流程制造行业信息系统

1、流程制造行业信息系统架构一、流程制制造业信信息技术术应用的的重要性性经济全全球化趋趋势已经经给各国国经济发发展带来来越来越越深刻的的影响，各各国制造造企业在在世界市市场上进进行着日日益激烈烈和残酷酷的竞争争。剧烈烈的和不不可测的的市场环环境变化化，对制制造企业业的生存存与发展展提出了了严峻的的挑战。在在我国，制制造业是是国民经经济的重重要组成成部分，工工业增加加值占GGDP的的36，位居居世界第第四位，我我国已成成为世界界制造大大国，以以石油化化工、冶冶金等行行业为代代表的流流程制造造业在我我国制造造业中占占据了很很大的比比例，是是重要的的基础支支柱产业业。同时时，流程程制造工工业是一一个多品

2、品种、多多层次、服服务面广广、配套套性强的的产业，与与其他产产业和消消费市场场关系密密切。它它又是资资金密集集和技术术密集的的产业，对对国家经经济发展展及军事事保障都都至关重重要。但但是长期期以来，我我国制造造业与发发达国家家相比还还存在着着较大的的差距，突突出的现现象就是是生产制制造损失失大、能能耗高，设设备运转转周期短短、维修修费用高高，环境境污染严严重，能能源利用用效率比比发达国国家低近近10个个百分点点，主要要行业的的产品能能耗同国国际先进进水平相相比，则则高出330左左右，这这个问题题在流程程制造业业表现得得尤为突突出。面面对经济济全球化化这一机机遇和挑挑战，我我国企业业必须利利用信

3、息息技术、管管理技术术和自动动化技术术加快改改革步伐伐，彻底底改变原原有的管管理模式式，加强强产品设设计创新新能力，提提高产品品质量，缩缩短交货货期，降降低成本本和改善善服务，不不断提高高自我适适应能力力。因此此，基于于信息技技术的先先进管理理体系与与制造技技术成为为企业竞竞争的关关键所在在，流程程制造业业的信息息技术应应用已经经成为企企业具备备国内国国际竞争争力的不不可或缺缺的重要要手段。二、我我国流程程制造业业在信息息化建设设进程中中存在的的问题1、 缺少有有效的信信息系统统体系架架构标准准或规划划设计追溯溯我国流流程企业业的信息息化发展展历史可可以看出出，其信信息化建建设从220世纪纪8

4、0年年代就已已经开始始了，而而且随着着信息技技术的发发展在不不断地进进步，经经历了从从单机管管理、单单元操作作，到计计算机集集成制造造系统（CCIMSS）的发发展历程程。但在在此过程程中信息息系统的的体系架架构没有有相对固固定的标标准，传传统的架架构是五五层架构构（监控控层、优优化层、调调度层、管管理层、决决策层），由由于这种种划分层层次的方方法造成成许多信信息系统统功能的的交叉和和信息的的不畅，甚甚至出现现信息阻阻断，因因此给信信息系统统的开发发和实施施带来许许多不便便，影响响了信息息系统在在企业发发展过程程中应起起的重要要作用。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

5、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（Process Cortrol System），并且注重实时数据的采集、存储及整理。随着ERP（Enterprise Resources Planning）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。目前，可以说以MRP II、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

6、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制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）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

7、一平台，对提高企业生产效率、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，目前在发达国家已经普遍推广。在我国，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可以通过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、流流程

8、制造造企业的的特征及及对信息息化的核核心需求求 流程程制造企企业是指指通过物物理反应应和化学学反应使使原材料料增值的的行业，一一般采用用面向库库存的生生产方式式，主要要依靠产产品价格格和质量量开拓市市场。以以石油炼炼化企业业为例，其其生产过过程具有有如下的的特点：生产过过程连续续，加工工能力强强，物料料和能量量的供给给要求连连续、及及时、可可靠；生生产工艺艺复杂，生生产过程程涉及多多种化学学变化与与物理变变化，生生产控制制技术要要求高、信信息量大大，故障障诊断和和处理比比较复杂杂；产品品结构复复杂，除除了主产产品外，还还会产生生大量副副产品和和中间产产品，产产品与产产品之间间的关联联性较大大，

9、一套套生产装装置单股股进料可可以有多多个出料料；基础础自动化化水平较较高，对对自动化化的依赖赖性比较较强，绝绝大部分分的物料料变量依依靠仪表表进行测测量或通通过分析析仪表间间接获得得，少量量人工计计量；生生产以安安全、稳稳定、长长周期、满满负荷、优优质、均均衡、高高产、低低耗和减减少污染染为主要要目标，通通过计划划调度、优优化操作作、先进进控制等等手段使使过程实实现优化化生产，以以获得最最大的经经济效益益。针对对炼化企企业的以以上生产产特点，其其对信息息化的核核心需求求体现在在各个层层面上： 在生产产计划方方面，需需要根据据装置的的生产能能力和产产品需求求，采用用过程结结构和配配方进行行物料需

10、需求计划划。 在调度度管理方方面，要要考虑配配方、产产品混合合、物料料平衡、污污染防治治等问题题，需要要进行主主产品、副副产品、协协产品、废废品、成成品、半半成品和和回流物物的管理理。热蒸蒸汽、冷冷却水、压压缩空气气以及水水电等动动力能源源辅助系系统的管管理也对对流程企企业的运运行效益益具有重重要的意意义。生生产过程程的柔性性是靠改改变各装装置间的的物流分分配和生生产装置置的工作作点来实实现的，必必须由先先进的在在线优化化控制技技术来保保证。质质量管理理与生产产过程监监控系统统紧密相相关，产产品检验验以采样样方式为为主，采采用统计计质量控控制。因因此，产产品检验验必须与与生产管管理及过过程控制

11、制系统密密切配合合。 在信息息处理方方面，流流程工业业要求实实时在线线采集大大量的生生产过程程数据、工工艺质量量数据和和设备状状态数据据等，要要及时处处理大量量的动态态数据，并并以图表表、图形形的形式式予以表表示。 在安全全可靠性性方面，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，流程企业主要通过稳产、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

12、，人的作用主要是监视生产装置的运行、调节运行参数等，一般不需要直接参与加工。 四、 流程制制造业信信息系统统体系架架构 a) 流程程制造业业信息系系统体系系架构 针对目目前我国国在流程程行业信信息化建建设方面面存在的的问题，根根据流程程制造业业的生产产特点及及对信息息化的核核心需求求，流程程制造业业的信息息系统体体系架构构应该由由“ERPP（EIIS）MESSPCSS”三层架架构组成成，见下下图1所所示：图 1 ：流程制制造业的的信息系系统体系系架构 三层层构构的的优势： （11）更适适合于扁扁平化的的现代企企业结构构 过过去，制制造企业业一般采采用传统统的五层层CIMM结构，虽虽然这种种体系

13、框框架在制制造业信信息化发发展进程程中起过过很大的的推动作作用，但但随着研研究与开开发的深深入，在在综合信信息系统统的设计计和应用用实践中中遇到了了较大问问题。在在流程制制造业的的生产经经营活动动中，除除了底层层的过程程控制和和顶层的的管理决决策外，中中间层次次是很难难将生产产行为与与管理行行为截然然分开的的。因此此，在牵牵涉到大大量既有有生产性性质又有有管理性性质的信信息时，根根据五层层结构就就很难明明确应该该归于哪哪一层次次，造成成了企业业综合信信息系统统在开发发过程中中标准的的难以统统一和概概念的混混乱。相相比于传传统的五五层结构构，PCCS-MMES-ERPP（EIIS）构构成的三三层

14、结构构更符合合现代企企业生产产管理结结构的“扁平化化”思想，促促使管理理以职能能为中心心向以过过程为中中心的转转变，更更易于集集成和实实现，进进而解决决信息系系统在经经营层和和生产层层之间脱脱节的现现状。 （22）信息息流通畅畅 这这种结构构信息流流形式清清晰，控控制信息息自顶向向下，反反馈信息息自底向向上。各各层的控控制模块块同时进进行信息息处理，可可以处理理大量的的信息，满满足实时时控制需需求。 （33）适用用范围广广 这这一结构构将企业业综合信信息系统统分为考考虑生产产过程问问题的过过程控制制系统PPCS，考考虑企业业经营管管理问题题的企业业资源计计划ERRP，以以及考虑虑生产与与管理结

15、结合问题题的中间间层制造造执行系系统MEES，使使企业综综合信息息系统中中原本难难以处理理的具有有生产与与管理双双重性质质的信息息问题得得到解决决。 （44）适应应性强 这这种结构构具有很很强的模模块性，相相对比较较独立，功功能模块块之间界界面分明明，可以以分阶段段实施，也也可以并并行开发发缩短实实施周期期。同时时，这种种结构具具有较好好的可修修正性和和扩展性性，当生生产环境境或目标标发生变变化时，可可以进行行局部修修正的扩扩展。 （55）开发发成本低低 MMES广广泛采用用分布式式技术和和重构技技术，逻逻辑严谨谨，形式式规范，容容易建立立和被操操作人员员迅速掌掌握。目目前许多多软件供供应商支

16、支持MEES软件件，而且且提供了了相应的的接口或或接口标标准，MMES厂厂商在开开发MEES软件件时也比比较注重重与其他他应用系系统的集集成问题题，所以以在MEES与管管理系统统ERPP的集成成时，开开发费用用较低。 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：图 2：石石油炼制制企业的的信息系系统体系系架构 b) 体系系结构中中各部分分的主要要内容 （11）企业业资源计计划（EERP） 炼化企业中ERP系统主要包括人力资源管理、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，还可以由此出发建立数据分析、数据仓库等决策支持

17、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，通过生产调度、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

18、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

19、主要信息系统之间的关系如下图3所示：图3：各层层面主要要信息系系统之间间的关系系 管理理决策层层利用EERP进进行企业业生产组组织、生生产管理理、经营营决策等等方面的的优化，给给出企业业的产品品策略和和生产计计划，其其中包括括产品种种类、产产品质量量与产量量等，并并将生产产计划、安安全环保保质量要要求等信信息传递递给生产产执行系系统MEES。MMES根根据企业业的生产产计划、装装置设备备、原油油、原材材料等情情况，由由生产调调度模块块编制生生产调度度指令，对对各生产产装置（或或单元）进进行优化化计算，给给出优化化配方或或生产方方案，并并据此制制定操作作指令、控控制参数数、加工工方法等等，将这这

20、些信息息传递给给过程控控制系统统执行实实际的生生产过程程。控制制层PCCS按照照优化的的配方或或生产方方案对底底层生产产过程进进行实时时操作与与控制。同同时，过过程控制制系统采采集生产产过程数数据，再再把生产产状态、测测量数据据、质量量数据、设设备状态态等信息息传递给给生产调调度模块块，作为为生产调调度模块块进行生生产绩效效分析、资资源状况况分析、质质量分析析的基础础数据，也也为调整整生产经经营计划划提供依依据。这这样，实实际上是是完成了了计划指指令下达达和生产产执行情情况反馈馈的闭环环过程。 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

21、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，并通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） 在管理决策层的ERP系统中，整合了企业全部的核心业务数据（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、 ERPP与MEES之间间的关系系及接口口 ERRP重点点是面向向企业计计划管理理，以订订单和市市场需求求为计划划源头，力力求充分分利

22、用企企业内的的各种资资源、降降低库存存、提高高企业的的整体运运作效率率。而MMES则则主要负负责生产产管理和和调度执执行，可可以说MMES是是在企业业计划管管理和车车间生产产控制之之间架起起一座信信息沟通通和管理理的桥梁梁，借助助这个桥桥梁，企企业将更更容易建建立一个个快速反反映、有有弹性、精精细化、统统一的信信息化制制造环境境，帮助助企业提提高产品品质量和和环境，降降低材料料和人力力等资源源的消耗耗。一方方面，MMES可可以对来来自MRRPIII、ERRP软件件的生产产管理信信息进行行细化、分分解，将将来自计计划层操操作指令令传递给给底层控控制层；另一方方面，MMES可可以采集集设备、仪仪表

23、的状状态数据据，以实实时监控控底层设设备的运运行状态态，再经经过分析析、计算算与处理理，从而而方便、可可靠地将将控制系系统与信信息系统统整合在在一起，并并将生产产状况及及时反馈馈给计划划层。 a) EPRR与MEES集成成的优点点 （11） 进进一步改改进现有有的操作作流程，实实现企业业管理层层和车间间管理层层一体化化标准运运作，从从而更加加有效地地缩短产产品周期期，提高高劳动生生产率。 （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

24、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。 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

25、-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（可以根据需要）、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MES之间的数据关系和接口。图4：石油油炼制行行业ERRP与MMES之之间的数数据流及及接口 由于于大部分分ERPP软件中中生产计计划模型型比较适适用于离离散型生生产的制制造业，定定义物料料清单和和进行物物料需求求计划是是ERP

26、P生产计计划模型型的关键键功能，而而炼油行行业因其其过程的的连续性性和物料料的可调调性，故故无法确确定物料料清单，因因而也无无法准确确编制物物料需求求计划。另另外，由由于生产产工序复复杂，并并非单纯纯地按顺顺序进行行，而是是经常出出现交叉叉，故很很难准确确描述。所所以ERRP软件件中的生生产计划划模块对对炼油生生产计划划的适应应性不够够理想，对对生产计计划模块块一般采采用专门门针对于于流程制制造业的的包括由由生产计计划及调调度、油油品移动动、排产产优化构构成的完完整的生生产计划划系统。由由此系统统制定出出生产计计划，包包括原油油采购计计划、物物料需求求计划、生生产装置置加工计计划、产产品产量量

27、计划等等，通过过接口将将数据传传输到EERP生生产计划划模块中中。ERRP生产产计划模模块将数数据信息息传递到到采购/物料管管理模块块，完成成原油及及原材料料的采购购。 炼化化企业的的采购一一般分为为原油采采购和生生产设备备及其他他辅助原原材料的的采购。原原油采购购根据企企业生产产计划和和原油罐罐存信息息，制定定原油采采购计划划，并且且确定原原油采购购种类与与数量。然然后，它它根据原原油采购购计划和和生产装装置能力力，对原原油供应应信息、供供应商信信息及运运输信息息进行分分析评价价，做出出原油选选择决策策。在采采购执行行过程中中，系统统动态跟跟踪采购购原油供供应情况况、原油油运输情情况和到到达情况况，并将将相关信信息及时时传送给给MESS的储运运管理/罐区管管理模块块。采购购执行完完毕后，系系统发送送采购结结算信息息给财务务管理模模块，以以便结清清帐款