一、流程制造业信息技术应用的重要性
经济全球化趋势已经给各国经济发展带来越来越深刻的影响，各国制造企业在世界市场上进行着日益激烈和残酷的竞争。剧烈的和不可测的市场环境变化，对制造企业的生存与发展提出了严峻的挑战。在我国，制造业是国民经济的重要组成部分，工业增加值占GDP的36％，位居世界第四位，我国已成为世界制造大国，以石油化工、冶金等行业为代表的流程制造业在我国制造业中占据了很大的比例，是重要的基础支柱产业。同时，流程制造工业是一个多品种、多层次、服务面广、配套性强的产业，与其他产业和消费市场关系密切。它又是资金密集和技术密集的产业，对国家经济发展及军事保障都至关重要。但是长期以来，我国制造业与发达国家相比还存在着较大的差距，突出的现象就是生产制造损失大、能耗高，设备运转周期短、维修费用高，环境污染严重，能源利用效率比发达国家低近10个百分点，主要行业的产品能耗同国际先进水平相比，则高出30％左右，这个问题在流程制造业表现得尤为突出。面对经济全球化这一机遇和挑战，我国企业必须利用信息技术、管理技术和自动化技术加快改革步伐，彻底改变原有的管理模式，加强产品设计创新能力，提高产品质量，缩短交货期，降低成本和改善服务，不断提高自我适应能力。因此，基于信息技术的先进管理体系与制造技术成为企业竞争的关键所在，流程制造业的信息技术应用已经成为企业具备国内国际竞争力的不可或缺的重要手段。
二、我国流程制造业在信息化建设进程中存在的问题
1、缺少有效的信息系统体系架构标准或规划设计
追溯我国流程企业的信息化发展历史可以看出，其信息化建设从20世纪80年代就已经开始了，而且随着信息技术的发展在不断地进步，经历了从单机管理、单元操作，到计算机集成制造系统（CIMS）的发展历程。但在此过程中信息系统的体系架构没有相对固定的标准，传统的架构是五层架构（监控层、优化层、调度层、管理层、决策层），由于这种划分层次的方法造成许多信息系统功能的交叉和信息的不畅，甚至出现信息阻断，因此给信息系统的开发和实施带来许多不便，影响了信息系统在企业发展过程中应起的重要作用。
2、不少企业在管理和过程控制方面都实施了相应的系统，但大部分是“信息孤岛”难以进行有效的集成
由于流程行业的生产特点，大部分流程企业都非常重视过程控制方面的系统建设，在重要的设备、装置上都实施了过程控制系统PCS（Process Cortrol System），并且注重实时数据的采集、存储及整理。随着
ERP（Enterprise Resources Planning）登陆中国市场和日渐普及，流程制造业中有许多企业也都实施了相应的ERP系统，在管理方面得到了优化和提高。目前，可以说以MRP II、ERP为代表的管理信息系统，以及以集散控制系统（DCS）、现场总线为代表的自动化技术，在流程制造行业已经大规模应用。尽管这两类系统的推广取得了一定效果，但却忽略了两者之间的有效集成，导致企业上层计划缺乏有效的实时信息支持、下层控制环节缺乏优化的调度与协调。计划层与车间执行层无法进行良好的双向信息流交互，企业难以实时反应，阻碍了各系统功能的正常发挥，也无法体现出信息系统的整体效益。
3、制造执行系统没有得到高度的重视并清晰地体现在信息系统中，不能作为综合信息系统的有机组成部分
制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）是流程工业综合自动化的核心技术，其主要功能是负责生产管理和调度执行。在集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的基础上，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、降低消耗具有重要的作用。MES在十几年前就已诞生，目前在发达国家已经普遍推广。在我国，对MES的认识和应用还处于刚刚起步阶段。随着通信瓶颈的解决，ERP可以通过MES直接与控制系统交换实时数据，实现操作运行层与管理层的紧密集成。这一趋势近年已在工业发达国家凸现，主要的工业自动化设备和系统供应商都在致力于开发MES的软件平台和系统支持服务。反观国内， ERP系统与生产控制系统之间一般还没有实现信息集成，问题的关键在于 MES在国内尚未引起应有的重视。因此，在流程制造业的信息化建设中必须注重制造执行系统的应用，将其作为综合信息系统的有机组成部分。
三、流程制造企业的特征及对信息化的核心需求
流程制造企业是指通过物理反应和化学反应使原材料增值的行业，一般采用面向库存的生产方式，主要依靠产品价格和质量开拓市场。以石油炼化企业为例，其生产过程具有如下的特点：生产过程连续，加工能力强，物料和能量的供给要求连续、及时、可靠；生产工艺复杂，生产过程涉及多种化学变化与物理变化，生产控制技术要求高、信息量大，故障诊断和处理比较复杂；产品结构复杂，除了主产品外，还会产生大量副产品和中间产品，产品与产品之间的关联性较大，一套生产装置单股进料可以有多个出料；基础自动化水平较高，对自动化的依赖性比较强，绝大部分的物料变量依靠仪表进行测量或通过分析仪表间接获得，少量人工计量；生产以安全、稳定、长周期、满负荷、优质、均衡、高产、低耗和减少污染为主要目标，通过计划调度、优化操作、先进控制等手段使过程实现优化生产，以获得最大的经济效益。
针对炼化企业的以上生产特点，其对信息化的核心需求体现在各个层面上：
在生产计划方面，需要根据装置的生产能力和产品需求，采用过程结构和配方进行物料需求计划。
在调度管理方面，要考虑配方、产品混合、物料平衡、污染防治等问题，需要进行主产品、副产品、协产品、废品、成品、半成品和回流物的管理。热蒸汽、冷却水、压缩空气以及水电等动力能源辅助系统的管理也对流程企业的运行效益具有重要的意义。生产过程的柔性是靠改变各装置间的物流分配和生产装置的工作点来实现的，必须由先进的在线优化控制技术来保证。质量管理与生产过程监控系统紧密相关，产品检验以采样方式为主，采用统计质量控制。因此，产品检验必须与生产管理及过程控制系统密切配合。
在信息处理方面，流程工业要求实时在线采集大量的生产过程数据、工艺质量数据和设备状态数据等，要及时处理大量的动态数据，并以图表、图形的形式予以表示。
在安全可靠性方面，流程企业需要保证生产的高效、安全和稳定运行，才能获取最大的经济效益，因此，安全可靠生产是流程企业的首要任务。
在经营决策方面，流程企业主要通过稳产、高产、提高产品产量和质量、降低能耗和原料、减少污染来提高生产率，增加经济效益。流程企业生产过程的资本投入大，因而更注重生产过程中的资金流的管理。
在人的作用方面，过程企业由于生产的连续性，生产加工过程自动化程度较高，人的作用主要是监视生产装置的运行、调节运行参数等，一般不需要直接参与加工。
四、流程制造业信息系统体系架构
a) 流程制造业信息系统体系架构
针对目前我国在流程行业信息化建设方面存在的问题，根据流程制造业的生产特点及对信息化的核心需求，流程制造业的信息系统体系架构应该由“ERP（EIS）—MES—PCS”三层架构组成，见下图1所示：
图 1 ：流程制造业的信息系统体系架构
三层构构的优势：
（1）更适合于扁平化的现代企业结构
过去，制造企业一般采用传统的五层CIM结构，虽然这种体系框架在制造业信息化发展进程中起过很大的推动作用，但随着研究与开发的深入，在综合信息系统的设计和应用实践中遇到了较大问题。在流程制造业的生产经营活动中，除了底层的过程控制和顶层的管理决策外，中间层次是很难将生产行为与管理行为截然分开的。因此，在牵涉到大量既有生产性质又有管理性质的信息时，根据五层结构就很难明确应该归于哪一层次，造成了企业综合信息系统在开发过程中标准的难以统一和概念的混乱。相比于传统的五层结构，PCS-MES-ERP（EIS）构成的三层结构更符合现代企业生产管理结构的“扁平化”思想，促使管理以职能为中心向以过程为中心的转变，更易于集成和实现，进而解决信息系统在经营层和生产层之间脱节的现状。
（2）信息流通畅
这种结构信息流形式清晰，控制信息自顶向下，反馈信息自底向上。各层的控制模块同时进行信息处理，可以处理大量的信息，满足实时控制需求。
（3）适用范围广
这一结构将企业综合信息系统分为考虑生产过程问题的过程控制系统PCS，考虑企业经营管理问题的企业资源计划ERP，以及考虑生产与管理结合问题的中间层制造执行系统MES，使企业综合信息系统中原本难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到解决。
（4）适应性强
这种结构具有很强的模块性，相对比较独立，功能模块之间界面分明，可以分阶段实施，也可以并行开发缩短实施周期。同时，这种结构具有较好的可修正性和扩展性，当生产环境或目标发生变化时，可以进行局部修正的扩展。
（5）开发成本低
MES广泛采用分布式技术和重构技术，逻辑严谨，形式规范，容易建立和被操作人员迅速掌握。目前许多软件供应商支持MES软件，而且提供了相应的接口或接口标准，MES厂商在开发MES软件时也比较注重与其他应用系统的集成问题，所以在MES与管理系统ERP的集成时，开发费用较低。
对石油炼制企业来说，对应于三层架构的信息系统体系架构如下图2所示：
图 2：石油炼制企业的信息系统体系架构
b) 体系结构中各部分的主要内容
（1）企业资源计划（ERP）
炼化企业中ERP系统主要包括人力资源管理、财务管理、采购/物料管理、生产计划、工厂设备维护、质量管理、销售和分销以及健康安全环保管理等模块，还可以由此出发建立数据分析、数据仓库等决策支持系统。其作用主要是根据企业的人、财、物各种资源的状况和产、供、销各个环节的信息，对生产进行合理有效的计划、组织，使生产经营活动协调有序地进行。并由决策支持系统根据企业内外部信息对企业产品决策、中长远目标、发展规划和企业经营进行决策。
（2）生产执行系统（MES）
MES主要对整个生产过程进行动态优化管理，从根本上解决流程行业生产过程的多变性和不确定性问题。包括生产计划与调度、操作管理、数据调理与物料平衡、生产管理、绩效监控与绩效管理、储运管理、实验室信息管理等功能。其主要作用是根据ERP系统下达的计划，通过生产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理过程组织生产，并将信息加以采集、传递和加工处理，及时呈报ERP系统。达到实现ERP与PCS间数据的连接与共享，实现生产全过程的一体化，统一计划与物流调度，对现场的生产、质量的控制与管理的目的。
（3）过程控制系统（PCS）
PCS系统包括整个炼油工艺过程控制和单体设备基础自动化两个部分，主要解决设备的自动控制以保证生产过程的连续平稳、生产出合格产品，完成对生产过程的监测和常规控制，并根据MES下达的生产指令进行各流程的过程控制，设定各种设备的具体动作参数，进行各种模型计算和控制计算，以达到过程优化操作、先进控制、故障诊断、过程仿真等目的，同时收集执行过程中的实际数据上传MES和ERP系统。
c) 各层面信息系统之间的相互关系
各层面主要信息系统之间的关系如下图3所示：
图3：各层面主要信息系统之间的关系
管理决策层利用ERP进行企业生产组织、生产管理、经营决策等方面的优化，给出企业的产品策略和生产计划，其中包括产品种类、产品质量与产量等，并将生产计划、安全环保质量要求等信息传递给生产执行系统MES。MES根据企业的生产计划、装置设备、原油、原材料等情况，由生产调度模块编制生产调度指令，对各生产装置（或单元）进行优化计算，给出优化配方或生产方案，并据此制定操作指令、控制参数、加工方法等，将这些信息传递给过程控制系统执行实际的生产过程。控制层PCS按照优化的配方或生产方案对底层生产过程进行实时操作与控制。同时，过程控制系统采集生产过程数据，再把生产状态、测量数据、质量数据、设备状态等信息传递给生产调度模块，作为生产调度模块进行生产绩效分析、资源状况分析、质量分析的基础数据，也为调整生产经营计划提供依据。这样，实际上是完成了计划指令下达和生产执行情况反馈的闭环过程。
从数据流方面看，各层次上的应用系统存在业务数据的传递关系，主要表现为：
（1） 过程控制层次主要将过程控制中产生的过程数据传递给生产执行层的生产实时数据库，并通过数据整合和平衡手段，进行相应的生产数据平衡。
（2） 生产执行层将相关生产计划优化数据，平衡后的生产数据（投入和产出），传递给管理决策层。
（3） 在管理决策层的ERP系统中，整合了企业全部的核心业务数据（从原油原辅料采购、库存、生产、质量管理到销售分销）、辅助业务数据（设备检维修、人力资源以及健康安全与环保）以及与此相关的财务数据。并汇总企业经营所需的各种业务数据，形成决策支持相关的数据信息。
五、 ERP与MES之间的关系及接口
ERP重点是面向企业计划管理，以订单和市场需求为计划源头，力求充分利用企业内的各种资源、降低库存、提高企业的整体运作效率。而MES则主要负责生产管理和调度执行，可以说MES是在企业计划管理和车间生产控制之间架起一座信息沟通和管理的桥梁，借助这个桥梁，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，帮助企业提高产品质量和环境，降低材料和人力等资源的消耗。一方面，MES可以对来自MRPII、ERP软件的生产管理信息进行细化、分解，将来自计划层操作指令传递给底层控制层；另一方面，MES可以采集设备、仪表的状态数据，以实时监控底层设备的运行状态，再经过分析、计算与处理，从而方便、可靠地将控制系统与信息系统整合在一起，并将生产状况及时反馈给计划层。
a) EPR与MES集成的优点
（1） 进一步改进现有的操作流程，实现企业管理层和车间管理层一体化标准运作，从而更加有效地缩短产品周期，提高劳动生产率。
（2） 实现公司内部信息和数据的集中管理，减少信息和数据内部流通的时间。
（3） 增加系统数据当日更新和管理报表即时统计的功能。
（4） 以实时数据为依据的生产计划更加正确及时地反映整个生产情况。
（5） 配合供应链管理系统，减少供应链成本，增强对顾客需求的快速反应，优化客户服务并提高公司的整体工作效率。
b) ERP与MES之间的接口
MES与ERP之间的数据关系和接口是比较复杂的，不同的行业其接口点也不尽相同。一般制造企业中，企业资源计划（ERP）系统需要MES提供的成本、制造周期和预计产出时间等实时生产数据；MES中进行生产调度的数据来自ERP的计划数据，以保证MES自身正常运行。ERP-->MES的接口数据包括：
（1） 基本资料部分：客户资料、供应商、资源（设备，人力）、物料（产品）编码、仓库编号、厂别，ORG等；
（2） 实时资料部分：订单或生产计划、工单、仓库物料存量、成品库存等。MES-->ERP的接口数据包括：实际投产情况（可按订单，工单，生产计划等方式统计）、产品在各工序（作业站）之间移转的资料（可以根据需要）、资源使用情况 （生产过程中使用的设备，人工等）、物料使用情况 （可按BOM与投产数量计算出）、成品入库数量、生产线报废数量等。
而对于流程制造行业，ERP与MES之间的接口与一般制造业有许多不同点。下面以石油炼制行业为例，如图4，说明ERP与MES之间的数据关系和接口。
图4：石油炼制行业ERP与MES之间的数据流及接口
由于大部分ERP软件中生产计划模型比较适用于离散型生产的制造业，定义物料清单和进行物料需求计划是ERP生产计划模型的关键功能，而炼油行业因其过程的连续性和物料的可调性，故无法确定物料清单，因而也无法准确编制物料需求计划。另外，由于生产工序复杂，并非单纯地按顺序进行，而是经常出现交叉，故很难准确描述。所以ERP软件中的生产计划模块对炼油生产计划的适应性不够理想，对生产计划模块一般采用专门针对于流程制造业的包括由生产计划及调度、油品移动、排产优化构成的完整的生产计划系统。由此系统制定出生产计划，包括原油采购计划、物料需求计划、生产装置加工计划、产品产量计划等，通过接口将数据传输到ERP生产计划模块中。ERP生产计划模块将数据信息传递到采购/物料管理模块，完成原油及原材料的采购。
炼化企业的采购一般分为原油采购和生产设备及其他辅助原材料的采购。原油采购根据企业生产计划和原油罐存信息，制定原油采购计划，并且确定原油采购种类与数量。然后，它根据原油采购计划和生产装置能力，对原油供应信息、供应商信息及运输信息进行分析评价，做出原油选择决策。在采购执行过程中，系统动态跟踪采购原油供应情况、原油运输情况和到达情况，并将相关信息及时传送给MES的储运管理/罐区管理模块。采购执行完毕后，系统发送采购结算信息给财务管理模块，以便结清帐款，同时核销采购合同。采购模块将采购过程中产生的主要文件和数据保存历史数据库中，并且对采购合同的执行情况进行统计分析。
物资采购主要指除生产用原油外，用于生产的辅料、各类建设项目和设备维护的物资。物资采购与原油采购的处理基本类似，在物质采购过程中，采购物资计划是起始阶段，制订采购资金计划，向财务模块提出支付和结算方面的数据。库存管理控制库存物资流动情况，接收入出库单和收发料，对库存成本统计分析。
罐区库存包括原油库存、半成品库存、成品库存和工程设备材料等库存。原油罐区库存管理需要优化平衡决策支持，它向ERP采购模块中的采购计划传递罐存的相关信息，并接收来自ERP系统的原油入库信息。成品及半成品库存一般根据企业的生产能力来设计，成品油罐存向销售系统提供成品的库存情况，以便销售系统采取相应的销售方式，同时向MES计量模块发出成品油出库的相关信息。
销售管模块理根据客户购买需求、客户预付款情况和成品油罐存信息与客户签订销售合同并且开具提货单据。产品销售后，销售管理模块汇总产品销售种类、数量和运费等数据，提供给财务管理模块作为结算依据。销售管理模块同时将销售计划数据传递给MES运输调度和计量管理模块。运输调度主要完成运输方式选择、运力组织、装车和发车时间安排。采用汽车运输的产品可以直接由出库计量管理模块向客户发货。采用铁路运输的产品，运输调度根据销售合同和铁路部门提供的铁路车辆可用信息与本厂自备车信息组织运力。根据车辆运输计划，运输调度进行车辆调度，形成装车作业计划，由计量管理组织发货计量。运输调度系统根据装车计划执行情况计算运费，将数据反馈给销售管理模块。
