MES在各行业中的需求与解决方案（五）

MES在各行业中的需求与解决方案（五）

罗克韦尔自动化（中国）有限公司 华镕

啤酒行业的特点是工厂的能力可大可小，变化很大。小啤酒厂的规模约为每年生产20万升啤酒，即40万瓶0.5升的啤酒；而德国最大的啤酒厂每年可生产约5亿升啤酒，还有跨国啤酒企业的产量有的高达10亿升/年，有些啤酒厂的生产能力甚至超过这个数字。酒厂规模的大小对自动化和MES也产生了不同的需求。在小型啤酒厂，一般只有酿造厂房和一些清洗设备形成“自动化孤岛”自动运行。起步的产量约为1千万升/年，啤酒厂用一套完全集成的自动化解决方案控制整个生产过程。大型啤酒厂则完全依靠生产设备的自动化运行，由中央控制室监视。

MES的主要功能是保证质量，生产调度支持，包括物流和库存的数据，并用产品质量和效益评估生产。

MES系统的核心功能是面向目标的生产支持。专有系统超出办公软件产品范围的情况，通常可以在年产量5千万升的啤酒厂中找到。酿造业一直都在考虑大型化和国际化的运营模式，对不同工厂选定的性能指标进行比较也变得越来越重要。而MES正好能够提供这些性能指标。

生产企业的内部设施主要分为两个区域，分别是酿造和装瓶，即啤酒原浆的生成和各种瓶子的灌装，最后成为准备销售的啤酒。这两个区域是不同的部门，需要不同MES功能。下面的叙述着重于生成过程，即酿造部分。

1 典型运行的一般描述

啤酒的准备部分分成四个过程单元：

（1）筒仓区域 = 原料储存；

（2）酿造厂房 = 麦汁准备；

（3）发酵酒窖 = 发酵过程；

（4）过滤啤酒 = 啤酒过滤，准备装瓶。

在大多数情况下，所用的原料是麦芽和啤酒花。酵母在生产过程中生成并再产。消耗的材料是清洁剂和助滤剂。副产品包括酒糟，酵母和助滤剂。

由于完整的酿造过程需要约4周时间，为了保证必要的生产时间，销售需要进行相应地预测。

原料的质量变化和市场的口味变化，需要产品不断创新以及灵活的配方管理。这个功能通常在控制系统级就可以实现。配方在单元级或设备级上定义。厂级或通用配方已不太常见，偶尔存在于制造的说明书上。从80年代以后，啤酒厂已普遍采用在控制系统内实现配方。

各个过程工位的生产调度：

筒仓区

（1）从ERP系统得到原材料的采购规划；

（2）在ERP内发贴，或在集成环境下，通过MES反馈给ERP；

（3）库存水平和消耗，从MES反馈到ERP。

酿酒厂

（1）规划时限：1个星期；

（2）相对较少的变化（大约1～10）；

（3）按酿造线规划酿造过程（如图1所示）。

图 1 使用罐调度支持调度功能

（4）发酵窖（下一阶段）的容量决定了同一酿造的顺序号；（5）为规划输入参数（如图2所示）。

图 2 在MES中自动关联资源和过程执行

· 发酵窖中的目前液位，填补发酵窖中丢失容量。

· 根据选择酿造的品种，预测长期销售。这决定了这种酿造类型要生产的数量。作为规划的一部分，还要把该总量分成为多个批次（啤酒）。

· 计划的不确定性是由于酿造生成与成品啤酒销售中间存在2～4星期的延迟。

发酵酒窖

（1）酒罐的灌装是按酿造规划决定的；

（2）1～4周的批次时间；

（3）酒罐的排空是由过滤规划决定的；

（4）在发酵窖中其余的工作（酵母培养、清洗）作为每周调度的一部分执行。

成品啤酒装瓶的过滤和交付

（1）规划时限为2至3天；

（2）相对多的品种数量（约为5～50种）；

（3）装瓶要快速适应规划的变更；

（4）装瓶的典型缓冲时间小于1天。

生产调度主要由工厂和设备的可用性决定，而不是由原材料决定。

人员规划

这项工作与所提的能力要求差不多。因此，每个班次的人员规划要有足够的人数。这可以通过简单的列表完成。

生产准备要求

（1）原材料供应是ERP系统的责任；

（2）所需设备单元和路线的选择与分配；

（3）检查批次（质量发布）以及设备（清洗）的必要状态；

（4）考虑了从过程控制系统或MES得到的当前过程状态后，对下一个处理步骤提出要求。

生产执行要求

（1）自动化过程的监视；

（2）为手动任务描述完成工作流程；

（3）在MES中获得生产和消费量数据；

（4）触发所需样品的收集和质量保证的分析；

（5）根据质量结果，为进一步的处理阻止或释放批次；

（6）在生产结束时请求清洗。

生产评估要求

（1）从该过程控制系统获得批处理数据；

（2）合并所有相关的数据（DCS、实验室信息管理系统、手动收集）；

（3）根据规范检查选择的数据点；

（4）对与目标值产生偏差的批次进行快速检查，这有助于对生产问题的识别；

（5）对没有产生缺陷批次的百分比评估；

（6）根据有限数量的性能指标，评估生产目标；

（7）用验证的收集数据，评估生产批次的管理；

（8）可能需修正所有收集数据，其中包括自动收集的数据。当把数据导出到ERP系统时，错误数据会导致无用和引起问题。

2 通过MES功能支持运行

（1）资源管理

生产 质量 维护 库存概述· 单元和子单元分配可能在控制系统层发生。这是在单元类中根据单元设备指定的· 不灵活，技术修复过程运行设备· 在DCS中管理资源· 在单元上可以修复过程规范· 经常在不同生产线有相同的功能（例如2条酿造线，有多个罐装和排空路经）· 生产状态管理在DCS中执行· 保持过程状态：如：灌装、填充、排出、清空、清洗等以及卫生状态（使用了、清洗了、消毒了）；状态遵从S88.01规程材料· 从ERP发出材料类和材料的转移指令· 在DCS中把材料类分配到过程· 在DCS中把材料分配到配方员工· 需要时，把所有自动化人员分配到所有生产区域· 在MES中，很少做人员规划产品属性要求· 收集需要的质量数据成分属性的收集和评估· 相关成分属性的分析和存储· 评估（接受或拒绝）· 对生产要求影响的评估，必要时需要调整参数管理· 检测设备和检测手段· 由实验室或生产人员分析绩效战略决策：情境或预防性维护· 规划设备停顿和维修（周期）· 设想情境维护· 计划人员要与预计运营阶段和短期需求相吻合材料的需求和容量规划ERP · 关键原料的长期供应合同（麦芽/酒花）· 参考去年的数据MES · 决定并管理当前和历史的库存（MES往往引导ERP）· 对ERP反馈消耗和生产数据· 分配过程工单（根据连接的ERP）· 核对当前的库存水平

（2）定义管理

生产 质量 维护 库存制造规程和配方的定义· 规程和配方中的参数在DCS中定义· 区别：设备参数、工艺参数、产品参数· 通常在单元类级定义规程，在具体单元级定义配方。例外的是罐区，配方仅在类级存在· 为手动任务链接SOP规范· 为存储在DCS中的参数输入限值· 对质量相关参数限值的定义在MES中进行 =〉必须选择· 如果不期望质量缺陷，按规范检查才有意义· 批次分类“不在规范中”· 规范需要经常维护，否则有糟糕的评估风险LIMS接口· 多数规范已存在实验室信息系统中· 实验室要对DCS反馈超限信息· 质量相关的现场测量要报告给实验室材料特性规范· 成分质量· 成分检测和公布规程· 产品质量质量数据调整· 工单相关的调整机制创建、发布和控制· 检测方法· 检测规程· 建立限值· 成分公布/限制· 修补批次发布/限制与DCS的界面· 通过在线界面发布质量· 反馈到批次级对运行维护周期和标准的要求· 维护工单规程· 维护清单（设备、人员）· 确定维护间隔· 维护要求的限制创建、量化、发布和控制· 测量校准周期· 对选择的组件，根据工作小时（周期）面向对象的维护计划· 设备区的全面维护（预定关机的服务）库存量的修正条文（备份量）· 最小化库存水平· 库存定义的天数

（3）详细调度

生产 质量 维护 库存工厂设备和生产分配调度· 从ERP或供应链管理软件传送生产要求· 酿造厂：在DCS中把ERP（每个产品数量）的生产要求拆分成生产批次（酿造）· 发酵：分别从产品状态或清洁要求进行必要的处理，无高一级规划· 过滤：根据目前的库存水平和从ERP的装瓶规划为装瓶提供过滤啤酒· 在DCS中分配运行生产单元（生产线/路线、单元、容器）· 根据需要变更短期规划· 也在MES中显示设备分配状态和生产状态根据质量标准物流规划调整· 在生产过程中计划分析· 从当前的批次信息中创建采样计划规划数据的交接· 到维护管理模块成份· 根据库存水平和生产规划征调递交产品· 为要求的数量优化装瓶规划，最小化空闲时间

（4）分派

生产 质量 维护按照预定和当前运行数据优化工厂设备分配· 在DCS中存在所有的功能· 手动或者根据设备的可用性启动生产· 自动选择可用的单元（请求如过程清洗）· 在不同工艺阶段通过MES模块解耦操作员行为· 用固定的批量生产，按照工厂规模预先定义限制范围为运行生产活动分配工单· 为中间可能需要的清洗分配工单（通过DCS实现自动化）· 反馈过程状态，作为规划依据工单分配· 提取样品· 分析设备的分配根据当前需求在线规划和调整资源· 人员需求

（5）执行管理

生产 质量 维护 库存优化管理和生产单元控制· 信条：没有MES必须也能生产· 用配方控制自动或半自动运行规程· 在DCS中管理离散和调节控制设备的可变参数集（配方内容）· 自动路由控制· 批次的混合、计量、选择和取消可灵活选择，如像单元是分离的· 可平滑切换酒罐的变更，虽然在批次开始时所需罐的数量不固定过程控制· 在MES中监视过程状态· 当前违反规范的列表· 在MES中评估生产（KPI）产品质量· 生产运行时，在线测量产品质量执行分析· 在线访问检测工单和规程· 反馈分析结果· 制作结果文档反应· 阻止或释放成分和/或生产批次下指令·传输给DCS维护工单的控制和监视· 运行周期，小时的收集· 现场设备的校准间隔· 在线访问作业工单、服务计划、文件和规程商店· 自动发布交货时间· 送货单数据分配· 人工库存移动的收集（如集装箱货物）；材料入库和生产分配水平· 预订使用的材料，发布生产量· 预订空状态修正· 当前水平的人工库存· 反馈给ERP

（6）数据收集

生产 质量 维护 库存收集和显示当前处理的数据（控制系统）· 给MES报告所有批次，主要在运行级（开始时间和结束时间，整个过程运行时间，材料识别，使用的配方版本等）· 根据相应的过程或连续改进过程（CIP）对工单分类，作为报告的基础为生产运行定义，收集和备案通用质量指标· 实验室数据收集：从过一旦设备变化更新维护数据· 维护工作记录消耗/生产· 材料移动（批次ID，存储位置，材料，数量等）

· 使用当前和最近（天，周）的运行参数，这些参数由控制室的操作员归档在控制系统组件中长期归档· 为当前或未来的分析，收集和归档工厂范围内的运行数据；通常这些参数用在控制室外电子数据记录· 记录所有与批处理或生产进展相关的事件和操作员操作· 从DCS把批次事件（操作员操作，报警，报告值）传递给MES中的批次数据·从LIMS系统把分析数据传递给MES中的批次数据程和实验室收集和存储分析数据电子数据记录· 检测工单和分析结果· 负责员工· 收集运行周期· 收集运行时间· 维护工作后复位表值· 建立批次关系（链接源与目标批次）· 为过程批次分配消耗/生产· 材料预定方法

（7）跟踪

生产 质量 维护 库存生产对象跟踪· 创建浓缩生产概述· 生产参数、损失、消耗· 查明KPI · 跟踪分配时间报告· 预定义“标准报告”，涵盖经常性报告任务· 用户可配置报告查询，提供更强的选择标准和组合能力· 数据传递到MS Excel，然后在MS Excel中进一步处理生产评估· 每个批次的所有相关值应在规范范围内· 在规范内的批次数量是1个规范值质量参数的目标与实际评估以及显示· 当分析值超出公差范围时，产生报警维护数据调整· 保持周期服务库存水平· 库存概述 – 当前水平或指定时间的水平· 库存位置历史· 批次跟踪· 材料库存移动材料移动· 主要产品流动：从麦芽接收，然后到酿造厂，发酵，过滤，最后到装瓶生产线· 在极少数情况下，从酿造链接到装瓶线的灌装机· 如果副产品要出售到制药或食品和饮料行业，跟踪副产品（酵母）是有意义的

（8）分析

生产 质量 维护 库存分析计划情况与实际情况· 时间差异分析· 生产要求与运行数据的比较报警，事件和消息列表的评估· 从DCS的数据分析报警，事件和消息生成电子批记录· 批次的定时进展· 质量相关测量的趋势图材料跟踪或材料家谱· 概述：在批次中用了什么成分？· 概述：哪个批次中使用了特殊成分？统计分析评估· KPI · OEE分析· 基于MES数据的在线分析过程（OLAP）质量数据的分析和记录· 生成统计评估：KPI · 质量数据的变化· 在中长期生产中质量进步的指示质量监视，评估和记录· 质量相关差异维护数据的分析和记录· 运行时间、人员开支、问题设备· 参数· 查明事件驱动维护措施的数量（成本、生产损失）· 资源需求和成本库存数据的分析和记录· 消耗、库存水平· 与运行数据相关联· 成分利用的程度· 评估交付完整性（到期日，数量）

虽然本文介绍的是啤酒行业，但也适用于类似的食品和饮料行业。

华镕，男，1982年毕业于北京科技大学自动化系，现任罗克韦尔自动化（中国）有限公司全球标准及贸易部中国地区经理。