生產指揮系統（MES）在卷煙廠中的應用實踐

摘要：通過生產指揮系統（MES）在蘭州卷煙廠的應用實踐，表明該生產指揮系統（MES）及時收集到的生產人員數據及時、準確、全面，從而實現對生產現場的有效管理。并對該系統在卷煙廠的實施中應注意的問題，提出了見解。
關鍵詞： 生產指揮系統（MES）；系統分析；PCS系統
　　伴隨企業技術改造的不斷推進，企業生產自動化程度的不斷提高，特別是大量基層自動控制系統的廣泛應用，對于卷煙生產企業來講，要實現人工對大量快速的、及時的自動控制系統的全面指揮，明顯是力不從心的，不僅不能及時解決現代化生產指揮與調度中的各類問題，而且也會造成大量基層自動化系統的設備閑置與“信息浪費”。因此，必須建立起面向現代化企業生產調度中心的實際需求，基于高度基層自動化控制系統總體調度與指揮需要的生產指揮系統（MES）。蘭州卷煙廠的生產指揮系統（MEs）正是基于這一思想從企業技術改造總體規劃考慮的。通過近兩年的實施，現已正式運行，并達到了初期的設計目標，通過了由中國科學院及甘肅省科技廳組織的驗收。本文結合作者自己的工作體會，從以下三個方面就生產指揮系統（MES）定義、主要功能、主要作用及在卷煙生產企業應用中值得注意的幾個問題作以簡要論述。
1 生產指揮系統（MES）的定義及主要功能
　　MES國際聯合會對MES的定義是：MES針對從訂單到產品完成的全部生產活動，實時采集精確的現場數據，經過分析、處理，實現對生產活動進行指導、優化和報告。通過對變化情況的快速反應，減少無附加值行為，提高工廠運行和處理的效率。國際MES標準協會（MESA）在經過對不同生產制造企業進行了大量研究后，提出了實施生產執行系統的標準，MES信息化標準SP95。該標準不但給出了生產執行系統涵蓋的各功能模塊描述，而且也給出了生產執行系統與ERP、生產控制系統的關系。
　　MES的功能及其相互關系如圖1所示：

　　以MES信息化標準SP95為基礎，結合國內卷煙生產企業的特點，以及各生產廠在企業信息化建設方面的工作進展情況，就國內卷煙生產企業MES系統的功能，可以分為核心功能與可選功能兩類。
1．1 MES系統的核心功能
　　（1）生產作業優化排產。MES系統將生產調度指揮人員的專家知識，概括成各種規則，形成約束條件，進行約束調度；幫助生產調度人員編制各種生產計劃，進行實時調度；在保證生產計劃按時完成的前提下，遵循資源利用效率和生產效益最大化的原則，充分考慮生產計劃結構、各個生產品種的單位時間需求量、生產人員可用情況、設備運行狀況、設備能力情況等要素，制定出多種生產作業計劃方案，模擬系統作業運行，核算物料消耗、能源消耗情況，從而制定出能耗低、周期短、人力成本和組織成本低的最優化生產作業進度安排。生產作業優化排產的結果是生成供各生產單元使用的生產工單，即“生產作業任務書”。
　　（2）生產指揮調度。MES系統針對各工序的生產工單，以工序、設備、動力能源、物流單位、生產人員等作為對象，生成生產作業指令，并進行指令信息的發布。MES系統將作業指令發送到自動化管控設備。經過生產環節的監控中心，進行人工完成指令的確認與下達，并將批次生產作業任務書、作業人員安排、作業標準、作業手冊、作業式樣、作業參數等內容發送到生產環節。
　　（3）物料跟蹤管理。物料跟蹤管理實現對生產過程中的物料投用情況、產品生產加工情況、離（在）線質量檢驗情況、成品存儲情況、人員情況、設備運行情況、動力能源現場使用情況等進行實時跟蹤管理。通過生產工單和所定義的生產批次定義信息，對應關聯生產過程中所產生的各項業務數據，追溯生產歷史，實現成品的質量回溯。
　　（4）生產過程數據的收集。數據收集功能主要實現對生產過程中產生的各類業務數據進行采集、歸檔的工作。數據收集的目的在于及時、準確、完整地為MES和ERP系統提供生產情況（產量、物料消耗、能源消耗）、設備運行狀況、產品質量情況、生產工藝執行情況、自動化物流情況、人員崗位情況等方面的信息。在規定時間間隔內，MES系統對生產過程數據進行采集和處理；并按照MES系統預先設定的邊界條件，對所采集和處理的過程數據進行“過濾”，自動去除“臟數據、偽數據”，以節省系統資源，提高MES系統運行效率。
　　（5）生產作業的實時監控。通過豐富的GUI交互界面，以物流流水圖和生產工藝路線圖的方式對生產過程進行監控。以數據收集功能對PCS系統采集的實時生產數據、質量數據、工藝信息等為基礎，利用MES系統支撐平臺提供的組態技術，實現對制絲車間、卷包車間、動力生產車間、原料立庫（存儲區）、輔料立庫（存儲區）、成品立庫（存儲區）、煙絲立庫（存儲區）的生產、工藝、物料消耗情況、動力能源使用情況、生產環境參數、人員情況等內容進行實時監控。幫助企業的生產指揮部門進行生產協調、合理調度。MES系統不但可以瀏覽整個J二序（生產線）的監控畫面，還能夠以POP—UP畫而的方式，通過點擊進入所設定工作點（不同層次）的詳絀監控畫而。
　　（6）與ERP系統的接口。實現從計劃層接收ERP關于生產的計劃安排信息、庫存信息、人力資源信息等，同時將生產訂單完成情況、物料實際消耗情況、質量完成情況等信息送人ERP中，進行新一輪的計劃安排。MES需要從ERP系統接收的信息、數據包括：主生產計劃、產品定義、產品配方、工藝技術標準、設備、人力等資源描述、設備維修／保養計劃、材料質量情況等；MES需向ERP系統傳送的數據主要有：生產績效、生產工藝數據等。
　　（7）生產過程中的異常事件處理。異常處理功能提供預警、報警功能，對企業生產過程中出現的異常情況，MES系統將自動報警顯示異常工作點，并提示生產指揮調度人員采取相應的措施。系統的自動報警功能可以避免由于生產現場缺乏：【作人員，或工作人員因某種原因沒有及時發現潛在隱患而導致的各種事故的發生，為企業的正常生產提供強有力的保障。系統預、報警的內容常見有：計控設備的精度嚴重漂移，生產過程中的不對應情況（例如：牌號、批次等不能與作業指令相匹配），壓力容器的指標超出臨界等等。
　　以上內容是MES系統必須具有的核心功能。這些功能不全，就失去了MES存在的意義。在此基礎上，還有可選功能。它們是在核心功能之上，進一步發揮MES的作用。企業呵以根據自己的實際情況選擇實施。
1-2 MES系統可選功能
　　（1）設備狀態監控。可以實現針對生產過程中的設備進行實時狀態監測及維護管理。MES系統的設備維護管理功能是根據設備基本資料及其使用情況等方面的數據，實現對各類生產設備進行不同級別的維修和管理，根據采集的生產過程實時數據和歷史歸檔數據，對設備運行情況進行分析；對設備故障情況進行診斷，找出因設備原因可能導致的問題，防患于未然；對設備完好率、設備故障停機率、設備有效怍業率、設備利用率、設備可利用率、設備事故頻率等指標進行分析，保證設備高效使用。
　　（2）生產人員管理。為企業的生產指揮部門提供在崗或在線人員的數據信息；對生產人員進行考勤管理，完成月末員工考核工作；實現對企業工作日歷的管理維護；核算產品的人力成本；對有突出業績的人員進行獎勵，對發生的事故追究責任，做到獎懲有據。
　　（3）制造規范管理。規范管理功能實現對產品的制造式樣、原輔料式樣、工程手冊、作業流程、作業文檔、作業手冊、工藝手冊、質量手冊、產品定義等數據進行維護，實施電子化管理。生產指揮人員、生產作業人員可以對這些基本資料進行查詢，并能按要求生成相應的報表及產品標簽。
　　（4）質量保證。以MES數據收集功能所實現的采集數據為基礎，服務于制絲生產、卷包生產環節。根據工藝標準，檢測制絲、卷包生產工序的工藝指標執行情況，實現對各工序、工段的生產工藝標準進行有效監控，對在制品的質量情況進行監控，完成生產過程的各項質量檢驗工作。
　　（5）生產成本管理。以MES數據收集功能所采集各項數據為基礎，綜合葉絲生產線、梗絲生產線、膨脹絲生產線、薄片絲加工線、白肋煙生產線，以及嘴棒加工環節、煙支卷接包生產環節、封裝箱生產環節中的原、輔材料和機物料的消耗情況，人工情況，設備機時情況、能源消耗情況、設備維修折舊情況等方面的數據，根據ERP財務系統提供的 單價’作為權重系數，對生產成本進行統計核算，供生產管理人員使用。通過生產成本考核機制指導車問生產，降低生產成本。
　　（6）工廠效能分析。以MES數據收集功能所采集各項數據為基礎，一方面根據生產過程中產生的實時數據進行統計分析，例如，在線產品質量統計分析、設備運行情況統計分析、物料消耗的統計、在制品生產情況統計等；另一方面，根據系統的長期歸檔歷史數據，進行統計分析，例如，生產完成情況統計、投人產出對比分析、生產能力評估、產品質量評估、人員考勤情況統計、人員績效考核統計等。
2 生產指揮系統（MES）的主要作用分析
　　生產指揮系統（MES）實施的首要目標是在ERP系統與生產自動化系統和物流自動化系統之間架起一座信息交換的橋梁，使生產管理者能夠實時地掌握生產信息，并可以根據實時信息合理地解決生產過程中提出的問題，切實地起到中間媒體的作用。MES系統實施的核心作用是解決生產管理者最關心的問題，這些問題包括：生產作業計劃的制定和生產指揮調度生產計劃的執行情況，第一時問獲得生產過程中的突發事件以及事件的快速處理，生產過程中的產品質量控制、質量跟蹤、工藝執行情況，設備的運行情況，生產消耗統計，生產線人力資源情況，和當前生產直接相關的原料、材料、備品備件、成品的即時庫存情況等等。歸納起來，MES系統的主要作用包括：
2．1 實現全企業信息系統的集成
　　一般來說，企業的ERP系統不能使用底層采集上來的實時采集數據，不能及時掌握生產第一線的原始數據信息，這使得企業管理和企業生產相互脫節。而ERP系統的運行，要充分依據企業的現有資源狀況。如果不能訪問生產所反應生產的實際數據，必然會很大程度地降低ERP系統的使用效果。同時，底層生產控制系統不能從ERP系統中得到相應的指令，管理層的指令下達是依靠電話或紙張進行傳遞的，這樣容易造成指揮不及時、出現指令偏差等問題。實施MES系統，可以有效解決底層數據采集問題，將生產過程中的數據采集上來，使生產指揮人員能夠及時地了解生產現狀。同時，ERP的計劃數據可以根據實際生產情況進行分解，底層生產控制系統可以及時下載與生產工藝相關的各種參數數據，從而進一步實現全企業信息系統的集成。
2．2 實現生產調度的及時性
　　目前，大多數企業的生產調度，是依靠每周開一次的生產調度協調會，通過人工匯報的方式，了解設備、人員、物資等的使用情況，為生產指揮提供依據。這種方法既不方便也不及時。
　　MES系統可以提高企業的快速反應能力，能為生產調度人員的實時調度提供參考依據和輔助手段。
2．3 及時掌握實時的生產動態
　　目前，多數情況下，車間管理人員只對生產中出現的比較重大的問題才向生產調度人員報告，生產調度人員根據情況，結合自己的工作經驗，并與有關車間負責人電話聯系商議后作出調度決策。這樣會導致調度的滯后性和不準確性，也會因管理的細度不夠導致不必要的問題。采用MES系統，生產調度人員能夠及時了解生產中的每一個細節，監控每一點，每個時段的生產活動。
2．4 及時反饋產品的質量情況
　　有些卷包機組的可以將質量參數在機臺上能夠及時顯示，但相關離線質量數據卻沒有及時地反饋到機臺，機臺操作人員不能及時地作相應的調整，就不能保證產品質量的提高，達到質量控制的目的。MES系統的質量保證功能能夠將生產線上最實時的質量信息共享到全廠各個相關部門，包括機臺，從使在線產品質量得到進一步的提高。
2．5 實現對生產質量以及所使用的原材料、設備等保存長時間的歷史記錄
　　現有的基層生產數據采集系統，對生產過程中的各種數據沒有一個系統的、長時間的歷史記錄，不能進行物料和質量的追溯查詢和分析，不能為生產責任的追究提供確定的依據。而MES系統中數據收集子系統可以保存長達數年的企業最真實的數據，從而有效支持生產與設備的長周期分析。
2．6 及時掌握安全情況，消除安全隱患
　　現有的生產安全管理，多數是對于生產安全狀況，由有關人員每隔一定時間進行一次檢查，消除安全隱患，但這種方法還是存在很大的弊病，生產安全完全依賴于生產管理人員的責任心，而缺乏有效的安全管理措施與手段。而MES系統的生產監控子系統，可以實現對生產各個環節狀況的全面監視，比人工巡視更加全面、準確、實時。
2_7 實現對生產成本的有效控制
　　生產成本是工廠非常關心的一項重要指標，降低成本，就能有效提高工廠的競爭能力。對于車間層面來講，很難建立一套系統用于成本核算和定量分析的系統，對生產成本的控制只是在大范圍上進行粗略的管理。而MES系統實施后，可以實現分機臺、分班組的生產成本核算和定量地評價，從而使成本的控制貫穿到生產的每個環節中，實現對生產成本的有效控制。2．8 提高生產的快速反應能力
　　要提高企業的快速反應能力，要實現對生產狀況及時地掌握，對生產物資、設備狀況、人員情況等各種生產資源及時掌握，有效的測算。而市場是不斷變化的，生產需求是不斷變化的，但每次生產任務的變化，將對生產資源進行及時調整，如果不能實現對生產各種情況及時掌握，就不能實現企業對市場的快速反應。而MES系統實施后，不僅是企業能夠及時掌握自身各類生產資源，更能夠通過預測功能，實現對新市場需求的生產可行性及效益進行測算，從而大幅度提高企業生產的快速反應能力。
2．9 及時掌握生產人員的生產活動和狀況
　　MES系統的實施，可以使企業管理者及基層管理人員及時掌握生產人員的出勤情況、生產狀況，而不用親自到生產現場去檢查，MES系統收集到的生產人員數據及時、準確、全面，從而實現對生產現場的有效管理。
3 生產指揮系統（MES）在卷煙廠實施中應注意的幾個問題
　　生產指揮系統（MES）系統是一個涉及到企業所有與生產相關的部門、車間，關系到整個生產線的信息化建設項目，是一項系統工程，需要經過系統立項、系統實施與系統應用維護幾個階段。在系統立項階段，企業需要進行詳細需求分析，總體規劃，選擇最適合企業生產實際的系統供應商。在系統實施階段，由企業、系統集成商、MES系統供應商、監理單位共同組成項目實施小組，設立關鍵的控制點，抓好項目的控制。具體來說，MES系統的實施包括需求調研、系統概要設計、系統詳細設計、建模與組態、系統測試、系統轉換、文檔提交等多個子階段。總得來說，在卷煙廠的實施中應特別注意以下幾個問題。
3．1 做好規劃。界定范圍
　　生產指揮系統（MES）是企業信息化建設中的一個重要組成部分，而企業的信息化建設是一個系統工程，針對企業生產經營中各項業務的需求，必須有針對性做好企業信息化建設的規劃。因此，在實施生產指揮系統MES）之前，首先必須做好規劃，界定生產指揮系統（MES）在企業整個信息系統中的位置與作用，以及各個系統之間的連接。做好規劃，有兩個方面的內容。一是規劃好MES系統與各個層面之間的功能界定與接口連接。一般來講，一個企業的信息系統可以劃分三個層面，第一層包括ERP（在企業制造資源計劃系統的基礎上增加決策支持系統、電子商務等功能）和產品設計系統等部分；第二層為生產執行系統，完成實時性較強的動態過程管理，包括生產計劃和調度系統、數據采集系統、生產監控系統、設備監控系統、生產狀況分析評價系統等；第三層為生產自動化系統（含設備控制、過程控制和物流自動化等），完成實時性最高的控制功能。通過這樣的三層規劃，可以較為清楚地界定MES系統的功能與上下連通的范圍及方式，更好地使整個企業信息化的建設成為一個整體，實現MES系統與其他信息系統的暢通連接。另一個是可以依據企業實際的業務需求與信息化建設情況，將MES系統規劃為成基于平臺的開放系統，在實施時，采用總體規劃、分步實施的原則，圍繞核心模塊，選擇擴展模塊，根據實際情況進行靈活的“組態”，例如企業已經實施了設備管理模塊，MES可以將該模塊進行集成進而不用推翻企業已有系統的有效保護用戶投資。因此，在生產指揮系統（MES）的實施前做好規劃具有非常重要的意義。
　　生產指揮系統（MES）的規劃可以融人企業的信息化建設總體規劃中一起進行，也可以單獨進行規劃。
3.2 選擇平臺,運行流暢
　　生產指揮系統（MES）的思想來自于國外先進的生產管理經驗，因此，目前國內多數生產指揮系統的實施都需要建立在國外已經較為成熟的軟件運行平臺上，需要實施的軟件公司進行二次開發。特別是對生產運行管理中所產生的海量的實時運行數據，需要較為穩定可靠的實時數據庫及其管理系統的有效支撐。目前來講，引進的生產指揮系統運行平臺，主要有底層自動化設備廠商研發而成，能有效采集底層自動化設備的各項運行數據。因此，一般來講，選擇平臺，首要考慮的是底層自動化控制設備的型號及公司品牌，要優選兼容性較好的產品。這樣，一方面可以保證系統的運行的流暢，另一方面可以減少系統開發的工作量，提高系統開發的工作效率。在選擇平臺時，尤其要主要實時數據庫的選擇，要對比各種平臺在這方面的技術參數，對比相關性能。實時數據庫所能采集及管理的數據量、準確性，以及實時數據庫運行的效率將直接影響到系統的有效運行。正確的運行平臺選擇，才能保證生產指揮系統的有效、流暢運行。
3．3 注重接口，上下連通
　　生產指揮系統（MES）是以生產調度、生產管理為中心的信息系統，既與自動化程度較高的底層自動化系統、數據采集系統相聯系，又與上層的企業資源計劃系統 RP）密切相關，因此，在生產指揮系統的主要功能中與ERP系統的接口成為其一項主要的功能。而同時，要保證生產指揮系統對底層自動化系統、數據采集系統等各項生產設備各項運行數據的有效采集，確保采集數據的及時、有效，需要大量的接口系統，實現對各項數據的有效采集。
　　基于上述兩個方面的原因，在生產指揮系統的實施中，接口是一項重要的實施內容。注重實施過程中的接口，首先要做好接口規范與標準，特別要注意在系統設計、設備采購時讓生產指揮系統的設計者參與相關接口技術標準的制定，明確各項接口技術標準，明確各實施的責任，明確技術協商機制。盡最大可能減少因技術原因造成的數據采集死角以及不準確的數據，盡最大可能減少重復開發所造成的浪費。從而，通過以生產指揮系統實施方牽頭的接口技術規范協調機構，實現各項接口軟件的有序研發，確保系統上下貫通，全面提高生產指揮系統的實用性與全面性。
3．4 強調核心。注重應用
　　生產指揮系統（MES）的核心功能是優化排產、生產調度、生產監控，特別是實現對生產核心資源的優化調配、使用，提高生產調度的及時性、有效性、系統性，通過多層面的集中監控，及時監控各種設備及系統的實時運行數據，通過事先設定的參數極限報警機制，實現系統性的多層次警示，最大限度減少各類生產異常事故的發生。生產指揮系統的核心應用是精細化的優化排產、高效率的生產調度、更為全面的生產監控，要緊緊圍繞核心應用，發揮系統的設計功能，充實完善支持核心應用的各類數據，確保核心應用與生產實際相符，從而使系統發揮真正的作用，產生預期的效果，切實提高生產調度工作的效率，滿足高度自動化的底層設備運行高效率的需求。同時，要圍繞核心應用，發揮系統設計中質量、物料跟蹤等其他系統的應用，補充更為全面、系統的數據，從而不斷提高系統核心功能的應用效果。特別要強調的是一個好的生產指揮系統，應建立在好的應用基礎上，只有更深、更好地在實際工作中得到應用，并成為生產管理者不可或缺的助手，才能稱之為一個成功的系統。
3．5 圍繞需求，不斷完善
　　生產指揮系統（MES）是一個與生產實踐密切結合的系統，與ERP、SCM、CRM、OA等信息系統相比，具有其獨有的特點。其一是滿足生產需求的及時性要求比較高，因此在實際應用中，若設計不能及時滿足生產的需求，就必須及時修改、完善。這一點就要求應用人員與設計人員及時配合，圍繞需求，及時修訂滿足需求。其二是與底層自動化控制系統及設備密切相關，當工藝設備及控制系統發生變化時，必須及時修改完善相應的系統，從而確保系統的有效性。其三是通過系統的積累數據分析，能逐漸發現整個系統運行中的“瓶頸”設備與關鍵環節，要實現優化排產，提高生產效率，就必須解決關鍵設備與環節，圍繞需求不斷優化，才能真正發揮生產指揮系統的作用。因此，基于生產管理工作及時性要求的特性，生產指揮系統更要圍繞實際需求，不斷完善，不斷提高。