8附加值和收益
MES的運(yùn)行使用已經(jīng)超過了二十年。可以預(yù)期，多個完成的項(xiàng)目已證實(shí)了這些應(yīng)用的收益和附加值。在現(xiàn)實(shí)中，每個新項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益被不斷評估和復(fù)查。其原因是項(xiàng)目的多學(xué)科和關(guān)系復(fù)雜，很難定義一個普遍適用的量化收益方法。
MES附加值和收益問題是一個看似簡單，而實(shí)為質(zhì)量相關(guān)的答案。其收益是企業(yè)改進(jìn)的效率和流程。像運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、及時可用性、提高產(chǎn)量、降低成本和增加客戶滿意度等因素是主要成就。
因此，MES解決方案是企業(yè)追求卓越運(yùn)營的一個關(guān)鍵因素，與運(yùn)行過程的分析和優(yōu)化密切相關(guān)。
以下幾個區(qū)域顯示了與使用MES的優(yōu)化潛力相關(guān)：
● 庫存和產(chǎn)能的透明度提高，從而
-在訂單錄入時可在線訪問可能的交付日期，
-改進(jìn)了要求的交付日期和總交付成本方面的分析，
-更快的規(guī)劃和訂單履行，
-提高了交付的可靠性，
-響應(yīng)變化的靈活性更高，
-更高效的工廠利用率。
● 所有重要生產(chǎn)參數(shù)基于計(jì)算機(jī)的永久監(jiān)視，降低錯誤和缺陷。
● 基于計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)規(guī)劃和調(diào)度，降低了生產(chǎn)成本，更好地利用了工廠產(chǎn)能。
● 工廠分配的優(yōu)化減少了設(shè)置時間。
● 改進(jìn)的規(guī)劃減少了庫存(原材料，完成品)，更加靈活地面向需求生產(chǎn)。
● 在運(yùn)營與自動化層(ERP，MES，DCS)之間的廣泛數(shù)據(jù)交換使規(guī)程更加有效。
● 過程的有效的組織、監(jiān)視和記錄，保證了法規(guī)的遵從性(如cGMP/ FDA)。
● 批處理生產(chǎn)的快速數(shù)據(jù)分析和發(fā)布，導(dǎo)致了更低的成品庫存。
當(dāng)然，實(shí)際的收益分析，只適用于特定的實(shí)例，因?yàn)椴煌蝿?wù)的需求和范圍不能使用通用的方法來分析。
MES項(xiàng)目收益的數(shù)量完全由該系統(tǒng)引入前后的規(guī)程與相關(guān)成本的精確比較來確定。實(shí)際運(yùn)行過程的外在效果，如更可靠的交付調(diào)度，避免合同處罰，以及減少了人員中斷必須包括在內(nèi)。
因此，目標(biāo)/當(dāng)前狀態(tài)分析，包括當(dāng)前和未來過程的描述推薦作為項(xiàng)目準(zhǔn)備的一部分，用于預(yù)期收益的評估。這項(xiàng)研究還展現(xiàn)了最大的潛力和一步一步把MES引入所有區(qū)域的行動。
當(dāng)把這些模塊設(shè)計(jì)為廣泛自動化解決方案中的集成元件時，模塊之間的互動產(chǎn)生了特別積極的影響。各個模塊的相關(guān)性依賴于特定的工廠和行業(yè)。假設(shè)項(xiàng)目總成本的1%(為大型連續(xù)工廠)至10%(如制藥廠)投資于MES，投資回報(bào)率一般在一到兩年完成。另外，難以計(jì)算的MES收益(軟收益)是進(jìn)一步縮短了投資回報(bào)期。
圖16圖形表示了生產(chǎn)工廠有關(guān)觀察到的潛力報(bào)表。
圖16：MES潛力
在出版的相關(guān)技術(shù)報(bào)告中，描述了實(shí)施MES解決方案的收益，包括實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的步驟，以及額外的計(jì)劃和無法預(yù)見的影響。
本文的目的是對MES跨行業(yè)進(jìn)行思考和評估。因此，這里還對已完成的項(xiàng)目進(jìn)行了案例分析。雖然結(jié)果的內(nèi)容有一定程度的減少，為了強(qiáng)調(diào)目標(biāo)的多樣性，在目標(biāo)上僅強(qiáng)調(diào)了不同方面。
每個案例分析描述了工廠或過程，在MES引進(jìn)之前的情況，實(shí)施的MES解決方案，獲得的收益，另外的特定項(xiàng)目特性。如果可能，可對結(jié)果進(jìn)行量化，考慮為例子提供絕對值。
8.1生物制藥案例分析：全面的工廠自動化 - ERP，MES，DCS
過程說明
這項(xiàng)分析展示了一個生物技術(shù)工廠，生產(chǎn)活性生物制藥成分，作為跨越多自動化層的綜合自動化例子。生產(chǎn)過程的典型階段包括材料準(zhǔn)備，材料添加，反應(yīng)器滅菌，接種，發(fā)酵，收獲，產(chǎn)品轉(zhuǎn)移和清洗。兩條準(zhǔn)備線和八個發(fā)酵器是工廠的核心?？偣?0處理單元已用整體概念集成，包括清潔單元(WFI，純化蒸汽，就地清洗)，色譜和過濾。
初始情況
在新建成的活性成分工廠中，運(yùn)行過程和生產(chǎn)決策是用市場上的MES軟件來支持。早期階段，MES模塊通常作為獨(dú)立的應(yīng)用運(yùn)行，并且只與鄰近的自動化層進(jìn)行通信，交換數(shù)據(jù)，使用特定接口完成控制系統(tǒng)功能。這通常導(dǎo)致了方法的多樣化，實(shí)施的互操作性不足，操作員的環(huán)境也不一致。
MES解決方案
選擇現(xiàn)成的控制技術(shù)和MES軟件用于工廠的管理和控制。這個概念把兩部分實(shí)現(xiàn)為跨所有自動化級的集成環(huán)境，同時滿足監(jiān)管要求。這作用于項(xiàng)目工程，控制配方規(guī)程和操作員處理。配方集中定義和管理，包括版本管理。在執(zhí)行過程中，必要時把控制轉(zhuǎn)移到其它更適合的系統(tǒng)作為專門的子任務(wù)。該概念還包括移動的反應(yīng)單元，用于手動規(guī)程的電子生成制造說明，綜合材料跟蹤，運(yùn)營資產(chǎn)(設(shè)備，材料，人員)的優(yōu)化利用，與實(shí)驗(yàn)室，產(chǎn)品調(diào)度，以及面向業(yè)務(wù)企業(yè)軟件集成的質(zhì)量數(shù)據(jù)接口。該系統(tǒng)包括了50臺計(jì)算機(jī)與服務(wù)器，60個過程控制器，20 臺PLC和100多個操作員站。
自動生成和發(fā)布遵從監(jiān)管的批處理報(bào)告是這個系統(tǒng)的附加特性。
圖17：集成自動化概念
增值和收益
基于計(jì)算機(jī)的方案替代了基于紙質(zhì)的文檔，顯著減少了產(chǎn)品發(fā)布前的費(fèi)時規(guī)程。收集，驗(yàn)證，數(shù)據(jù)編輯和發(fā)布所需的時間，從幾個星期減少到幾個小時。結(jié)果是顯著的且可量化的。
所有應(yīng)用階段的風(fēng)險(xiǎn)和成本由統(tǒng)一操作員環(huán)境和跨學(xué)科的綜合概念實(shí)現(xiàn)了最小化。項(xiàng)目工程，運(yùn)營和質(zhì)量保證共享一個標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)，可訪問和顯示所有可用的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。以前獨(dú)立運(yùn)營的部門，現(xiàn)在結(jié)合成一個單元，基于共同定義的方法，導(dǎo)致費(fèi)用的節(jié)省超過了30%。
該集成解決方案和基于計(jì)算機(jī)報(bào)告系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)收益每年超過200萬歐元。這個數(shù)字還不反映定性結(jié)果，如提高了企業(yè)溝通，項(xiàng)目階段更有效和改進(jìn)分析的收益，以及基于中央信息庫的規(guī)程優(yōu)化。
更多信息
整個項(xiàng)目大約在2年內(nèi)完成。
8.2食品和飲料案例分析：能量數(shù)據(jù)采集，作為投資決策支持
過程說明
一家主要生產(chǎn)礦泉水和軟飲料的制造商，每年在一個工廠要填裝200萬瓶。生產(chǎn)設(shè)施基本上由供水、糖漿單元和隨后的飲料混合、裝瓶廠組成。
輔助區(qū)提供生產(chǎn)用的熱水和蒸汽，以及加熱和清洗設(shè)施。
初始情況
能源瓶頸，尤其在寒冷的冬日里，需要為加熱系統(tǒng)升級投資。必須替換在1978年安裝的6噸/小時蒸汽輸出的現(xiàn)有鍋爐。
新鍋爐的大小是這個項(xiàng)目的主要挑戰(zhàn)。大小估計(jì)的唯一基礎(chǔ)是最大利用率，現(xiàn)在僅有月數(shù)據(jù)。僅用這個基礎(chǔ)來精確計(jì)算熱水和蒸汽的需求是不充分的。
另外，工廠內(nèi)的能量分布也是未知的，因?yàn)闆]有各個單元的消耗量。
MES解決方案
為了確定需求和提供可靠的決策支持，需要建立一個能量管理系統(tǒng)。除了測量燃?xì)夂碗娏?主能量)的消耗量，該系統(tǒng)還要收集熱水和蒸汽(二次能源)的所需數(shù)據(jù)，并在高峰負(fù)荷期間控制關(guān)閉。
熱量表分別安裝在鍋爐房，以確定熱水的能量消耗。蒸汽流量計(jì)，燃?xì)獗碛糜跍y量各個燃?xì)忮仩t的消耗，電表安裝在變壓器輸出以及各個單元。所有表都連接到現(xiàn)有的總線系統(tǒng)，并集成到能源管理系統(tǒng)。半年過去后，為投資決策已經(jīng)收集了足夠的數(shù)據(jù)。評估表明：較小的蒸汽鍋爐有4噸/小時的輸出就足夠了?，F(xiàn)有的熱水鍋爐容量為2.400千瓦，在冬季是吸收加熱需求高峰，而舊鍋爐可保留作為備份。
圖18：熱量概圖
增值和收益
由能量管理系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，顯示了特定產(chǎn)品特定生產(chǎn)單元制造所需的精確能量。這能夠?qū)ιa(chǎn)過程(圖18)進(jìn)行針對性優(yōu)化。為了避開負(fù)載峰值。各個單元不再同時啟動。高峰負(fù)荷管理監(jiān)視和控制工廠的通風(fēng)，辦公室和控制室空調(diào)和污水處理。目標(biāo)是長期減少工廠的電力需求高峰和燃?xì)夤?yīng)儲備。計(jì)劃把負(fù)荷高峰從1850千瓦減少至1700千瓦，從而每年節(jié)省約10000歐元。燃?xì)鈨鋸?000千瓦時降低到3000千瓦時，每年可節(jié)省額外的7000歐元。
8.3煉油廠案例分析：長期規(guī)劃和調(diào)度
過程描述
所分析的煉油廠容量為125，000桶。除了原油加工，該公司還銷售初級石油產(chǎn)品，并給客戶提供應(yīng)用支持。公司在同一站點(diǎn)還運(yùn)營一個潤滑油調(diào)配工廠。
該煉油廠生產(chǎn)無鉛汽油，潤滑油等化工產(chǎn)品。由于無鉛汽油的需求變化，增加了高辛烷值產(chǎn)品的生產(chǎn)。
初始情況
在很大程度上，用現(xiàn)有規(guī)劃工具管理已建的采購渠道和煉油廠的產(chǎn)品變化。由無鉛汽油市場要求的產(chǎn)品線變化需要新系統(tǒng)和靈活與及時材料規(guī)劃的建模工具。重點(diǎn)是在透明處理，使公司人員能夠管理和維護(hù)系統(tǒng)，最小化外部建模和系統(tǒng)專家的參與。新安裝的分階段引入必須重用現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，需要改進(jìn)內(nèi)部工作流和油罐數(shù)據(jù)管理。
MES 解決方案
實(shí)現(xiàn)基于模型的解決方案需要分析可行性和替代產(chǎn)品策略，并執(zhí)行煉油廠供應(yīng)的月規(guī)劃。第一個模塊處理分期工廠轉(zhuǎn)換。初始期為汽油和柴油的硫減產(chǎn)，隨后轉(zhuǎn)移到無鉛汽油。煉油廠修改的復(fù)雜影響，以及新過程單元的影響透明顯現(xiàn)。這種透明度提供了對新重點(diǎn)的決策支持。
月規(guī)劃在第二個模塊中實(shí)施，管理供應(yīng)鏈，包括原料的選擇和配送。它還設(shè)置目標(biāo)，為特定市場優(yōu)化生產(chǎn)和管理產(chǎn)品，庫存水平和產(chǎn)品分銷。在煉油廠的LP模型中使用跨部門規(guī)劃數(shù)據(jù)，確定調(diào)度和混合，以及計(jì)算APC應(yīng)用參數(shù)。
全廠的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)提供當(dāng)前的過程數(shù)據(jù)，例如更新模型值。
增值和收益
該模型提供了各種參數(shù)的靈活分析，這些參數(shù)會影響工廠運(yùn)行和煉油廠結(jié)果。為戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)規(guī)劃，以及實(shí)際規(guī)劃提供了綜合決策支持。然而，確切的經(jīng)濟(jì)效果只能基于假設(shè)來量化。如果缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或糟糕的靈活性，不好的戰(zhàn)略決策會造成顯著的經(jīng)濟(jì)損失。
在原料成本方面，估計(jì)每年節(jié)省了約3百萬歐元(約5%)。
由于精確且同時輸入數(shù)據(jù)，另外的收益是優(yōu)化利用了混合單元和簡化了基于計(jì)算機(jī)的工作流。透明模型結(jié)構(gòu)的簡化處理提供了額外的財(cái)務(wù)優(yōu)勢。數(shù)據(jù)內(nèi)容的培訓(xùn)和支持比以前的解決方案有更好的性價(jià)比。
圖19：基于模型規(guī)劃的影響
9總結(jié)與展望
從80年代末到90年代中，MES概念的主要特性由各個客戶特定的MES項(xiàng)目來體現(xiàn)。在很多成功的同時，有些因軟件開發(fā)困難而掙扎，這是那段時間的典型狀態(tài)--規(guī)范不完整，不佳的預(yù)測開發(fā)成本，以及成本超支和錯過最后期限取消了整個項(xiàng)目。對MES最初的興奮后來讓位給了失望，對MES的部署和收益也變得更加懷疑。這導(dǎo)致今天MES應(yīng)用在不同行業(yè)的發(fā)展明顯不均勻。復(fù)雜性越高，生產(chǎn)越靈活，產(chǎn)品變化越多，用MES模塊生產(chǎn)的收益就越多，接受的程度也越大。今天，大批量生產(chǎn)，例如在汽車工業(yè)中，沒有MES是不可想象的。
本文的目的是要說明MES解決方案在不同行業(yè)應(yīng)用的可能性，提供了與供應(yīng)商無關(guān)，當(dāng)前可用可行的方案概述。早期MES實(shí)施的問題已經(jīng)解決。用戶和供應(yīng)商已經(jīng)吸取了教訓(xùn)，創(chuàng)建了一種基于標(biāo)準(zhǔn)如IEC62264的公識和語言。由于目標(biāo)不是為了個別項(xiàng)目，所以MES解決方案主要由可配置模塊組裝而成?？膳渲貌糠滞ǔ？蛇_(dá)60至70%，客戶特定擴(kuò)展的部分大約為30至40%。
基于已建的企業(yè)執(zhí)行模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和在應(yīng)用之間透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化，將大幅推進(jìn)MES應(yīng)用的創(chuàng)新和部署。
應(yīng)用的復(fù)雜性要求對MES項(xiàng)目的成功和收益做持續(xù)檢查，許多項(xiàng)目已經(jīng)反復(fù)證明了MES的經(jīng)濟(jì)效益。 MES的目標(biāo)必須要根據(jù)各自的需求而相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)。同時，增加工業(yè)專業(yè)知識人才的數(shù)量和質(zhì)量能確保企業(yè)更好的優(yōu)化與高產(chǎn)。
早期本地和企業(yè)內(nèi)的IT基礎(chǔ)設(shè)施(重新)配置特別重要。這可用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及信息安全。
如果長期的MES維護(hù)成本和人員都包含在項(xiàng)目中，未來MES項(xiàng)目的成功幾乎可以保證。
未來要把握什么?
如上面所示，生產(chǎn)調(diào)度、執(zhí)行以及企業(yè)信息流的集成和互聯(lián)為技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上必要。因此，MES解決方案在所有行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展是符合邏輯的。解決方案和系統(tǒng)位于企業(yè)模型的第3級(生產(chǎn)運(yùn)營管理)，就像今天在第4級的IT解決方案(業(yè)務(wù)規(guī)劃和物流)和在第2級的自動化解決方案(過程管理和數(shù)據(jù)采集)一樣普遍。
企業(yè)的集成越來越要考慮企業(yè)內(nèi)所有三個軸的協(xié)同：
● 企業(yè)軸：規(guī)劃-- 管理-- 生產(chǎn);
● 供應(yīng)鏈軸：供應(yīng)商-- 生產(chǎn)-- 客戶;
● 生命周期軸：開發(fā)-- 生產(chǎn)-- 支持。
鑒于這些要求，單一和無所不包的MES概念必須退役。未來要依靠多個應(yīng)用的協(xié)作，這些應(yīng)用分布在不同功能級(ERP，MES和過程控制)，企業(yè)區(qū)(生產(chǎn)，維修，質(zhì)量和庫存管理)和不同軸(企業(yè)，供應(yīng)鏈，生命周期)。
面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)，用XML交換交易數(shù)據(jù)和Web服務(wù)等技術(shù)，為其他應(yīng)用使能這種轉(zhuǎn)變，方便訪問。
用戶必須授權(quán)優(yōu)化執(zhí)行任務(wù)，提供賬號和基于Web的門戶，訪問所有企業(yè)級的應(yīng)用和概覽。同時，應(yīng)用的特定分布和互動對用戶是透明的。
在未來，會有越來越多的并行仿真和實(shí)時優(yōu)化。這些將根據(jù)特定的標(biāo)準(zhǔn)決定最佳生產(chǎn)變代，并由此支持決策過程。
MES未來承諾：為用戶提供更多的價(jià)值和收益，為供應(yīng)商提供更激動的發(fā)展機(jī)遇。
總之，本文作者祝愿所有的讀者都能成功地實(shí)施MES項(xiàng)目。
