MES与炼化企业信息集成和生产优化方案

本文简要介绍了MES的发展背景及MES在炼化企业中的应用情况,详细介绍了MES在炼化企业中起到的计息集成、生产运行业务支持与优化两大功能。炼化企业的MES系统通过实时数据库和ERP接

本文简要介绍了MES的发展背景及MES在炼化企业中的应用情况,详细介绍了MES在炼化企业中起到的计息集成、生产运行业务支持与优化两大功能。炼化企业的MES系统通过实时数据库和ERP接口实现了与过程控制层和计划层的信息集成。MES系统利用丰富的功能模块有效地支持了生产运行管理各项业务的展开,并利用先进的监控技术和优化技术实现生产过程的优化。

 
引言
在进入二十一世纪以来,炼化企业面临着严峻的形势与挑战。一方面原材料和产品价格剧烈波动,利润空间变窄,要求企业在生产环节进行精细化管理,以降低生产成本、提高经济效益。另一方面,面对变幻莫测的市场环境,企业迫切需要根据市场变化,迅速作出反应,为此需要快速高效地获取生产运行相关的大量信息作为决策依据。信息化是解决企业管理中突出问题的有效措施,是实现管理创新的重要途径,企业推进信息化建设的根本目的在于降本增效、提高决策水平和企业核心竞争力。
 
制造执行系统或生产运行系统(MES:Manufacturing Execution System)是企业信息集成的纽带,能为企业提供一个反应迅速、有弹性、管理精细化的生产环境,帮助企业减低成本、提高产品质量和服务质量,最终提高企业的核心竞争力。1990年,美国先进制造研究中心(AMR:Advanced Manufacturing Research)就提出了MES的概念。
 
MES功能组件和集成模型包括11个功能:生产资源分配与状态、作业计划和排产、生产单元调度、工艺规格标准管理、数据采集、劳动力管理、产品质量管理、过程管理、设备维护管理、产品跟踪和清单管理、绩效分析。2004年,MESA提出了协同MES体系结构(c-MES:Collaborative Manufacturing Execution Systems),协同MES重新组合了早期MES系统的功能以改进企业的生产操作,实现MES与企业其他系统更好的集成,强调在供应链和价值链上的企业和人员通过集成来实现协同制造,达到共赢。
 
炼化企业属于流程型企业,自动化程度高,其MES系统面向生产执行过程,连接实时数据库和关系数据库,对生产过程进行过程监视、控制和诊断、单元整合、模拟和优化;并进行物料平衡、生产计划、调度、排产等操作管理。其总体目标是以最经济的方式来优化生产以满足需求。
 
国内能源巨头中石油和中石化也于2004年启动了MES系统的建设。中石化MES以自主开发为主,目前已经发展到SMES3.0版本,SMES3.0主要由8个核心业务模块(生产计划、生产调度、生产统计、物料移动、能源管理、操作管理、KPI绩效和综合展示)、1个支撑模块(ERP等接口)和1个平台(集成平台)构成,向下集成实时数据库系统(RTDB)、实验室信息管理系统(LIMS)、衡器数据库系统,向上支撑ERP系统、TBM系统和总部生产营运指挥系统。
 
中石油则采用了成熟的MES产品,包括工厂基础信息管理、生产计划与排产、运行管理、物料移动管理、收率计算、物料平衡(生产平衡)、实时数据库、实时数据库应用、实验室信息管理系统、生产统计、生产信息运行平台、ERP接口、统计平衡和公用工程计量统计14个功能模块,另外针对整个炼化分公司的总部层面的炼化MES也在实施当中。
 
MES系统在炼化企业的应用主要担当了两个方面的重要作用:一是信息集成的功能,通过MES系统的实施,可以有效弥补企业过程控制系统(PCS)层及资源计划层(ERP)层之间的数据间隙,起到了沟通PCS层和ERP层的信息桥梁作用;二是业务支持和生产优化的功能,MES系统有效地监督、管理并优化生产运行,对生产过程和运行数据进行采集与整合,充分利用生产数据,支持生产计划、生产调度、运行管理、物料移动、库存管理、物料平衡、公用工程和能耗管理、生产统计等各个业务开展和优化。
 

1 MES推进炼化企业信息集成
MES位于控制层(PCS)和计划层(ERP)之间,正好填补了企业控制层与计划层之间的数据间隙。对于炼化企业,过程控制层普遍采用了DCS和PLC,由下至上,MES通过对过程控制层数据的采集和存储,实现了在过程控制数据层次上的数字化工厂,MES对收集的实时数据根据业务需要进行加工和处理,结合生产调度层次上的生产数据、化验室的化验数据等为生产运行各部门提供数据支持,同时为上层的ERP提供准确、统一、及时的生产信息;由上至下,上层的ERP可以通过生产信息了解企业现状,从而可以根据对未来市场环境的预测及现阶段生产状况制定生产计划,下发到MES层进行计划的分解及详细的产生调度指令的生成,有效指导企业开展生产活动,确保生产活动平稳顺利地进行和按计划完成生产任务,同时通过在调度层面的优化,降低生产成本。
 
炼化企业属于流程型企业,生产控制实时性要求高,普遍采用了集散控制系统(DCS),自动采集控制层数据的条件好,具备实施MES的条件。另外截至2005年底,全球五大上市石油公司(埃克森-美孚、英国石油、壳牌、雪佛龙-德士古、道达尔)都已经基本完成了全公司范围内的ERP系统建设,国内石油公司也加紧在实施和扩展ERP。
 
ERP起步比MES早,技术相对成熟,在过去主要以财务核算为核心,随着市场环境的变化,对企业的敏捷性要求越来越高,要求ERP能及时有效准确地获取企业的生产数据,以支持计划优化和生产经营决策。因此,在炼化企业实施与应用MES的条件已经具备,时机已经成熟,MES的实施与应用也必将推动炼化企业的信息集成,为企业带来实际的好处。
AMR提出的三层企业集成模型
图1 AMR提出的三层企业集成模型
 
前面介绍了MES填补了炼化企业过程控制层和计划层的数据间隙,下面将介绍炼化企业MES如何与过程控制层和计划层的ERP实现信息集成。如图2所示,MES与过程控制层或生产现场层的信息集成是通过实时数据库实现的。现场控制仪表的数据通过控制网络被采集到DCS里,实时数据库则通过OPC接口采集DCS里的温度、压力、流量、液位等实时数据。不具备自动采集条件的数据可以通过手动位号的方式人工输入到实时数据库里。化验数据是炼化企业的一类重要数据,这类数据可以通过实施实验室信息管理系统来采集和保存,并可以集成到实时数据库里。
MES与ERP、PCS信息集成方式
图2 MES与ERP、PCS信息集成方式
 
实时数据库从生产现场收集来的数据是最原始的数据,其表现形式为流量、温度、压力、密度、液位等。这些数据需要经过MES内部各个功能模块的加工和处理以得到支持生产运行各项业务的基础数据,如装置管理、罐区管理、进出厂管理和公用工程管理都对这类数据进行加工和处理。
 
一类重要的数据加工是通过流量、温度、压力、密度实现自动质量计算和物料移动量的计算,以实现对整个企业物流网络的质量计量。这些物料计量数据然后通过物料平衡软件进行数据校正,校正数据错误,计算出无仪表计量的物流数据,从而得到准确一致的生产数据。在这个过程可以发现仪表误差和故障、发现例如将不合格油误倒入污油罐这样的不合理操作,企业然后对这些问题进行及时处理,以减少不必要的质量损失。
 
MES与ERP的信息集成则主要通过统计平衡和ERP接口来实现。统计平衡在物料平衡结果的基础上按照统计口径对生产数据进行归并和汇总,统计的周期一般为旬和月,需要将日生产数据进行累加,同时将存储同种物料的物理罐的罐量累加得到该物料的库存量。汇总完毕之后需要进行必要的统计处理平衡,然后将平衡结果通过ERP接口传递给ERP系统,ERP系统一方面结合销售单据进行财务核算,另一方面可以基于来自MES的装置能力、当前库存等信息进行计划经营决策。
 

2 MES支持和优化生产运行
通过引言的介绍我们可以看到中国石油和中国石化两家公司MES的功能架构非常类似,其主要原因是炼化企业MES的一个重要功能是建立一个统一的生产运行管理平台,支持企业生产运行业务的高效开展,并实现生产优化。两家公司炼化业务的管理模式和业务较为类似,MES实现的功能架构自然就类似。我们可以将炼化企业MES的主要的业务支持功能模块概括为:物流计量与管理、公用工程与能耗管理、计划分解与调度排产、运行管理、生产统计、信息平台。
 
物流计量与管理主要用于计量和计算全厂的物流网络和物料库存。如装置管理用于计量和计算装置投入产出量,罐区管理用于计量和计算储罐罐量和记录物料移动量,公用工程与能耗管理用于计量和管理企业的水、电、汽、风等公用工程的产生和消耗,物料平衡用于对全厂的物流数据进行数据校正,提高数据准确性和一致性。
 
实施MES前,人工抄表、电话报量、查罐容表计算罐量等低效的工作方式普遍存在。实施MES之后,计量仪表数据的收集已经有实时数据库自动完成,质量计算等数据处理全部有相应的功能软件自动完成,大大提高了工作效率,提高了数据的准确性和及时性。通过物料平衡可以及时发现仪表问题和数据录入错误,发现产生质量损失的生产环节和操作,以便采取相应的对策,达到降本增效的目的。
 
计划分解与调度排产用于将生产计划分解为可执行的调度方案,下发给操作员执行。计划分解与调度排产可以充分利用MES的生产数据,根据企业当前的生产状况制定出合理的调度方案。调度排产模块可以采用数学规划方法,通过建立企业调度数据模型,利用混合整数规划(MILP)和非线性规划(NLP)来求解调度模型,以实现优化调度方案,降低操作成本的目的。
 
近年来优化技术取得了较大突破,使求解大规模调度问题成为可能,炼化企业调度问题一般是混合整数非线性规划问题,一种有效的求解方法是分两步来求解,第一步采用MILP求解物流子问题,第二步采用NLP来解决质量子问题(混流问题)。调度优化在原油混输调度和成品油离线调和调度两个领域有着巨大的潜在效益。但是由于国内的罐区计量条件差,管理不够严格,未实现罐区的组分跟踪等原因,原油混输调度优化和成品油离线调和调度优化还没有普遍应用。近年来炼化企业的调度问题已经成为了研究热点。
 
运行管理主要提供调度指令的下达、操作监控、工艺台账、调度日志等功能,支持整个工厂生产运行的日常协调和指挥工作,将生产计划和排产方案转换为更加详细的调度指令、物料移动指令并且下达给所有生产车间、储运车间/油品车间、动力车间和其他相关部门。调度人员通过此系统,对从原油/原料进厂到成品入库整个生产计划执行过程进行沟通、跟踪和判断。通过对装置工艺指标的监控,及时发现偏差,以便迅速采取对策,保证装置处于计划设定的状态下运行。利用成熟的监控分析软件可以使生产受控,保证生产计划的严格执行,实现装置平稳运行,减少了生产波动,在一定程度上优化了生产过程,可提高产品的收率和质量。
 
生产统计则面向统计业务,利用炼化企业MES的数据平台可以实现各类调度报表和统计报表的生成和统计分析。根据业务范围可以实现车间、分厂、公司各级的统计报表的生成和统计分析,在时间纬度根据需要可以实现天、周、旬、月、季、年等调度报表和统计报表的生产和统计分析。综上目前炼化企业MES内部各功能模块覆盖了装置、罐区、计划、调度、质检、工艺等生产运行各部门和业务环节,全面支持生产业务的高效开展和生产优化。

 
3 结论
目前,国内炼化企业MES的应用虽然才刚刚起步,但是由于借鉴了国际上的最佳实践,发展迅速,功能也日渐完善,取得了良好的应用效果。成熟的监控和分析软件的应用实现了生产受控和精细化管理。优化技术的突破与计算机技术的飞速进步使求解大规模非线性优化问题成为可能,在炼化企业内得到了初步的优化应用。
 
MES以其在信息系统中的特殊地位和它的信息集成、生产业务支持与优化两大功能在炼化企业管理中发挥越来越重要的角色。另外炼化企业MES在实施与应用过程中也反应出了不少问题,例如罐区的计量差,管理上要求不够严格等等,影响了系统功能的发挥。生产计划的优化得到了普遍的重视,而生产调度的优化由于其自身复杂性和难度,没有得到足够的重视和推动,还有很大的增效空间。

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