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生产指挥系统（MES）在卷烟厂中的应用实践
 
2009-5-5 22:24:00　李保明 郭如军　供稿
摘要：通过生产指挥系统（MES）在兰州卷烟厂的应用实践，表明该生产指挥系统（MES）及时收集到的生产人员数据及时、准确、全面，从而实现对生产现场的有效管理。并对该系统在卷烟厂的实施中应注意的问题，提出了见解。
关键词： 生产指挥系统（MES）；系统分析；PCS系统
　　伴随企业技术改造的不断推进，企业生产自动化程度的不断提高，特别是大量基层自动控制系统的广泛应用，对于卷烟生产企业来讲，要实现人工对大量快速的、及时的自动控制系统的全面指挥，明显是力不从心的，不仅不能及时解决现代化生产指挥与调度中的各类问题，而且也会造成大量基层自动化系统的设备闲置与“信息浪费”。因此，必须建立起面向现代化企业生产调度中心的实际需求，基于高度基层自动化控制系统总体调度与指挥需要的生产指挥系统（MES）。兰州卷烟厂的生产指挥系统（MEs）正是基于这一思想从企业技术改造总体规划考虑的。通过近两年的实施，现已正式运行，并达到了初期的设计目标，通过了由中国科学院及甘肃省科技厅组织的验收。本文结合作者自己的工作体会，从以下三个方面就生产指挥系统（MES）定义、主要功能、主要作用及在卷烟生产企业应用中值得注意的几个问题作以简要论述。
1 生产指挥系统（MES）的定义及主要功能
　　MES国际联合会对MES的定义是：MES针对从订单到产品完成的全部生产活动，实时采集精确的现场数据，经过分析、处理，实现对生产活动进行指导、优化和报告。通过对变化情况的快速反应，减少无附加值行为，提高工厂运行和处理的效率。国际MES标准协会（MESA）在经过对不同生产制造企业进行了大量研究后，提出了实施生产执行系统的标准，MES信息化标准SP95。该标准不但给出了生产执行系统涵盖的各功能模块描述，而且也给出了生产执行系统与ERP、生产控制系统的关系。
　　MES的功能及其相互关系如图1所示：

　　以MES信息化标准SP95为基础，结合国内卷烟生产企业的特点，以及各生产厂在企业信息化建设方面的工作进展情况，就国内卷烟生产企业MES系统的功能，可以分为核心功能与可选功能两类。
1．1 MES系统的核心功能
　　（1）生产作业优化排产。MES系统将生产调度指挥人员的专家知识，概括成各种规则，形成约束条件，进行约束调度；帮助生产调度人员编制各种生产计划，进行实时调度；在保证生产计划按时完成的前提下，遵循资源利用效率和生产效益最大化的原则，充分考虑生产计划结构、各个生产品种的单位时间需求量、生产人员可用情况、设备运行状况、设备能力情况等要素，制定出多种生产作业计划方案，模拟系统作业运行，核算物料消耗、能源消耗情况，从而制定出能耗低、周期短、人力成本和组织成本低的最优化生产作业进度安排。生产作业优化排产的结果是生成供各生产单元使用的生产工单，即“生产作业任务书”。
　　（2）生产指挥调度。MES系统针对各工序的生产工单，以工序、设备、动力能源、物流单位、生产人员等作为对象，生成生产作业指令，并进行指令信息的发布。MES系统将作业指令发送到自动化管控设备。经过生产环节的监控中心，进行人工完成指令的确认与下达，并将批次生产作业任务书、作业人员安排、作业标准、作业手册、作业式样、作业参数等内容发送到生产环节。
　　（3）物料跟踪管理。物料跟踪管理实现对生产过程中的物料投用情况、产品生产加工情况、离（在）线质量检验情况、成品存储情况、人员情况、设备运行情况、动力能源现场使用情况等进行实时跟踪管理。通过生产工单和所定义的生产批次定义信息，对应关联生产过程中所产生的各项业务数据，追溯生产历史，实现成品的质量回溯。
　　（4）生产过程数据的收集。数据收集功能主要实现对生产过程中产生的各类业务数据进行采集、归档的工作。数据收集的目的在于及时、准确、完整地为MES和ERP系统提供生产情况（产量、物料消耗、能源消耗）、设备运行状况、产品质量情况、生产工艺执行情况、自动化物流情况、人员岗位情况等方面的信息。在规定时间间隔内，MES系统对生产过程数据进行采集和处理；并按照MES系统预先设定的边界条件，对所采集和处理的过程数据进行“过滤”，自动去除“脏数据、伪数据”，以节省系统资源，提高MES系统运行效率。
　　（5）生产作业的实时监控。通过丰富的GUI交互界面，以物流流水图和生产工艺路线图的方式对生产过程进行监控。以数据收集功能对PCS系统采集的实时生产数据、质量数据、工艺信息等为基础，利用MES系统支撑平台提供的组态技术，实现对制丝车间、卷包车间、动力生产车间、原料立库（存储区）、辅料立库（存储区）、成品立库（存储区）、烟丝立库（存储区）的生产、工艺、物料消耗情况、动力能源使用情况、生产环境参数、人员情况等内容进行实时监控。帮助企业的生产指挥部门进行生产协调、合理调度。MES系统不但可以浏览整个J二序（生产线）的监控画面，还能够以POP—UP画而的方式，通过点击进入所设定工作点（不同层次）的详绌监控画而。
　　（6）与ERP系统的接口。实现从计划层接收ERP关于生产的计划安排信息、库存信息、人力资源信息等，同时将生产订单完成情况、物料实际消耗情况、质量完成情况等信息送人ERP中，进行新一轮的计划安排。MES需要从ERP系统接收的信息、数据包括：主生产计划、产品定义、产品配方、工艺技术标准、设备、人力等资源描述、设备维修／保养计划、材料质量情况等；MES需向ERP系统传送的数据主要有：生产绩效、生产工艺数据等。
　　（7）生产过程中的异常事件处理。异常处理功能提供预警、报警功能，对企业生产过程中出现的异常情况，MES系统将自动报警显示异常工作点，并提示生产指挥调度人员采取相应的措施。系统的自动报警功能可以避免由于生产现场缺乏：【作人员，或工作人员因某种原因没有及时发现潜在隐患而导致的各种事故的发生，为企业的正常生产提供强有力的保障。系统预、报警的内容常见有：计控设备的精度严重漂移，生产过程中的不对应情况（例如：牌号、批次等不能与作业指令相匹配），压力容器的指标超出临界等等。
　　以上内容是MES系统必须具有的核心功能。这些功能不全，就失去了MES存在的意义。在此基础上，还有可选功能。它们是在核心功能之上，进一步发挥MES的作用。企业呵以根据自己的实际情况选择实施。
1-2 MES系统可选功能
　　（1）设备状态监控。可以实现针对生产过程中的设备进行实时状态监测及维护管理。MES系统的设备维护管理功能是根据设备基本资料及其使用情况等方面的数据，实现对各类生产设备进行不同级别的维修和管理，根据采集的生产过程实时数据和历史归档数据，对设备运行情况进行分析；对设备故障情况进行诊断，找出因设备原因可能导致的问题，防患于未然；对设备完好率、设备故障停机率、设备有效怍业率、设备利用率、设备可利用率、设备事故频率等指标进行分析，保证设备高效使用。
　　（2）生产人员管理。为企业的生产指挥部门提供在岗或在线人员的数据信息；对生产人员进行考勤管理，完成月末员工考核工作；实现对企业工作日历的管理维护；核算产品的人力成本；对有突出业绩的人员进行奖励，对发生的事故追究责任，做到奖惩有据。
　　（3）制造规范管理。规范管理功能实现对产品的制造式样、原辅料式样、工程手册、作业流程、作业文档、作业手册、工艺手册、质量手册、产品定义等数据进行维护，实施电子化管理。生产指挥人员、生产作业人员可以对这些基本资料进行查询，并能按要求生成相应的报表及产品标签。
　　（4）质量保证。以MES数据收集功能所实现的采集数据为基础，服务于制丝生产、卷包生产环节。根据工艺标准，检测制丝、卷包生产工序的工艺指标执行情况，实现对各工序、工段的生产工艺标准进行有效监控，对在制品的质量情况进行监控，完成生产过程的各项质量检验工作。
　　（5）生产成本管理。以MES数据收集功能所采集各项数据为基础，综合叶丝生产线、梗丝生产线、膨胀丝生产线、薄片丝加工线、白肋烟生产线，以及嘴棒加工环节、烟支卷接包生产环节、封装箱生产环节中的原、辅材料和机物料的消耗情况，人工情况，设备机时情况、能源消耗情况、设备维修折旧情况等方面的数据，根据ERP财务系统提供的 单价’作为权重系数，对生产成本进行统计核算，供生产管理人员使用。通过生产成本考核机制指导车问生产，降低生产成本。
　　（6）工厂效能分析。以MES数据收集功能所采集各项数据为基础，一方面根据生产过程中产生的实时数据进行统计分析，例如，在线产品质量统计分析、设备运行情况统计分析、物料消耗的统计、在制品生产情况统计等；另一方面，根据系统的长期归档历史数据，进行统计分析，例如，生产完成情况统计、投人产出对比分析、生产能力评估、产品质量评估、人员考勤情况统计、人员绩效考核统计等。
2 生产指挥系统（MES）的主要作用分析
　　生产指挥系统（MES）实施的首要目标是在ERP系统与生产自动化系统和物流自动化系统之间架起一座信息交换的桥梁，使生产管理者能够实时地掌握生产信息，并可以根据实时信息合理地解决生产过程中提出的问题，切实地起到中间媒体的作用。MES系统实施的核心作用是解决生产管理者最关心的问题，这些问题包括：生产作业计划的制定和生产指挥调度生产计划的执行情况，第一时问获得生产过程中的突发事件以及事件的快速处理，生产过程中的产品质量控制、质量跟踪、工艺执行情况，设备的运行情况，生产消耗统计，生产线人力资源情况，和当前生产直接相关的原料、材料、备品备件、成品的即时库存情况等等。归纳起来，MES系统的主要作用包括：
2．1 实现全企业信息系统的集成
　　一般来说，企业的ERP系统不能使用底层采集上来的实时采集数据，不能及时掌握生产第一线的原始数据信息，这使得企业管理和企业生产相互脱节。而ERP系统的运行，要充分依据企业的现有资源状况。如果不能访问生产所反应生产的实际数据，必然会很大程度地降低ERP系统的使用效果。同时，底层生产控制系统不能从ERP系统中得到相应的指令，管理层的指令下达是依靠电话或纸张进行传递的，这样容易造成指挥不及时、出现指令偏差等问题。实施MES系统，可以有效解决底层数据采集问题，将生产过程中的数据采集上来，使生产指挥人员能够及时地了解生产现状。同时，ERP的计划数据可以根据实际生产情况进行分解，底层生产控制系统可以及时下载与生产工艺相关的各种参数数据，从而进一步实现全企业信息系统的集成。
2．2 实现生产调度的及时性
　　目前，大多数企业的生产调度，是依靠每周开一次的生产调度协调会，通过人工汇报的方式，了解设备、人员、物资等的使用情况，为生产指挥提供依据。这种方法既不方便也不及时。
　　MES系统可以提高企业的快速反应能力，能为生产调度人员的实时调度提供参考依据和辅助手段。
2．3 及时掌握实时的生产动态
　　目前，多数情况下，车间管理人员只对生产中出现的比较重大的问题才向生产调度人员报告，生产调度人员根据情况，结合自己的工作经验，并与有关车间负责人电话联系商议后作出调度决策。这样会导致调度的滞后性和不准确性，也会因管理的细度不够导致不必要的问题。采用MES系统，生产调度人员能够及时了解生产中的每一个细节，监控每一点，每个时段的生产活动。
2．4 及时反馈产品的质量情况
　　有些卷包机组的可以将质量参数在机台上能够及时显示，但相关离线质量数据却没有及时地反馈到机台，机台操作人员不能及时地作相应的调整，就不能保证产品质量的提高，达到质量控制的目的。MES系统的质量保证功能能够将生产线上最实时的质量信息共享到全厂各个相关部门，包括机台，从使在线产品质量得到进一步的提高。
2．5 实现对生产质量以及所使用的原材料、设备等保存长时间的历史记录
　　现有的基层生产数据采集系统，对生产过程中的各种数据没有一个系统的、长时间的历史记录，不能进行物料和质量的追溯查询和分析，不能为生产责任的追究提供确定的依据。而MES系统中数据收集子系统可以保存长达数年的企业最真实的数据，从而有效支持生产与设备的长周期分析。
2．6 及时掌握安全情况，消除安全隐患
　　现有的生产安全管理，多数是对于生产安全状况，由有关人员每隔一定时间进行一次检查，消除安全隐患，但这种方法还是存在很大的弊病，生产安全完全依赖于生产管理人员的责任心，而缺乏有效的安全管理措施与手段。而MES系统的生产监控子系统，可以实现对生产各个环节状况的全面监视，比人工巡视更加全面、准确、实时。
2_7 实现对生产成本的有效控制
　　生产成本是工厂非常关心的一项重要指标，降低成本，就能有效提高工厂的竞争能力。对于车间层面来讲，很难建立一套系统用于成本核算和定量分析的系统，对生产成本的控制只是在大范围上进行粗略的管理。而MES系统实施后，可以实现分机台、分班组的生产成本核算和定量地评价，从而使成本的控制贯穿到生产的每个环节中，实现对生产成本的有效控制。2．8 提高生产的快速反应能力
　　要提高企业的快速反应能力，要实现对生产状况及时地掌握，对生产物资、设备状况、人员情况等各种生产资源及时掌握，有效的测算。而市场是不断变化的，生产需求是不断变化的，但每次生产任务的变化，将对生产资源进行及时调整，如果不能实现对生产各种情况及时掌握，就不能实现企业对市场的快速反应。而MES系统实施后，不仅是企业能够及时掌握自身各类生产资源，更能够通过预测功能，实现对新市场需求的生产可行性及效益进行测算，从而大幅度提高企业生产的快速反应能力。
2．9 及时掌握生产人员的生产活动和状况
　　MES系统的实施，可以使企业管理者及基层管理人员及时掌握生产人员的出勤情况、生产状况，而不用亲自到生产现场去检查，MES系统收集到的生产人员数据及时、准确、全面，从而实现对生产现场的有效管理。
3 生产指挥系统（MES）在卷烟厂实施中应注意的几个问题
　　生产指挥系统（MES）系统是一个涉及到企业所有与生产相关的部门、车间，关系到整个生产线的信息化建设项目，是一项系统工程，需要经过系统立项、系统实施与系统应用维护几个阶段。在系统立项阶段，企业需要进行详细需求分析，总体规划，选择最适合企业生产实际的系统供应商。在系统实施阶段，由企业、系统集成商、MES系统供应商、监理单位共同组成项目实施小组，设立关键的控制点，抓好项目的控制。具体来说，MES系统的实施包括需求调研、系统概要设计、系统详细设计、建模与组态、系统测试、系统转换、文档提交等多个子阶段。总得来说，在卷烟厂的实施中应特别注意以下几个问题。
3．1 做好规划。界定范围
　　生产指挥系统（MES）是企业信息化建设中的一个重要组成部分，而企业的信息化建设是一个系统工程，针对企业生产经营中各项业务的需求，必须有针对性做好企业信息化建设的规划。因此，在实施生产指挥系统MES）之前，首先必须做好规划，界定生产指挥系统（MES）在企业整个信息系统中的位置与作用，以及各个系统之间的连接。做好规划，有两个方面的内容。一是规划好MES系统与各个层面之间的功能界定与接口连接。一般来讲，一个企业的信息系统可以划分三个层面，第一层包括ERP（在企业制造资源计划系统的基础上增加决策支持系统、电子商务等功能）和产品设计系统等部分；第二层为生产执行系统，完成实时性较强的动态过程管理，包括生产计划和调度系统、数据采集系统、生产监控系统、设备监控系统、生产状况分析评价系统等；第三层为生产自动化系统（含设备控制、过程控制和物流自动化等），完成实时性最高的控制功能。通过这样的三层规划，可以较为清楚地界定MES系统的功能与上下连通的范围及方式，更好地使整个企业信息化的建设成为一个整体，实现MES系统与其他信息系统的畅通连接。另一个是可以依据企业实际的业务需求与信息化建设情况，将MES系统规划为成基于平台的开放系统，在实施时，采用总体规划、分步实施的原则，围绕核心模块，选择扩展模块，根据实际情况进行灵活的“组态”，例如企业已经实施了设备管理模块，MES可以将该模块进行集成进而不用推翻企业已有系统的有效保护用户投资。因此，在生产指挥系统（MES）的实施前做好规划具有非常重要的意义。
　　生产指挥系统（MES）的规划可以融人企业的信息化建设总体规划中一起进行，也可以单独进行规划。
3.2 选择平台,运行流畅
　　生产指挥系统（MES）的思想来自于国外先进的生产管理经验，因此，目前国内多数生产指挥系统的实施都需要建立在国外已经较为成熟的软件运行平台上，需要实施的软件公司进行二次开发。特别是对生产运行管理中所产生的海量的实时运行数据，需要较为稳定可靠的实时数据库及其管理系统的有效支撑。目前来讲，引进的生产指挥系统运行平台，主要有底层自动化设备厂商研发而成，能有效采集底层自动化设备的各项运行数据。因此，一般来讲，选择平台，首要考虑的是底层自动化控制设备的型号及公司品牌，要优选兼容性较好的产品。这样，一方面可以保证系统的运行的流畅，另一方面可以减少系统开发的工作量，提高系统开发的工作效率。在选择平台时，尤其要主要实时数据库的选择，要对比各种平台在这方面的技术参数，对比相关性能。实时数据库所能采集及管理的数据量、准确性，以及实时数据库运行的效率将直接影响到系统的有效运行。正确的运行平台选择，才能保证生产指挥系统的有效、流畅运行。
3．3 注重接口，上下连通
　　生产指挥系统（MES）是以生产调度、生产管理为中心的信息系统，既与自动化程度较高的底层自动化系统、数据采集系统相联系，又与上层的企业资源计划系统 RP）密切相关，因此，在生产指挥系统的主要功能中与ERP系统的接口成为其一项主要的功能。而同时，要保证生产指挥系统对底层自动化系统、数据采集系统等各项生产设备各项运行数据的有效采集，确保采集数据的及时、有效，需要大量的接口系统，实现对各项数据的有效采集。
　　基于上述两个方面的原因，在生产指挥系统的实施中，接口是一项重要的实施内容。注重实施过程中的接口，首先要做好接口规范与标准，特别要注意在系统设计、设备采购时让生产指挥系统的设计者参与相关接口技术标准的制定，明确各项接口技术标准，明确各实施的责任，明确技术协商机制。尽最大可能减少因技术原因造成的数据采集死角以及不准确的数据，尽最大可能减少重复开发所造成的浪费。从而，通过以生产指挥系统实施方牵头的接口技术规范协调机构，实现各项接口软件的有序研发，确保系统上下贯通，全面提高生产指挥系统的实用性与全面性。
3．4 强调核心。注重应用
　　生产指挥系统（MES）的核心功能是优化排产、生产调度、生产监控，特别是实现对生产核心资源的优化调配、使用，提高生产调度的及时性、有效性、系统性，通过多层面的集中监控，及时监控各种设备及系统的实时运行数据，通过事先设定的参数极限报警机制，实现系统性的多层次警示，最大限度减少各类生产异常事故的发生。生产指挥系统的核心应用是精细化的优化排产、高效率的生产调度、更为全面的生产监控，要紧紧围绕核心应用，发挥系统的设计功能，充实完善支持核心应用的各类数据，确保核心应用与生产实际相符，从而使系统发挥真正的作用，产生预期的效果，切实提高生产调度工作的效率，满足高度自动化的底层设备运行高效率的需求。同时，要围绕核心应用，发挥系统设计中质量、物料跟踪等其他系统的应用，补充更为全面、系统的数据，从而不断提高系统核心功能的应用效果。特别要强调的是一个好的生产指挥系统，应建立在好的应用基础上，只有更深、更好地在实际工作中得到应用，并成为生产管理者不可或缺的助手，才能称之为一个成功的系统。
3．5 围绕需求，不断完善
　　生产指挥系统（MES）是一个与生产实践密切结合的系统，与ERP、SCM、CRM、OA等信息系统相比，具有其独有的特点。其一是满足生产需求的及时性要求比较高，因此在实际应用中，若设计不能及时满足生产的需求，就必须及时修改、完善。这一点就要求应用人员与设计人员及时配合，围绕需求，及时修订满足需求。其二是与底层自动化控制系统及设备密切相关，当工艺设备及控制系统发生变化时，必须及时修改完善相应的系统，从而确保系统的有效性。其三是通过系统的积累数据分析，能逐渐发现整个系统运行中的“瓶颈”设备与关键环节，要实现优化排产，提高生产效率，就必须解决关键设备与环节，围绕需求不断优化，才能真正发挥生产指挥系统的作用。因此，基于生产管理工作及时性要求的特性，生产指挥系统更要围绕实际需求，不断完善，不断提高。
参考文献
[1]生产指挥系统（MES）系统[M]．北京中科久辉信息自动化有限公司，2004．
[2]兰州卷烟厂信息化总体规划【M】．北京中科久辉信息自动化有限公司．2003．