MES 系统应用于水厂的管理实践

李 柱

（上海城投水务（集团）公司制水分公司，上海 200082）

0 引言

在当今信息化高速发展，产品更新换代加快的大数据时代，随着工业化和信息化融合的深入推进，传统的生产管理模式已经难以支撑企业的快速发展，急需采用信息化手段提高企业生产效率和管理水平，进一步提高产品质量。而MES（Manufacturing Execution System，制造企业生产过程执行管理系统）将精益思想融入到信息化的生产全过程中发挥了重要作用。作为传统的流程型公用服务行业，水厂通过MES 系统的平台开发和业务再造，实现了提质降本增效保安全的精细化管理预期目标。

1 MES 的应用背景和功能

MES 是美国一家管理公司在20 世纪90 年代针对企业信息系统提出的一个概念，它能够对一个产品从订单下达、到产品出厂的整个流程进行优化管理，对生产过程中的突发事件，能够快速反应出具体出现问题的环节，并根据生产数据对事件进行报告和处理，从而提高企业对生产活动的高效控制，它是位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统。

制造执行系统协会（MESA）于1997 年提出了MES 功能组件和集成模型，包括制造资源分配与状态报告、详细工序作业计划、生产调度、车间文档管理、数据采集、人力资源管理、质量管理、工艺过程管理、设备维修管理、产品跟踪和业绩分析共计11 个功能模块，2004 年MESA 又提出了系统MES 体系结构（c-MES），对MES 的定义进行了进一步的拓展，为MES 的进一步普及发挥了重要的作用。

2 水厂对MES 系统的需求分析

传统的制水厂属于典型的流程型制造企业，具有承担经济效益和社会效益并重的特征，一方面要确保提供的自来水量足、质优、稳定，而且要在确保生产安全的基础上实现生产成本降低、管理效能提高，通过梳理制水厂的工艺流程与业务流程，根据传统制造业人、机、料、法、环五要素的管控要求，主要有4个方面的需求。

（1）智能排产管理需求。供水厂的生产负荷随着气温、工程或用户的需水特点呈现每天24 h 不断变化的规律，同时设备的月度维护、年度检修或更新改造等都会导致产线的停役或调整，需要能够具备动态的智能排产、排程的功能，以最大化地满足供水需求。

（2）设备设施管理需求。设备设施的健康状态是维持安全生产和优质供水的前提，也是生产企业安全的基础。设备设施在役状态下不仅需要点检、专业巡检、月度维护、季度维护，而且需要年度大检修或者返厂彻底整修等，其业务管控流程需要通过系统或平台实现检维修全过程的物料供应、作业审批、现场管理等环节。

（3）产品质量追溯需求。随着SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统的普及和物联网的发展，制水厂普遍通过海量的数据采集来监视过程控制环节。产品质量是企业的生命线，随着自来水作为第一食品的理念逐渐成为企业追求的核心目标，HACCP（Hazard Analysis and Critical Control Point，危害分析和关键控制点）食品级管理体系逐渐在自来水行业普及应用，结合ISO 9001 质量管理体系，制水厂需要通过平台或系统实现自来水从源头到龙头的全过程质量控制，并建立起异常预警、故障报警、协同处置等规范流程和机制。

（4）生产安全管控需求。各制造型企业根据风险辨识和分级管控的双重预防管理要求，都会制定出体系化管控流程和标准，结合当前智能穿戴、人员定位以及数字孪生等技术，安全管理的方式方法得到了质的飞跃，传统的安全管控模式已经无法适应，需要通过系统来进行整合和实施。

除此之外，在物料拉动、人员绩效、分析评价方面也需要开发和搭设平台，实现协同、高效管理，走向数字化转型之路。

3 供水厂MES 系统建设思路和功能设计

根据MES 系统的核心理念、结合制水厂的业务特点，围绕“人、机、料、法、环”五要素，始终以“执行为要、贯穿精益、智能引领”为原则来开发设计制水厂的MES 架构和功能板块。

3.1 水厂MES 定义

水厂MES 是以实现供应高品质饮用水为最终目标，通过采集生产全过程有效数据，并结合水厂管理体系制度，围绕作业计划、生产调度、设备运维、员工绩效等多种生产要素进行数据加工、信息传递、敏捷响应和协同处置，从而提高生产运行管理水平和制水供应保障能力。

3.2 水厂MES 系统架构

MES 制造执行系统是计划与生产之间承上启下的实时信息通道，使生产过程变得透明并可以追溯，水厂MES 系统以计划、执行、反馈为业务核心，向下采集SCADA 数据，向上传达生产信息，具体系统架构如图1 所示。

图1 水厂MES 系统架构

3.3 水厂MES 功能设计

MES 系统的功能设计要体现提升生产过程管控能力、加快计划编制执行效率、提高产品管理能力、提高业务执行效率、提升安全管控水平等5 个方面的特征，水厂通过业务流程再造后设计的功能模块见图2。

图2 水厂MES 系统功能设计

（1）作业计划。根据年度供水量预测，年度检修计划以及更新改造项目等综合初定水厂本年度月度供水量计划，并通过时差系数、节假日特点、历史规律以及考核指标智能排产出日生产计划，并实现不断修正和优化。

（2）运行监视。通过采集和加工生产全过程实时数据（含水质水量、设备设施及仪器仪表等运行状态数据、物料消耗实时数据、人员信息数据、生产环境数据等）根据不同使用者（运行人员、保障人员、管理人员等）定制预警或报警信息，并按照响应等级、处置流程自动匹配工单，以工单为核心驱动业务协同，提高处置能效。

（3）质量控制。以出厂水评价指数和实时在线检测数据为基础，以自动化实验室检测数据为标准，建立全流程质量追溯透视图，通过对原水和出厂水的地方标准关键指标和评价指数关键因子进行统计分析，对辅料质量（有效含量、浓度、比重）进行在线监视，实现质量全过程受控。

（4）设备管理。以生产车间硬件（设备设施、仪器仪表、自控网络、安防设施、辅助设施）等作为设备管理对象，以设备全生命周期管理体系文件为支撑，通过设备状态的监视和感知设备的预判，实现设备维护、保养、检修的可视化、流程化，并通过工单方式实现与生产运行之间的密切协调和无缝对接。

（5）资源协同。以制造成熟度模型评估中引领级标准打造制水生产过程的物料拉动自动化（含辅料、污泥外运、备品备件、化学试剂、办公用品等），并逐渐以区域化概念管理库存和备品备件，发挥规模效应和互备优势，减少沉淀成本。

（6）安环管控。以《城镇供水企业安全生产标准化规范》为体系指引，以“风险分级管控”和“隐患排查治理”双预防机制为核心，融入“安全检查全时域”管控方法，结合治安、反恐、消防、职业健康、环保等制度要求，形成模块化管控流程，通过应急演练模式巩固提升安全管理水平。

（7）员工绩效。以“数字员工”建设为目标，量化员工绩效考评内容，以生产能效、产品质量作为运行员工的考评依据，以工单数量和质量作为维护员工的考评参考，并将各水厂的考核指标分解到该体系中监视和受控。

（8）平台互联。将水厂MES 作为业务中台功能进行开发，工控系统、物资采购系统、办公系统、财务系统等实现平台间的互联互通，达到数据共享、业务协同的目标，从而为“数字业务化”和“业务数字化”相融合创造可能性。

（9）分析评价。以管理者的角度，围绕企业核心业务从MES系统中运行的业务信息中提炼总结，定制化不同业务板块中的KPI 指标，并进行监控，为及时优化调整提供参考，从而实现PDCA（计划（plan）、执行（do）、检查（check）、处理（act））持续改进良性循环。

（10）系统维护。实现对MES 系统的维护管理、功能开发、权限管理等基本功能。

4 MES 系统应用实践经验

以MES 系统作为业务管控的重要平台，水厂以十大功能模块为抓手，系统性建立起数字化运维的新高度，MES 界面如图3所示，并取得了如下的实践经验。

图3 水厂MES 首页

（1）提高供水水质。通过MES 系统不仅建立了分级分责的预警报警管控机制，生产异常后的有效响应水平得到了提高，而且精准化、高效化的原材料配置和调整让生产全过程实现了精细调整、精确控制，产品质量得到了明显的提升。

（2）提升运维效率。通过MES 系统实现了不同业务部门的“线上协同”，数据多“跑路”不仅节省了时间成本，而且提高了决策能力，有助于生产运行和设备设施维护的水平提高。

（3）降低制造成本。通过MES 系统，物料拉动、生产过程中浪费的成分得到了彻底的挤压，不合格品的总量下降明显，作业班组的配置更加经济可靠，制水直接成本明显下降。

（4）保障生产安全。MES 系统能够更好地发挥和链接底层智能感知设备，例如预防性检维修、视频安防平台、烟感系统、消防系统等，提高了安全生产管理水平。

5 总结

MES 系统是面向制造企业的管理系统，制水厂在数字化转型发展的关键阶段引入MES 系统作为业务管理的业务核心平台，围绕生产五要素、按照PDCA 戴明环理念实现了业务流程的改进和再造，从而提高了产品质量、降低了生产成本，也保障了生产安全。下一步将结合数字孪生与仿真平台进一步加载各类水质、水量模型以提升MES 系统的功能，走出两化融合的新路径。