基于MES的化工生产调度系统研究
【摘 要】MES系统是当前企业信息化研究与应用的热点之一，本文以一无机磷酸盐化工厂的生产调度为研究对象，针对化工生产工艺流程连续，工艺过程伴随着复杂的物理与化学反应，工艺机理复杂，加工单元相互关联，影响因素多等各种加工过程的不确定性这些问题，设计了基于MES的化工生产调度系统总体架构、结构组成以及工作流程，对有效解决计划管理层与生产控制层之间的数据传输与通信问题，提高生产效率、合理调配生产资源具有很好地指导作用。
【关键词】制造执行系统；MES；生产调度
【Abstract】Manufacturing Execution System（MES） is one of the hotspots in enterprise informationization research and application currently. This research based on an inorganic phosphate factory， taking production scheduling as the research object， dealing with the problems： the continuous chemical production process， the complex of physical and chemical reactions， complex mechanism， associated processing unit and other uncertainties， then carried out this technology research of chemical production scheduling system. The research and application of the system are benefit to orderly operation and optimization resources for chemical production process， and to provide feasibility data support for leadership decision-making.
【Key words】Manufacturing Execution System， MES， Production Scheduling
0 研究背景
白沙河无机磷酸盐化工厂近年来先后引进和开发了一批节能新设备，处理了固废难题，又设计并成功投产了利用废热生产蒸汽的装置，在降低成本和节能方面在国内属先列。但是，和国内大多数化工厂一样，该厂也还处于传统型的生产管理模式，主要依靠调度员的经验去分析应对各种情况，控制层与调度层独立分开，管理部门、生产车间对生产过程不可监控，生产过程对车间调度员能力、工作主动性依赖较强，这种没有信息系统支持的传统生产管理方式，对生产过程的了解往往是局部的、粗略的、滞后的，更谈不上对生产过程的控制，所以，为了更好地合理利用资源，并且迎合工信部近年开展的两化融合行动，加入制造执行系统（Manufacturing Execution System ， MES），摆脱传统生产管理模式，实现对整个车间制造过程的优化是非常必要的。
MES是一些能够完成车间生产活动管理及优化的软硬件集合，这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程[1]。根据ISA-95标准，可以看出企业信息化的整体架构以及MES在其中所担当的角色，如图1所示：
ERP是对整个企业或企业集团业务的管理，是对企业整个运营资源（人、财、物）的管理，强调物流、资金流的统一，所以它无法直接与底层生产控制系统连接起来，而MES作为面向车间生产的管理信息系统，便成为了ERP和车间控制底层之间的一座桥梁，从计划层（ERP）获取生产计划（生产订单），将细化的生产任务传递给作业人员，或将控制指令下达给流程控制层，同时从作业人员或流程控制层收集现场信息，反馈给计划层[2]。
根据MESA对MES的功能定义，MES的功能包含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、产品跟踪、业绩分析等。而生产调度则是制造执行系统的一个关键模块，在满足资源约束的条件下，均衡生产过程中各种生产资源；要在不同的生产瓶颈阶段给出最优的生产调度计划；要实现快速调度并对需求变化做出快速反应。
1 需求分析与存在问题
白沙河无机磷酸盐化工厂总共有五个车间，其中一个黄磷车间所产出的黄磷是作为原料供应给其他几个车间，其他各车间按照下达的订单要求生产出符合买家要求的不同标准的产品，生产时所需要的燃料均为黄磷生产中所产生的煤气，各反应中需要用到的大量蒸汽一部分也是由以煤气作为燃料的燃气锅炉提供，整个生产过程会受到这些条件的限制。
1.1 生产情况与存在问题
（1）由于订单标准的不同，生产产品的过程中可能存在这一批生产完结后，该生产线要调整到下一批订单的标准时，需要花费几小时甚至几天来调节，所以最初的排产调度计划就需要经过合理的计算来进行时间和成本的控制。
（2）化工生产的能源消耗非常大，而此前的燃煤锅炉由于环保以及其他因素已经弃用，现全由黄磷生产过程中产生的大量煤气来提供所有车间的燃料供给，而且化工产品生产条件极为苛刻，反应温度稍微改变，产品质量就会受到影响甚至生产出其他的产物。煤气炉的贮存空间有限，黄磷车间源源不断的送气，其他又在持续不断地消耗，于是能源方面的调度尤为重要，所以生产过程中的调度也是一大问题。
（3）生产装置出现故障，以及生产过程中当检测到炉内渣过量时需要停机清理，各种因素造成与原有的生产计划任务脱节等。
（1）信息需求
MES系统是一个面向车间的实时信息系统，它要求把车间所有信息能实时反映出来，调度数据以MES系统数据为基础，因此及时、准确地实现信息的共享与集成是基于MES生产调度系统的核心。
（2）功能需求
功能需求体现在如下两个方面：
第一，生产车间接收到管理部门下达的生产任务，根据生产能力，库存信息，以及工时定额，利用计算机生成可执行的、合理的排产方法以安排作业的加工顺序和加工设备，通过人工调整实现优化调度，制定生产作业计划下发给各生产班组进行生产[3]。
第二，通过底层PLC、DCS等系统上传的实时数据以及各生产班组对生产计划执行情况进行控制并对影响生产的各个因素状态（如煤气、蒸汽、矿石储备、设备运行状态等）进行监控，将所跟踪得到的生产情况和资源状况信息向上反馈，使得调度员根据反馈的数据信息对生产全程监控，实现作业计划的临时追加与调整。同时，相应的功能模块可以完成数据信息的建立和维护、工时统计、设备负荷核算等工作，为动态调度提供依据[4]。
2 基于MES的生产调度系统设计
无机磷化工是一个化工生产条件要求高，原材料和中间品多危险，高温、高压，工艺流程连续，机理复杂，加工单元相互关联的复杂系统。其中调度工作对于生产的影响尤为重要，根据化工厂生产的实际情况，按照数字化管理需要，确定系统的总体框架，将整个化工厂MES系统划分为六大模块，分别为：基础数据管理模块，计划排产模块，工艺模块，生产统计模块，操作管理模块和信息综合查询模块。如图2所示。
2.1 基础数据管理模块
MES系统的基础数据管理包括设备信息维护，系统菜单管理，系统配置维护，人员角色管理等。
设备信息维护是将整个工厂各个车间的生产设备（黄磷电炉、磷酸盐车间的燃烧炉、燃气锅炉、余热锅炉、电力系统状态等）联网，实时采集生产设备的信息，包括设备运行状态、设备参数调整选择、故障维修记录、检测结果等，采集的信息最终汇总到基础数据库中。人员角色维护是将所有与化工厂MES生产相关的人员包括计划、调度、生产、管理、工艺、操作、检验、库房分别给与相应的权限，通过个人专属账号进入MES系统进行工作。
2.2 计划排产模块
计划排产模块主要包含了生产计划与作业计划。
生产计划是由ERP系统传送过来的订单销售情况，结合本厂实际生产能力以及当月的停车检修计划，通过智能计算出最优化的生产计划表，再由专业人员适当修改完成。
作业计划是由车间调度根据生产计划表生成，建立车间任务。车间任务管理主要用于车间生产过程管理与控制，是车间任务在“工序级”的具体执行过程。
2.3 工艺模块
在化工生产中，工艺文件是指导其生产的一个关键，各个车间都配备的有专门的工艺员来整理相关资料，所以工艺模块是本系统不可缺少的，相关作业人员可以在通过本系统查询工位的相关工艺要求和工艺知识，为了方便查询人员，加入了工艺流程图，让整个生产过程更加清晰。
对各个车间的不同产品工艺进行分析，不同车间的工艺人员可以只在在系统中对工艺进行修改维护，并在工艺的编制流程加入权限控制，通用工艺编制完成并审批后，不得随意改动。编制工艺文件时可以直接从通用工艺库中直接调用典型工艺，保证了相同工序的工艺要求良好的一致性。
2.4 操作管理模块
生产作业执行主要是生产过程的具体实施。当生产过程中突发状况（机器故障、能源紧缺等）需要进行调度时，由该模块进行操作指令的下达，而为了便于管理与追责，该模块内还包含操作监控和操作日志两个功能，将责任直接划分到当班人员。
2.5 生产统计模块
生产统计模块主要包括物料平衡、统计方法、统计计算、统计报表。该模块提供某一条件下的统计分析结果，为管理人员及时了解生产任务的执行情况，提前进行计划调整和调度提供依据，为车间管理者考核装配人员技能水平提供了参考依据，同时也是车间进行成本核算的重要信息来源。
2.6 信息综合查询模块
信息系统查询主要分为任务执行查询、作业执行查询、生产进度查询、质量信息查询、设备在线查询。整个化工厂各车间的生产信息进行实时采集，保证了MES系统能够实时显示车间各生产任务的完成进度，实时显示设备状态信息等。将整个工厂的生产情况清晰明了的通过实时数据反映出来。
3 化工生产调度工作流图
首先，化工生产车间接收到销售管理部门根据订单实时汇总情况下达的生产任务，根据生产能力、库存信息以及本月设备装置检修计划，经系统中的设定的智能优化算法计算后制定出生产计划，下发至各个生产班组进行生产。
接下来，各生产班组对生产计划执行情况进行控制（例如黄磷电炉的需要更换电极以及除渣），并对影响生产的各个因素（例如煤气供应，蒸汽压力、温度、设备运行状态）进行监控，将所跟踪和采集到的生产情况信息和资源状况信息及时向上反馈。
最后，根据上一步的实时反馈，调度系统对各种突发情况或紧急情况给出处理建议，因设备故障而导致脱离原有作业计划时，作业计划重新进行调度分配。各生产班组在生产作业计划执行的同时，还实时生成生产进度分析报告，并将关键信息反馈给相应的管理部门。具体的生产作业计划和调度控制的流程如图3所示。
4 结论
生产调度作为制造执行系统的一个关键模块，是体现制造执行系统先进性的技术核心。本文以白沙河无机磷酸盐化工厂企业生产为研究对象，分析出现的问题和需求，对基于MES的生产调度系统的相关技术进行了研究，构建了基于MES的生产调度系统总体架构，规划了系统功能模块，梳理了工作流程，对有效解决计划管理层与生产控制层之间的数据传输与通信问题，提高了生产效率、合理调配生产资源有较好促进作用。在后续工作中将实际应用该系统，来检验该系统为现有化工生产和管理层决策提供信息的可靠性，以及评估其对生产效率和质量管控能力提高的有效性。
【参考文献】
[1]MESA International MES Explained： A High Level Vision[R].Pittsburgh ，USA： MESA International White Paper Number 6，1997.
[2]潘美俊，饶运清.MES现状与发展趋势[J].中国制造业信息化， 2008，9：47-50.