MES 系統(tǒng)應(yīng)用于水廠的管理實(shí)踐

李 柱

（上海城投水務(wù)（集團(tuán)）公司制水分公司，上海 200082）

0 引言

在當(dāng)今信息化高速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快的大數(shù)據(jù)時代，隨著工業(yè)化和信息化融合的深入推進(jìn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理模式已經(jīng)難以支撐企業(yè)的快速發(fā)展，急需采用信息化手段提高企業(yè)生產(chǎn)效率和管理水平，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。而MES（Manufacturing Execution System，制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)）將精益思想融入到信息化的生產(chǎn)全過程中發(fā)揮了重要作用。作為傳統(tǒng)的流程型公用服務(wù)行業(yè)，水廠通過MES 系統(tǒng)的平臺開發(fā)和業(yè)務(wù)再造，實(shí)現(xiàn)了提質(zhì)降本增效保安全的精細(xì)化管理預(yù)期目標(biāo)。

1 MES 的應(yīng)用背景和功能

MES 是美國一家管理公司在20 世紀(jì)90 年代針對企業(yè)信息系統(tǒng)提出的一個概念，它能夠?qū)σ粋€產(chǎn)品從訂單下達(dá)、到產(chǎn)品出廠的整個流程進(jìn)行優(yōu)化管理，對生產(chǎn)過程中的突發(fā)事件，能夠快速反應(yīng)出具體出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，并根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對事件進(jìn)行報告和處理，從而提高企業(yè)對生產(chǎn)活動的高效控制，它是位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)。

制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會（MESA）于1997 年提出了MES 功能組件和集成模型，包括制造資源分配與狀態(tài)報告、詳細(xì)工序作業(yè)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、車間文檔管理、數(shù)據(jù)采集、人力資源管理、質(zhì)量管理、工藝過程管理、設(shè)備維修管理、產(chǎn)品跟蹤和業(yè)績分析共計11 個功能模塊，2004 年MESA 又提出了系統(tǒng)MES 體系結(jié)構(gòu)（c-MES），對MES 的定義進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展，為MES 的進(jìn)一步普及發(fā)揮了重要的作用。

2 水廠對MES 系統(tǒng)的需求分析

傳統(tǒng)的制水廠屬于典型的流程型制造企業(yè)，具有承擔(dān)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益并重的特征，一方面要確保提供的自來水量足、質(zhì)優(yōu)、穩(wěn)定，而且要在確保生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本降低、管理效能提高，通過梳理制水廠的工藝流程與業(yè)務(wù)流程，根據(jù)傳統(tǒng)制造業(yè)人、機(jī)、料、法、環(huán)五要素的管控要求，主要有4個方面的需求。

（1）智能排產(chǎn)管理需求。供水廠的生產(chǎn)負(fù)荷隨著氣溫、工程或用戶的需水特點(diǎn)呈現(xiàn)每天24 h 不斷變化的規(guī)律，同時設(shè)備的月度維護(hù)、年度檢修或更新改造等都會導(dǎo)致產(chǎn)線的停役或調(diào)整，需要能夠具備動態(tài)的智能排產(chǎn)、排程的功能，以最大化地滿足供水需求。

（2）設(shè)備設(shè)施管理需求。設(shè)備設(shè)施的健康狀態(tài)是維持安全生產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)供水的前提，也是生產(chǎn)企業(yè)安全的基礎(chǔ)。設(shè)備設(shè)施在役狀態(tài)下不僅需要點(diǎn)檢、專業(yè)巡檢、月度維護(hù)、季度維護(hù)，而且需要年度大檢修或者返廠徹底整修等，其業(yè)務(wù)管控流程需要通過系統(tǒng)或平臺實(shí)現(xiàn)檢維修全過程的物料供應(yīng)、作業(yè)審批、現(xiàn)場管理等環(huán)節(jié)。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量追溯需求。隨著SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)的普及和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，制水廠普遍通過海量的數(shù)據(jù)采集來監(jiān)視過程控制環(huán)節(jié)。產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)的生命線，隨著自來水作為第一食品的理念逐漸成為企業(yè)追求的核心目標(biāo)，HACCP（Hazard Analysis and Critical Control Point，危害分析和關(guān)鍵控制點(diǎn)）食品級管理體系逐漸在自來水行業(yè)普及應(yīng)用，結(jié)合ISO 9001 質(zhì)量管理體系，制水廠需要通過平臺或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自來水從源頭到龍頭的全過程質(zhì)量控制，并建立起異常預(yù)警、故障報警、協(xié)同處置等規(guī)范流程和機(jī)制。

（4）生產(chǎn)安全管控需求。各制造型企業(yè)根據(jù)風(fēng)險辨識和分級管控的雙重預(yù)防管理要求，都會制定出體系化管控流程和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)前智能穿戴、人員定位以及數(shù)字孿生等技術(shù)，安全管理的方式方法得到了質(zhì)的飛躍，傳統(tǒng)的安全管控模式已經(jīng)無法適應(yīng)，需要通過系統(tǒng)來進(jìn)行整合和實(shí)施。

除此之外，在物料拉動、人員績效、分析評價方面也需要開發(fā)和搭設(shè)平臺，實(shí)現(xiàn)協(xié)同、高效管理，走向數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路。

3 供水廠MES 系統(tǒng)建設(shè)思路和功能設(shè)計

根據(jù)MES 系統(tǒng)的核心理念、結(jié)合制水廠的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，圍繞“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五要素，始終以“執(zhí)行為要、貫穿精益、智能引領(lǐng)”為原則來開發(fā)設(shè)計制水廠的MES 架構(gòu)和功能板塊。

3.1 水廠MES 定義

水廠MES 是以實(shí)現(xiàn)供應(yīng)高品質(zhì)飲用水為最終目標(biāo)，通過采集生產(chǎn)全過程有效數(shù)據(jù)，并結(jié)合水廠管理體系制度，圍繞作業(yè)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備運(yùn)維、員工績效等多種生產(chǎn)要素進(jìn)行數(shù)據(jù)加工、信息傳遞、敏捷響應(yīng)和協(xié)同處置，從而提高生產(chǎn)運(yùn)行管理水平和制水供應(yīng)保障能力。

3.2 水廠MES 系統(tǒng)架構(gòu)

MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)是計劃與生產(chǎn)之間承上啟下的實(shí)時信息通道，使生產(chǎn)過程變得透明并可以追溯，水廠MES 系統(tǒng)以計劃、執(zhí)行、反饋為業(yè)務(wù)核心，向下采集SCADA 數(shù)據(jù)，向上傳達(dá)生產(chǎn)信息，具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水廠MES 系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 水廠MES 功能設(shè)計

MES 系統(tǒng)的功能設(shè)計要體現(xiàn)提升生產(chǎn)過程管控能力、加快計劃編制執(zhí)行效率、提高產(chǎn)品管理能力、提高業(yè)務(wù)執(zhí)行效率、提升安全管控水平等5 個方面的特征，水廠通過業(yè)務(wù)流程再造后設(shè)計的功能模塊見圖2。

圖2 水廠MES 系統(tǒng)功能設(shè)計

（1）作業(yè)計劃。根據(jù)年度供水量預(yù)測，年度檢修計劃以及更新改造項(xiàng)目等綜合初定水廠本年度月度供水量計劃，并通過時差系數(shù)、節(jié)假日特點(diǎn)、歷史規(guī)律以及考核指標(biāo)智能排產(chǎn)出日生產(chǎn)計劃，并實(shí)現(xiàn)不斷修正和優(yōu)化。

（2）運(yùn)行監(jiān)視。通過采集和加工生產(chǎn)全過程實(shí)時數(shù)據(jù)（含水質(zhì)水量、設(shè)備設(shè)施及儀器儀表等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、物料消耗實(shí)時數(shù)據(jù)、人員信息數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)等）根據(jù)不同使用者（運(yùn)行人員、保障人員、管理人員等）定制預(yù)警或報警信息，并按照響應(yīng)等級、處置流程自動匹配工單，以工單為核心驅(qū)動業(yè)務(wù)協(xié)同，提高處置能效。

（3）質(zhì)量控制。以出廠水評價指數(shù)和實(shí)時在線檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以自動化實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，建立全流程質(zhì)量追溯透視圖，通過對原水和出廠水的地方標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵指標(biāo)和評價指數(shù)關(guān)鍵因子進(jìn)行統(tǒng)計分析，對輔料質(zhì)量（有效含量、濃度、比重）進(jìn)行在線監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量全過程受控。

（4）設(shè)備管理。以生產(chǎn)車間硬件（設(shè)備設(shè)施、儀器儀表、自控網(wǎng)絡(luò)、安防設(shè)施、輔助設(shè)施）等作為設(shè)備管理對象，以設(shè)備全生命周期管理體系文件為支撐，通過設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視和感知設(shè)備的預(yù)判，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)、檢修的可視化、流程化，并通過工單方式實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)運(yùn)行之間的密切協(xié)調(diào)和無縫對接。

（5）資源協(xié)同。以制造成熟度模型評估中引領(lǐng)級標(biāo)準(zhǔn)打造制水生產(chǎn)過程的物料拉動自動化（含輔料、污泥外運(yùn)、備品備件、化學(xué)試劑、辦公用品等），并逐漸以區(qū)域化概念管理庫存和備品備件，發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)和互備優(yōu)勢，減少沉淀成本。

（6）安環(huán)管控。以《城鎮(zhèn)供水企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范》為體系指引，以“風(fēng)險分級管控”和“隱患排查治理”雙預(yù)防機(jī)制為核心，融入“安全檢查全時域”管控方法，結(jié)合治安、反恐、消防、職業(yè)健康、環(huán)保等制度要求，形成模塊化管控流程，通過應(yīng)急演練模式鞏固提升安全管理水平。

（7）員工績效。以“數(shù)字員工”建設(shè)為目標(biāo)，量化員工績效考評內(nèi)容，以生產(chǎn)能效、產(chǎn)品質(zhì)量作為運(yùn)行員工的考評依據(jù)，以工單數(shù)量和質(zhì)量作為維護(hù)員工的考評參考，并將各水廠的考核指標(biāo)分解到該體系中監(jiān)視和受控。

（8）平臺互聯(lián)。將水廠MES 作為業(yè)務(wù)中臺功能進(jìn)行開發(fā)，工控系統(tǒng)、物資采購系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)、財務(wù)系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)平臺間的互聯(lián)互通，達(dá)到數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同的目標(biāo)，從而為“數(shù)字業(yè)務(wù)化”和“業(yè)務(wù)數(shù)字化”相融合創(chuàng)造可能性。

（9）分析評價。以管理者的角度，圍繞企業(yè)核心業(yè)務(wù)從MES系統(tǒng)中運(yùn)行的業(yè)務(wù)信息中提煉總結(jié)，定制化不同業(yè)務(wù)板塊中的KPI 指標(biāo)，并進(jìn)行監(jiān)控，為及時優(yōu)化調(diào)整提供參考，從而實(shí)現(xiàn)PDCA（計劃（plan）、執(zhí)行（do）、檢查（check）、處理（act））持續(xù)改進(jìn)良性循環(huán)。

（10）系統(tǒng)維護(hù)。實(shí)現(xiàn)對MES 系統(tǒng)的維護(hù)管理、功能開發(fā)、權(quán)限管理等基本功能。

4 MES 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

以MES 系統(tǒng)作為業(yè)務(wù)管控的重要平臺，水廠以十大功能模塊為抓手，系統(tǒng)性建立起數(shù)字化運(yùn)維的新高度，MES 界面如圖3所示，并取得了如下的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

圖3 水廠MES 首頁

（1）提高供水水質(zhì)。通過MES 系統(tǒng)不僅建立了分級分責(zé)的預(yù)警報警管控機(jī)制，生產(chǎn)異常后的有效響應(yīng)水平得到了提高，而且精準(zhǔn)化、高效化的原材料配置和調(diào)整讓生產(chǎn)全過程實(shí)現(xiàn)了精細(xì)調(diào)整、精確控制，產(chǎn)品質(zhì)量得到了明顯的提升。

（2）提升運(yùn)維效率。通過MES 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)部門的“線上協(xié)同”，數(shù)據(jù)多“跑路”不僅節(jié)省了時間成本，而且提高了決策能力，有助于生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備設(shè)施維護(hù)的水平提高。

（3）降低制造成本。通過MES 系統(tǒng)，物料拉動、生產(chǎn)過程中浪費(fèi)的成分得到了徹底的擠壓，不合格品的總量下降明顯，作業(yè)班組的配置更加經(jīng)濟(jì)可靠，制水直接成本明顯下降。

（4）保障生產(chǎn)安全。MES 系統(tǒng)能夠更好地發(fā)揮和鏈接底層智能感知設(shè)備，例如預(yù)防性檢維修、視頻安防平臺、煙感系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，提高了安全生產(chǎn)管理水平。

5 總結(jié)

MES 系統(tǒng)是面向制造企業(yè)的管理系統(tǒng)，制水廠在數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵階段引入MES 系統(tǒng)作為業(yè)務(wù)管理的業(yè)務(wù)核心平臺，圍繞生產(chǎn)五要素、按照PDCA 戴明環(huán)理念實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程的改進(jìn)和再造，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本，也保障了生產(chǎn)安全。下一步將結(jié)合數(shù)字孿生與仿真平臺進(jìn)一步加載各類水質(zhì)、水量模型以提升MES 系統(tǒng)的功能，走出兩化融合的新路徑。