MES系统中物料平衡的设计与实现

MES系统中物料平衡的设计与实现（上）
来源：万方数据
关键字：MES物料平衡数据校正
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石油炼制企业在不断的发展壮大，对信息技术和综合自动化系统的需求也在持续变化。

本文通过以制造执
行系统(Manufacturing Execution System，MES)技术为代表的信息化整合优化集成，企业可以显著降低成本、提高竞争力和增强抗风险能力，因此，MES技术的研究与应用成了整个流程工业综合自动化技术发展
的关键之一。

本文内容涵盖了物料平衡模块的各个关键技术点，主要包括物料平衡数据的归并与审核、平
衡数据的校正，为全公司MES系统的实施奠定了坚实的基础。

1 绪论
目前，以信息集成为核心的企业综合自动化系统在国内外的许多企业已经投用，并且取得良好的使用效果。

实践表明它能够将先进的、科学的管理方法更好地应用于化工企业，将生产管理的经验和领域专家的知识结合起来，协调并参与实时生产管理过程，再结合产品的市场行情，搞好市场分析，形成最佳的生产结构，从而创造更大的经济效益。

20世纪90年代，我国化工企业基础自动化建设与改造基本完成，部分企业还实施了ERP(Enterpdse Resource Planning，企业资源规划)，但因缺乏将ERP和控制系统集成连接在一起的中间层，ERP的实施效果受到了极大的限制，信息化建设进程一度陷入窘境。

MES(Manufacturing Execution System，生产执行系统)是支撑企业生产管理层业务运行和管理的信息系统，恰好能填补这一空白。

MES是处于计划层和现场自动化系统之间的执行层，主要负责车间生产管理和调度执行。

一个设计良好的MES系统可以在统一平台中集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能，使用统一的数据库和通过网络联接可以同时为生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。

系统通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，协助企业建立一体化和实时化的ERP／MES／SFC信息体系。

MES直到1990年，才由美国的AMR(Advanced Manufaeturing Research)提出并使用。

20世纪90年代初，工业界开始认识到需要一个可
以将业务系统和控制系统集成在一起的中间层。

制造执行系统(MES)从一开始就是一个特定集合的总称，用来表示一些特定功能的集合以及实现这些特定功能。

美国的咨询调查公司倡导制造业用三层模型(3rd layer modd)表示信息化。

将位于计划层和控制层中间位置的执行层叫做MES，并说明了各层的功能和重要性。

在中国，生产和制造两词有时混用或等同。

MES 处于企业信息系统ERP／SCM和过程控制系统DCS／PLC的中间位置。

ERP作为业务管理系统，DCS／PLC作为控制系统，而MES则作为生产执行系统。

MES与上层ERP等业务系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统，把业务计划指令传达到生产现场的同时，将生产现场的信息及时收集、上传和处理。

MES不单是面向生产现场的系统，而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统，是连结现场层和经营层，改善生产经营效益的前沿系统。

MES也不是一个特定行业的概念，而且应用于各种制造业的重要信息系统。

到90年代，MES发展为MES(集成MES)和MES(Manufacturing ExecutionSolutions)。

90年代中期，又提出了MES标准化和功能组件化、模块化的思路。

这时许多MES软件实现
了组件化，也方便了集成和整合，这样用户根据需要就可以灵活快速地构建自己的MES。

对于化工企业，作为填补计划系统和控制系统狭缝的MES的主要功能模块，一般包括短期生产计划、作业排产和调度，过程控制和管理，维护管理，技术信息管理，过程优化控制，提高质量管理功能的LIMS以及与ERP之间的连接。

还有化工企业生产的特殊需求，如数据调理和校正、运行数据统计、公用工程平衡管理、设备寿命预测、设备性能计算、罐区管理、罐区平衡、物料平衡等，都作为MES的单一功能模块，并集成到MES系统中。

MES是处于计划层和控制层之间的执行层，主要负责生产管理和调度执行。

它通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造竞争力，提供了一个统一平台，系统地集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能。

企业资源计划(ERP)系统需要实时生产信息的辅助进行经营决策和订单管理。

但是来自生产现场的状态信息和生产数据并不能直接反映经营者所关心的产品进度和质量变化等信息。

因此，需要MES在企业资源计划和过程控制之间提供信息的转换。

MES执行由ERP制定的计划，并根据实时生产信息调整生产，做出调度，并将有关资源利用和库存情况的准确信息实时地提供给ERP系统。

MES还能将生产目标及生产规范自动转化为过程设定值，并对应到阀门、泵等控制设备的参数设置。

同时，MES将从DCS采集来的生产数据与质量指标进行对比和分析，可以提供闭环的质量控制。

MES为控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源，提供了一个统一平台，对提高企业生产效率、提高产品质量、降低消耗起到了重要的作用。

尽管不像ERP那样为公众所熟知，MES同样是制造业信息化，流程工业自动化的核心技术，MES 在企业计划管理和车间生产控制之间架起了一座信息沟通和管理的桥梁，使企业将更容易建立一个快速反映、有弹性、精细化、统一的信息化制造环境，帮助企业提高了产品质量和环境，降低了材料和人力等资源的消耗。

炼油化工属于典型的流程生产行业，其生产工艺流程及生产组织方式具有鲜明的特点，在炼油化工行业中，MES对于信息系统集成化、标准化，了解监督、管理并优化生产运行，提高经济效益，发挥着重要作用。

通过MES的实施，石化企业可快速应对经济环境和内部生产的各种变数，改变工厂的角色，进行业务和生产上的多级优化；对生产过程和运行数据进行采集、整合和充分利用；改善生产执行层的信息交流以及工作效率，支持各个业务领域运行和优化。

MES的应用正在逐渐成为石化企业信息建设的重要组成部分。

形象的说明了在整个石化企业中MES系统与ERP以及PLC、DCS之间的关系。

1.1 MES系统
生产运行系统的英文全称是Manufacturing Execution System，简称MES，是美国管理界上世纪九十年代提出的新概念。

MES(MES国际联合会)对MES的定义是：MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理，同时还能通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。

MES的产生源自工厂的内部需求，传统的MES就是从70年代的零星车间级应用发展起来的。

20世纪80年代后期，‘随着计算机技术和网络技术的迅速发展，流程工业控制中出现了多学科闫的相互渗透与交叉；同时，信号处理技术、计算机技术、通信技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理和经营于一体的综合自动化新模式。

MES就是这种新模式下的一项重要技术和应用。

MES强调控制和协调，是使计划系统能落实到实处的执行系统，所以在石化企业经济效益控制中有很高的应用价值。

MES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。

MES是连接控制层与管理层的一个中间纽带，完成从生产命令下达到生产统计的整个过程的管理，并实时地将生产过程信息反馈给ERP及其它信息系统，从而将生产活动信息与管理活动信息有效集成。

因而，在企业信息化系统中，MES起着承上启下的作用。

MES系统国内外发展状况
MES作为生产形态变革的产物，其起源大多源自工厂的内部需求。

80年代，美国就有了MES系统。

传统的MES大致可分为两大类：(1)专用的MES系统。

它主要是针对某个特定的领域问题而开发的系统，如车间维护、生产监控、有限能力调度或是SCADA等； (2)集成的MES系统。

该类系统起初是针对一个特定的、规范化的环境而设计的，目前已拓展到许多领域，如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业，在功能上它己实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。

虽然专用的MES能够为某一特定环境提供最好的性能，却常常难以与其它应用集成。

集成的MES与专用的MES相比，迈进了一大步，具有一些优点，如单一的逻辑数据库、系统内部具有良好的集成性、统一的数据模型等等，但其整个系统重构性能弱，很难随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。

目前，国内还没有自主开发的很成熟的且得到广泛应用的MES软件。

即使有所谓的车间层控制SFC(Shop Floor Control)，大多数也是收集相关资料，再通过批处理方式录入，其功能十分有限。

在国外已经形成了一批MES软件产品和解决方案，出现了一批以MES为核心产品的工业企业管理应用软件公司，而且企业信息技术应用的焦点已经由ERP转向MES，然而MES的标准化仍有大量工作要做。

从国内的发展趋势看，CIMS、MES、ERP等概念都进入中国较早，但只以DCS为代表的底层自动化和以ERP为代表的管理系统普及速度较快，因此，中国工业企业的信息孤岛和缺损环链现象比国外更为突出。

也就是对MES层的认识相对落后，但是，确实有一些公司在加快开发中国式的MES产品或应用国外的MES产品，而且势头较好，同时，在认识观念上由关注ERP到关注MES的转变也已开始。

从技术角度看MES的功能正在向控制层和计划层渗透，三层结构的分工可能更模糊。

MES功能中的计划排产与执行调度模块越发突出和推广普及。

单一功能的MES产品正在向集成的MES和整体解决方案发展。

信息技术领域的分布对象技术CORBA、DCOM等标准日臻成熟是MES发展和集成的基础，DCS和ERP的普及和提高进一步推动了MES的发展和推广。

MES在石油化工领域的应用
石油化工生产属于连续性生产，生产线一级自动化程度较高。

DCS、PLC和IPC系统已成为石油化工企业的主要控制手段。

另外，石油化工行业的生产是一个多投入、多产出的过
程，每套装置的产出同时包含着各种不同的半成品或成品，其中半成品进入下一套装置又会产生各种不同的产品，同时还存在着物料回流的现象。

我国石油化工企业的管理模式主要是集中式和分布式两种管理模式。

集中式管理模式指与生产管理相关的职能部门及管理工作不下设到工厂，集中在地区公司一级进行。

分布式生产管理模式则指工厂下设相关职能部门，其生产管理分散在各工厂内部进行，地区公司仅负责协调监督工作。

随着信息技术的发展和普及，国外大型流程工业企业，特别是石油化工企业十分重视信息集成技术的应用，以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至跨国集团公司级的信息集成系统。

MES以面向数据的模型为核心系统，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、环境监测、单元整合、模拟和优化，并进行物料平衡、生产计划、调度、离线或在线模拟与优化等操作管理。

这样，就使流程工业综合自动化系统中原来难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到了解决。

目前，MES已成为西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论和产品的主流框架。

MES的建设在我国石油化工行业中还处于初级阶段。

虽然做了很多相关工作，如计划调度、实时数据库系统等，但都比较零散，缺乏系统性。

MES的体系构成
MES体系结构以数据集成平台为核心，以物料平衡为主线，全面支持罐区管理、仓储管理、进出厂管理、公用工程管理、化工辅料管理等关键业务。

(1)以数据平台为核心。

基于石化企业的核心数据模型建立统一的数据集成平台。

核心数据模型包括工厂数据模型和业务数据模型。

其中工厂数据模型描述了企业生产工厂所涉及的工艺流程、加工装置、管道与拓扑连接关系、原料物性产品质量等生产过程所涉及的对象，而业务数据模型侧重描述生产管理相关的核心业务流程。

核心数据模型为MES系统提供统一的数据视图。

(2)以物料平衡主线。

装置数据校正是基于装置的设计参数模型和装置投入产出模型，综合考虑生产加工方案，按照一定的逻辑进行数据校正，实现装置级的物料平衡。

装置数据校正的主要数据来源是生产实时数据采集系统、手工录入和其他系统。

数据校正的结果，作为全厂油品平衡和全厂物料平衡的装置数据基础，提供装置投入产出统一数据源。

(3)调度平衡。

依据油品移动的节点模型，综合考虑装置校正数据，采用油品平衡算法，实现全厂油品平衡。

全厂油品平衡抓住企业物料数据的主要因素(油品)、忽略炼油企业物料数据的次要因素(气体、固体等)，根据油罐与油罐之间、生产装置与罐区之间、生产装置与生产装置之间的油品移动关系，建立油品移动模型，从油品组分、油品数量多个视角实现油品平衡。

全厂油品平衡充分考虑生产调度部门日常数据处理逻辑，以罐区存量数据的相对准确性，对生产装置投入产出数据进行进一步的校正。

全厂油品平衡的结果，主要满足生产调度部门的数据需求，并作为全厂统计平衡的数据基础。

(4)统计平衡。

依据全厂物料逻辑模型，在全厂油品平衡的基础上，全面综合考虑气体和固体等数据，通过平衡推量，实现全厂物料统计平衡。

全厂物料统计平衡的结果满足生产统计部门的业务需求，为ERP系统提供生产绩效数据支撑。

简言之，MES系统以核心数据模型(厂数据模型+业务数据模型)为基础，对生产统计、生产调度、装置运行、生产成本等进行实时监测与管理，强调通过实现生产全过程的物流跟踪来发现生产过程中存在的问题，强调通过实现调度平衡、统计平衡来保证生产过程数据的准确性，通过生产计划与调度优化实现生产管理的动态优化。

实施MES系统的目的
(1)为ERP提供数据支撑。

为ERP的生产计划、物料管理、销售分销等模块提供数据，主要包括物料数据和公用工程数据：
(2)实现公司的生产数据和应用集成。

实现企业的数据集成，实现应用系统集成并提供一致、共享的信息；
(3)为公司生产管理提供信息化管理工具。

为生产管理(计划、调度、统计)提供一致、唯一和共享的数据源；实现罐区的自动化管理和装置数据的自动校正；为生产调度提供实时的物料移动跟踪和油品平衡工具；为生产统计部门提供自动实现物料日平衡的工具；为企业公用工程信息提供平衡管理工具；
(4)促进了公司精细化管理，增强了企业竞争力。

MES的实施将对企业的生产管理流程进行规范和优化；降低管理部门业务人员的重复性劳动，提升创造性劳动；
(5)提高了供应链管理效率，优化了生产加工。

为整个业务流程提供优化建议；为公司生产加工方案、原油选购、优化排产、产品调和的优化提供了决策支持，为公司的生产降本增效，提高了企业的经济效益。

1.2 企业MES系统构架
MES系统由多个软件组成，用于支持工厂生产运行的不同方面的工作。

中国石油MES系统主要运行于地区公司层面，涉及生产计划与排产、生产执行、生产运行管理、生产统计等业务领域，主要包括以下模块：工厂基础信息管理、实时数据库、实时数据库应用、实验室信息管理系统、生产计划与排排产、运行管理、物料移动管理、物料平衡、收率计算、生产统计、生产运行信息平台。

四个功能层次中最下层的基础应用层包括了三个子系统，分别是工厂基础信息管理、实时数据库、实验室信息管理系统。

这一层面的应用是MES其他层面子系统的信息基础，所有的基础数据和实时数据都来自于这个应用层。

自下而上的第二层是执行层，主要是实时数据库的应用。

主要实现生产运行中的实时和历史数据的收集和存储，并具有对生产执行情况的监控、诊断、跟踪、故障检测和记录等功能。

自下而上的第三层是运行管理层，其包含生产计划与排产、运行管理、物料移动管理、物料平衡、收率计算和生产统计子系统。

最上层的应用是表现层应用，主要提供地区公司和各分厂生产运行信息查询和分析功能的最终用户应用服务。

这一层面的应用主要用于综台报告并发布其它各子系统的信息，全面体现生产运行的状况，便于管理者进行及时有效的决策。

管理工厂配置信息定义，包括工厂所有组件，如结构、装置和资产信息，存储工厂生产流程图以及各个结点的联接关系。

通过建立清晰、集成的工厂静态基础信息，统一的数据查询界面，使各部门、各岗位的人员能够在统一的平台下，根据需要查询工厂基本信息，及时了解工厂基础信息，并便于未来这些信息的统一维护、更新和管理。

实时数据库
实时数据库作为数据集成平台，能存储大量的、实时的和历史的生产过程数据，并提供分析工具，能够支持对这些数据的分析，为其它的应用提供数据支持。

实时数据库可以和DCS，PLC及其它数采系统进行连接，能够提供方便的过程监控和浏览功能。

实时数据库应用
提供实时监控KPI的工具，及时发现生产中的问题；实时计算装置考核指标：实时计算需要的工艺参数；提供分析历史数据工具，为生产过程平稳控制服务。

实验室信息管理系统
可以提供质量检验的最终结果数据，可直接将化验仪器的数据输入LIMS数据库，也支持样品分析结果手工输入LIMS数据库，并可与产品的质量指标对比。

建立统一的数据源，以查询实时数据的方式查询实验室数据，支持数据以趋势图的方式查询。

LIMS数据可以与其它系统共享，实现实验室数据与应用集成。

生产计划与排产
与生产计划优化系统集成，从月计划中产生短期的生产排产计划；基于生产装置和生产能力的配置信息，建立一个调度与排产模型，用于调度系统优化排产的需要；提供原油调度、装置调度、罐区调度功能；能够模拟不同情况下装置工厂调度的改变情况，使调度人员能在事件还没有发生的情况下，对生产情况的改变能有一个清楚的预测，以便事前就能采取行动，制定合理的优化的调度方案。

运行管理
(1)监控管理
通过设定参数的上下限制等，规范各种参数值，实时地对由于偏差造成的损失进行监控；可以对设备运行效果进行监控并提升流程工艺的性能；通过过程追踪，来提供对事件的归档记录，从而提供防止问题再生的措施；对车间绩效进行有效监控。

(2)指令管理
通过指令的追踪和比较，支持交接班操作；通过电子操作记录从而对于事件和工艺流程操作进行记录。

(3) 日志管理
提供电子化的文档详细记录各班组的活动情况，可以为相关人员准确、及时地得相关信息提供保证：能够自动形成所需要的报表，为数据查询提供方便。

物料移动
对物料移动及库存进行管理，包括：原料进厂、成品出厂、中间产品储运、以及装置间物料移动。

及时地将生产计划和排产方案转换为给生产车间和储运车间(油品车间)的物料移动指令。

调度人员通过此系统，对生产过程中从原料进厂到成品入库的物流进行跟踪
生产统计
基于物料移动、物料平衡等数据，改进生产报表管理的业务流程，形成生产报表模板，规范生产报表业务，及时掌握企业的生产运行、物料移动、生产执行和生产统计等情况；搭建一个生产信息汇总、统计及查询的生产信息平台，加强各业务层次间的信息集成和数据共享；提供灵活的生产报表格式定制功能，使报表功能具有良好的维护性和扩展性。

专业分公司能够方便地基于地区公司的生产运行数据进行数据汇总和分析。

物料平衡
通过在系统中配置物料平衡模型，如建立装置平衡模型、生产平衡模型、统计平衡模型，满足业务部门的不同需求；提供多种途径的数据归集方式，为物料平衡计算提供统一计量单位的基础信息；使生产管理岗位及时全面了解生产现状，及时发现各种不合理的生产损失；及时反馈生产计划和生产调度的执行情况，达到快速优化生产、降低生产成本的目标；为成本核算、技经指标考核和生产统计等应用提供准确可靠的基础数据；有效地进行生产分析，发现仪表误差等计量问题，改进生产管理手段。

物料平衡是炼化企业开展众多业务(如：生产统计、生产计划优化、财务核算等)的基础，是实现精细化管理的重要保障。

从我国石化企业的现状来看，物料平衡的管理仍比较粗放。

传统的物料平衡管理主要以月度为周期，工厂计量自动化水平低，缺乏及时、准确的物料平衡数据，成为了生产精细化管理的瓶颈。

因此，实施物料平衡系统，有效跟踪和整合生产数据，实现全厂和装置级的每日物料平衡，已经成为了国内炼化企业的迫切需求。

物料平衡是指导炼油生产的重要手段，关系到生产企业的投入与产出，其平衡结果可反映出生产计划是否合理，工艺技术是否先进，物耗成本的多少、产品收率和经济效益的高低等。

因此，利用物料平衡系统，通过对原料进厂、物料移动、库存容量、产品出厂等过程进行连续的跟踪记录，可找出并解决此过程中物料不平衡的问题，准确及时地获得产品的品种和数量、原料库存量、装置和罐区之间物流流量、燃料消耗量等信息。

物料平衡模块属于MES的上层应用的模块，实时数据库模块为物料平衡提供了所需的流量，温度等实时数据，LIMS模块也为物料平衡提供了化验数据。

物料平衡后，生产统计模块要应用平衡后的数据做报表等，以直观的显示出来。

物料平衡模块有如下功能：。