MES应用的收益和总结

MES应用的收益和总结

罗克韦尔自动化（中国）有限公司 华镕

1 附加值和收益

MES的运行使用已经超过了二十年。那些已经完成的项目证实了应用的收益和附加值。在现实中，每个新项目的经济效益被不断评估和复查。其原因是项目的多学科和关系复杂，很难定义一个普遍适用的量化收益方法。

MES附加值和收益并不是一个简单的问题，其收益是企业改进的效率和流程。像运行数据准确性、及时可用性、提高产量、降低成本和增加客户满意度等因素是主要成就。

因此，MES解决方案是企业追求卓越运营的一个关键因素，与运行过程的分析和优化密切相关。

以下几个区域显示了与使用MES的优化潜力相关：（1）库存和产能的透明度提高，从而：

·在订单录入时可在线访问可能的交付日期；

·改进了要求的交付日期和总交付成本方面的分析；· 更快的规划和订单履行；· 提高了交付的可靠性；· 响应变化的灵活性更高；· 更高效的工厂利用率。

（2）所有重要生产参数基于计算机的永久监视，降低错误和缺陷。

（3）基于计算机的生产规划和调度，降低了生产成本，更好地利用了工厂产能。

（4）工厂分配的优化减少了设置时间。

（5）改进的规划减少了库存（原材料、完成品），更加灵活地面向需求生产。

（6）在运营与自动化层（ERP、MES、DCS）之间的广泛数据交换使规程更加有效。

（7）过程的有效组织、监视和记录，保证了法规的遵从性（如cGMP/ FDA）。

（8）批处理生产的快速数据分析和发布，导致了更低的成品库存。

当然，实际的收益分析，只适用于特定的实例，因为不同任务的需求和范围不能使用通用的方法来分析。

MES项目收益的数量完全由该系统引入前后的规程与相关成本的精确比较来确定。实际运行过程的外在效果，如更可靠的交付调度，避免合同处罚，以及减少人员中断。

因此，目标/当前状态分析，包括当前和未来过程的描述推荐作为项目准备的一部分，用于预期收益的评估。这项研究还展现了最大的潜力和一步一步把MES引入所有区域的行动。

当把这些模块设计为广泛自动化解决方案中的集成元件时，模块之间的互动就产生了特别积极的影响。各个模块的相关性依赖于特定的工厂和行业。假设项目总成本的1%（为大型连续工厂）至10%（如制药厂）投资于MES，投资回报率一般在一到两年完成。另外，难以计算的MES收益（软收益）是进一步缩短了投资回报期。

图1 MES潜力

在出版的相关技术报告中，描述了实施MES解决方案的收益，包括实现目标的步骤，以及额外的计划和无法预见的影响。

本文的目的是对MES跨行业进行思考和评估。因此，这里还对已完成的项目进行了案例分析。虽然结果的内容有一定程度的

减少，为了强调目标的多样性，在目标上仅强调了不同方面。

每个案例分析描述了工厂或过程， 在MES引进之前的情况，实施的MES解决方案，获得的收益，另外的特定项目特性。如果可能，可对结果进行量化，考虑为案例提供绝对值。

1.1 生物制药案例分析：全面的工厂自动化、ERP、MES、DCS

（1）过程说明

这项分析展示了一个生物技术工厂，生产活性生物制药成分，为跨越多自动化层的综合自动化案例。生产过程的典型阶段包括材料准备、材料添加、反应器灭菌、接种、发酵、收获、产品转移和清洗。两条准备线和八个发酵器是工厂的核心。总共80处处理单元已用整体概念集成，包括清洁单元（WFI、纯化蒸汽、就地清洗），色谱和过滤。

（2）初始情况

在新建成的活性成分工厂中，运行过程和生产决策是用市场上的MES软件来支持。早期阶段，MES模块通常作为独立的应用运行，并且只与邻近的自动化层进行通信，交换数据，使用特定接口完成控制系统功能。这通常导致了方法的多样化，实施的互操作性不足，操作员的环境也不一致。

（3）MES解决方案

选择现成的控制技术和MES软件用于工厂的管理和控制。这个概念把两部分实现为跨所有自动化级的集成环境，同时满足监管要求。并作用于项目工程，控制配方规程和操作员处理。配方集中定义和管理，包括版本管理。在执行过程中，必要时把控制转移到其它更适合的系统作为专门的子任务。此概念还包括移动的反应单元，用于手动规程的电子生成制造说明，综合材料跟踪，运营资产（设备、材料、人员）的优化利用，与实验室、产品调度，以及面向业务企业软件集成的质量数据接口。该系统包括了50台计算机与服务器，60个过程控制器，20台PLC和100多个操作员站。

自动生成和发布遵从监管的批处理报告是这个系统的附加特性。

（4）增值和收益

基于计算机的方案替代了基于纸质的文档，显著减少了产品发布前的费时规程，收集、验证、数据编辑和发布所需的时间，从几个星期减少到几个小时，结果显著且可量化。

所有应用阶段的风险和成本由统一操作员环境和跨学科的综合概念实现了最小化。项目工程的运营和质量保证共享一个标准化的系统，可访问和显示所有可用的生产数据。以前独立运营的部门，现在结合成一个单元，基于共同定义的方法，导致费用的节省超过了30%。

图2 集成自动化概念

该集成解决方案和基于计算机报告系统的整体经济收益每年超过200万欧元。这个数字还不反映定性结果，如提高了企业沟通，项目阶段更有效和改进分析的收益，以及基于中央信息库的规程优化。

（5）更多信息

整个项目大约在2年内完成。

1.2 食品和饮料案例分析：能量数据采集，作为投资决策支持

（1）过程说明

一家主要生产矿泉水和软饮料的制造商，每年在一个工厂要灌装200万瓶。生产设施基本上由供水、糖浆单元和随后的饮料混合、装瓶厂组成。

辅助区提供生产用的热水和蒸汽，以及加热和清洗设施。

（2）初始情况

能源瓶颈，尤其在寒冷的冬日里，需要为加热系统升级投资。需要替换在1978年安装的6吨/小时蒸汽输出的现有锅炉。

新锅炉的大小是这个项目的主要挑战。大小估计的唯一基础是最大利用率，现在仅有月数据。仅用这个基础来精确计算热水和蒸汽的需求是不充分的。

另外，工厂内的能量分布也是未知的，因为没有各个单元的消耗量。

（3）MES解决方案

为了确定需求和提供可靠的决策支持，需要建立一个能量管理系统。除了测量燃气和电力（主能量）的消耗量，该系统还要收集热水和蒸汽（二次能源）的所需数据，并在高峰负荷期间控制关闭。

热量表分别安装在锅炉房，以确定热水的能量消耗。蒸汽流量计，燃气表用于测量各个燃气锅炉的消耗，电表安装在变压器输出以及各个单元。所有表均连接到现有的总线系统，并集成到能源管理系统。半年过去后，为投资决策已经收集了足够的数据。评估表明：较小的蒸汽锅炉有4吨/小时的输出就足够了。现

有的热水锅炉容量为2400千瓦，在冬季吸收加热需求高峰时，旧锅炉可保留作为备份。

图3 热量概图

（4）增值和收益

由能量管理系统所提供的数据，显示了特定产品特定生产单元制造所需的精确能量。这能够对生产过程进行针对性优化。为了避开负载峰值，各个单元不再同时启动。高峰负荷管理监视和控制工厂的通风，办公室和控制室空调和污水处理。目标是长期减少工厂的电力需求高峰和燃气供应储备。计划把负荷高峰从1850千瓦减少至1700千瓦，从而每年节省约10000欧元。燃气储备从4000千瓦时降低到3000千瓦时，每年可另外节省7000欧元。

1.3 炼油厂案例分析：长期规划和调度

（1）过程描述

所分析的炼油厂容量为125000桶。除了原油加工，该公司还销售初级石油产品，并给客户提供应用支持。公司在同一站点还运营一个润滑油调配工厂。

该炼油厂生产无铅汽油、润滑油等化工产品。由于无铅汽油的需求变化，增加了高辛烷值产品的生产。

（2）初始情况

在很大程度上，用现有规划工具管理已建的采购渠道和炼油厂的产品变化。由无铅汽油市场要求的产品线变化需要新系统和灵活与及时材料规划的建模工具。重点是在透明处理，使公司人员能够管理和维护系统，最小化外部建模和系统专家的参与。新安装的分阶段引入必须重用现有系统的基础设施，需要改进内部工作流和油罐数据管理。

（3）MES 解决方案

实现基于模型的解决方案需要分析可行性和替代产品策略，并执行炼油厂供应的月规划。第一个模块处理分期工厂转换。初始期为汽油和柴油的硫减产，随后转移到无铅汽油。炼油厂修改的复杂影响，以及新过程单元的影响透明显现。这种透明度提供了对新系统重点的决策支持。

月规划在第二个模块中实施，管理供应链，包括原料的选择和配送。它还设置目标，为特定市场优化生产和管理产品，库存水平和产品分销。在炼油厂的LP模型中使用跨部门规划数据，确定调度和混合，以及计算APC应用参数。

全厂的数据信息系统提供当前的过程数据，例如更新模型值。

（4）增值和收益

该模型提供了各种参数的灵活分析，这些参数会影响工厂运行和炼油厂结果。为战略和经济规划，以及实际规划提供了综合决策支持。然而，确切的经济效果只能基于假设来量化。如果缺少基础数据或缺乏灵活性，错误的战略决策会造成明显的经济损失。

在原料成本方面，估计每年节省了约3百万欧元（约5%）。

由于精确度提高且同时输入数据，额外的收益是优化利用了混合单元和简化了基于计算机的工作流。透明模型结构的简化处理提供了额外的财务优势。数据内容的培训和支持比以前的解决方案有更好的性价比。

图4 基于模型规划的影响

2 总结与展望

从80年代末到90年代中，MES概念的主要特性由各个客户特定的MES项目来体现。在很多成功应用的同时，也有些因软件开发困难而放弃，这是那段时间的典型状态——规范不完整，不佳的预测开发成本，以及成本超支和错过最后期限而取消了整个项目。对MES最初的兴奋后来逐渐被失望所替代，对MES的部署和收益也变得更加怀疑。这导致今天MES应用在不同行业的发展明显不均匀。复杂性越高，生产越灵活，产品变化越多，用MES模块生产的收益就越大，接受的程度也越大。今天，大批量生产，例如在汽车工业中，没有MES是不可想象的。

本文的目的是要说明MES解决方案在不同行业应用的可能性，提供了与供应商无关，当前可用可行的方案概述。早期MES实施的问题已经解决。用户和供应商已经吸取了教训，创建了一种基于标准如IEC62264的共识和语言。由于目标不是针对个别项

目，所以MES解决方案主要由可配置模块组装而成。可配置部分通常可达60%~70%，客户特定扩展的部分大约为30%~40%。

基于已建的企业执行模型数据结构和在应用之间透明数据传输的标准化，将大幅推进MES应用的创新和部署。

应用的复杂性要求对MES项目的成功和收益做持续检查，许多项目已经反复证明了MES的经济效益。MES的目标必须根据各自的需求而相应地实现。同时，增加工业专业知识人才的数量和质量能确保企业更好地优化与高产。

早期本地和企业内的IT基础设施（重新）配置特别重要。这可用于网络结构和基本数据结构，以及信息安全。

如果长期的MES维护成本和人员都包含在项目中，未来MES项目的成功几乎可以保证。

未来要把握什么？

如上面所示，生产调度、执行以及企业信息流的集成和互联为技术上可行，经济上必要。因此，MES解决方案在所有行业的进一步发展是符合逻辑的。解决方案和系统位于企业模型的第3级（生产运营管理），就像今天在第4级的IT解决方案（业务规划和物流）和在第2级的自动化解决方案（过程管理和数据采集）一样普遍。

企业的集成越来越需要考虑企业内三个轴的协同：

· 企业轴：规划—管理—生产；

· 供应链轴：供应商—生产—客户；

· 生命周期轴：开发—生产—支持。

鉴于这些要求，单一和无所不含的MES概念必须退役。未来要依靠多个应用的协作，这些应用分布在不同功能级（ERP、MES和过程控制），企业区（生产、维修、质量和库存管理）和不同轴（企业、供应链、生命周期）。

面向服务的架构（SOA），用XML交换交易数据和Web服务等技术，方便访问。

用户必须授权优化执行任务，提供账号和基于Web的门户，访问所有企业级的应用和概览。同时，应用的特定分布和互动对用户是透明的。

在未来，会有越来越多的并行仿真和实时优化。这些将根据特定的标准决定最佳生产状态，并由此支持决策过程。

MES未来承诺：为用户提供更多的价值和收益，为供应商提供更令人兴奋的发展机遇。

总之，本文作者祝愿所有的读者都能成功地实施MES项目。

华镕，男，1982年毕业于北京科技大学自动化系，现任罗克韦尔自动化（中国）有限公司全球标准及贸易部中国地区经理。

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研祥创新格局，助力高端装备成就工业新引擎

2015年11月27日下午，研祥携手国家特种计算机工程技术研究中心、中国工控机产业联盟在上海举行了以“创新格局 助推工业互联”为主题的高端装备技术报告会。

会议邀请了国家公安部第三研究所网安中心副主任吴松洋博士、同济大学交通运输学院副院长、博士生导师董德存教授、研祥智能副总经理孙煜先生、研祥智能副总经理陈超先生，还有来自微软、联强国际等行业内的资深技术专家、行业知名媒体，及行业集成商、企业用户代表等120多人出席会议。会上，嘉宾们不仅针对“高铁时代的智慧城市新常态”举行了高峰论坛，董德存教授和吴松洋博士分别就“轨道交通与工控核心平台的关系”、“工控信息安全为智慧城市建设保驾护航”议题做了即兴演讲，嘉宾们还就“从高铁到大飞机，高端装备制造业升级之路”和“智慧城市新常态呼唤工控信息安全”议题进行了高峰对话，研祥也分享了如何解读高端装备给行业带来的市场机遇，并就此对研祥推出的新品和案例做了简要解读。

数据显示，“十一五”时期，国内整个装备制造业处于中低端水平，高端装备制造占到8%左右。到“十二五”时，评估预期将达到20%左右。2014年，我国装备制造业主营业务收入达到30.7万亿元，连续5年居世界首位。《中国制造2025》提出“十二五”期间，中国高端装备制造主要从基础零部件和关键元器件，也就是从强基工程等方面来加大技术改造，而在“十三五”期间，则将焦点集中在十大类高端装备方面。

眼下，世界正进入新一轮工业革命浪潮，我国“十三五”规划也即将出台。面对如此关键的战略机遇，高端装备作为“十三五”期间的工业新引擎，将突出体现在轨道交通、能源等行业或领域的技术设备进步上，尤以高铁、地铁、能源（风电、电力）、视频监控（智能交通、智慧城市）、数控机床及军工装备等最受关注，其对工控核心平台的需求空间无可限量。

研祥将持续提供高可靠的产品、服务、技术应用解决方案，并透过设立国家特种计算工程技术研究中心，组建深圳市海洋产业协会，筹办中国工控机产业联盟，聚集行业内相关重点单位，牵头组织工控机上下游产业相关单位，力图在持续推动工控核心平台创新水平基础上，助推高端装备制造行业整体升级，全方位成就“中国工业新引擎”。