MES是支撐企業(yè)生產(chǎn)管理層業(yè)務(wù)運行和管理的信息系統(tǒng)，連接了ERP和SFC，能夠在一致的平臺上集成例如網(wǎng)絡(luò)報表、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、生產(chǎn)調(diào)度等功能。質(zhì)檢、物流、生產(chǎn)、工藝等部門通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫為車間管理提供了信息化服務(wù)，通過整體優(yōu)化實現(xiàn)企業(yè)閉環(huán)生產(chǎn)。MES是企業(yè)CIMS信息集成的紐帶，是實施企業(yè)實時制造戰(zhàn)略以及實現(xiàn)車間生產(chǎn)實時化的基本技術(shù)方法。
1 應(yīng)用背景
芳烴生產(chǎn)是一種典型的流程作業(yè)行業(yè)，生產(chǎn)的工藝流程及其組織方式都具有鮮明的特點，這些生產(chǎn)特點是高壓、高溫、工藝流程長、工藝配方復(fù)雜，并且各個單元裝置的耦合非常緊密。國內(nèi)外很多著名的公司都推出了面向石化企業(yè)的MES系統(tǒng)。其中比較著名的MES解決方案有：美國Aspen Tech公司的MES方案、美國Honeywell公司的MES方案和德國Siemens公司的MES方案，以及由石化盈科、浙江中控中科院軟件所和北京時林公司共同開發(fā)的石化企業(yè)MES解決方案SMES。中國石化于2004年逐步開始了MES系統(tǒng)的實施，目前有一些企業(yè)已經(jīng)實施了MES系統(tǒng)的部分功能。隨后，中國石油也開始為石化企業(yè)實施MES系統(tǒng)。中國石化和中國石油作為我國石油化工行業(yè)的兩個龍頭企業(yè)，在MES的實施策略上有些不同。中國石化是在國家863計劃的支持下，以國內(nèi)自主開發(fā)的MES產(chǎn)品SMES為主，而中國石油則以美國Honeywell公司MES產(chǎn)品為主。應(yīng)用實踐表明兩個產(chǎn)品都具有各自的優(yōu)點。但相對于國際來說，我國化工行業(yè)的MES的建設(shè)還有待進(jìn)一步發(fā)展。
2 MES的OPC技術(shù)
2.1 OPC技術(shù)簡介
2.1.1 OPC技術(shù)概述
OLE for Process Control為OPC的全稱，它是一種基于OLE技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，專為過程控制設(shè)計。OPC提供了一種從服務(wù)器提取數(shù)據(jù)并且傳輸?shù)娇蛻舳藱C制的標(biāo)準(zhǔn)途徑，這種通信機制具有高效、開放的特性，利用了Microsoft的ActiveX技術(shù)和COM／DCOM對象模型來實現(xiàn)。
OPC(OLE for Process Contr01)是—個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不但集合了微軟的COM(部件對象模型)、OLE(現(xiàn)在的ActiveX)和DCOM(分布式部件對象模型)技術(shù)，而且融合了屙陛、方法和接口，成為了—套工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)集，廣泛用于制造業(yè)的自動化系統(tǒng)及過程控制。
2.1.2 OPC技術(shù)的產(chǎn)生
隨著企業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐步的擴大，過程復(fù)雜程度越來越高，現(xiàn)場信息的數(shù)量和種類不斷增多，集成這些信息成為工控系統(tǒng)的難題。廠家在生產(chǎn)設(shè)備時，都是根據(jù)自己的特點來定義通信機制，這就使得底層通訊模塊在工控軟件里紊亂。因為各個工控軟件中的通訊模塊訪問接口沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以導(dǎo)致了每個工控軟件之間不能通信，無法共享軟件資源。而且，硬件設(shè)備和軟件設(shè)備之間不是獨立的，軟件常因為硬件的更改而改動，不便于給工控軟件進(jìn)行設(shè)計和維護(hù)。所以，如何有效、可靠、實時和高速地從將控制網(wǎng)上所需要的各種實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砭W(wǎng)，是在企業(yè)ERP和MES實施過程中很關(guān)注的問題。OPC(OLE for Process Contr01)由此應(yīng)運而生，起到連接硬件與軟件的作用，成功的解決了難題，成為工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的一種基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)嘲。
2.1.3 OPC技術(shù)的發(fā)展
1995年微軟公司和Intellution、Fisher-Rosemount、Intuitive Technology、Opto 22、Rockwell Software五家公司成立了標(biāo)準(zhǔn)化組織OPC Task Force，并起草了有關(guān)OPC標(biāo)準(zhǔn)的幾項規(guī)定，同時將其發(fā)布到web站點(www.industry.net/opc)上，來向其它用戶和制造商征詢意見。根據(jù)收集到的意思進(jìn)行修改，最后經(jīng)微軟公司的OLE專家認(rèn)證，頒布了OPC1.0。1998年4月10日發(fā)布OPC2.0標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 ERP／MES／ODF信息集成模型
美國先進(jìn)制造研究機構(gòu)(Advanced Manufacturing Reasearch，AMR)在20世紀(jì)90年代提出了企業(yè)信息集成模型，包含企業(yè)資源計劃(ERP)，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，過程控制系統(tǒng)(PCS)。圖1所示的企業(yè)信息集成模型，包含了企業(yè)資源計劃管理(ERP)，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，在線數(shù)字工廠(OnLine—Digital Factory)，供應(yīng)鏈管理(SCM)，客戶關(guān)系管理(CRM)。
圖1 企業(yè)信息集成模型
2.3 數(shù)據(jù)接口技術(shù)
如圖2所示，在石化企業(yè)中，通過DCS系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)，智能儀器在操作現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，然后通過OPC服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一化。
圖2 基于OPC技術(shù)的企業(yè)管理系統(tǒng)
實時數(shù)據(jù)庫按一定時間間隔讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)。同時實時數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)導(dǎo)入關(guān)系數(shù)據(jù)庫內(nèi)，以便于下一步的數(shù)據(jù)挖掘，用于指導(dǎo)操作，做出決策。最后實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫都可把數(shù)據(jù)導(dǎo)人供應(yīng)鏈管理(SCM)，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，企業(yè)資源計劃管理(ERP)。OPC實現(xiàn)了制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)等工業(yè)控制設(shè)備之間高效、靈活的數(shù)據(jù)讀寫。
2.4 OPC的應(yīng)用
2.4.1 OPC的數(shù)據(jù)訪問方式
OPC標(biāo)準(zhǔn)得到應(yīng)用后，軟件開發(fā)商不必再為各種硬件開發(fā)許多驅(qū)動程序，OPC接口程序由硬件開發(fā)商提供，這就使得OPC得到了統(tǒng)一管理。硬件開發(fā)商都會很了解自己生產(chǎn)的硬件，就會努力使硬件的功能發(fā)揮到極致，使驅(qū)動程序高效的使用。一旦所有的硬件開發(fā)都采用了OPC標(biāo)準(zhǔn)，他們就會生產(chǎn)統(tǒng)一的OPC標(biāo)準(zhǔn)接口程序，不僅能避免重復(fù)的開發(fā)，還能大大減少開發(fā)的費用。
圖3 OPC的數(shù)據(jù)訪問方式
OPC可以稱為“軟件總線”，軟件程序只需要知道如何從OPC讀取數(shù)據(jù)，從而可以更加通用、簡小、容易。設(shè)備驅(qū)動端(OPC Server)只要知道怎么將現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OPC統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)。OPC的軟件體系結(jié)構(gòu)為用戶／服務(wù)器模式，每個OPC用戶可以連接到一個或多個OPC服務(wù)器，用戶應(yīng)用程序僅需使用標(biāo)準(zhǔn)接口和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而并不需要了解底層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。
2.4.2 OPC技術(shù)在以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
在現(xiàn)場控制層，以PC嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)場智能節(jié)點，其外接網(wǎng)關(guān)的模擬量輸人、輸出、開關(guān)信號輸入輸出等I／O卡。監(jiān)控服務(wù)器則采用PC機，裝有兩塊網(wǎng)卡，其中一塊負(fù)責(zé)與下位機PC通信，另一塊網(wǎng)卡負(fù)責(zé)與生產(chǎn)管理調(diào)度層的其他服務(wù)器組成局域網(wǎng)。監(jiān)控服務(wù)器中運行OPC信息存取服務(wù)器程序，將現(xiàn)場智能節(jié)點傳上來的信息通過OPC接口送到監(jiān)控軟件進(jìn)行監(jiān)控，并利用組態(tài)軟件進(jìn)行復(fù)雜的組態(tài)工作，將組態(tài)信息下載到PC上，調(diào)整其控制算法和參數(shù)。而其他管理調(diào)度層的服務(wù)器OPC客戶程序則通過DCOM的方式訪問OPC服務(wù)器程序，進(jìn)行信息交互。
圖4 以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的總體層次結(jié)構(gòu)
2.4.3 OPC數(shù)據(jù)存取服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)
OPC數(shù)據(jù)存取服務(wù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
它主要由組對象、服務(wù)器對象、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、項對象和TCP／IP通信接口組成。數(shù)據(jù)存儲區(qū)主要存儲值、品質(zhì)、時間軸、設(shè)備號、板卡號、通道號等。服務(wù)器對象、組對象、項對象則和OPC接口連接，與OPC客戶端程序進(jìn)行通訊。
圖5 OPC數(shù)據(jù)存取服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖5所示，因為OPC數(shù)據(jù)存取服務(wù)器既要通過網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場DCS設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，又要通過OPC接口與客戶應(yīng)用程序進(jìn)行交互，所以必須采用多線程模型以保證信息傳遞的效率。
3 MES在芳烴生產(chǎn)中的安全應(yīng)用
3.1 MES的整體結(jié)構(gòu)
3.1.1 MES的層次結(jié)構(gòu)
MES的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，包含4層：
(1)表現(xiàn)層：表現(xiàn)層僅由生產(chǎn)信息運行平臺構(gòu)成，生產(chǎn)信息平臺是在MES系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)的一個生產(chǎn)信息集成展示平臺。
(2)運行管理層：運行管理層分別包含生產(chǎn)計劃與排產(chǎn)單元、生產(chǎn)運行管理單元、生產(chǎn)統(tǒng)計單元。
(3)執(zhí)行層：執(zhí)行層僅由實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)用模塊構(gòu)成，同時實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)用模塊與生產(chǎn)統(tǒng)計模塊構(gòu)成生產(chǎn)統(tǒng)計單元。
圖6 MES整體結(jié)構(gòu)圖
(4)基礎(chǔ)層：基礎(chǔ)層由工廠基礎(chǔ)信息管理模塊，實時數(shù)據(jù)庫模塊，實驗室信息管理系統(tǒng)模塊構(gòu)成。
3.1.2 石化企業(yè)MES典型模塊應(yīng)用
(1)工廠信息管理子系統(tǒng)(PRM)；
(2)實時數(shù)據(jù)庫及實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)用子系統(tǒng)(PHD／APP)；
(3)實驗室信息管理子系統(tǒng)(LIMS)；
(4)生產(chǎn)計劃與排產(chǎn)子系統(tǒng)(PS)；
(5)運行管理子系統(tǒng)(OM)；
(6)物料平衡／移動子系統(tǒng)(PB)；
(7)生產(chǎn)統(tǒng)計及生產(chǎn)信息運行平臺子系統(tǒng)(PA／WPKS)。
3.2 MES的關(guān)鍵技術(shù)
3.2.1 業(yè)務(wù)建模和數(shù)據(jù)建模技術(shù)
為了明確客戶的用戶需求，需要將企業(yè)業(yè)務(wù)過程進(jìn)行抽象的描述，通過了解企業(yè)業(yè)務(wù)流程，建立企業(yè)核心業(yè)務(wù)的過程模型。
3.2.2 數(shù)據(jù)集成技術(shù)
屏蔽異構(gòu)數(shù)據(jù)源是數(shù)據(jù)平臺的特色，為企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)提供了一致透明的數(shù)據(jù)訪問途徑，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
3.2.3 基于XML的數(shù)據(jù)交換技術(shù)
XML(可擴展標(biāo)記語言)由W3C建議提出，是文檔格式語言SGML的子集，利用它的目的是提供結(jié)構(gòu)化的Web文檔，它提供了HTML文檔所沒有的可讀性和可分析性，應(yīng)用程序可以對XML進(jìn)行分析和處理。
3.2.4 Web Service技術(shù)
使用Web Service技術(shù)，通過松散的應(yīng)用集成，企業(yè)就可以實現(xiàn)企業(yè)應(yīng)用集成的子集。
3.2.5 數(shù)據(jù)校正技術(shù)
裝置物料平衡是以裝置數(shù)據(jù)集成為基礎(chǔ)，以單裝置為節(jié)點，分析物料構(gòu)成、輸入、輸出，映射成單裝置物料數(shù)據(jù)的校正模型，以節(jié)點殘差分析為主要策略，組織隱射矩陣進(jìn)行單裝置校正計算，完成單裝置的物料數(shù)據(jù)校正處理、結(jié)果數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、儀表精度及趨勢分析等。
3.3 MES在芳烴生產(chǎn)中的應(yīng)用
3.3.1 操作監(jiān)視匯總信息
WPKS的操作監(jiān)控顯示界面主要是作為當(dāng)前WPKS顯示窗口所設(shè)定的顯示的那個值班班組的時間段內(nèi)所產(chǎn)生過的和目前存在的所有操作偏差的記錄。其中操作參數(shù)的上、下限則由工藝人員根據(jù)實際操作過程摸索得到的經(jīng)驗值進(jìn)行設(shè)定，一旦超過范圍系統(tǒng)會自動報警及提示。裝置的DCS數(shù)據(jù)中很少有這種控制范圍。
3.3.2 監(jiān)控目標(biāo)偏差詳細(xì)信息
當(dāng)用戶點擊操作監(jiān)控摘要列表頁面上的任何一條偏差時，對于該監(jiān)控變量相關(guān)的偏差具體信息就會顯示在出來。
3.3.3 監(jiān)控目標(biāo)趨勢
WPKS的操作監(jiān)視是為了給操作工提供指導(dǎo)性的信息，將歷史信息做成趨勢圖，有利于操作工作出準(zhǔn)確的判斷。
3.3.4 操作日志
WPKS顯示界面提供了與值班班組相關(guān)聯(lián)的操作班次日志，即值班班長日志編輯功能。如圖所示，OL一班次匯總能夠記錄人員及出勤情況、接班及當(dāng)班情況等信息，這樣使接班人員能更好的把握現(xiàn)場狀況，迅速處理上一班遺留下來的問題，同時遇到事故時能分清責(zé)任。
4 結(jié)論
制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)起到連接企業(yè)計劃層和車間底層控制的作用，使企業(yè)的信息流形成閉環(huán)。MES通過細(xì)化計劃層的計劃實現(xiàn)對車間工序進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度，提高車間設(shè)備的利用率及企業(yè)生產(chǎn)的效率；另一方面，MES實時了解車間生產(chǎn)反饋的信息，迅速做出相應(yīng)的調(diào)整，給企業(yè)管理人員下一步的生產(chǎn)管理決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。MES應(yīng)用到芳烴生產(chǎn)過程中，旨在解決實際生產(chǎn)過程中由于操作人員的錯誤操作造成生產(chǎn)裝置的波動和產(chǎn)品質(zhì)量的下降。由于將MES系統(tǒng)與生產(chǎn)操作系統(tǒng)DCS進(jìn)行對接，使MES系統(tǒng)具有實時采集數(shù)據(jù)的特點，避免了人為輸入數(shù)據(jù)出現(xiàn)的錯誤和誤差對生產(chǎn)和決策造成影響。此外，MES系統(tǒng)通過自身的安全架構(gòu)和系統(tǒng)某些功能的深入應(yīng)用，提升了企業(yè)安全生產(chǎn)的水平。如MES系統(tǒng)對重要工藝指標(biāo)的實時監(jiān)控，裝置平穩(wěn)率考核，裝置工藝流程圖監(jiān)控、數(shù)據(jù)趨勢圖診斷、自動報警等功能，能夠及時反饋和調(diào)整生產(chǎn)操作，為石化企業(yè)的平穩(wěn)安全運行提供了有利保證.
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