MES操作管理在炼化企业的应用实践与思考

1 MES 综述

    MES（Manufacturing Execution System），直译为生产执行系统。它的核心目标是在一个统一的共享的数据平台下完成企业生产计划经营管理各项指标的分解和下达，以及各项指标的执行情况的反馈和调整。从MES 的功能设计来看，它融合了DCS中的操作参数监控和ERP 中的生产计划执行。MES 中的执行“E”是整个系统的根基和灵魂，缺少“E”的MES 仅仅是个生产信息系统MIS（Manufacturing Information System）。

    自上世纪九十年代初MES 由AMR（Advanced Manufacturing Research）公司提出并使用，随后国际仪表学会（ISA）从2000 年开始发布SP95一系列标准，对MES 的发展起到极大的推动作用。对于流程工业，特别是石油化工行业，国内外涌现出一批MES 产品解决方案，如Honeywell的Business. FLEXPKS、ASPEN Tech 的ASPEN Plantelligence、石化盈科的SMES等。不管哪种解决方案，从现有资料表明，国内众多已实施MES 的炼化企业绝大部分以实时数据库、物料平衡、生产计划及调度等模块为主，操作管理、工艺技术管理、质量管理、绩效管理等模块应用的很少，成功经验不多。

    中国石化广州分公司（以下简称广州分公司）采用Honeywell 公司MES 解决方案，主要包括PHD、操作管理（Operation Management）、物料平衡（Production Balance）、关键技术经济指标（KPI）、原料进厂产品出厂等模块，功能结构参见图1。

2 广州分公司应用情况

    广州分公司生产作业管理原来存在以下问题：

    1） 操作人员耗费在数据、日志的记录时间多，指标超标原因分析时间少；

    2） 操作人员处理产品质量问题时间多，装置成本控制时间少；

    3） 操作人员现场操作时间多，过程监控时间少；

    4） 工艺管理人员耗费在数据收集、统计时间多，数据分析时间少；

    5） 工艺管理人员产品方案调整时间多，成本效益计划时间少；

    6） 工艺管理人员操作标准制订时间多，装置效能管理时间少。

    为解决上述问题，广州分公司利用MES，经过近三年的探索和实践，找出一条提升车间生产操作管理水平，夯实“三基”工作基础，增加企业效益的工艺信息化管理之路。

    对于广州分公司生产作业层面的现状，MES系统应用的基本思路是：利用MES 简洁、快速地展现生产过程中的信息，改正问题，改善环境，改进技术，使人从繁重的数据海洋中解脱，把更多的精力投入到延长生产周期、优化产品结构、提高生产效益上去。

    改正问题——规范生产操作，将工艺管理中存在的问题逐步消除；

    改善环境——降低员工劳动强度，提高工作效率；

    改进技术——优化生产操作，加大节能降耗力度，提高装置生产效益。

    通过MES 应用，广州分公司总结出八项工艺管理措施可以通过MES 的相关功能模块全部或部分实现，参见表-1。并且实行差异化、模块化应用，“因材施教”，不要求全部装置应用全部功能。

表1 工艺管理措施与MES 功能模块对应表

下面着重介绍动态工艺卡片管理、操作平稳率、生产指令下达与执行和物料平衡等四项工艺管理措施在MES 中应用的情况。

2.1 动态工艺卡片管理

    工艺卡片作为工艺管理中的基础内容以往都是静态的，长久以来日常的工艺卡片的管理往往不如每年修订过程那么慎重、严谨，工艺卡片中指标超标情况时有发生，发生后也得不到足够的重视。手工检查的难度和复杂程度造成工艺卡片管理制度的失效。

 MES 操作管理中的操作监控可以同时监控上千个工艺指标，任何指标出现超标都会及时记录，所有的超标——即潜在的问题——都可以快速扫描、过滤，同时操作人员或工艺技术人员可对这些超标指标进行原因分析和注释。按照分级监控、分级管理的原则，操作监控指标分为操作类、产品质量类、环保类和厂控指标类。对于厂控指标和产品质量指标（即工艺卡片指标）主要由生产调度部门负责管理，其指标严格按照工艺卡片管理流程进行设定、修改，出现超标后当班人员必须填写超标原因分析，以保证操作结果数据与操作过程数据的完整性，参见图2。超标信息及其相关原因分析均可汇总成报表，便于各级管理人员检查、分析。

2.2 生产装置平稳率

    装置平稳操作是工艺管理中的重中之重，无论是每两小时记录一次的操作记录，还是全时程巡检，都是为了保证生产安全，操作平稳而设立的。

    以往通过统计装置关键指标波动次数来计算班组及装置的操作平稳率。这个过程实行难度相当大，首先是监控历史数据提取和波动数据统计工作量大且不易提取；二是以波动次数为依据，未考虑波动长度（时间）和幅度（影响程度），客观性不足；三是数据时效性低，工艺人员只能当月发布上个月的班组（装置）的操作平稳率，对当前装置生产缺乏指导意义；四是手工统计数据，偏差错漏在所难免，而班组会担心人为操作不公平。

    生产装置应用MES 操作管理后，首先从数据收集到报表生成全部由系统自动完成，不需要人工干涉，最大程度降低工艺人员工作量。而且班组通过报表直观查看本班或其他班组操作平稳情况，提出评估分析意见，及时进行调整。其次MES 系统并没有简单的统计波动次数，而是将指标边界、实际超标值和超标时间围闭的闭合空间用积分算出其面积，并定义其影响因子，得到影响装置生产效益的“经济影响值”。经济影响值越大说明装置操作越不平稳，反之亦然。通过经济影响值，可以直观反映班组或装置的操作平稳情况及操作水平，利于班组卡边操作。最后，所有数据均为系统自动收集、自动计算，避免人为误差，促进考评的一致性和稳定性。

2.3 生产指令下达与执行

    生产指令经过梳理分为三类，其应用前后情况见表2。

表2 MES 生产指令应用前后对照表

 最为关键的是MES 下达的指令存在于全厂共享下的信息平台。授权用户可查阅这些指令信息，并任意检索、抽取、复查。因此不论是下达人还是执行人均因MES 公开、透明的制度约束力而保证指令各个环节的准确性和严肃性，从而减少因指令传递问题造成的事故，降低事故危害程度。

2.4 物料平衡

    广州分公司MES 物料平衡在设计之初即定位于全厂物料每天的一次平衡，它与其他物料平衡方案的区别在于充分使用生产过程数据对物料平衡进行跟踪、校正、寻找物料移动丢失信息，这一过程仅需物料平衡工程师每天花费两个小时左右即可完成。下面以一个物料平衡实例来说明如何寻找物料移动丢失信息。

    今年2 月19 日MES 物料平衡时发现渣油罐G510 及其相关节点的错误因子大，如图-4 所示。其中JUCT_FCC_HVO 、JUCT_RFCC_HVO 、JUCT_VBU_HVO1 分别表示为催化一油浆、催化二油浆和减粘渣油进料。

图4 物料平衡错误因子列表

    G510 的罐存量上涨166.41 t，然而系统初步平衡后将G510 的罐存量进行了修正，上涨了322.4 t。其中催化一送出122.9 t，催化二199.5 t。经检查G510 的罐存量变化不存在计算错误，因此发现物料移动存在丢失。

    通过对调度交接班记录的检查我们找到了多出来的油浆的实际去处，如图-5 所示。催化一油浆约200 t 送到赫尔普。由于物料平衡模型目前没有该条流程，因此这条流程操作人员无法进行流程开关切换，造成物料平衡的错误因子变大。

图5 调度在线交接班记录

    经过物料平衡工程师处理，平衡后催化一产油浆158.51 t，催化二产油浆215.97 t，其中进G510166.42 t，送赫尔普208.06 t，如图-6 所示。该部分模型的错误因子也由2.865 下降到0.05 以下。

图6 G510 平衡后结果

    由此可知，物料平衡模型的计算结果与实际情况相吻合，模型的契合度高，对产品去向及数量具有一定的跟踪、指导作用。

3 应用效果

3.1 经济效益

    MES 在试用初期就具有良好的经济效益。据测算炼油四部蒸馏、加氢联合、制氢等5 套装置自2008 年应用MES 系统后从减少非计划停工、降低装置能耗、减少人工成本和办公费用等方面为企业节约生产成本933.5 万元。据此推算，若全厂所有装置、罐组应用，每年可为企业节约生产成本三千万元以上。

3.2 管理效益

    MES 系统将基础数据的收集、整理、统计由原来的人工操作基本上转变为自动采集。将种类繁多、劳动强度大的各种生产指令、操作记录、日志等内容全部实现无纸化、网络化，形成一个强大、可靠的闭环工作流程。

    MES 系统将各类数据整合到一个统一的、开放的、安全的共享数据平台，从上至下各级人员均可依据授权获得所需的数据，并利用其提供的分析工具进行归纳总结。增强了数据的准确性、唯一性和可靠性，同时也减少了获取数据的人工成本。

    MES 系统改进了工艺管理模式，将原本简单的、静态的管理转变为细致的、动态的管理模式，将更多的精力投入到装置操作优化、降低生产成本和对操作人员的培训等方面。

    MES 系统实现了协同生产的基础，为企业领导、工艺技术人员和操作人员提供了生产能力预测、优化、诊断和纠正潜在问题的工作平台，规范了制度运行流程，降低了事故发生的风险，提高了员工的工作效率。

4 经验与教训

    MES 在项目实施及应用中遇到相当多的困难和问题，既有系统本身的设计缺陷，又有应用推广过程中遇到的重重阻力，既有制度上的冲突和不完善，也有国外MES 理念遭遇“水土不服”。

    例如：操作监控指标超标原因分析、物料平衡等内容以往没有相关制度要求，实施中需要编制新的制度来规范操作。一般新建装置并未考虑MES的设立问题，造成装置开工后影响全厂物料平衡。建议实施MES 的企业在上马新装置时应该考虑DCS 与MES 施工同步完成。

    由于国内缺乏实施MES 操作管理的成功经验，项目实施人员和车间工艺技术人员需要不断自我摸索，寻找一条适合现场工艺管理的道路。因此操作人员培训效果和工艺人员介入深度直接影响MES 应用效果的好坏。广州分公司“用制度确立目标，用激励来促动学习，用实践来发现问题”的培训思路很好的解决了培训中存在的一些问题。

    通过成立“MES 应用推广小组”，由分公司经理直接领导，各个作业部安排专人负责，确保工艺人员全程介入、参与。广州分公司各生产装置及罐组按照“培训一套、测试一套、上线一套”的原则，制定装置（罐组）MES 工艺管理实施细则和MES业务上线检查细则，分批、分时间逐步将现有工艺管理模式过渡到MES 环境下新型工艺管理模式。制定日常工作模式、协调机制以及应急处理流程，确保MES 应用推广踏实、有效。

    只有给予MES 实施与应用更多的关注，在使用方面多下功夫和精力，将使用和二次开发交错进行，真正提升MES 作为执行系统的能力，才能为企业的生产经营、信息化管理搭建起高效的管理平台，为企业降低生产成本，减少失误，提高产品质量和产量，最终提高企业的整体运营效率，获取最大经济效益。

5 结论

    经过在广州分公司深入应用MES 系统后，在车间层面建立起一套行之有效的工艺技术管理模式：

    （1）通过工艺卡片动态监控和在线平稳率考核，提升生产部门操作平稳率和产品质量合格率，实现技术经济指标动态管理。

    （2）通过在线装置物料、能耗日平衡，开展班组节能降耗竞赛，实现装置、生产作业部乃至分公司经济效益最大化。

    （3）通过工艺台帐记录电子化、网络化，提高工艺管理沟通效率，实现“三基”工作向规范化、制度化、信息化方向迈进。

    （4）通过在线调度指令、生产指令实现闭环工作流程，实现指令下达、执行、落实各负其责，确保指令的严肃性、准确性。

    （5）目前广州分公司MES 系统应用仅触及到生产作业层面，更多应用于生产管理层面的数据挖掘和展示还未开展，有待于进一步的研究和开发。