MES在各行業中的需求與解決方案（五）

MES在各行業中的需求與解決方案（五）

羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕

啤酒行業的特點是工廠的能力可大可小，變化很大。小啤酒廠的規模約為每年生產20萬升啤酒，即40萬瓶0.5升的啤酒；而德國最大的啤酒廠每年可生產約5億升啤酒，還有跨國啤酒企業的產量有的高達10億升/年，有些啤酒廠的生產能力甚至超過這個數字。酒廠規模的大小對自動化和MES也產生了不同的需求。在小型啤酒廠，一般只有釀造廠房和一些清洗設備形成“自動化孤島”自動運行。起步的產量約為1千萬升/年，啤酒廠用一套完全集成的自動化解決方案控制整個生產過程。大型啤酒廠則完全依靠生產設備的自動化運行，由中央控制室監視。

MES的主要功能是保證質量，生產調度支持，包括物流和庫存的數據，并用產品質量和效益評估生產。

MES系統的核心功能是面向目標的生產支持。專有系統超出辦公軟件產品范圍的情況，通常可以在年產量5千萬升的啤酒廠中找到。釀造業一直都在考慮大型化和國際化的運營模式，對不同工廠選定的性能指標進行比較也變得越來越重要。而MES正好能夠提供這些性能指標。

生產企業的內部設施主要分為兩個區域，分別是釀造和裝瓶，即啤酒原漿的生成和各種瓶子的灌裝，最后成為準備銷售的啤酒。這兩個區域是不同的部門，需要不同MES功能。下面的敘述著重于生成過程，即釀造部分。

1 典型運行的一般描述

啤酒的準備部分分成四個過程單元：

（1）筒倉區域 = 原料儲存；

（2）釀造廠房 = 麥汁準備；

（3）發酵酒窖 = 發酵過程；

（4）過濾啤酒 = 啤酒過濾，準備裝瓶。

在大多數情況下，所用的原料是麥芽和啤酒花。酵母在生產過程中生成并再產。消耗的材料是清潔劑和助濾劑。副產品包括酒糟，酵母和助濾劑。

由于完整的釀造過程需要約4周時間，為了保證必要的生產時間，銷售需要進行相應地預測。

原料的質量變化和市場的口味變化，需要產品不斷創新以及靈活的配方管理。這個功能通常在控制系統級就可以實現。配方在單元級或設備級上定義。廠級或通用配方已不太常見，偶爾存在于制造的說明書上。從80年代以后，啤酒廠已普遍采用在控制系統內實現配方。

各個過程工位的生產調度：

筒倉區

（1）從ERP系統得到原材料的采購規劃；

（2）在ERP內發貼，或在集成環境下，通過MES反饋給ERP；

（3）庫存水平和消耗，從MES反饋到ERP。

釀酒廠

（1）規劃時限：1個星期；

（2）相對較少的變化（大約1～10）；

（3）按釀造線規劃釀造過程（如圖1所示）。

圖 1 使用罐調度支持調度功能

（4）發酵窖（下一階段）的容量決定了同一釀造的順序號；（5）為規劃輸入參數（如圖2所示）。

圖 2 在MES中自動關聯資源和過程執行

· 發酵窖中的目前液位，填補發酵窖中丟失容量。

· 根據選擇釀造的品種，預測長期銷售。這決定了這種釀造類型要生產的數量。作為規劃的一部分，還要把該總量分成為多個批次（啤酒）。

· 計劃的不確定性是由于釀造生成與成品啤酒銷售中間存在2～4星期的延遲。

發酵酒窖

（1）酒罐的灌裝是按釀造規劃決定的；

（2）1～4周的批次時間；

（3）酒罐的排空是由過濾規劃決定的；

（4）在發酵窖中其余的工作（酵母培養、清洗）作為每周調度的一部分執行。

成品啤酒裝瓶的過濾和交付

（1）規劃時限為2至3天；

（2）相對多的品種數量（約為5～50種）；

（3）裝瓶要快速適應規劃的變更；

（4）裝瓶的典型緩沖時間小于1天。

生產調度主要由工廠和設備的可用性決定，而不是由原材料決定。

人員規劃

這項工作與所提的能力要求差不多。因此，每個班次的人員規劃要有足夠的人數。這可以通過簡單的列表完成。

生產準備要求

（1）原材料供應是ERP系統的責任；

（2）所需設備單元和路線的選擇與分配；

（3）檢查批次（質量發布）以及設備（清洗）的必要狀態；

（4）考慮了從過程控制系統或MES得到的當前過程狀態后，對下一個處理步驟提出要求。

生產執行要求

（1）自動化過程的監視；

（2）為手動任務描述完成工作流程；

（3）在MES中獲得生產和消費量數據；

（4）觸發所需樣品的收集和質量保證的分析；

（5）根據質量結果，為進一步的處理阻止或釋放批次；

（6）在生產結束時請求清洗。

生產評估要求

（1）從該過程控制系統獲得批處理數據；

（2）合并所有相關的數據（DCS、實驗室信息管理系統、手動收集）；

（3）根據規范檢查選擇的數據點；

（4）對與目標值產生偏差的批次進行快速檢查，這有助于對生產問題的識別；

（5）對沒有產生缺陷批次的百分比評估；

（6）根據有限數量的性能指標，評估生產目標；

（7）用驗證的收集數據，評估生產批次的管理；

（8）可能需修正所有收集數據，其中包括自動收集的數據。當把數據導出到ERP系統時，錯誤數據會導致無用和引起問題。

2 通過MES功能支持運行

（1）資源管理

生產 質量 維護 庫存概述· 單元和子單元分配可能在控制系統層發生。這是在單元類中根據單元設備指定的· 不靈活，技術修復過程運行設備· 在DCS中管理資源· 在單元上可以修復過程規范· 經常在不同生產線有相同的功能（例如2條釀造線，有多個罐裝和排空路經）· 生產狀態管理在DCS中執行· 保持過程狀態：如：灌裝、填充、排出、清空、清洗等以及衛生狀態（使用了、清洗了、消毒了）；狀態遵從S88.01規程材料· 從ERP發出材料類和材料的轉移指令· 在DCS中把材料類分配到過程· 在DCS中把材料分配到配方員工· 需要時，把所有自動化人員分配到所有生產區域· 在MES中，很少做人員規劃產品屬性要求· 收集需要的質量數據成分屬性的收集和評估· 相關成分屬性的分析和存儲· 評估（接受或拒絕）· 對生產要求影響的評估，必要時需要調整參數管理· 檢測設備和檢測手段· 由實驗室或生產人員分析績效戰略決策：情境或預防性維護· 規劃設備停頓和維修（周期）· 設想情境維護· 計劃人員要與預計運營階段和短期需求相吻合材料的需求和容量規劃ERP · 關鍵原料的長期供應合同（麥芽/酒花）· 參考去年的數據MES · 決定并管理當前和歷史的庫存（MES往往引導ERP）· 對ERP反饋消耗和生產數據· 分配過程工單（根據連接的ERP）· 核對當前的庫存水平

（2）定義管理

生產 質量 維護 庫存制造規程和配方的定義· 規程和配方中的參數在DCS中定義· 區別：設備參數、工藝參數、產品參數· 通常在單元類級定義規程，在具體單元級定義配方。例外的是罐區，配方僅在類級存在· 為手動任務鏈接SOP規范· 為存儲在DCS中的參數輸入限值· 對質量相關參數限值的定義在MES中進行 =〉必須選擇· 如果不期望質量缺陷，按規范檢查才有意義· 批次分類“不在規范中”· 規范需要經常維護，否則有糟糕的評估風險LIMS接口· 多數規范已存在實驗室信息系統中· 實驗室要對DCS反饋超限信息· 質量相關的現場測量要報告給實驗室材料特性規范· 成分質量· 成分檢測和公布規程· 產品質量質量數據調整· 工單相關的調整機制創建、發布和控制· 檢測方法· 檢測規程· 建立限值· 成分公布/限制· 修補批次發布/限制與DCS的界面· 通過在線界面發布質量· 反饋到批次級對運行維護周期和標準的要求· 維護工單規程· 維護清單（設備、人員）· 確定維護間隔· 維護要求的限制創建、量化、發布和控制· 測量校準周期· 對選擇的組件，根據工作小時（周期）面向對象的維護計劃· 設備區的全面維護（預定關機的服務）庫存量的修正條文（備份量）· 最小化庫存水平· 庫存定義的天數

（3）詳細調度

生產 質量 維護 庫存工廠設備和生產分配調度· 從ERP或供應鏈管理軟件傳送生產要求· 釀造廠：在DCS中把ERP（每個產品數量）的生產要求拆分成生產批次（釀造）· 發酵：分別從產品狀態或清潔要求進行必要的處理，無高一級規劃· 過濾：根據目前的庫存水平和從ERP的裝瓶規劃為裝瓶提供過濾啤酒· 在DCS中分配運行生產單元（生產線/路線、單元、容器）· 根據需要變更短期規劃· 也在MES中顯示設備分配狀態和生產狀態根據質量標準物流規劃調整· 在生產過程中計劃分析· 從當前的批次信息中創建采樣計劃規劃數據的交接· 到維護管理模塊成份· 根據庫存水平和生產規劃征調遞交產品· 為要求的數量優化裝瓶規劃，最小化空閑時間

（4）分派

生產 質量 維護按照預定和當前運行數據優化工廠設備分配· 在DCS中存在所有的功能· 手動或者根據設備的可用性啟動生產· 自動選擇可用的單元（請求如過程清洗）· 在不同工藝階段通過MES模塊解耦操作員行為· 用固定的批量生產，按照工廠規模預先定義限制范圍為運行生產活動分配工單· 為中間可能需要的清洗分配工單（通過DCS實現自動化）· 反饋過程狀態，作為規劃依據工單分配· 提取樣品· 分析設備的分配根據當前需求在線規劃和調整資源· 人員需求

（5）執行管理

生產 質量 維護 庫存優化管理和生產單元控制· 信條：沒有MES必須也能生產· 用配方控制自動或半自動運行規程· 在DCS中管理離散和調節控制設備的可變參數集（配方內容）· 自動路由控制· 批次的混合、計量、選擇和取消可靈活選擇，如像單元是分離的· 可平滑切換酒罐的變更，雖然在批次開始時所需罐的數量不固定過程控制· 在MES中監視過程狀態· 當前違反規范的列表· 在MES中評估生產（KPI）產品質量· 生產運行時，在線測量產品質量執行分析· 在線訪問檢測工單和規程· 反饋分析結果· 制作結果文檔反應· 阻止或釋放成分和/或生產批次下指令·傳輸給DCS維護工單的控制和監視· 運行周期，小時的收集· 現場設備的校準間隔· 在線訪問作業工單、服務計劃、文件和規程商店· 自動發布交貨時間· 送貨單數據分配· 人工庫存移動的收集（如集裝箱貨物）；材料入庫和生產分配水平· 預訂使用的材料，發布生產量· 預訂空狀態修正· 當前水平的人工庫存· 反饋給ERP

（6）數據收集

生產 質量 維護 庫存收集和顯示當前處理的數據（控制系統）· 給MES報告所有批次，主要在運行級（開始時間和結束時間，整個過程運行時間，材料識別，使用的配方版本等）· 根據相應的過程或連續改進過程（CIP）對工單分類，作為報告的基礎為生產運行定義，收集和備案通用質量指標· 實驗室數據收集：從過一旦設備變化更新維護數據· 維護工作記錄消耗/生產· 材料移動（批次ID，存儲位置，材料，數量等）

· 使用當前和最近（天，周）的運行參數，這些參數由控制室的操作員歸檔在控制系統組件中長期歸檔· 為當前或未來的分析，收集和歸檔工廠范圍內的運行數據；通常這些參數用在控制室外電子數據記錄· 記錄所有與批處理或生產進展相關的事件和操作員操作· 從DCS把批次事件（操作員操作，報警，報告值）傳遞給MES中的批次數據·從LIMS系統把分析數據傳遞給MES中的批次數據程和實驗室收集和存儲分析數據電子數據記錄· 檢測工單和分析結果· 負責員工· 收集運行周期· 收集運行時間· 維護工作后復位表值· 建立批次關系（鏈接源與目標批次）· 為過程批次分配消耗/生產· 材料預定方法

（7）跟蹤

生產 質量 維護 庫存生產對象跟蹤· 創建濃縮生產概述· 生產參數、損失、消耗· 查明KPI · 跟蹤分配時間報告· 預定義“標準報告”，涵蓋經常性報告任務· 用戶可配置報告查詢，提供更強的選擇標準和組合能力· 數據傳遞到MS Excel，然后在MS Excel中進一步處理生產評估· 每個批次的所有相關值應在規范范圍內· 在規范內的批次數量是1個規范值質量參數的目標與實際評估以及顯示· 當分析值超出公差范圍時，產生報警維護數據調整· 保持周期服務庫存水平· 庫存概述 – 當前水平或指定時間的水平· 庫存位置歷史· 批次跟蹤· 材料庫存移動材料移動· 主要產品流動：從麥芽接收，然后到釀造廠，發酵，過濾，最后到裝瓶生產線· 在極少數情況下，從釀造鏈接到裝瓶線的灌裝機· 如果副產品要出售到制藥或食品和飲料行業，跟蹤副產品（酵母）是有意義的

（8）分析

生產 質量 維護 庫存分析計劃情況與實際情況· 時間差異分析· 生產要求與運行數據的比較報警，事件和消息列表的評估· 從DCS的數據分析報警，事件和消息生成電子批記錄· 批次的定時進展· 質量相關測量的趨勢圖材料跟蹤或材料家譜· 概述：在批次中用了什么成分？· 概述：哪個批次中使用了特殊成分？統計分析評估· KPI · OEE分析· 基于MES數據的在線分析過程（OLAP）質量數據的分析和記錄· 生成統計評估：KPI · 質量數據的變化· 在中長期生產中質量進步的指示質量監視，評估和記錄· 質量相關差異維護數據的分析和記錄· 運行時間、人員開支、問題設備· 參數· 查明事件驅動維護措施的數量（成本、生產損失）· 資源需求和成本庫存數據的分析和記錄· 消耗、庫存水平· 與運行數據相關聯· 成分利用的程度· 評估交付完整性（到期日，數量）

雖然本文介紹的是啤酒行業，但也適用于類似的食品和飲料行業。

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。