第1章緒論
1.1流程工業(yè)企業(yè)的信息化
1.1.1工業(yè)化與信息化“兩化”融合的需求流程工業(yè)涵蓋石油、化工、冶金、制藥等多種產(chǎn)業(yè)，是至關(guān)重要且規(guī)模龐大的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是國家的經(jīng)濟(jì)命脈之一。流程工業(yè)的生產(chǎn)過程通常具有大規(guī)模連續(xù)或間歇的物料轉(zhuǎn)化、混合、分離等一系列復(fù)雜及動態(tài)的生產(chǎn)制造方式，大多是資金密集、技術(shù)密集的大型企業(yè)和企業(yè)集團(tuán)。流程工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，不僅需要供應(yīng)鏈層面進(jìn)行宏觀的合理布局和資源優(yōu)化，也需要企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)和經(jīng)營各環(huán)節(jié)的有效控制和協(xié)同管理，通過各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的最優(yōu)化，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，降低成本，提高能源利用率，減少有害物排放。20世紀(jì)90年代以來，我國工業(yè)化向著更大的加工與制造規(guī)模發(fā)展，以應(yīng)對更激烈的市場競爭。流程工業(yè)企業(yè)的發(fā)展也不例外，企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，占全國企業(yè)年總產(chǎn)值的比例不斷攀升，2011年達(dá)66%。然而，我國流程工業(yè)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效益等指標(biāo)遠(yuǎn)未達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平，尤其是綜合能耗水平遠(yuǎn)高于全球的平均水平。電力、鋼鐵、有色、石化、建材、化工、輕工、紡織8個行業(yè)主要產(chǎn)品單位能耗平均比國際先進(jìn)水平高40％，我國的能源利用效率僅為33％，比發(fā)達(dá)國家低10個百分點左右。信息化是我國加快實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇。近十年來，專家學(xué)者和國家科技部等相關(guān)部門的領(lǐng)導(dǎo)，倡導(dǎo)以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子。流程企業(yè)信息化水平不斷提高，計算機(jī)、通信與軟件技術(shù)在流程工業(yè)中的應(yīng)用得到發(fā)展與普及，引進(jìn)和自主開發(fā)了大量信息化技術(shù)與工程軟件，并且以各類工業(yè)控制計算機(jī)和工業(yè)級通信網(wǎng)絡(luò)為載體，廣泛應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)營運、經(jīng)營管理、設(shè)計研發(fā)的全過程。“十二五”以來，中國流程工業(yè)企業(yè)加快了轉(zhuǎn)型升級步伐，由規(guī)模發(fā)展向科學(xué)發(fā)展、內(nèi)涵發(fā)展轉(zhuǎn)變，更加注重發(fā)展的質(zhì)量和效益，也更加需要工業(yè)化與信息化的深度融合。1��1��2“兩化”融合的技術(shù)路線自動化技術(shù)是實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)安全、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效的基本條件和重要保證。工業(yè)現(xiàn)代化程度越高，其成套技術(shù)裝備的主輔機(jī)依賴于工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)的程度越大，對工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)的要求也越高，一般來說，在工程建設(shè)中，自動化儀表的投資與工業(yè)設(shè)備的總投資之比（自動化投資率）也越高，電力工業(yè)已由20世紀(jì)60～70年代的3%～5％，提高到目前的10%～12％；鋼鐵工業(yè)從8％提高到12%～15％，化學(xué)工業(yè)從10％提高到15%～18％。這表明工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用越來越大，其應(yīng)用水平不斷提高。自動化技術(shù)是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級的有效手段。應(yīng)用工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)能改變技術(shù)設(shè)備和管理的落后面貌，使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)低消耗、高質(zhì)量、高效益的目標(biāo)，提高新產(chǎn)品開發(fā)能力和市場競爭能力，確立現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)新形象。流程工業(yè)生產(chǎn)通常是使原材料和其他物質(zhì)資源在形態(tài)上發(fā)生改變，在人參與下，使原材料價值增加的一個綜合過程。也就是說根據(jù)用戶的需求，在企業(yè)內(nèi)部管理人員和操作人員共同控制與操作下，經(jīng)過一定的生產(chǎn)設(shè)備，把一些物資的形態(tài)轉(zhuǎn)變成為用戶所要求的具有使用價值的產(chǎn)品，如圖1-1所示。在轉(zhuǎn)變過程中，企業(yè)經(jīng)營者希望產(chǎn)品價值逐步高于原材料的價值。圖1��1流程工業(yè)企業(yè)的運作過程在這一轉(zhuǎn)變過程中，流程工業(yè)企業(yè)的經(jīng)營者采用綜合自動化技術(shù)解決以下四方面的問題。① 安全：需要用高可靠性的控制系統(tǒng)、檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對設(shè)備與裝置的運行提供保證，進(jìn)而對關(guān)鍵裝置進(jìn)行故障診斷與健康維護(hù)；② 低成本：通過先進(jìn)的工藝及工藝參數(shù)以降低能耗和原料消耗，以及通過先進(jìn)的建模技術(shù)、控制技術(shù)和實時優(yōu)化技術(shù)來提高產(chǎn)品的合格率和轉(zhuǎn)化率；③ 高效率：通過先進(jìn)的計劃調(diào)度與排產(chǎn)技術(shù)和流程模擬技術(shù)來提高設(shè)備利用率和勞動生產(chǎn)率；④ 提高競爭力：通過數(shù)據(jù)和信息的綜合集成，如先進(jìn)的管理技術(shù)（包括ERP、CRM、SCM等）、電子商務(wù)、價值鏈分析技術(shù)等，促進(jìn)企業(yè)價值的增值，最終提高企業(yè)的綜合競爭力。自20世紀(jì)90年代以來，在流程工業(yè)企業(yè)普遍沿著更大的加工與制造規(guī)模和更激烈的市場競爭趨勢發(fā)展的同時，計算機(jī)、通信與軟件技術(shù)在流程工業(yè)中的應(yīng)用得到發(fā)展與普及，大量的新型系統(tǒng)理論、技術(shù)與軟件被開發(fā)出來，并且以各類工業(yè)控制計算機(jī)和工業(yè)級通信網(wǎng)絡(luò)為載體，應(yīng)用于流程工業(yè)，承擔(dān)起對于生產(chǎn)過程全局的協(xié)同控制、管理及優(yōu)化。在此共識的基礎(chǔ)上，學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界將這類技術(shù)體系化地歸納為由ERP、MES和PCS三個層面組成的管理與控制一體化系統(tǒng)，國際上稱為計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS），如圖1-2所示。該結(jié)構(gòu)體系及其內(nèi)部組織的指導(dǎo)思想本質(zhì)上仍然是在長期研究中積累的過程系統(tǒng)工程（Process Systems Engineering，PSE）領(lǐng)域的系統(tǒng)方法論。圖 1-2三層體系結(jié)構(gòu)示意圖最底層是以PCS（過程控制系統(tǒng)）為代表的基礎(chǔ)自動化層。主要內(nèi)容包括先進(jìn)控制、軟測量技術(shù)、實時數(shù)據(jù)庫、可靠性技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、集散控制系統(tǒng)(DCS)、多總線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)、基于高速以太網(wǎng)和無線技術(shù)的現(xiàn)場控制設(shè)備、傳感器技術(shù)等。中間層是以MES（生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表的生產(chǎn)執(zhí)行及過程運行優(yōu)化層。主要內(nèi)容包括先進(jìn)建模與流程模擬技術(shù)（Advanced Modeling Technologies，AMT）、先進(jìn)計劃與調(diào)度技術(shù)（Advanced Planning and Scheduling，APS）、生產(chǎn)實時跟蹤技術(shù)、故障診斷與健康維護(hù)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)校正技術(shù)、動態(tài)質(zhì)量控制與管理技術(shù)、物料平衡技術(shù)、產(chǎn)品儲運與配送技術(shù)等。最上層是以ERP（企業(yè)資源管理）為代表的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營計劃和優(yōu)化層。主要內(nèi)容包括企業(yè)資源管理（ERP）、供應(yīng)鏈管理（SCM）、客戶關(guān)系管理（CRM)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)管理（PDM)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺等。三層結(jié)構(gòu)在功能劃分上雖有重疊，但各有側(cè)重。如同是設(shè)備管理，PCS層注重設(shè)備監(jiān)控和故障診斷，MES層注重設(shè)備管理，ERP層注重設(shè)備維修計劃、備品備件、設(shè)備資產(chǎn)管理等。其他各個業(yè)務(wù)功能模塊，如生產(chǎn)計劃、調(diào)度、成本、物流等也與此類似。在管控一體化的體系結(jié)構(gòu)中，MES起到了承上啟下的作用。一方面，它對來自ERP層的生產(chǎn)計劃進(jìn)行細(xì)化分解，并會同質(zhì)量、工藝、設(shè)備等信息，生成操作指令，傳遞給PCS層；另一方面，它對PCS層的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過采集其物料、工藝、質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計算與處理，得到底層的生產(chǎn)狀態(tài)信息，并傳遞給ERP層，使管控一體化系統(tǒng)形成了一個有機(jī)的整體。由此可見，MES是實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化的關(guān)鍵。1��2MES發(fā)展歷程〖1〗1.2.1MES的背景過去二十五年，伴隨著消費者對產(chǎn)品的需求愈加多樣化，制造業(yè)的生產(chǎn)方式開始由大批量的剛性生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多品種少批量的柔性生產(chǎn)，企業(yè)開始投資信息系統(tǒng)以提高生產(chǎn)率，以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和大型數(shù)據(jù)庫等IT技術(shù)和先進(jìn)的通信技術(shù)的發(fā)展為依托，企業(yè)的信息系統(tǒng)也開始從局部的、事后處理方式，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蛉�局的、實時處理方式。這推動了企業(yè)信息系統(tǒng)市場的穩(wěn)步增長。一些如ERP系統(tǒng)在市場中占據(jù)了主要地位，80%的《財富》五百強(qiáng)企業(yè)已經(jīng)使用ERP來管理他們的企業(yè)運轉(zhuǎn)，而且越來越多的中小型企業(yè)也在采用這種方法，不同程度地實現(xiàn)了以財務(wù)為核心的產(chǎn)、供、銷、人、財、物集成化的企業(yè)資源綜合管理。另外，在過程控制領(lǐng)域PLC、DCS得到大量應(yīng)用，極大地提高了企業(yè)生產(chǎn)自動化程度，企業(yè)信息化的各個領(lǐng)域都有了長足的發(fā)展。但是，其中很長一段時間內(nèi)，車間層的信息系統(tǒng)建設(shè)明顯滯后。車間層的生產(chǎn)部門通常都采用定制應(yīng)用軟件來滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)操作和管理需求。例如，基于數(shù)據(jù)庫或電子表格的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在車間獲得廣泛的應(yīng)用，用于實時監(jiān)控生產(chǎn)執(zhí)行過程。但是在實踐過程中，由于生產(chǎn)過程的不確定性和復(fù)雜性導(dǎo)致其軟件維護(hù)和數(shù)據(jù)整合變得很復(fù)雜。所以，在企業(yè)信息集成的實踐過程中，仍然難以解決生產(chǎn)管理瓶頸帶來的各種問題：一方面，上層職能部門在制訂計劃過程中無法準(zhǔn)確及時地把握底層的生產(chǎn)實際狀況;另一方面，底層的操作人員在生產(chǎn)過程中無法得到切實可行的作業(yè)計劃做指導(dǎo)，并且工廠管理人員和操作人員難以在生產(chǎn)過程中跟蹤產(chǎn)品的狀態(tài)數(shù)據(jù)，不能有效地控制在制品庫存，而用戶在交貨之前無法了解定單的執(zhí)行狀況。針對這些困難，軟件供應(yīng)商提出了將多個執(zhí)行管理組件封裝于單個應(yīng)用集成軟件的解決方案，提供一個通用的用戶界面和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，即制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），以達(dá)到快速響應(yīng)市場需求，高質(zhì)量、高效率、低成本地完成生產(chǎn)任務(wù)的目標(biāo)。20世紀(jì)70年代，各企業(yè)開始開發(fā)或引入單一功能的軟件產(chǎn)品和軟件系統(tǒng)，如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等，所有這些系統(tǒng)可以理解為單一功能的MES。20世紀(jì)80年代，為了解決底層各集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)之間沒有聯(lián)系的“信息孤島”(Island of Information)問題，即管理層的物料需求計劃(Material Requirements Planning，MRP)、制造資源計劃(Manufacturing Resources Planning，MRPII)與底層DCS系統(tǒng)之間沒有聯(lián)系問題，出現(xiàn)了MES原型，即傳統(tǒng)的MES(Traditional MES)。傳統(tǒng)的MES的主要功能是生產(chǎn)現(xiàn)場管理(Point of Production，POP)和車間級控制系統(tǒng)(Shop Floor Control，SFC)。1990年，美國咨詢調(diào)查公司(Advanced Manufacturing Research，AMR)首次提出并使用了MES的概念，將企業(yè)的計劃系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的面向制造執(zhí)行過程的管理信息系統(tǒng)稱為MES；又于1992年提出了企業(yè)三層集成模型，指出MES位于計劃層與控制層之間，任務(wù)是將業(yè)務(wù)系統(tǒng)生成的生產(chǎn)計劃傳遞給生產(chǎn)現(xiàn)場，并將生產(chǎn)現(xiàn)場的信息及時收集、上傳和處理。AMR于1993年進(jìn)一步提出了MES的集成系統(tǒng)模型，該模型向上與公司級的計劃系統(tǒng)相連，向下與過程控制系統(tǒng)相連，由圍繞關(guān)系數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫的四組功能構(gòu)成，各個功能通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的共享，并通過實時數(shù)據(jù)庫保證與過程控制系統(tǒng)的同步，如圖1��3所示。四組功能分別是：（1） 工廠管理(Plant Management)是生產(chǎn)管理的核心部分，主要包括生產(chǎn)資源管理、計劃管理和維護(hù)管理等功能；（2） 工藝管理(Plant Engineering)主要是指工廠級的生產(chǎn)工藝管理，包括各種文檔管理和過程優(yōu)化等功能；（3） 質(zhì)量管理(Quality Management)以工廠制造執(zhí)行過程中的質(zhì)量管理為核心，主要包括統(tǒng)計質(zhì)量控制、實驗室信息管理系統(tǒng)等；(4) 過程管理(Process Management)主要包括設(shè)備的監(jiān)測與控制、數(shù)據(jù)采集等功能。圖1��3MES集成系統(tǒng)模型1.2.2MES的定義回顧歷史，每一位參與者都有自己關(guān)于MES的定義。定義往往取決于他們掌握IT工具的程度，生產(chǎn)管理的方式，或者他們對客戶需求的了解。制造執(zhí)行系統(tǒng)國際聯(lián)合會（Manufacturing Execution System Association International，MESA）于1997年開始陸續(xù)發(fā)表MES白皮書，分析了MES產(chǎn)品的發(fā)展及應(yīng)用MES產(chǎn)品的作用與效益，論述了MES實現(xiàn)與上層計劃系統(tǒng)和下層控制系統(tǒng)集成的可行性，給出了MES的描述性定義，從而有效地推動了MES的發(fā)展。MESA給出的MES的描述性定義是：MES能通過信息傳遞，對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。通過使用準(zhǔn)確的實時數(shù)據(jù)，MES能夠指導(dǎo)生產(chǎn)進(jìn)程，響應(yīng)計劃調(diào)度指令，以及報告生產(chǎn)活動的狀態(tài)和結(jié)果。由此可以應(yīng)對生產(chǎn)環(huán)境變化，減少無附加值的活動，提高生產(chǎn)加工過程的效率。MES還可以提高準(zhǔn)時交貨率，庫存周轉(zhuǎn)率，從而提高經(jīng)營型資產(chǎn)的回報率。MES通過雙向通信，提供了生產(chǎn)活動的任務(wù)核心信息，可以貫穿企業(yè)各管理層次和供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)。為了滿足制造環(huán)境多樣性的需求，MESA定義了11條MES的主要功