1 引言
隨著計算機信息技術的高速發(fā)展、軟件應用技術的不斷普及、企業(yè)信息化建設經(jīng)驗的不斷積累和計算機信息管理系統(tǒng)應用水平的提高,使企業(yè)深刻地認識到走信息集成化道路的重要性。實施信息集成化技術,已成為企業(yè)信息化建設發(fā)展的一種必然選擇。在流程制造行業(yè)的企業(yè)信息化建設中,位于底層車間進行生產(chǎn)控制的是以先進控制、操作優(yōu)化為代表的過程控制系統(tǒng)(PCS),PCS強調的是通過控制優(yōu)化,減少人為因素的影響,提高產(chǎn)品的質量與系統(tǒng)的運行效率;而位于上層的企業(yè)計劃系統(tǒng)(ERP),強調的是企業(yè)的計劃性。盡管這兩類系統(tǒng)的推廣取得了一定效果,但卻忽略了兩者之間的有效配合,導致企業(yè)上層經(jīng)營管理缺乏有效的實時信息支持、下層控制環(huán)節(jié)缺乏優(yōu)化的調度與協(xié)調。為此,將經(jīng)營計劃與生產(chǎn)過程統(tǒng)一起來的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)應運而生。
2 MES系統(tǒng)功能及構成
MES(Manufacturing Execution System)即制造執(zhí)行系統(tǒng),俗稱生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。MES位于企業(yè)信息計劃系統(tǒng)(ERP/SCM)和過程控制系統(tǒng)(PCS)的中間位置,過程控制系統(tǒng)包括分散控制系統(tǒng)(DCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)等。ERP作為業(yè)務管理系統(tǒng),DCS/SIS屬于控制系統(tǒng),而MES則是生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。MES與上層ERP等業(yè)務系統(tǒng)和底層DCS等生產(chǎn)設備控制系統(tǒng)一起構成企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng),一是把業(yè)務計劃指令傳達到生產(chǎn)現(xiàn)場,二是將生產(chǎn)現(xiàn)場的信息及時收集、上傳和處理。MES不單是面向生產(chǎn)現(xiàn)場的系統(tǒng),而是作為上、下兩個層次之間雙方信息的傳遞系統(tǒng),連結現(xiàn)場層和經(jīng)營層,通過實時數(shù)據(jù)庫傳輸基本信息系統(tǒng)的理論數(shù)據(jù)和工廠的實際數(shù)據(jù),并提供企業(yè)計劃系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)之間的通信功能,是應用于企業(yè)的重要信息系統(tǒng)。其具體功能如下:
2.1 資源分配、狀態(tài)及人力資源管理
管理設備、工具、人員物料、以及其他生產(chǎn)實體,滿足生產(chǎn)計劃的要求對其所作的預定和調度,用以保證生產(chǎn)的正常進行;提供資源使用情況的歷史記錄和實時狀態(tài)信息,確保設備能夠正確安裝和運轉。為單位提供每個人的狀態(tài),通過時間對比,出勤報告,行為跟蹤及行為(包含資財及工具準備作業(yè))為基礎的費用等為基準,實現(xiàn)對人力資源間接行為的跟蹤管理。
2.2 工序詳細調度及生產(chǎn)單元分配
提供與指定生產(chǎn)單元相關的優(yōu)先級(Priorities)、屬性(Attributes)、特征(Characteristic)以及處方(Recipes)等,通過基于有限能力的調度考慮生產(chǎn)中的交錯、重疊和并行操作來準確計算出設備上下料和調整時間,實現(xiàn)良好的作業(yè)順序,并最大限度地減少生產(chǎn)過程中的準備時間。以作業(yè)、訂單、批量、成批和工作單等形式來管理生產(chǎn)單元間的工作流。通過調整車間已制訂的生產(chǎn)進度,對不合格品進行處理,用緩沖管理的方法控制任意位置的在制品數(shù)量。當車間有事件發(fā)生時,要提供一定順序的調度信息并按此進行相關的實時操作。
2.3 過程管理、生產(chǎn)跟蹤及維修管理
監(jiān)控生產(chǎn)過程、自動糾正生產(chǎn)中的錯誤并向用戶提供決策支持以提高生產(chǎn)效率。通過連續(xù)跟蹤生產(chǎn)操作流程,在被監(jiān)視和被控制的機器上實現(xiàn)一些比較底層的操作;通過報警功能,使車間人員能夠及時察覺到出現(xiàn)了超出允許誤差的加工過程。指示出作業(yè)的位置和在什么地方完成作業(yè)、通過狀態(tài)信息了解誰在作業(yè)、供應商的資財、關聯(lián)序號、現(xiàn)在的生產(chǎn)條件、警報狀態(tài)及再作業(yè)后跟生產(chǎn)聯(lián)系等其他事項。為了提高生產(chǎn)和日程管理能力,對設備和工具等維修行為的指示及跟蹤,以實現(xiàn)設備和工具的最佳利用效率。
2.4 計劃管理、執(zhí)行分析及文檔控制
監(jiān)視生產(chǎn),為作業(yè)者的議事提供支持,從內(nèi)部起作用或從一個作業(yè)到下一個作業(yè)進行計劃跟蹤、監(jiān)視、控制;從外部包含讓作業(yè)者和每個人知道允許誤差范圍的計劃變更警報管理。通過對過去記錄和預想結果的比較,提供報告實際的作業(yè)運行結果。執(zhí)行分析結果包含資源活用、資源可用性、生產(chǎn)單元的周期、日程遵守、及標準遵守的測試值?刂坪凸芾聿鬟f與生產(chǎn)單元有關的工作指令、配方、工程圖紙、標準工藝規(guī)程、零件數(shù)控加工程序、批量加工記錄、工程更改通知以及各種轉換操作間的通訊記錄,并提供信息編輯及存儲功能,將向操作人員提供操作數(shù)據(jù)或向設備控制層提供生產(chǎn)配方等的指令下達給操作層,同時包括對其它重要數(shù)據(jù)(例如與環(huán)境、健康和安全制度有關的數(shù)據(jù)以及ISO信息)的控制與完整性維護。
2.5 數(shù)據(jù)采集
通過數(shù)據(jù)采集接口來獲取并更新與生產(chǎn)管理功能相關的各種數(shù)據(jù)和參數(shù),包括產(chǎn)品跟蹤、維護產(chǎn)品歷史記錄以及其他參數(shù)。實現(xiàn)DCS/SIS系統(tǒng)以及智能設備等與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。
從MES系統(tǒng)功能可以看出,數(shù)據(jù)采集和通訊功能是至關重要的,保證了 業(yè)信息集成化的實施,實現(xiàn)PCS/MES/ERP~層架構成為一個有機的整體。
3 對PCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集
MES系統(tǒng),無論從功能模型還是信息模型以及技術上,均覆蓋了流程生產(chǎn)行業(yè)和離散制造行業(yè)。石油化工是典型的流程生產(chǎn)行業(yè),大多采用大規(guī)模生產(chǎn)方式,生產(chǎn)工藝技術成熟,廣泛采用PCS系統(tǒng),控制生產(chǎn)工藝條件的自動化設備比較成熟。對于MES系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)最重要的部分。以某一大型化工企業(yè)為例,對MES與PCS之間的數(shù)據(jù)傳輸進行闡述。數(shù)據(jù)采集接口采用國際標準的OPC(OLE for Process Control)接口。使接口標準統(tǒng)一化,將實時數(shù)據(jù)上傳至MES專用的數(shù)據(jù)庫中,同時也保證了傳輸速度與數(shù)據(jù)質量。
3.1 橫河公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案
橫河公司的DCS系統(tǒng)是Centum系列,DCS系統(tǒng)通過安全VPN 協(xié)議,使用加密數(shù)據(jù)包,與管理網(wǎng)內(nèi)橫河工廠信息管理平臺Exaquantum服務器通訊,在控制網(wǎng)和管理網(wǎng)之間有效地利用防火墻,確?刂葡到y(tǒng)安全性。裝置的過程數(shù)據(jù)利用Exaquantum服務器的OPC接口,通過標準的OPC接口向MES提供數(shù)據(jù)。MES系統(tǒng)不僅可以獲取原始的過程數(shù)據(jù),而且可以利用Exaquantum對這些過程數(shù)據(jù)進行處理,根據(jù)要求進行計算和累積,從而更有效的建立工廠數(shù)據(jù)結構,滿足MES對過程數(shù)據(jù)采集的要求。MES所涉及的橫河DCS控制系統(tǒng)包括Centum uXL、XL、CS、CS3000等多種版本,而部分版本不支持直接加裝ExaOPC NTPF100服務器,需要系統(tǒng)軟件升級至CS3000系統(tǒng)。具體實現(xiàn)方法是通過建立獨立的OPC務器,采集并傳輸過程數(shù)據(jù),OPC服務器安裝橫河專為MES/ERP系統(tǒng)接口開發(fā)的ExaOPC-NTPF100軟件包,該軟件包提供豐富的接口功能與強大的軟件通訊處理能力,同時,獨立的OPC服務器的網(wǎng)關型結構以及增強的VPN連接,確保了MES與DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡隔離,保證生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
對于CS3000/CS1000/CS系統(tǒng),每套裝置增加一臺ExaOPC—NTPF100服務器,安裝以太網(wǎng)網(wǎng)卡及與控制總線VNet通訊的VF701卡,并安裝ExaOPC-NTPF100軟件包。ExaOPC-NTPF100通過VF701卡直接與CS 3000/CS1000/CS控制總線VNet連接,由控制總線直接從控制器讀取過程數(shù)據(jù)以及進行報警事件通訊。ExaOPC-NTPF10O服務器與ENG/EWSS2程師站等值化工程數(shù)據(jù)。ExaOPc服務器使用組件VPN Manager將過程數(shù)據(jù)轉換至基于PPTP安全VPN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路,傳送至Exaquantum工廠數(shù)據(jù)服務器上。具體實現(xiàn)方式如圖1所示。
圖1 ExaOPC與CS3OOO/CS1000/CS系統(tǒng)連接示意圖
對于Centum uXL/Centum XL系統(tǒng),需要將系統(tǒng)升級為CS3000系統(tǒng),增加一臺HIS操作站,同時增加一臺ExaOPC服務器。ExaOPC通過VF701卡直接與CS 3000控制總線VNet連接,由控制總線直接從控制器讀取過程數(shù)據(jù)以及進行報警事件通訊。ExaOPC服務器使用組件VPN Manager將過程數(shù)據(jù)轉換至基于PPTP安全VPN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路,傳送至Exaquantum工廠數(shù)據(jù)服務器上。
3.2 艾默生公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案
艾默生公司的DCs系統(tǒng)包括WDPF控制系統(tǒng)和DeltaV控制系統(tǒng),均可通過OPC技術實現(xiàn)與MES系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口。利用OPC服務器的接口,向MES提供實時的過程數(shù)據(jù)。
WDPF控制系統(tǒng)的OPC Server運行于接口站上,從控制系統(tǒng)高速公路獲取實時數(shù)據(jù),并響應OPC Client的數(shù)據(jù)請求。OPC Client為實時數(shù)據(jù)庫自帶的數(shù)據(jù)接口軟件,負責向OPC Server發(fā)出數(shù)據(jù)請求,并在接收到數(shù)據(jù)響應后將實時數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫。從物理實現(xiàn)上看,接口站通過以太網(wǎng)卡分別連接控制系統(tǒng)網(wǎng)絡和管理網(wǎng)絡,并通過在其上運行的OPC Server獲取控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)。OPC Client亦可運行于接口站,通過以太網(wǎng)將實時數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫。
OPC技術的采用,可以將DeltaV系統(tǒng)毫無困難地與工廠管理網(wǎng)絡連接,避免進行二次接口開發(fā)的工作。實現(xiàn)各工段、車間及全廠在網(wǎng)絡上共享所有信息與數(shù)據(jù)。需要配置一臺DeltaV系統(tǒng)應用站,建立一個硬件平臺,OPC Server就安裝在應用站內(nèi),用戶可以方便地將數(shù)據(jù)取到工廠網(wǎng)上來進行管理,把實時數(shù)據(jù)取出并存放到開放的數(shù)據(jù)庫中,完成數(shù)據(jù)信息的采集和管理等工作,如圖2所示。
圖2 艾默生DCS系統(tǒng)接口連接示意圖
3.3 霍尼韋爾公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案
霍尼韋爾公司TDC3000/TPS DCS系統(tǒng)有專門的數(shù)據(jù)采集接口,即APP節(jié)點(Application Processing Platform),該節(jié)點通過專用的RDI接口(Real-time Date Interface)與霍尼韋爾公司的Uniformance平臺(也是MES數(shù)據(jù)庫平臺)進行數(shù)據(jù)采集,沒有通訊量的限制。MES的數(shù)據(jù)采集接口APP是專用的接口,獨立于生產(chǎn)控制系統(tǒng),起到了防止與DCS設備混用的作用,隔離網(wǎng)絡病毒,保障了DCS系統(tǒng)的自身安全。可以在系統(tǒng)上直接擴容一個APP節(jié)點,進行在線安裝,不影響裝置的生產(chǎn)和操作。對于系統(tǒng)軟件版本比較低的系統(tǒng)需要進行升級,包括操作站主機和系統(tǒng)軟件版本的升級,然后增加APP節(jié)點,實現(xiàn)MES的數(shù)據(jù)采集功能。具體如圖3所示。
圖3 霍尼韋爾DCS系統(tǒng)接口連接示意圖
3.4 山武公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案
山武公司的Harmonas-DEO全部支持OPC接口。通過DOGS接口連入工廠管理網(wǎng),DOGS作為一個符合工業(yè)標準的OPC Server,使客戶端PC的應用程序通過OPC Server讀取過程數(shù)據(jù)。因此,安裝了DOGS后,工廠管理網(wǎng)上的客戶機就可以通過自行編制的應用程序(VC,VB)來存取Harmonas—DEO系統(tǒng)中的各種過程數(shù)據(jù),使得山武的Harmonas-DEO系統(tǒng)方便地連入工廠管理網(wǎng)中,如圖4所示。
圖4 山武DCS系統(tǒng)接口連接示意圖
3.5 浙大中控公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案
在DCS系統(tǒng)建立獨立的OPC Server采集并傳輸過程數(shù)據(jù),OPC Server安裝浙大中控專為MES/ERP系統(tǒng)接口開發(fā)的OPC Server(V3.4)軟件包,提供豐富的接口功能與強大的軟件通訊處理能力。同時,獨立的OPC Server網(wǎng)關型結構確保了MES與DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡隔離,保證生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。每套系統(tǒng)在硬件方面增加一臺操作站作為OPC Server,安裝3個以太網(wǎng)卡,并安裝系統(tǒng)軟件包OPC Server軟件。OPC Server通過雙以太網(wǎng)卡直接讀取控制系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)以及進行報警事件通訊。OPC Server的另一塊以太網(wǎng)卡向MES系統(tǒng)傳送過程數(shù)據(jù)。浙大中控DCS系統(tǒng)增加OPC Server實施起來比較容易,基于中控系統(tǒng)的開放性和集成性設計,可以在不用系統(tǒng)停機的情況下任意加裝OPC Server軟件,使該站作為OPC服務器,同時向上層網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)。具體如圖5所示。
圖5 浙大中控DCS系統(tǒng)接口連接示意圖
3.6 和利時公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案
和利時公司各系列的DCS產(chǎn)品使用平臺各不相同,早期的HS2000為和利時專用協(xié)議,無通用OPC接口,而且MACS與SmartPro的產(chǎn)品的OPC接口版本也不一致,故針對HS2000,MACS和SmartPro系統(tǒng)需要不同的接口解決方案,以實現(xiàn)和利時DCS系統(tǒng)與MES數(shù)據(jù)庫的無縫連接。
由于和利時HS2000 DCS是早期產(chǎn)品,控制網(wǎng)為ARCNET網(wǎng),采用Tokebus令牌總線協(xié)議,是一個相對封閉的系統(tǒng)。為便于數(shù)據(jù)的上傳,和利時專門開發(fā)了HS2000通訊站,用于協(xié)議轉換和通訊管理。通過配置專用網(wǎng)關和網(wǎng)關程序,即能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)以UDP包的方式上傳至數(shù)據(jù)服務器,此為非標準接口,需要進行二次開發(fā),將此接口轉換為標準OPC接口。
對于MACS系統(tǒng),需要配置網(wǎng)關并安裝和利時MACS網(wǎng)關軟件,即專用的接口轉換協(xié)議,將非標準的接口轉換為標準OPC接口。
由于SmartPro系統(tǒng)的各個軟件版本型號不一,首先配置網(wǎng)關,并確定系統(tǒng)軟件版本型號,將系統(tǒng)版本升級到統(tǒng)一的最新版本,針對系統(tǒng)安裝針對不同版本的網(wǎng)關軟件,實現(xiàn)和上層數(shù)據(jù)庫的通訊。通過網(wǎng)關的單向傳輸保證數(shù)據(jù)只能由DCS傳到實時數(shù)據(jù)庫服務器,再通過隔離網(wǎng),保證數(shù)據(jù)只能從DCS實時數(shù)據(jù)庫服務器傳到MES服務器上,有效地保證了DCS系統(tǒng)的安全性,對于DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關重要。接口示意如圖6所示。
圖6 和利時DCS系統(tǒng)接口連接示意圖
4 結束語
MES作為企業(yè)信息化系統(tǒng)的中間層次,已經(jīng)成為以信息化帶動工業(yè)化,成為提升企業(yè)效率及效益,打造核心競爭力的必然選擇。該大型石化企業(yè)MES系統(tǒng)投運以來,一直平穩(wěn)運行。通過國際標準OPC技術的采用,使企業(yè)計劃系統(tǒng)與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)以及過程控制系統(tǒng)有機地接為一體,保障了數(shù)據(jù)的安全,實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享,推動了企業(yè)信息化建設。
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本文標題:MES系統(tǒng)對過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集
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