MES應用的收益和總結

MES應用的收益和總結

羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕

1 附加值和收益

MES的運行使用已經超過了二十年。那些已經完成的項目證實了應用的收益和附加值。在現實中，每個新項目的經濟效益被不斷評估和復查。其原因是項目的多學科和關系復雜，很難定義一個普遍適用的量化收益方法。

MES附加值和收益并不是一個簡單的問題，其收益是企業改進的效率和流程。像運行數據準確性、及時可用性、提高產量、降低成本和增加客戶滿意度等因素是主要成就。

因此，MES解決方案是企業追求卓越運營的一個關鍵因素，與運行過程的分析和優化密切相關。

以下幾個區域顯示了與使用MES的優化潛力相關：（1）庫存和產能的透明度提高，從而：

·在訂單錄入時可在線訪問可能的交付日期；

·改進了要求的交付日期和總交付成本方面的分析；· 更快的規劃和訂單履行；· 提高了交付的可靠性；· 響應變化的靈活性更高；· 更高效的工廠利用率。

（2）所有重要生產參數基于計算機的永久監視，降低錯誤和缺陷。

（3）基于計算機的生產規劃和調度，降低了生產成本，更好地利用了工廠產能。

（4）工廠分配的優化減少了設置時間。

（5）改進的規劃減少了庫存（原材料、完成品），更加靈活地面向需求生產。

（6）在運營與自動化層（ERP、MES、DCS）之間的廣泛數據交換使規程更加有效。

（7）過程的有效組織、監視和記錄，保證了法規的遵從性（如cGMP/ FDA）。

（8）批處理生產的快速數據分析和發布，導致了更低的成品庫存。

當然，實際的收益分析，只適用于特定的實例，因為不同任務的需求和范圍不能使用通用的方法來分析。

MES項目收益的數量完全由該系統引入前后的規程與相關成本的精確比較來確定。實際運行過程的外在效果，如更可靠的交付調度，避免合同處罰，以及減少人員中斷。

因此，目標/當前狀態分析，包括當前和未來過程的描述推薦作為項目準備的一部分，用于預期收益的評估。這項研究還展現了最大的潛力和一步一步把MES引入所有區域的行動。

當把這些模塊設計為廣泛自動化解決方案中的集成元件時，模塊之間的互動就產生了特別積極的影響。各個模塊的相關性依賴于特定的工廠和行業。假設項目總成本的1%（為大型連續工廠）至10%（如制藥廠）投資于MES，投資回報率一般在一到兩年完成。另外，難以計算的MES收益（軟收益）是進一步縮短了投資回報期。

圖1 MES潛力

在出版的相關技術報告中，描述了實施MES解決方案的收益，包括實現目標的步驟，以及額外的計劃和無法預見的影響。

本文的目的是對MES跨行業進行思考和評估。因此，這里還對已完成的項目進行了案例分析。雖然結果的內容有一定程度的

減少，為了強調目標的多樣性，在目標上僅強調了不同方面。

每個案例分析描述了工廠或過程， 在MES引進之前的情況，實施的MES解決方案，獲得的收益，另外的特定項目特性。如果可能，可對結果進行量化，考慮為案例提供絕對值。

1.1 生物制藥案例分析：全面的工廠自動化、ERP、MES、DCS

（1）過程說明

這項分析展示了一個生物技術工廠，生產活性生物制藥成分，為跨越多自動化層的綜合自動化案例。生產過程的典型階段包括材料準備、材料添加、反應器滅菌、接種、發酵、收獲、產品轉移和清洗。兩條準備線和八個發酵器是工廠的核心。總共80處處理單元已用整體概念集成，包括清潔單元（WFI、純化蒸汽、就地清洗），色譜和過濾。

（2）初始情況

在新建成的活性成分工廠中，運行過程和生產決策是用市場上的MES軟件來支持。早期階段，MES模塊通常作為獨立的應用運行，并且只與鄰近的自動化層進行通信，交換數據，使用特定接口完成控制系統功能。這通常導致了方法的多樣化，實施的互操作性不足，操作員的環境也不一致。

（3）MES解決方案

選擇現成的控制技術和MES軟件用于工廠的管理和控制。這個概念把兩部分實現為跨所有自動化級的集成環境，同時滿足監管要求。并作用于項目工程，控制配方規程和操作員處理。配方集中定義和管理，包括版本管理。在執行過程中，必要時把控制轉移到其它更適合的系統作為專門的子任務。此概念還包括移動的反應單元，用于手動規程的電子生成制造說明，綜合材料跟蹤，運營資產（設備、材料、人員）的優化利用，與實驗室、產品調度，以及面向業務企業軟件集成的質量數據接口。該系統包括了50臺計算機與服務器，60個過程控制器，20臺PLC和100多個操作員站。

自動生成和發布遵從監管的批處理報告是這個系統的附加特性。

（4）增值和收益

基于計算機的方案替代了基于紙質的文檔，顯著減少了產品發布前的費時規程，收集、驗證、數據編輯和發布所需的時間，從幾個星期減少到幾個小時，結果顯著且可量化。

所有應用階段的風險和成本由統一操作員環境和跨學科的綜合概念實現了最小化。項目工程的運營和質量保證共享一個標準化的系統，可訪問和顯示所有可用的生產數據。以前獨立運營的部門，現在結合成一個單元，基于共同定義的方法，導致費用的節省超過了30%。

圖2 集成自動化概念

該集成解決方案和基于計算機報告系統的整體經濟收益每年超過200萬歐元。這個數字還不反映定性結果，如提高了企業溝通，項目階段更有效和改進分析的收益，以及基于中央信息庫的規程優化。

（5）更多信息

整個項目大約在2年內完成。

1.2 食品和飲料案例分析：能量數據采集，作為投資決策支持

（1）過程說明

一家主要生產礦泉水和軟飲料的制造商，每年在一個工廠要灌裝200萬瓶。生產設施基本上由供水、糖漿單元和隨后的飲料混合、裝瓶廠組成。

輔助區提供生產用的熱水和蒸汽，以及加熱和清洗設施。

（2）初始情況

能源瓶頸，尤其在寒冷的冬日里，需要為加熱系統升級投資。需要替換在1978年安裝的6噸/小時蒸汽輸出的現有鍋爐。

新鍋爐的大小是這個項目的主要挑戰。大小估計的唯一基礎是最大利用率，現在僅有月數據。僅用這個基礎來精確計算熱水和蒸汽的需求是不充分的。

另外，工廠內的能量分布也是未知的，因為沒有各個單元的消耗量。

（3）MES解決方案

為了確定需求和提供可靠的決策支持，需要建立一個能量管理系統。除了測量燃氣和電力（主能量）的消耗量，該系統還要收集熱水和蒸汽（二次能源）的所需數據，并在高峰負荷期間控制關閉。

熱量表分別安裝在鍋爐房，以確定熱水的能量消耗。蒸汽流量計，燃氣表用于測量各個燃氣鍋爐的消耗，電表安裝在變壓器輸出以及各個單元。所有表均連接到現有的總線系統，并集成到能源管理系統。半年過去后，為投資決策已經收集了足夠的數據。評估表明：較小的蒸汽鍋爐有4噸/小時的輸出就足夠了。現

有的熱水鍋爐容量為2400千瓦，在冬季吸收加熱需求高峰時，舊鍋爐可保留作為備份。

圖3 熱量概圖

（4）增值和收益

由能量管理系統所提供的數據，顯示了特定產品特定生產單元制造所需的精確能量。這能夠對生產過程進行針對性優化。為了避開負載峰值，各個單元不再同時啟動。高峰負荷管理監視和控制工廠的通風，辦公室和控制室空調和污水處理。目標是長期減少工廠的電力需求高峰和燃氣供應儲備。計劃把負荷高峰從1850千瓦減少至1700千瓦，從而每年節省約10000歐元。燃氣儲備從4000千瓦時降低到3000千瓦時，每年可另外節省7000歐元。

1.3 煉油廠案例分析：長期規劃和調度

（1）過程描述

所分析的煉油廠容量為125000桶。除了原油加工，該公司還銷售初級石油產品，并給客戶提供應用支持。公司在同一站點還運營一個潤滑油調配工廠。

該煉油廠生產無鉛汽油、潤滑油等化工產品。由于無鉛汽油的需求變化，增加了高辛烷值產品的生產。

（2）初始情況

在很大程度上，用現有規劃工具管理已建的采購渠道和煉油廠的產品變化。由無鉛汽油市場要求的產品線變化需要新系統和靈活與及時材料規劃的建模工具。重點是在透明處理，使公司人員能夠管理和維護系統，最小化外部建模和系統專家的參與。新安裝的分階段引入必須重用現有系統的基礎設施，需要改進內部工作流和油罐數據管理。

（3）MES 解決方案

實現基于模型的解決方案需要分析可行性和替代產品策略，并執行煉油廠供應的月規劃。第一個模塊處理分期工廠轉換。初始期為汽油和柴油的硫減產，隨后轉移到無鉛汽油。煉油廠修改的復雜影響，以及新過程單元的影響透明顯現。這種透明度提供了對新系統重點的決策支持。

月規劃在第二個模塊中實施，管理供應鏈，包括原料的選擇和配送。它還設置目標，為特定市場優化生產和管理產品，庫存水平和產品分銷。在煉油廠的LP模型中使用跨部門規劃數據，確定調度和混合，以及計算APC應用參數。

全廠的數據信息系統提供當前的過程數據，例如更新模型值。

（4）增值和收益

該模型提供了各種參數的靈活分析，這些參數會影響工廠運行和煉油廠結果。為戰略和經濟規劃，以及實際規劃提供了綜合決策支持。然而，確切的經濟效果只能基于假設來量化。如果缺少基礎數據或缺乏靈活性，錯誤的戰略決策會造成明顯的經濟損失。

在原料成本方面，估計每年節省了約3百萬歐元（約5%）。

由于精確度提高且同時輸入數據，額外的收益是優化利用了混合單元和簡化了基于計算機的工作流。透明模型結構的簡化處理提供了額外的財務優勢。數據內容的培訓和支持比以前的解決方案有更好的性價比。

圖4 基于模型規劃的影響

2 總結與展望

從80年代末到90年代中，MES概念的主要特性由各個客戶特定的MES項目來體現。在很多成功應用的同時，也有些因軟件開發困難而放棄，這是那段時間的典型狀態——規范不完整，不佳的預測開發成本，以及成本超支和錯過最后期限而取消了整個項目。對MES最初的興奮后來逐漸被失望所替代，對MES的部署和收益也變得更加懷疑。這導致今天MES應用在不同行業的發展明顯不均勻。復雜性越高，生產越靈活，產品變化越多，用MES模塊生產的收益就越大，接受的程度也越大。今天，大批量生產，例如在汽車工業中，沒有MES是不可想象的。

本文的目的是要說明MES解決方案在不同行業應用的可能性，提供了與供應商無關，當前可用可行的方案概述。早期MES實施的問題已經解決。用戶和供應商已經吸取了教訓，創建了一種基于標準如IEC62264的共識和語言。由于目標不是針對個別項

目，所以MES解決方案主要由可配置模塊組裝而成。可配置部分通常可達60%~70%，客戶特定擴展的部分大約為30%~40%。

基于已建的企業執行模型數據結構和在應用之間透明數據傳輸的標準化，將大幅推進MES應用的創新和部署。

應用的復雜性要求對MES項目的成功和收益做持續檢查，許多項目已經反復證明了MES的經濟效益。MES的目標必須根據各自的需求而相應地實現。同時，增加工業專業知識人才的數量和質量能確保企業更好地優化與高產。

早期本地和企業內的IT基礎設施（重新）配置特別重要。這可用于網絡結構和基本數據結構，以及信息安全。

如果長期的MES維護成本和人員都包含在項目中，未來MES項目的成功幾乎可以保證。

未來要把握什么？

如上面所示，生產調度、執行以及企業信息流的集成和互聯為技術上可行，經濟上必要。因此，MES解決方案在所有行業的進一步發展是符合邏輯的。解決方案和系統位于企業模型的第3級（生產運營管理），就像今天在第4級的IT解決方案（業務規劃和物流）和在第2級的自動化解決方案（過程管理和數據采集）一樣普遍。

企業的集成越來越需要考慮企業內三個軸的協同：

· 企業軸：規劃—管理—生產；

· 供應鏈軸：供應商—生產—客戶；

· 生命周期軸：開發—生產—支持。

鑒于這些要求，單一和無所不含的MES概念必須退役。未來要依靠多個應用的協作，這些應用分布在不同功能級（ERP、MES和過程控制），企業區（生產、維修、質量和庫存管理）和不同軸（企業、供應鏈、生命周期）。

面向服務的架構（SOA），用XML交換交易數據和Web服務等技術，方便訪問。

用戶必須授權優化執行任務，提供賬號和基于Web的門戶，訪問所有企業級的應用和概覽。同時，應用的特定分布和互動對用戶是透明的。

在未來，會有越來越多的并行仿真和實時優化。這些將根據特定的標準決定最佳生產狀態，并由此支持決策過程。

MES未來承諾：為用戶提供更多的價值和收益，為供應商提供更令人興奮的發展機遇。

總之，本文作者祝愿所有的讀者都能成功地實施MES項目。

華镕，男，1982年畢業于北京科技大學自動化系，現任羅克韋爾自動化（中國）有限公司全球標準及貿易部中國地區經理。

News [ 新聞 ]

研祥創新格局，助力高端裝備成就工業新引擎

2015年11月27日下午，研祥攜手國家特種計算機工程技術研究中心、中國工控機產業聯盟在上海舉行了以“創新格局 助推工業互聯”為主題的高端裝備技術報告會。

會議邀請了國家公安部第三研究所網安中心副主任吳松洋博士、同濟大學交通運輸學院副院長、博士生導師董德存教授、研祥智能副總經理孫煜先生、研祥智能副總經理陳超先生，還有來自微軟、聯強國際等行業內的資深技術專家、行業知名媒體，及行業集成商、企業用戶代表等120多人出席會議。會上，嘉賓們不僅針對“高鐵時代的智慧城市新常態”舉行了高峰論壇，董德存教授和吳松洋博士分別就“軌道交通與工控核心平臺的關系”、“工控信息安全為智慧城市建設保駕護航”議題做了即興演講，嘉賓們還就“從高鐵到大飛機，高端裝備制造業升級之路”和“智慧城市新常態呼喚工控信息安全”議題進行了高峰對話，研祥也分享了如何解讀高端裝備給行業帶來的市場機遇，并就此對研祥推出的新品和案例做了簡要解讀。

數據顯示，“十一五”時期，國內整個裝備制造業處于中低端水平，高端裝備制造占到8%左右。到“十二五”時，評估預期將達到20%左右。2014年，我國裝備制造業主營業務收入達到30.7萬億元，連續5年居世界首位。《中國制造2025》提出“十二五”期間，中國高端裝備制造主要從基礎零部件和關鍵元器件，也就是從強基工程等方面來加大技術改造，而在“十三五”期間，則將焦點集中在十大類高端裝備方面。

眼下，世界正進入新一輪工業革命浪潮，我國“十三五”規劃也即將出臺。面對如此關鍵的戰略機遇，高端裝備作為“十三五”期間的工業新引擎，將突出體現在軌道交通、能源等行業或領域的技術設備進步上，尤以高鐵、地鐵、能源（風電、電力）、視頻監控（智能交通、智慧城市）、數控機床及軍工裝備等最受關注，其對工控核心平臺的需求空間無可限量。

研祥將持續提供高可靠的產品、服務、技術應用解決方案，并透過設立國家特種計算工程技術研究中心，組建深圳市海洋產業協會，籌辦中國工控機產業聯盟，聚集行業內相關重點單位，牽頭組織工控機上下游產業相關單位，力圖在持續推動工控核心平臺創新水平基礎上，助推高端裝備制造行業整體升級，全方位成就“中國工業新引擎”。