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步骤制造行业信息系统架构

一、步骤制造业信息技术应用关键性
　　经济全球化趋势已经给各国经济发展带来越来越深刻影响，各国制造企业在世界市场上进行着日益猛烈和残酷竞争。猛烈和不可测市场环境改变，对制造企业生存和发展提出了严峻挑战。在中国，制造业是国民经济关键组成部分，工业增加值占GDP36％，位居世界第四位，中国已成为世界制造大国，以石油化工、冶金等行业为代表步骤制造业在中国制造业中占据了很大百分比，是关键基础支柱产业。同时，步骤制造工业是一个多品种、多层次、服务面广、配套性强产业，和其它产业和消费市场关系亲密。它又是资金密集和技术密集产业，对国家经济发展及军事保障全部至关关键。不过长久以来，中国制造业和发达国家相比还存在着较大差距，突出现象就是生产制造损失大、能耗高，设备运转周期短、维修费用高，环境污染严重，能源利用效率比发达国家低近10个百分点，关键行业产品能耗同国际优异水平相比，则高出30％左右，这个问题在步骤制造业表现得尤为突出。面对经济全球化这一机遇和挑战，中国企业必需利用信息技术、管理技术和自动化技术加紧改革步伐，根本改变原有管理模式，加强产品设计创新能力，提升产品质量，缩短交货期，降低成本和改善服务，不停提升自我适应能力。所以，基于信息技术优异管理体系和制造技术成为企业竞争关键所在，步骤制造业信息技术应用已经成为企业含有中国国际竞争力不可或缺关键手段。

　　二、中国步骤制造业在信息化建设进程中存在问题
　　1、 缺乏有效信息系统体系架构标准或计划设计
　　追溯中国步骤企业信息化发展历史能够看出，其信息化建设从20世纪80年代就已经开始了，而且伴随信息技术发展在不停地进步，经历了从单机管理、单元操作，到计算机集成制造系统（CIMS）发展历程。但在此过程中信息系统体系架构没有相对固定标准，传统架构是五层架构（监控层、优化层、调度层、管理层、决议层），因为这种划分层次方法造成很多信息系统功效交叉和信息不畅，甚至出现信息阻断，所以给信息系统开发和实施带来很多不便，影响了信息系统在企业发展过程中应起关键作用。
　　2、 不少企业在管理和过程控制方面全部实施了对应系统，但大部分是“信息孤岛”难以进行有效集成
　　因为步骤行业生产特点，大部分步骤企业全部很重视过程控制方面系统建设，在关键设备、装置上全部实施了过程控制系统PCS（Process Cortrol System），而且重视实时数据采集、存放及整理。伴随ERP（Enterprise Resources Planning）登陆中国市场和日渐普及，步骤制造业中有很多企业也全部实施了对应ERP系统，在管理方面得到了优化和提升。现在，能够说以MRP II、ERP为代表管理信息系统，和以集散控制系统（DCS）、现场总线为代表自动化技术，在步骤制造行业已经大规模应用。尽管这两类系统推广取得了一定效果，但却忽略了二者之间有效集成，造成企业上层计划缺乏有效实时信息支持、下层控制步骤缺乏优化调度和协调。计划层和车间实施层无法进行良好双向信息流交互，企业难以实时反应，阻碍了各系统功效正常发挥，也无法表现出信息系统整体效益。
　　3、 制造实施系统没有得到高度重视并清楚地表现在信息系统中，不能作为综合信息系统有机组成部分
　　制造实施系统MES（Manufacturing Execution System）是步骤工业综合自动化关键技术，其关键功效是负责生产管理和调度实施。在集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功效基础上，MES为控制包含物料、设备、人员、步骤指令和设施在内全部工厂资源，提供了一个统一平台，对提升企业生产效率、提升产品质量、降低消耗含相关键作用。MES在十几年前就已诞生，现在在发达国家已经普遍推广。在中国，对MES认识和应用还处于刚刚起步阶段。伴随通信瓶颈处理，ERP能够经过MES直接和控制系统交换实时数据，实现操作运行层和管理层紧密集成。这一趋势多年已在工业发达国家凸现，关键工业自动化设备和系统供给商全部在致力于开发MES软件平台和系统支持服务。反观中国， ERP系统和生产控制系统之间通常还没有实现信息集成，问题关键在于 MES在中国还未引发应有重视。所以，在步骤制造业信息化建设中必需重视制造实施系统应用，将其作为综合信息系统有机组成部分。

　　三、步骤制造企业特征及对信息化关键需求
　　 步骤制造企业是指经过物理反应和化学反应使原材料增值行业，通常采取面向库存生产方法，关键依靠产品价格和质量开拓市场。以石油炼化企业为例，其生产过程含有以下特点：生产过程连续，加工能力强，物料和能量供给要求连续、立即、可靠；生产工艺复杂，生产过程包含多个化学改变和物理改变，生产控制技术要求高、信息量大，故障诊疗和处理比较复杂；产品结构复杂，除了主产品外，还会产生大量副产品和中间产品，产品和产品之间关联性较大，一套生产装置单股进料能够有多个出料；基础自动化水平较高，对自动化依靠性比较强，绝大部分物料变量依靠仪表进行测量或经过分析仪表间接取得，少许人工计量；生产以安全、稳定、长周期、满负荷、优质、均衡、高产、低耗和降低污染为关键目标，经过计划调度、优化操作、优异控制等手段使过程实现优化生产，以取得最大经济效益。
针对炼化企业以上生产特点，其对信息化关键需求表现在各个层面上：
　　 在生产计划方面，需要依据装置生产能力和产品需求，采取过程结构和配方进行物料需求计划。
　　 在调度管理方面，要考虑配方、产品混合、物料平衡、污染防治等问题，需要进行主产品、副产品、协产品、废品、成品、半成品和回流物管理。热蒸汽、冷却水、压缩空气和水电等动力能源辅助系统管理也对步骤企业运行效益含相关键意义。生产过程柔性是靠改变各装置间物流分配和生产装置工作点来实现，必需由优异在线优化控制技术来确保。质量管理和生产过程监控系统紧密相关，产品检验以采样方法为主，采取统计质量控制。所以，产品检验必需和生产管理及过程控制系统亲密配合。
　　 在信息处理方面，步骤工业要求实时在线采集大量生产过程数据、工艺质量数据和设备状态数据等，要立即处理大量动态数据，并以图表、图形形式给予表示。
　　 在安全可靠性方面，步骤企业需要确保生产高效、安全和稳定运行，才能获取最大经济效益，所以，安全可靠生产是步骤企业首要任务。
　　 在经营决议方面，步骤企业关键经过稳产、高产、提升产品产量和质量、降低能耗和原料、降低污染来提升生产率，增加经济效益。步骤企业生产过程资本投入大，所以更重视生产过程中资金流管理。
　　 在人作用方面，过程企业因为生产连续性，生产加工过程自动化程度较高，人作用关键是监视生产装置运行、调整运行参数等，通常不需要直接参与加工。

　　 四、 步骤制造业信息系统体系架构
　　 a) 步骤制造业信息系统体系架构
　　 针对现在中国在步骤行业信息化建设方面存在问题，依据步骤制造业生产特点及对信息化关键需求，步骤制造业信息系统体系架构应该由“ERP（EIS）—MES—PCS”三层架构组成，见下图1所表示：

图 1 ：步骤制造业信息系统体系架构
　　 三层构构优势：
　　 （1）更适合于扁平化现代企业结构
　　 过去，制造企业通常采取传统五层CIM结构，即使这种体系框架在制造业信息化发展进程中起过很大推进作用，但伴随研究和开发深入，在综合信息系统设计和应用实践中碰到了较大问题。在步骤制造业生产经营活动中，除了底层过程控制和顶层管理决议外，中间层次是极难将生产行为和管理行为截然分开。所以，在牵涉到大量现有生产性质又有管理性质信息时，依据五层结构就极难明确应该归于哪一层次，造成了企业综合信息系统在开发过程中标准难以统一和概念混乱。相比于传统五层结构，PCS-MES-ERP（EIS）组成三层结构更符合现代企业生产管理结构“扁平化”思想，促进管理以职能为中心向以过程为中心转变，更易于集成和实现，进而处理信息系统在经营层和生产层之间脱节现实状况。
　　 （2）信息流通畅
　　 这种结构信息流形式清楚，控制信息自顶向下，反馈信息自底向上。各层控制模块同时进行信息处理，能够处理大量信息，满足实时控制需求。
　　 （3）适用范围广
　　 这一结构将企业综合信息系统分为考虑生产过程问题过程控制系统PCS，考虑企业经营管理问题企业资源计划ERP，和考虑生产和管理结合问题中间层制造实施系统MES，使企业综合信息系统中原本难以处理含有生产和管理双重性质信息问题得四处理。
　　 （4）适应性强
　　 这种结构含有很强模块性，相对比较独立，功效模块之间界面分明，能够分阶段实施，也能够并行开发缩短实施周期。同时，这种结构含有很好可修正性和扩展性，当生产环境或目标发生改变时，能够进行局部修正扩展。
　　 （5）开发成本低
　　 MES广泛采取分布式技术和重构技术，逻辑严谨，形式规范，轻易建立和被操作人员快速掌握。现在很多软件供给商支持MES软件，而且提供了对应接口或接口标准，MES厂商在开发MES软件时也比较重视和其它应用系统集成问题，所以在MES和管理系统ERP集成时，开发费用较低。
　　 对石油炼制企业来说，对应于三层架构信息系统体系架构以下图2所表示：

图 2：石油炼制企业信息系统体系架构
　　 b) 体系结构中各部分关键内容
　　 （1）企业资源计划（ERP）
　　 炼化企业中ERP系统关键包含人力资源管理、财务管理、采购/物料管理、生产计划、工厂设备维护、质量管理、销售和分销和健康安全环境保护管理等模块，还能够由此出发建立数据分析、数据仓库等决议支持系统。其作用关键是依据企业人、财、物多种资源情况和产、供、销各个步骤信息，对生产进行合理有效计划、组织，使生产经营活动协调有序地进行。并由决议支持系统依据企业内外部信息对企业产品决议、中长远目标、发展计划和企业经营进行决议。
　　 （2）生产实施系统（MES）
　　 MES关键对整个生产过程进行动态优化管理，从根本上处理步骤行业生产过程多变性和不确定性问题。包含生产计划和调度、操作管理、数据调理和物料平衡、生产管理、绩效监控和绩效管理、储运管理、试验室信息管理等功效。其关键作用是依据ERP系统下达计划，经过生产调度、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、传输和加工处理，立即呈报ERP系统。达成实现ERP和PCS间数据连接和共享，实现生产全过程一体化，统一计划和物流调度，对现场生产、质量控制和管理目标。
　　 （3）过程控制系统（PCS）
　　 PCS系统包含整个炼油工艺过程控制和单体设备基础自动化两个部分，关键处理设备自动控制以确保生产过程连续平稳、生产出合格产品，完成对生产过程监测和常规控制，并依据MES下达生产指令进行各步骤过程控制，设定多种设备具体动作参数，进行多种模型计算和控制计算，以达成过程优化操作、优异控制、故障诊疗、过程仿真等目标，同时搜集实施过程中实际数据上传MES和ERP系统。
　　 c) 各层面信息系统之间相互关系
　　 各层面关键信息系统之间关系以下图3所表示：

图3：各层面关键信息系统之间关系
　　 管理决议层利用ERP进行企业生产组织、生产管理、经营决议等方面优化，给出企业产品策略和生产计划，其中包含产品种类、产品质量和产量等，并将生产计划、安全环境保护质量要求等信息传输给生产实施系统MES。MES依据企业生产计划、装置设备、原油、原材料等情况，由生产调度模块编制生产调度指令，对各生产装置（或单元）进行优化计算，给出优化配方或生产方案，并据此制订操作指令、控制参数、加工方法等，将这些信息传输给过程控制系统实施实际生产过程。控制层PCS根据优化配方或生产方案对底层生产过程进行实时操作和控制。同时，过程控制系统采集生产过程数据，再把生产状态、测量数据、质量数据、设备状态等信息传输给生产调度模块，作为生产调度模块进行生产绩效分析、资源情况分析、质量分析基础数据，也为调整生产经营计划提供依据。这么，实际上是完成了计划指令下达和生产实施情况反馈闭环过程。
　　 从数据流方面看，各层次上应用系统存在业务数据传输关系，关键表现为：
　　 （1） 过程控制层次关键将过程控制中产生过程数据传输给生产实施层生产实时数据库，并经过数据整合和平衡手段，进行对应生产数据平衡。
　　 （2） 生产实施层将相关生产计划优化数据，平衡后生产数据（投入和产出），传输给管理决议层。
　　 （3） 在管理决议层ERP系统中，整合了企业全部关键业务数据（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、人力资源和健康安全和环境保护）和和此相关财务数据。并汇总企业经营所需多种业务数据，形成决议支持相关数据信息。

　　 五、 ERP和MES之间关系及接口
　　 ERP关键是面向企业计划管理，以订单和市场需求为计划源头，努力争取充足利用企业内多种资源、降低库存、提升企业整体运作效率。而MES则关键负责生产管理和调度实施，能够说MES是在企业计划管理和车间生产控制之间架起一座信息沟通和管理桥梁，借助这个桥梁，企业将更轻易建立一个快速反应、有弹性、精细化、统一信息化制造环境，帮助企业提升产品质量和环境，降低材料和人力等资源消耗。首先，MES能够对来自MRPII、ERP软件生产管理信息进行细化、分解，未来自计划层操作指令传输给底层控制层；其次，MES能够采集设备、仪表状态数据，以实时监控底层设备运行状态，再经过分析、计算和处理，从而方便、可靠地将控制系统和信息系统整合在一起，并将生产情况立即反馈给计划层。
　　 a) EPR和MES集成优点
　　 （1） 深入改善现有操作步骤，实现企业管理层和车间管理层一体化标准运作，从而愈加有效地缩短产品周期，提升劳动生产率。
　　 （2） 实现企业内部信息和数据集中管理，降低信息和数据内部流通时间。
　　 （3） 增加系统数据当日更新和管理报表即时统计功效。
　　 （4） 以实时数据为依据生产计划愈加正确立即地反应整个生产情况。
　　 （5） 配合供给链管理系统，降低供给链成本，增强对用户需求快速反应，优化用户服务并提升企业整体工作效率。
　　 b) ERP和MES之间接口
　　 MES和ERP之间数据关系和接口是比较复杂，不一样行业其接口点也不尽相同。通常制造企业中，企业资源计划（ERP）系统需要MES提供成本、制造周期和估计产出时间等实时生产数据；MES中进行生产调度数据来自ERP计划数据，以确保MES本身正常运行。ERP-->MES接口数据包含：
　　 （1） 基础资料部分：用户资料、供给商、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-->ERP接口数据包含：实际投产情况（可按订单，工单，生产计划等方法统计）、产品在各工序（作业站）之间移转资料（能够依据需要）、资源使用情况 （生产过程中使用设备，人工等）、物料使用情况 （可按BOM和投产数量计算出）、成品入库数量、生产线报废数量等。
　　 而对于步骤制造行业，ERP和MES之间接口和通常制造业有很多不一样点。下面以石油炼制行业为例，图4，说明ERP和MES之间数据关系和接口。

图4：石油炼制行业ERP和MES之间数据流及接口
　　 因为大部分ERP软件中生产计划模型比较适适用于离散型生产制造业，定义物料清单和进行物料需求计划是ERP生产计划模型关键功效，而炼油行业因其过程连续性和物料可调性，故无法确定物料清单，所以也无法正确编制物料需求计划。另外，因为生产工序复杂，并非单纯地按次序进行，而是常常出现交叉，故极难正确描述。所以ERP软件中生产计划模块对炼油生产计划适应性不够理想，对生产计划模块通常采取专门针对于步骤制造业包含由生产计划及调度、油品移动、排产优化组成完整生产计划系统。由此系统制订出生产计划，包含原油采购计划、物料需求计划、生产装置加工计划、产品产量计划等，经过接口将数据传输到ERP生产计划模块中。ERP生产计划模块将数据信息传输到采购/物料管理模块，完成原油及原材料采购。
　　 炼化企业采购通常分为原油采购和生产设备及其它辅助原材料采购。原油采购依据企业生产计划和原油罐存信息，制订原油采购计划，而且确定原油采购种类和数量。然后，它依据原油采购计划和生产装置能力，对原油供给信息、供给商信息及运输信息进行分析评价，做出原油选择决议。在采购实施过程中，系统动态跟踪采购原油供给情况、原油运输情况和抵达情况，并将相关信息立即传送给MES储运管理/罐区管理模块。采购实施完成后，系统发送采购结算信息给财务管理模块，方便结清帐款，同时核销采购协议。采购模块将采购过程中产生关键文件和数据保留历史数据库中，而且对采购协议实施情况进行统计分析。
　　 物资采购关键指除生产用原油外，用于生产辅料、各类建设项目和设备维护物资。物资采购和原油采购处理基础类似，在物质采购过程中，采购物资计划是起始阶段，制订采购资金计划，向财务模块提出支付和结算方面数据。库存管理控制库存物资流动情况，接收入出库单和收发料，对库存成本统计分析。
　　 罐区库存包含原油库存、半成品库存、成品库存和工程设备材料等库存。原油罐区库存管理需要优化平衡决议支持，它向ERP采购模块中采购计划传输罐存相关信息，并接收来自ERP系统原油入库信息。成品及半成品库存通常依据企业生产能力来设计，成品油罐存向销售系统提供成品库存情况，方便销售系统采取对应销售方法，同时向MES计量模块发出成品油出库相关信息。
　　 销售管模块理依据用户购置需求、用户预付款情况和成品油罐存信息和用户签署销售协议而且开具提货单据。产品销售后，销售管理模块汇总产品销售种类、数量和运费等数据，提供给财务管理模块作为结算依据。销售管理模块同时将销售计划数据传输给MES运输调度和计量管理模块。运输调度关键完成运输方法选择、运力组织、装车和发车时间安排。采取汽车运输产品能够直接由出库计量管理模块向用户发货。采取铁路运输产品，运输调度依据销售协议和铁路部门提供铁路车辆可用信息和本厂自备车信息组织运力。依据车辆运输计划，运输调度进行车辆调度，形成装车作业计划，由计量管理组织发货计量。运输调度系统依据装车计划实施情况计算运费，将数据反馈给销售管理模块