化纤行业基于MES系统的分线分品种物料管理模型设计

　1 引言

   　 随着MES在国内推广和应用，MEs系统逐步被各行各业所接受，但MES在各行业之间模型存在较大差异，特别是化纤类行业，存在着流程长、品种多，成本控制要求精细的特点，因此要求MES在建模时，做到分线分品种的物料平衡、分线分品种的能源平衡。

   　 分线分品种的概念源于ERP产品的成本核算，不仅仅要求分生产线核算原料加工成本、公用工程消耗成本、辅料消耗成本，还要求分品种核算原料成本消耗、公用工程消耗和辅料消耗。

    　实际上，各个工厂能准确计量的只有罐、入库称重和高质量流量计，产品成本核算以此为依据，如聚酯熔体计量只有长丝、短纤计量泵计量的准确，而半成品的下线量足无法计量的，直到包装入库后才有一个准确可知的量。通过已知量，建立数据模型，推算未知量，这种方法可实现于单一移动关系，对于级联、串联的复杂物料移动，这种方法是无法实现分线分品种逆向推算的。本文提出通过分线分品种物料平衡模型来推算过程中间量，并通过数据协调算法进行物料平衡，模型验证数据表明该方法是符合业务需求，易于程序实现的。

　2 需求分析

    　以某化纤企业为例，其生产流程如图1所示，以PTA(精对苯二甲酸)和EG(乙二醇)为原料，生产聚酯熔体，再以聚酯熔体为原料进行拉丝、切粒等加工，生产各种牌号的化纤产品。

图1 某化纤企业生产流程简图

   　 该企业生产线多、产品品种多，要求分线分品种进行成本核算，实现生产线的成本消耗计算，实现每个品种的单耗计算。但由于现场很多工段是物理加工过程，过程量无法全部在线计量，统计上要求以标准计量为准，推算中间半成品量，实现各工段各作业的产量、单耗的计算。

    　分线分品种的需求可分为：

    　第一，要求分工厂、分车间、分线、分品种计算投入原料的消耗、公用工程的消耗、副成品的生产量。

   　 第二，横向收付存的平衡。通过产成品入库量推算投入的原料量，实现投入产出的平衡和物料收付存的平衡。

   　 第三，纵向分摊，即车间、生产线、品种的平衡分摊。推算的原料投入量和实际车间的原料投入量形成差异，按照比例分摊到生产线和品种上，形成分线分品种的纵分摊。

   　 第四，以标准计量为依据推算中间量和原料量。推算的原料量和实际采购进厂量若存在差异，按照各个品种比例分摊到每条生产线上。如PTA槽车运输到聚酯装置大料仓的为采购进厂量，切片、纺丝的入库量可打包计量，两者均为法定计量量，通过这两个已知量，加入人工经验参数，推算出熔体量的生产量，通过熔体量生产量推算出PTA的消耗，最终PTA的消耗量和采购进厂量的差异按比例分摊到该车间的每条生产线上。

　3 理论基础

    　分线分品种模型是MES模型的延伸，其基础必须是MES模型。遵循ISA95的标准，按照企业分层级结构建立起来的MES模型，包括工厂各层次的基本实体和实体间的关系，以及跨层次模型间的映射规则和将生产信息关联起来的共性规则和约束，支持实现连贯的、实时的生产信息处理和存储。

   　 首先定义工厂，工厂由若干车间组成，车间由若干生产线组成，生产线有多个生产工段，工段类似于化工装置，存在原料投入和产品产出，为和化工装置的模型一致，可将工段视为装置，同时引入侧线的概念，侧线是MES系统的一个元模型，是装置投入或产出管线的抽象。其总体层次模型结构如图2所示。

图2 基于ISA95的MES层次模型结构

    　分线分品种物料模型应用了ERP BOM技术结构方法，BoM(Bill of Material)叫做物料清单，也叫产品结构表、物料表等。将产品的原材料、零配件、组合件予以拆解，并将各单项物料按物料代码、品名、规格、单位用量、损耗等依制造流程的顺序记录下来，排列为一个清单，这就是物料清单，也就是BOM。每一条生产线、每一道工序、每一个品种可形成一个BOM结构。

   　 假如生产线pl的BOM结构如图3所示，X为生产线的最终产品，Stnl工段需要原料B、D，辅料A、C，Stn3工段生产B，需要原料E，辅料F，Stn4生产E，需要原料G、H、L，由于生产的连续性生产B、D、E无法计量，可通过最终X的产量来推算，G、H、L为外购量。

　4 模型设计

  　  以生产线生产的主产品为研究的核心对象，关联原辅料和副产品，建立分线分品种模型。

　4.1 建立MES分级工厂模型

    　遵循ISA95的标准，建立工厂分级模型，以图1工厂为例，分层次的工厂模型，定义“聚酯中心”为工厂，“一车间”为车间，“1单元”、“2单元”、“3单元”为“一车间”的三条生产线，生产线再分细，可分为“熔体”工段、“切粒”工段，即unit，生产线为装置的组合，每个装置通过侧线建立投入产出模型。

　4.2 建立投入产出模型

    　为了描述不同生产线同种物料的投入和产出。引入“侧线”的概念，侧线是装置投入产出模型描述的基础节点。

    　侧线可以生产多种物料，不同的侧线可以生产同一个物料，所以侧线必须和物料绑定在一起才有效，笔者在此定义为s(m)，表示某侧线生产的m物料。

    　单元生产线可分为熔体和切粒两个工段，熔体投入m和EG做原料，产出熔体，切粒则用熔体作为原料生产不同牌号的切粒产品，表1为整个生产线的投入产出模型。

表1 生产线上的投入产出模型

　4.3 基础模型配置映射

　    首先要完成MES模型的基础配置工作，如侧线的计量、原料的计量、产量计量等计量模型，以便实现原始数据的采集。

  　  ①添加产品耗原料的计量方法模型；

  　  ②添加产品产废品的计量方法模型；

   　 ③添加产品耗公用工程的计量方法模型。

　4.4 分线分品种模型配置

 　   首先根据BOM结构进行生产线的产品关系预分析，确定主产品耗原料、主产品产废品、主成品耗辅料、主产品耗公用工程的关系。①工段的主产品必须和该工段的原料是关联关系，不能跨工段或者跨车间；②副产品是主产品次品，因此副产品和主产品是关联关系，不可以独立存在，如含油废丝的产量，必须表明是哪个产品的含油废丝；③加工过程是物理加工过程，在无损耗的情况下，投入的原料和产出的产品重量一样，即可以从主产品产量推算原料的投入量；④生产线的最终产品必须可以标准计量，否则无法推算出该工段的原料量。通过以上分析，我们可以在系统中进行规则的约束：

 　   (1)最终产品侧线必须是“末端侧线”；

 　   (2)投入侧线引用产出侧线，即产出侧线用来推算投入侧线，且是同一个工段不能跨工段；

 　   (3)副产品产生时必须确定是由哪个主产品产生的；

 　   (4)辅料投入时必须约定是为哪个主产品而投入的；

 　   (5)可以对关联的原料、副产品、辅料加入修正系数。

  　  有了以上约束，我们就可以通过侧线引用配置功能，配置分线分品种模型，如图3所示。

图3 分线分品种模型配置

　5 模型验证

  　  以3单元生产线为例(如图4)，分为三个工段：熔体、切粒、打包，每日实际可准确计量的数据为产品打包入库量，熔体产量、切粒下线量无法准确计量得到，因此只有通过打包入库量推算前两个工段的切粒产量和熔体产量，最后计算出PTA和EG的理论投入量，从而可计算出各个工段的成本消耗情况，形成逆向推算的过程。由于PTA和EG为外购原料，每日可通过库存变化得出实际投入量，因此PTA和EG的实际投入量和理论投入量存在一定的差异，为了保证工厂的进销存平衡，将PTA的理论投入量通过熔体产量进行差异分摊，形成正向的平衡过程。

图4 某生产线物流管理示意图

   　 一车间共三条生产线，根据分线分品种模型配置要求，分别配置三条生产线模型，其中入库量是唯一已知量，假设正常生产情况下，料仓无库存变化，根据分线分品种的模型配置规则，可逆向推算中间产品量。表2为3单元生产线各工段产出产品和原料的关系。

表2 分线分品种模型演算模型

   　 通过分线分品种模型计算出的未知量，再通过数据协调算法，将平衡差异量进行平衡协调，如表3。

表3 分线分品种模型推算结果

    　计算结果在系统上的表现如图5所示。

图5 计算结果

　6 结论

   　 (1)通过该企业的现场数据验证，分线分品种模型符合成本核算需求，符合企业物料管理要求。

   　 (2)分线分品种模型的建立，更能突显出组分追踪的特点，更符合企业精细化管理的要求。

　    (3)基于ISA95标准建立的分线分品种物料管理模型，具有很好的可移植性和扩展性，可以将模型扩展至相关的化工生产企业信息化建模中，实现精细的成本管理策略。

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