下几个方面：（1）总加工工时最短；（2）零件平均通过时间最短；（3）机床利用率最高；（4）不按期交货或交货误期最少；（5）加工总成本最低；（6）原材料、在制品库存量最低。以上目标有的是相互相成的，如目标（1）总加工工时最短，也许实现目标（5）加工总成本最低。有的是相互排斥的，如为了实现目标（3）机床利用率最高，就有可能导致了不能实现目标（6）原材料、在制品库存量最低。因此，在编制作业计划时，根据实际情况，有时可以进行单目标优化编制；有时需多个目标的优化编制。在这方面，国内外专家进行了大量的算法研究。设有ｎ种零件，要在ｍ台机器上加工。每种零件根据工艺要求，要按一定顺序通过这些设备。一种零件在一台设备上加工一次称为一道工序，每种加工零件总有若干道工序组成。作业排序问题就是研究在满足约束条件的基础上，找到一个使目标函数最优的各种零件在每台设备上的加工顺序。一般说来，约束条件如下：（1）加工顺序约束：每种零件仅当其第ｊ道工序加工完成后，第ｊ＋１道工序才能开始加工。（2）资源约束：一台设备不能同时加工多于一种的零件。（3）工序不可中断约束：每一零件一旦开始在一台设备上加工，则本道工序不能被中断，必须待该零件的这道工序加工结束后，该设备才能加工其它零件。这是车间作业排序最普遍的问题，每种作业任务可以要求按任何一种可能的顺序在一组设备上加工。因此，作业排序的优化实际上是广泛组合的最优化问题，如ｎ个零件在单台设备上加工，则先后加工顺序有n!种（n的阶乘，如5个零件，就有5！=120种先后加工顺序）。如ｎ个零件经过ｍ台机床加工时，作业排序的算法有(n!)*m之多，这是一个巨大的排列数字，即使利用计算机也无法逐一（遍历）计算，故只能根据优化的目标建立近似的数学模型，然后进行排序的优化。下文将举例分析论述。参考文献：沈斌,陈炳森,张曙.《生产系统学》（第二版）.同济大学出版社，1999; 个人分类: 学术论文|2584 次阅读|0 个评论

准确理解制造执行系统（MES）（三）----实施MES是企业提高经济效益的最佳切入点: bshen 2019-8-9 14:16; 准确理解制造执行系统（MES）（三） ---- 实施MES是企业提高经济效益的最佳切入点同济大学中德学院沈斌教授德国工业4.0实施战略报告（2015）给出的定义：工业4.0 这个术语表示第四次工业革命，是产品生命周期中价值链整体升级和重组的阶段。在工业4.0 的背景下，产品周期将以日益个性化的客户需求为导向，整个周期包括从创意到根据订单研发和生产，再到产品交付最终客户，还包括相关服务。根据工业4.0提出的纵向集成就是在企业内部，在产品全生命周期中，全面实施数字化。 30 多年来，我国在企业数字化/信息化上也开展了大量的研究和实施，但大多数企业未能获得预期的经济效益，究其原因种种，我认为主要是：企业数字化/信息化规划方案与企业经营模式和业务流程不一致。也就是先进的数字化/信息化系统与企业实际业务流程不完全融合，或者数字化/信息化系统的详细程度（系统课粒度）不够精确和全面，有些还需要人工的干预，造成系统的数据和信息不一致，甚至矛盾。认识上的错误：只是将纸面数据/信息转换为电子数据，如用EXEL表。而实际操作还是人工在处理。这种只是改变了数据/信息的载体，没有改变操作方法和手段，肯定不会得到计算机数据/信息处理、分析的优点。担忧失去工作岗位。也就是实施了数字化/信息化系统，简化了业务流程，有些岗位甚至取消。而这些岗位原来往往是有经验丰富的人员完成的，这些人年龄也偏大，转岗去学习操作数字化/信息化系统还不如年轻人上手快。生产计划与实际生产过程脱节，或失控。计划再好，但跟不上实际生产过程的变化，如果不能及时修正计划，必然造成了计划与实际执行两张皮。其结果是实际生产过程不是按照原来优化的计划来生产，生产是处于失控状态。企业最增值的部门（车间或单元）没有实现数字化信息化系统，如MES系统。车间或单元是基本的生产单位，日久年长不断地为企业产生增值，而现在许多企业还是靠手工在计划和调度，没有最佳地发挥设备和人员等潜力，甚至降低了其作用。车间或单元的生产中，为了完成一个生产任务，涉及到众多的资源，如设备、工具、人员、原材料、工艺等的合理调配，缺一就不能正常生产。在过去大批量、单品种或少品种生产情况下，每天甚至更长时间内，生产一个产品或同样的生产任务，可以一次性地调配好上述资源。而在多品种、小批量生产中，每天都会生产多个产品或不同的生产任务，上述资源频繁地调配（计划），人工处理已经是无能为力实现优化的配置。因此，个性化多品种、小批量生产中，在车间或单元（我们同济大学也提出过叫独立制造岛）或生产线的生产单位中，实施MES系统，是解决上述问题的最佳选择。 MES 系统小而精。小指它针对一个车间或单元或生产线的一个生产单位；精是指它统一考虑了这个生产单位中所有的资源，并精确地为每个班次的作出优化的资源配置，并根据反馈的实际生产状况，迅速作出滚动计划（修正计划），使得计划与实际生产保持同步（也称之为虚实同步），让实际生产按优化的计划和合理可行的资源配置下进行。 MES 系统涉及许多功能，如德国VDI5600标准(VDI:Verrein Deutsche Ingenieure e.V.德国工程师协会，共有145000工程师会员，是欧洲最大的专业协会)定义了九大功能模块： 1）作业计划与控制 2）人力资源管理 3）生产资源管理 4）质量管理 5）性能分析 6）现场数据采集 7）物料管理 8）信息管理 9）能源管理我认为其核心主要是：车间或制造单元的作业计划的优化，有的把这部分加以扩展，称之为APS（Advanced Planning System，高级生产计划），它是基于有限资源的计划。智能的实时生产调度，根据反馈的的实际生产状况数据和信息，制定滚动计划，并实时地指挥生产。实际生产状况的感知，有的把它称之为SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，即数据采集与监视控制系统）。对于以上功能模块，将另文分析。 2019年8月9日; 个人分类: 学术论文|3411 次阅读|0 个评论

准确理解制造执行系统（MES）（二）----MES是企业生产指挥系统: bshen 2019-7-31 09:48; 准确理解制造执行系统（MES）（二） ----MES 是企业生产指挥系统同济大学中德学院沈斌教授上文提到，企业中的生产管理具有三个层次：生产计划、作业计划和设备控制，它分别由不同的软件系统加以实现，相互之间既有联系，又是相互区别的。三个层次的数据信息的详细程度和时间节拍是不尽相同的，各司其职，相互无法替代。 ERP （enterprise resource planning）系统制定的生产计划，是产品级的生产计划，涉及到整个企业或集团的主生产计划，也是基于无限资源（理想状态的）的一个生产计划，是企业宏观指导的生产计划。MES系统制定的作业计划是根据主生产计划的要求，分解成零部件的BOM，如是自制的零件，还需分解成零件加工工序（加工订单），制定作业计划。在制定作业计划时，还要考虑企业车间里实际生产设备的负荷，也就是在满足主生产计划规定的时间（如交货期）的范围内，生产设备是否有空闲安排加工零件（如图1所示）。如果是外购件需装配成部件或产品，则制定装配作业计划。具体如何实现基于负荷的多目标作业计划的优化，基于交货期等目标的装配作业计划优化，将另文撰述。图1 ERP系统生产计划与MES系统车间作业计划的关系 MES 是1990年美国先进制造研究协会(Advanced Manufacturing Research，AMR)首次提出制造执行系统的概念（Manufacturing Execution System，简称MES）。1992年成立了国际MESA组织。现在，MESA定义为Manufacturing Enterprise Solutions Association，即制造企业方案协会。按照传统的企业生产管理的金字塔的计划和控制模式，将MES仅近理解成执行系统是不全面的，它应是企业生产管理集成的核心软件系统，是一个生产指挥系统。如图2所示，CEO根据董事会作出决策，去管理整个企业，指挥部门经理或主管去具体实施各项活动。同理，如在离散型制造中，生产计划，MES根据ERP系统的生产计划，分解成零部件BOM表、零件加工工序订单，根据实际生产资源，详细优化作出加工计划，分配加工任务；而且，根据实际生产过程情况的反馈（如通过MES中机器数据采集和工况数据采集终端），有的称之为SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统，及时调整作业计划（作业计划滚动优化），实时地实施生产调度，使得作业计划与生产实际进程保持同步（虚实同步），真正实现在计划优化目标下的生产，以使得企业取得最佳的经济效益。因此，MES在管理企业的实际生产进程，是生产管理的CEO，故称之为生产指挥系统。图2 企业金字塔的计划和控制模式; 个人分类: 学术论文|1303 次阅读|0 个评论

准确理解制造执行系统（MES）（一）不要蔑视也不要夸大MES的作用: bshen 2019-7-25 13:50; 准确理解制造执行系统（MES）（一） ---- 不要蔑视也不要夸大MES的作用同济大学中德学院沈斌教授在当前工业4.0与智能制造的浪潮下，MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）得到前所未有的重视和热议。有人认为是一个比较有尴尬的现象，一方面业内能够提供MES解决方案的厂商众多，仅在中国，此类厂商不会少于300个（也有人号称有1000多个）。另一方面，企业实施MES的效果难以清晰地界定；解决方案厂商中，也没看到哪家的日子过得有ERP之类的厂商滋润。MES的行业生态，属于供需两头都想要，又两头都抱怨很多的情形。其根本原因，还在于对MES的定义和定位不清晰，或者说难以清晰（李少华）。所以，本系列文章将提出准确理解制造执行系统（MES），第一篇就是不要蔑视也不要夸大MES的作用，抛砖引玉，以引起学者和企业家的关注，并在我国推进MES的研究与应用发展。 1990 年，美国先进制造研究协会(Advanced Manufacturing Research，AMR)首次提出制造执行系统的概念（ manufacturing execution system，简称MES ）。笔者曾经于1990年1月至1992年6月，作为中方专家先后两次赴联邦德国波鸿鲁尔大学，为期近20个月，参加一个中德两国政府的合作项目的研究工作。主要开发独立制造岛中一个作业计划与实时生产调度系统。当时我们把它翻译成生产指挥系统（德语：Leitstand,另文论述）。 1992 年6月回国，我们在项目的合作企业中进行了实施。但除此之外，无人问津，没有得到进一步的研究和应用。笔者也曾经找到西门子（中国）公司的相关人员提出合作开展开发和应用推广MES。但也多种原因，主要是没有市场需求，所以没有如愿。二十多年碰到那人，我们也一笑而过。西门子也收购了一家MES供应商，但效果不尽理想。据说，西门子现在重新组建研究团队，开发自己新一代的MES。我的一位硕士研究生今年6月毕业后，应聘到这个团队参加研究开发工作。实际上，自从人类历史产生以来，人们为了生存，每天都要计划出去狩猎。如果今天收获颇多，就可以提前回家，享受美味佳肴。否则，就延长狩猎时间，直至满足饱腹的需求。这种计划和工作时间的调度是简单而单一的。自从工业化生产产生以后，用机器代替人工操作，工作效率更高了。机器是昂贵的，为了充分利用机器，也要准备好制造资源（如原材料、刀具、夹具等），配备好人员去按计划操作。有些工作不能用机器完成的，也需要手工去完成。这样必须合理安排机器和手工的加工任务，对机器、制造资源和人员制定一个合理的作业计划，即由何人何时去操作机器或完成一些手工的加工任务。有人认为，ERP系统（enterprise resource planning）有生产计划的编制，为何还要一个MES的生产计划？殊不知，ERP系统和MES的生产计划是两个不同级别的生产计划。 ERP 系统的生产计划是产品级的生产计划，其范围涉及到整个企业或集团，时间上属于长期或中期计划，如半年或一个月。 MES 的生产计划是工序级的。我们知道，一个产品有许多零部件所组成的，而每个零件的加工由多道工序完成的。一道工序在一台机床上操作完成，如车床上，就称之为车削工序，在铣床上，称之为铣削工序，依次类推。在热处理车间进行热处理，称之为热处理工序。部件需要装配，也分为若干个装配工序。为了与ERP的生产计划相区别，我们将MES的生产计划称之为作业计划。其范围涉及为一个车间，或一个制造单元或生产线等。时间上属于短期计划，如一周，甚至一天或一个班次。因此，ERP的生产计划与MES的作业计划在时间跨度和详细程度是不同的，见图1所示。图1 生产管理和控制中三个层次（Ketti教授）从图1中可以看到，生产计划、作业计划、设备控制是生产管理和控制的三个不同层次的系统，其作用也是不相同的，相互之间无法替代的。（欢迎转载，注明作者沈斌，科学网博客： http://blog.sciencenet.cn/u/bshen 2019 年7月25日; 个人分类: 学术论文|1615 次阅读|0 个评论

[转载]石化行业MES系统浅析: ahyxwangdong 2017-2-14 14:19; 石化行业MES系统浅析发布时间：2015-07-23 作者：www.cechina.cn 　　一、前言　　随着现代石油工业的发展，越来越多的国家和领导人对世界石油的加工清洁化、智能化、高附加值的问题提到很高的高度，从2000年的世界石油大会上就提出来怎么样来保护我们的环境，保护我们的地球，需要清洁。另外从我们节能的角度来说，也要使得我们能够满足节能的要求。所以信息技术的发展，也使得我们有条件来对我们的石化企业炼厂出现管控的一体化，提高我们的生产管理和控制水平，所以现在石油石化突出的表现，从国外大公司来说就是讲究环保、讲究低能耗、讲究智能化的控制和管理。　　国外的炼厂围绕着低能耗、清洁化、智能化的目标，越来越多的炼厂在实施DCS、APC智能化的基础上大规模实施MES系统，来降低能耗、优化产品结构、提高产品的附加值。像国外大公司如ExxonMobil BP、CITCO、Shell等等，并且他们对MES系统每年的效益都有个统计，降低装置能耗1％，提高产品收益率0.5％，减少产品缺陷18％，这是一个很好的效果。　　对于我国的石化企业来说，其核心业务流程复杂，是典型的流程型企业，要实现生产过程优化、节能降耗等目标，MES必不可少。并且在整个企业信息整体构架中处于承上启下的作用，如下图所示　　图-1 　　石化行业是一个典型的流程型行业，其核心业务流程涉及原油储运、油品加工和产品发运三个主要业务，其中油品加工涵盖将原油加工成产品的整个过程，也是石化企业生产管理业务的重点。整个过程涉及油品的多次流转及物性的改变，从原油运输进厂，到输入一次加工装置（以物理反应过程为主）、二次加工装置（以化学反应过程为主）、精制装置等进行油品加工，然后输出到罐区进行油品调和，直至产品合格。在这一系列油品加工移动过程中，涉及大量过程数据的实时采集与分析、生产现场设备与物料的监控、生产调度优化以及能源合理供应等问题，迫切需要利用信息技术，实现石化企业生产管理的优化，其核心需求如下图所示。　　图-2 　　二、MES在石化行业的应用概况　　由于石化企业核心业务流程的复杂性，信息系统的建设面临如下挑战。　　一、过程优化困难　　石化企业MES的决策具有混杂性，不仅包括连续过程变量，而且包含离散过程变量。为了对生产过程及产品质量进行控制，必须建立反映连续过程主要物理、化学变化过程的过程模拟模型，并将过程模型与优化模型结合起来。　　二、生产操作复杂　　石化企业生产环境苛刻，生产过程包含复杂的物理、化学过程及各种突变和不确定性因素。特别是装置启动、停机和应急处理等暂态过程的各项操作，不仅影响生产效率，而且存在着安全隐患。因此，操作管理是石化企业MES的一项重要任务，它负责监督在所执行的每一项操作中遵守操作步骤和规范，在连续、混合及间歇生产环境下为操作员提供流程启动、平稳运行及停机等过程的标准操作指令。　　三、能耗高、污染重　　能耗成本占原油加工成本的70%以上，因此石化企业信息化不仅要集成信息流和物料流，还要考虑能量流的集成，使调度决策功能能够对物料和能量提供最佳控制策略，不仅达到提高生产效率和降低生产成本的目标，而且实现节省能源、减少污染等目标。　　从20世纪90年代末开始至今，MES产品已由单一的MES功能模块发展到整体解决方案，国内外很多著名的公司都推出了面向石化行业的MES，如美国Honeywell公司的MES方案、美国Aspen Tech公司的MES方案和德国西门子公司的MES方案，以及中国石化牵头，由石化盈科、浙江中控、中科院软件所和北京时林公司共同开发的石化企业MES解决方案。　　石化行业作为典型的流程行业，由于信息化与自动化基础较好，其对MES的需求迫切，国内外石化行业都非常关注MES的建设，通过MES将生产经营管理和生产操作集成起来，用来支持整个企业的供应链优化，并从中受益。如BP、ExxonMobile、ChevronTexaco、Shell等国际知名公司都已在美国和欧洲的企业实施了MES系统的大部分功能。　　作为我国石油化工行业的两个主要企业，中国石化和中国石油在MES的实施策略上有所不同: 中国石化在国家863计划的支持下，以自主知识产权的MES产品SMES研发与实施为主; 而中国石油则以美国Honeywell公司的MES产品为主。应用实践表明两个产品各具特色，下文将对其进行重点介绍。　　三、国外石化行业MES解决方案对比分析　　1．Honeywell公司的MES产品和技术　　Honeywell的所有业务模块是基于Uniformance平台实现的，其本质是一个一体化的完整的业务系统的数据库（包括实时数据库、关系数据库、历史数据库和事件日志数据库），业务模块和平台是紧耦合的关系。　　Honeywell MES产品的核心是Business.FLEXPKS。该产品将经营目标转化为生产操作目标，同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈，从而形成计划管理层、生产执行层和过程控制层三个层次的周期循环。　　Honeywell MES主要由价值链管理（Value Chain Management）、先进计划与调度（Advanced Planning and Scheduling）、运行管理（Operations Management）、油品调和及储运自动化（Blending Movement Automation）和生产管理（Production Management）等5个应用套件组成。其中，价值链管理又包括销售预测、运输计划、生产排产、原材料计划、供应链事件管理、库存计划、价值链循环优化和生产计划管理等; 先进计划与调度包括原材料供应及产品分配与优化、原油组分分析、原油采购计划、原油调度优化、生产实况分析、油品调和调度等; 运行管理包括操作指令下达、运行监控、事件监控、实验室信息管理与集成、油罐组分跟踪、产品规格管理、多单元生产运行计划等; 油品调和及储运自动化包括调和调度计划、在线调和优化、调和比率控制和调和绩效统计、油品输转及库存跟踪、罐存计量管理、输转模型建立、油品输转控制、油品移动路径选择等; 生产管理包括物料平衡和库存盘点、成本核算、组分计算与平衡、批量跟踪与控制、原材料消耗统计、物料移动跟踪、多单元生产运行计划、操作指令下达和实验室信息管理等。　　 2．Aspen Tech公司的MES产品和技术　　美国Aspen Tech公司是化学工业领域著名的流程模拟、先进控制和供应链管理优化软件公司，近几年经过并购和整合，也定位在MES解决方案供应商。它提出了企业运营管理的理念并开发集成了相应的软件产品。根据Aspen的定义，企业运营管理（Enterprise Operations Management，EOM）是一个企业级的集成解决方案，把ERP层、MES层和DCS（分散控制系统）层进行整合，高效地设计、管理和运营制造与供应链的相关业务。Aspen Tech公司用于流程企业的MES产品为Aspen Plantelligence，即智能工厂解决方案。　　Aspen MES体系结构的特点是以信息总线为集成基础，实现各业务模块与集成平台的松耦合，并支持事件驱动等服务。　　Aspen Tech的MES解决方案自1998年推出后得到不断发展和完善，并在许多大型石油化工企业中采用。方案主要包括流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度与优化、先进控制与实时优化（RT-OPT）、实时数据库与信息管理、数据校正与物料平衡、绩效监控与绩效管理、油品调和、生产指令管理与操作日志、油品移动和罐区管理等功能模块以及Aspen Enterprise Platform（AEP）集成平台，实现生产经营管理与生产过程控制的一体化。这些模块主要分布在5个应用套件中，即绩效管理、生产计划系统（PIMS）、生产调度优化（ORION）、油品调合计划调度和生产管理与执行。而生产管理与执行包括实时数据库与信息管理、数据调理与物料平衡、生产指令管理与操作日志、油品移动和罐区管理、实验室信息管理（LIMS）和能量管理。　　 3．西门子公司的MES方案　　SIMATIC IT是西门子公司提出的MES产品框架和解决方案，其突出特色是以生产工艺流程为核心，建立了平台化、组件化的构架，并且建立了大量的控制元器件（控制单元）库和各行业的典型工艺流程库。用户可以使用SIMATIC IT提供的动态建模工具自行配置工艺流程，将自动化控制系统中各个元器件的输入输出、逻辑关系定义清楚，从而将整个车间的信息流集成起来，实现对车间数据的分发、采集、计算与分析。在此基础上，SIMATIC IT根据ISA-95的规范，建立了若干应用组建系统，包括车间生产管理、质量管理、设备管理等方面的功能，实现了与底层自动化系统和ERP之间的双向信息集成。同时，还集成了BI软件，实现对数据的挖掘和绩效分析，并生成各类报表。　　由于系统完全是可配置的，体系结构完全开放，因此，可以根据各个行业的特点，配置出其典型的工艺流程，从而可以实现跨行业的应用，而客户还可以在行业流程模板的基础上，柔性化地配置和修改这些工艺流程。　　四、力控科技MES+pSpace管控一体化解决方案　　1．发展历程　　力控科技是国内最早的企业信息化专业解决方案供应商之一，有20多年自主研发的经验积累和自主知识产权的产品线。力控科技为工业企业量身定制的解决方案，将生产自动化和办公自动化有机结合，实现从采购订单到产品生产、销售出厂、售后服务全过程的管理，并且对企业相关的人、财、物、信息等进行全面管理，实现企业从战略管控象运营管控的转变！　　力控科技为企业提供的信息化整体解决方案中，涵盖过程控制系统、生产执行系统、企业资源计划管理、决策支持系统，实现企业一体化管理。其中MES系统实现底层与上层的连通，实现系统的无缝连接与信息的充分共享。如图所示：　　图-3 　　大量应用实践表明该产品的应用不仅为ERP的PP、MM和SD模块提供了在线数据支持，为更好地发挥ERP的作用提供了数据基础; 并且为企业提供了一个良好的管理平台，为企业今后信息化扩展应用及系统集成奠定了良好的基础。同时MES的成功实施与应用不仅提升了企业精细化管理水平，提高了生产效率，而且降低了企业生产成本，取得了良好的经济效益和社会效益。　　力控科技MES系统的特点是将经营目标转化成生产过程中的操作目标，通过反馈执行结果，不断调整和优化，形成一个周期性的从生产经营到生产运行和过程控制的高效能闭环系统。它与国外MES产品相比的最具特色之处就是，针对我国石化行业生产规模相对偏小、现场基础条件相对落后、自动化水平相对较低的实际情况，开发了装置校正、调度平衡和统计平衡的平衡策略，利用移动误差侦破及平衡超差报警技术弥补了计量仪表的不足，解决了由于计量仪表的不足而导致的计量数据偏差过大问题。　　同时，近十年国内石化企业搭建了实时数据库系统，为企业建立基础数据平台以后，企业有两个困惑，一是缺少实时数据的深入应用，二是供电、供水、供气及其进出厂计量等数据没有进入到实时数据库中。尤其第二项工作的缺失，影响了实时数据库的深入应用。而力控科技pSpace7.0产品内置了各电力厂家的保护测控装置、直流屏、小电流选线装置、VQC自动装置、可编程控制器(PLC)、DCS、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等共有3000多种的IO驱动，可以有效地解决企业水电风等公共工程的数据采集问题。这一点对于流程企业精细化管理来说非常重要，因为流程企业一来要求物料移动数据准确，二来企业需要计量仪表的点很多，如果都采用高性能质量流量计，则成本非常高，难以推广。　　 2．体系结构　　力控科技MES体系结构以数据集成平台pSpace7.0为核心，以物料平衡为主线，全面支持生产计划、调度管理、操作管理、进出厂管理、公用工程管理、化工辅料管理等关键业务。　　图-4 　　● 以数据平台为核心　　基于石化企业的核心数据模型建立统一的数据集成平台。核心数据模型包括工厂数据模型和业务数据模型。其中工厂数据模型描述了企业生产工厂所涉及的工艺流程、加工装置、管道与拓扑连接关系、原料物性、产品质量等生产过程所涉及的对象，而业务数据模型侧重描述生产管理相关的核心业务流程。核心数据模型为MES系统提供统一的数据视图。　　● 以物料平衡主线　　装置数据校正: 装置数据校正是基于装置的设计参数模型和装置投入产出模型，综合考虑生产加工方案，按照一定的逻辑进行数据校正，实现装置级的物料平衡。装置数据校正的主要数据来源是生产实时数据采集系统、手工录入和其他系统。数据校正的结果，作为全厂油品平衡和全厂物料平衡的装置数据基础，提供装置投入产出统一数据源。　　统计平衡: 依据全厂物料逻辑模型，在全厂油品平衡的基础上，全面综合考虑气体和固体等数据，通过平衡推量，实现全厂物料统计平衡。全厂物料统计平衡的结果满足生产统计部门的业务需求，为ERP系统提供生产绩效数据支撑。　　● 其核心功能　　生产设备管理：包括：生产装置管理、设备台账管理、设备运行管理、设备维护管理等。　　计量器具管理：包括：计量器具台账、计量器具检定管理等。　　生产计划管理：包括：产品产能管理、计划排产管理等。　　产品物料管理：包括：物料清单管理（BOM）、物料需求计划等。　　生产报表管理：包括：生产报表模板、生产日报、月报、季报、年报、生产完成情况统计报表等。　　生产调度管理：包括：生产异常情况管理、交接班日志管理、调度日志管理等。　　能源计量管理：包括：能源计量设备管理、能源计划、实绩、成本，及能源统计分析等。　　生产过程监控，包括：生产工艺流程图、能流图等。　　 KPI展示等　　整个力控科技MES系统整合了生产相关的人力、物料、设备等资源，并通过数据集成、业务集成、界面集成等，把生产的各个环节紧密地结合起来，有效的实现了各生产部门、各车间的协同管理，使得跨地区、跨部门的多人员、多任务的生产任务能够在统一规划、统一协调中完成，大大提高了工作效率。　　通过自主研发的中间件软件，实现与实时数据库、生产调度指挥系统的无缝集成。及时、有效的获取生产实时数据，自动、高效的生成生产报表、能源报表、生产成本报表，让生产情况一览无余，让智能生产及数字化工厂成为可能。　　五、石化行业MES的发展趋势　　随着信息技术和企业管理思想的进一步发展，MES 技术也将会得到不断提升。从目前的发展现状来看，生产过程优化问题是我国MES研究中的弱项之一。另外，目前的MES在生产过程管理方面仅仅为生产管理人员提供了一个操作平台，生产操作决策人员仍然要凭借个人经验进行操作决策，如何将优秀生产管理者的经验固化在MES系统中，目前还没有涉及。面向未来，今后石化行业MES的发展将主要体现在以下几方面。　　1．功能完善的可视化建模。MES是以生产过程模型为核心的。在每个企业实施 MES 时都需要对其生产过程进行建模。直观而丰富的建模手段能够有效的简化建模过程，缩短MES实施周期，降低 MES实施风险，提高MES实施的成功率。　　2．实时操作智能与可视化。实时数据库系统的应用使得MES实现了从生产现场直接采集数据，进而提高了数据采集的质量和效率; 此外，通过将各类生产运行数据进行实时集成和整合，形成面向生产管理的企业生产运行数据库，为企业生产经营管理优化提高了数据基础。另一方面，随着数据的逐年积累，大量的生产现场数据为我们寻找产品生产过程的内在规律提供了可能。人们将能够对大量历史数据进行挖掘，发现生产过程内在规律或知识，并以直观的形式展现给决策者，进而制定科学正确的决策方案，实现生产管理及操作的在线优化。　　3．MES集成与信息展示平台。MES的核心是生产过程集成优化与可视化。实时数据库系统技术的应用实现了企业范围内各种不同厂家、各种不同设备的控制系统数据的实时集成，提供了企业范围生产过程现状的快照，为生产过程的实时集成提供了数据与事件管理基础。基于实时数据库与关系数据库的MES集成平台将实现生产现场过程数据与管理信息的有机整合，为生产过程的集成优化提供有效的工作平台。另一方面，由于石化企业生产过程复杂，完全自动化不可能，需要专业人员的操控。然而，生产现场过程数据量大，如何将这些数据中隐含的有用信息提取出来，并以有效的方式展现给专业人员也是我们需要考虑问题。随着认知科学理论与人机交互技术的发展，在不久的未来将会出现高效实用的信息展示平台。　　4．不断扩展的应用深度和广度。一方面，多数已实施MES系统的企业只实施了MES的主要模块，如罐区管理、装置生产管理、进出厂管理、油品移动管理和物料平衡应用较多，计划优化、调度优化及装置成本管理应用较少，石化MES还有较大的应用深度; 另一方面，认识到MES重要性的企业越来越多，需要实施MES系统的石化企业将逐年增加，MES应用的广度也将不断扩展。 http://www.cechina.cn/m/article.aspx?ID=51987; 个人分类: 学海俯拾（资料篇）|1430 次阅读|0 个评论

[转载]打造MES应用新模式构建智能制造王牌体系: gongkong 2016-10-11 16:51; 随着中国制造业企业的不断发展，信息化应用的不断深入，越来越多的企业发现ERP等系统无法全面管理与提升企业的制造水平，生产制造信息化成为最薄弱的环节。而很多制造企业非常关注实现生产过程中的实时采集、提高生产排产的效率、实现制造过程的追溯、提升工人与设备的绩效、保证产品质量等问题，生产制造执行系统（MES）作为解开生产过程的黑箱、连接ERP与车间管理的关键技术，越来越多地得到制造企业的关注和认可，并将MES系统的应用纳入信息化发展规划的重要环节之中。为了普及MES系统的理念、技术和实施方法，帮助制造企业了解MES技术与应用趋势，了解MES相关技术和解决方案，推进MES系统的正确实施与成功应用，由e-works数字化企业网主办、大连市CIO协会协办的“第十一届中国制造业MES应用夏季论坛”于8月11日（星期四）在大连举行。此次论坛的主题是“数字化工厂与生产过程管控”，各参会企业针对中国制造行业的发展现状与趋势、自身的MES产品及解决方案进行分享和讨论，为企业提供更多的MES系统应用思路。e-works总经理黄培博士指出，智能制造涉及众多环节，MES是实现工业4.0的枢纽。如今，中国制造企业对MES选型的需求十分旺盛，但MES市场的集中度非常低，还处于群雄并起、鱼龙混杂的“春秋时代”。对于MES这样一个复杂的系统，要想面对差异化极大的制造企业，真正达到预期效果，需要MES产品提供商、实施服务商与制造企业共同努力，打造MES市场健康的生态系统。其中，制造企业选择符合企业实际需求的MES系统显得尤为重要。作为“工业4.0”和“中国制造2025”的践行者，宜科将信息化作为企业发展的重要战略之一，而MES系统则是宜科信息化解决方案的重中之重。该系统包含基础设置模块、生产排产模块、生产过程行为管理模块、安东系统模块、质量监控模块、追溯模块等诸多功能模块。其中，安东系统能够将生产信息收集并加以处理，通过灯光和声音报警系统，实现看板、广播和上位监控功能。该系统已应用于包括一汽大众在内的多家汽车生厂商及其他制造型企业。此次论坛上，宜科技术总监邱昱坤从互联网与制造业跨界融合的视角解析MES系统的实施与应用，基于宜科云平台强大的数据存储和分析计算能力，通过ElcoPad提供友好、高效的人机交互界面，为您提供智能制造新模式。邱昱坤表示，宜科公司能够根据当前制造企业在生产过程中存在的各种问题，提供发现问题（传感器、SCADA、ElcoPad、ANDON、），传递问题（IoT集成开发解决方案、总线产品、Spider67），展现问题（MES系统、ElcoAPP、宜科云）以及处理问题（DataBox、IoT集成开发解决方案、宜科云）的不同解决方案，使得互联网+、大数据等技术在生产过程中得到充分的应用，形成一个良好的智能闭环，从而使企业的生产力、生产效率和生产管理能力得以提升，构建一个精益、高效、节约、响应快速的工业4.0示范工厂。（会场外的宜科展台前，场面十分火爆！） MES系统作为企业信息化程度的体温计，是企业博弈未来、实现智能制造过程中不可或缺的一张王牌。在企业构建MES系统、实现智能转型的道路上，宜科与您相伴同行。更多相关信息请浏览：www.gongkong.com; 个人分类: 工控新闻|539 次阅读|0 个评论

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