MES 系統應用于水廠的管理實踐

李 柱

（上海城投水務（集團）公司制水分公司，上海 200082）

0 引言

在當今信息化高速發展，產品更新換代加快的大數據時代，隨著工業化和信息化融合的深入推進，傳統的生產管理模式已經難以支撐企業的快速發展，急需采用信息化手段提高企業生產效率和管理水平，進一步提高產品質量。而MES（Manufacturing Execution System，制造企業生產過程執行管理系統）將精益思想融入到信息化的生產全過程中發揮了重要作用。作為傳統的流程型公用服務行業，水廠通過MES 系統的平臺開發和業務再造，實現了提質降本增效保安全的精細化管理預期目標。

1 MES 的應用背景和功能

MES 是美國一家管理公司在20 世紀90 年代針對企業信息系統提出的一個概念，它能夠對一個產品從訂單下達、到產品出廠的整個流程進行優化管理，對生產過程中的突發事件，能夠快速反應出具體出現問題的環節，并根據生產數據對事件進行報告和處理，從而提高企業對生產活動的高效控制，它是位于上層的計劃管理系統與底層的工業控制之間的面向車間層的管理信息系統。

制造執行系統協會（MESA）于1997 年提出了MES 功能組件和集成模型，包括制造資源分配與狀態報告、詳細工序作業計劃、生產調度、車間文檔管理、數據采集、人力資源管理、質量管理、工藝過程管理、設備維修管理、產品跟蹤和業績分析共計11 個功能模塊，2004 年MESA 又提出了系統MES 體系結構（c-MES），對MES 的定義進行了進一步的拓展，為MES 的進一步普及發揮了重要的作用。

2 水廠對MES 系統的需求分析

傳統的制水廠屬于典型的流程型制造企業，具有承擔經濟效益和社會效益并重的特征，一方面要確保提供的自來水量足、質優、穩定，而且要在確保生產安全的基礎上實現生產成本降低、管理效能提高，通過梳理制水廠的工藝流程與業務流程，根據傳統制造業人、機、料、法、環五要素的管控要求，主要有4個方面的需求。

（1）智能排產管理需求。供水廠的生產負荷隨著氣溫、工程或用戶的需水特點呈現每天24 h 不斷變化的規律，同時設備的月度維護、年度檢修或更新改造等都會導致產線的停役或調整，需要能夠具備動態的智能排產、排程的功能，以最大化地滿足供水需求。

（2）設備設施管理需求。設備設施的健康狀態是維持安全生產和優質供水的前提，也是生產企業安全的基礎。設備設施在役狀態下不僅需要點檢、專業巡檢、月度維護、季度維護，而且需要年度大檢修或者返廠徹底整修等，其業務管控流程需要通過系統或平臺實現檢維修全過程的物料供應、作業審批、現場管理等環節。

（3）產品質量追溯需求。隨著SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制）系統的普及和物聯網的發展，制水廠普遍通過海量的數據采集來監視過程控制環節。產品質量是企業的生命線，隨著自來水作為第一食品的理念逐漸成為企業追求的核心目標，HACCP（Hazard Analysis and Critical Control Point，危害分析和關鍵控制點）食品級管理體系逐漸在自來水行業普及應用，結合ISO 9001 質量管理體系，制水廠需要通過平臺或系統實現自來水從源頭到龍頭的全過程質量控制，并建立起異常預警、故障報警、協同處置等規范流程和機制。

（4）生產安全管控需求。各制造型企業根據風險辨識和分級管控的雙重預防管理要求，都會制定出體系化管控流程和標準，結合當前智能穿戴、人員定位以及數字孿生等技術，安全管理的方式方法得到了質的飛躍，傳統的安全管控模式已經無法適應，需要通過系統來進行整合和實施。

除此之外，在物料拉動、人員績效、分析評價方面也需要開發和搭設平臺，實現協同、高效管理，走向數字化轉型之路。

3 供水廠MES 系統建設思路和功能設計

根據MES 系統的核心理念、結合制水廠的業務特點，圍繞“人、機、料、法、環”五要素，始終以“執行為要、貫穿精益、智能引領”為原則來開發設計制水廠的MES 架構和功能板塊。

3.1 水廠MES 定義

水廠MES 是以實現供應高品質飲用水為最終目標，通過采集生產全過程有效數據，并結合水廠管理體系制度，圍繞作業計劃、生產調度、設備運維、員工績效等多種生產要素進行數據加工、信息傳遞、敏捷響應和協同處置，從而提高生產運行管理水平和制水供應保障能力。

3.2 水廠MES 系統架構

MES 制造執行系統是計劃與生產之間承上啟下的實時信息通道，使生產過程變得透明并可以追溯，水廠MES 系統以計劃、執行、反饋為業務核心，向下采集SCADA 數據，向上傳達生產信息，具體系統架構如圖1 所示。

圖1 水廠MES 系統架構

3.3 水廠MES 功能設計

MES 系統的功能設計要體現提升生產過程管控能力、加快計劃編制執行效率、提高產品管理能力、提高業務執行效率、提升安全管控水平等5 個方面的特征，水廠通過業務流程再造后設計的功能模塊見圖2。

圖2 水廠MES 系統功能設計

（1）作業計劃。根據年度供水量預測，年度檢修計劃以及更新改造項目等綜合初定水廠本年度月度供水量計劃，并通過時差系數、節假日特點、歷史規律以及考核指標智能排產出日生產計劃，并實現不斷修正和優化。

（2）運行監視。通過采集和加工生產全過程實時數據（含水質水量、設備設施及儀器儀表等運行狀態數據、物料消耗實時數據、人員信息數據、生產環境數據等）根據不同使用者（運行人員、保障人員、管理人員等）定制預警或報警信息，并按照響應等級、處置流程自動匹配工單，以工單為核心驅動業務協同，提高處置能效。

（3）質量控制。以出廠水評價指數和實時在線檢測數據為基礎，以自動化實驗室檢測數據為標準，建立全流程質量追溯透視圖，通過對原水和出廠水的地方標準關鍵指標和評價指數關鍵因子進行統計分析，對輔料質量（有效含量、濃度、比重）進行在線監視，實現質量全過程受控。

（4）設備管理。以生產車間硬件（設備設施、儀器儀表、自控網絡、安防設施、輔助設施）等作為設備管理對象，以設備全生命周期管理體系文件為支撐，通過設備狀態的監視和感知設備的預判，實現設備維護、保養、檢修的可視化、流程化，并通過工單方式實現與生產運行之間的密切協調和無縫對接。

（5）資源協同。以制造成熟度模型評估中引領級標準打造制水生產過程的物料拉動自動化（含輔料、污泥外運、備品備件、化學試劑、辦公用品等），并逐漸以區域化概念管理庫存和備品備件，發揮規模效應和互備優勢，減少沉淀成本。

（6）安環管控。以《城鎮供水企業安全生產標準化規范》為體系指引，以“風險分級管控”和“隱患排查治理”雙預防機制為核心，融入“安全檢查全時域”管控方法，結合治安、反恐、消防、職業健康、環保等制度要求，形成模塊化管控流程，通過應急演練模式鞏固提升安全管理水平。

（7）員工績效。以“數字員工”建設為目標，量化員工績效考評內容，以生產能效、產品質量作為運行員工的考評依據，以工單數量和質量作為維護員工的考評參考，并將各水廠的考核指標分解到該體系中監視和受控。

（8）平臺互聯。將水廠MES 作為業務中臺功能進行開發，工控系統、物資采購系統、辦公系統、財務系統等實現平臺間的互聯互通，達到數據共享、業務協同的目標，從而為“數字業務化”和“業務數字化”相融合創造可能性。

（9）分析評價。以管理者的角度，圍繞企業核心業務從MES系統中運行的業務信息中提煉總結，定制化不同業務板塊中的KPI 指標，并進行監控，為及時優化調整提供參考，從而實現PDCA（計劃（plan）、執行（do）、檢查（check）、處理（act））持續改進良性循環。

（10）系統維護。實現對MES 系統的維護管理、功能開發、權限管理等基本功能。

4 MES 系統應用實踐經驗

以MES 系統作為業務管控的重要平臺，水廠以十大功能模塊為抓手，系統性建立起數字化運維的新高度，MES 界面如圖3所示，并取得了如下的實踐經驗。

圖3 水廠MES 首頁

（1）提高供水水質。通過MES 系統不僅建立了分級分責的預警報警管控機制，生產異常后的有效響應水平得到了提高，而且精準化、高效化的原材料配置和調整讓生產全過程實現了精細調整、精確控制，產品質量得到了明顯的提升。

（2）提升運維效率。通過MES 系統實現了不同業務部門的“線上協同”，數據多“跑路”不僅節省了時間成本，而且提高了決策能力，有助于生產運行和設備設施維護的水平提高。

（3）降低制造成本。通過MES 系統，物料拉動、生產過程中浪費的成分得到了徹底的擠壓，不合格品的總量下降明顯，作業班組的配置更加經濟可靠，制水直接成本明顯下降。

（4）保障生產安全。MES 系統能夠更好地發揮和鏈接底層智能感知設備，例如預防性檢維修、視頻安防平臺、煙感系統、消防系統等，提高了安全生產管理水平。

5 總結

MES 系統是面向制造企業的管理系統，制水廠在數字化轉型發展的關鍵階段引入MES 系統作為業務管理的業務核心平臺，圍繞生產五要素、按照PDCA 戴明環理念實現了業務流程的改進和再造，從而提高了產品質量、降低了生產成本，也保障了生產安全。下一步將結合數字孿生與仿真平臺進一步加載各類水質、水量模型以提升MES 系統的功能，走出兩化融合的新路徑。