MES对过程控制系统的数据采集

lihuolin958

   1 引言

    随着计算机信息技术的高速发展、软件应用技术的不断普及、企业信息化建设经验的不断积累和计算机信息管理系统应用水平的提高，使企业深刻地认识到走信息集成化道路的重要性。实施信息集成化技术，已成为企业信息化建设发展的一种必然选择。在流程制造行业的企业信息化建设中，位于底层车间进行生产控制的是以先进控制、操作优化为代表的过程控制系统（PCS），PCS强调的是通过控制优化，减少人为因素的影响，提高产品的质量与系统的运行效率；而位于上层的企业计划系统（ERP），强调的是企业的计划性。尽管这两类系统的推广取得了一定效果，但却忽略了两者之间的有效配合，导致企业上层经营管理缺乏有效的实时信息支持、下层控制环节缺乏优化的调度与协调。为此，将经营计划与生产过程统一起来的生产执行系统（MES）应运而生。

    2 MES系统功能及构成

    MES（Manufacturing Execution System）即制造执行系统，俗称生产执行系统。MES位于企业信息计划系统（ERP／SCM）和过程控制系统（PCS）的中间位置，过程控制系统包括分散控制系统（DCS）和安全仪表系统（SIS）等。ERP作为业务管理系统，DCS／SIS属于控制系统，而MES则是生产执行系统。MES与上层ERP等业务系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统，一是把业务计划指令传达到生产现场，二是将生产现场的信息及时收集、上传和处理。MES不单是面向生产现场的系统，而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统，连结现场层和经营层，通过实时数据库传输基本信息系统的理论数据和工厂的实际数据，并提供企业计划系统与过程控制系统之间的通信功能，是应用于企业的重要信息系统。其具体功能如下：

    2.1 资源分配、状态及人力资源管理

    管理设备、工具、人员物料、以及其他生产实体，满足生产计划的要求对其所作的预定和调度，用以保证生产的正常进行；提供资源使用情况的历史记录和实时状态信息，确保设备能够正确安装和运转。为单位提供每个人的状态，通过时间对比，出勤报告，行为跟踪及行为（包含资财及工具准备作业）为基础的费用等为基准，实现对人力资源间接行为的跟踪管理。

    2.2 工序详细调度及生产单元分配

    提供与指定生产单元相关的优先级（Priorities）、属性（Attributes）、特征（Characteristic）以及处方（Recipes）等，通过基于有限能力的调度考虑生产中的交错、重叠和并行操作来准确计算出设备上下料和调整时间，实现良好的作业顺序，并最大限度地减少生产过程中的准备时间。以作业、订单、批量、成批和工作单等形式来管理生产单元间的工作流。通过调整车间已制订的生产进度，对不合格品进行处理，用缓冲管理的方法控制任意位置的在制品数量。当车间有事件发生时，要提供一定顺序的调度信息并按此进行相关的实时操作。

    2.3 过程管理、生产跟踪及维修管理

    监控生产过程、自动纠正生产中的错误并向用户提供决策支持以提高生产效率。通过连续跟踪生产操作流程，在被监视和被控制的机器上实现一些比较底层的操作；通过报警功能，使车间人员能够及时察觉到出现了超出允许误差的加工过程。指示出作业的位置和在什么地方完成作业、通过状态信息了解谁在作业、供应商的资财、关联序号、现在的生产条件、警报状态及再作业后跟生产联系等其他事项。为了提高生产和日程管理能力，对设备和工具等维修行为的指示及跟踪，以实现设备和工具的最佳利用效率。

    2.4 计划管理、执行分析及文档控制

    监视生产，为作业者的议事提供支持，从内部起作用或从一个作业到下一个作业进行计划跟踪、监视、控制；从外部包含让作业者和每个人知道允许误差范围的计划变更警报管理。通过对过去记录和预想结果的比较，提供报告实际的作业运行结果。执行分析结果包含资源活用、资源可用性、生产单元的周期、日程遵守、及标准遵守的测试值。控制和管理并传递与生产单元有关的工作指令、配方、工程图纸、标准工艺规程、零件数控加工程序、批量加工记录、工程更改通知以及各种转换操作间的通讯记录，并提供信息编辑及存储功能，将向操作人员提供操作数据或向设备控制层提供生产配方等的指令下达给操作层，同时包括对其它重要数据（例如与环境、健康和安全制度有关的数据以及ISO信息）的控制与完整性维护。

    2.5 数据采集

    通过数据采集接口来获取并更新与生产管理功能相关的各种数据和参数，包括产品跟踪、维护产品历史记录以及其他参数。实现DCS／SIS系统以及智能设备等与生产执行系统之间的数据交换。

    从MES系统功能可以看出，数据采集和通讯功能是至关重要的，保证了 业信息集成化的实施，实现PCS／MES／ERP~层架构成为一个有机的整体。

    3 对PCS系统的数据采集

    MES系统，无论从功能模型还是信息模型以及技术上，均覆盖了流程生产行业和离散制造行业。石油化工是典型的流程生产行业，大多采用大规模生产方式，生产工艺技术成熟，广泛采用PCS系统，控制生产工艺条件的自动化设备比较成熟。对于MES系统，数据采集是整个系统最重要的部分。以某一大型化工企业为例，对MES与PCS之间的数据传输进行阐述。数据采集接口采用国际标准的OPC（OLE for Process Control）接口。使接口标准统一化，将实时数据上传至MES专用的数据库中，同时也保证了传输速度与数据质量。

    3.1 横河公司DCS系统数据采集方案

    横河公司的DCS系统是Centum系列，DCS系统通过安全VPN 协议，使用加密数据包，与管理网内横河工厂信息管理平台Exaquantum服务器通讯，在控制网和管理网之间有效地利用防火墙，确保控制系统安全性。装置的过程数据利用Exaquantum服务器的OPC接口，通过标准的OPC接口向MES提供数据。MES系统不仅可以获取原始的过程数据，而且可以利用Exaquantum对这些过程数据进行处理，根据要求进行计算和累积，从而更有效的建立工厂数据结构，满足MES对过程数据采集的要求。MES所涉及的横河DCS控制系统包括Centum uXL、XL、CS、CS3000等多种版本，而部分版本不支持直接加装ExaOPC NTPF100服务器，需要系统软件升级至CS3000系统。具体实现方法是通过建立独立的OPC务器，采集并传输过程数据，OPC服务器安装横河专为MES／ERP系统接口开发的ExaOPC-NTPF100软件包，该软件包提供丰富的接口功能与强大的软件通讯处理能力，同时，独立的OPC服务器的网关型结构以及增强的VPN连接，确保了MES与DCS系统的网络隔离，保证生产系统的稳定运行。


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    对于CS3000／CS1000／CS系统，每套装置增加一台ExaOPC—NTPF100服务器，安装以太网网卡及与控制总线VNet通讯的VF701卡，并安装ExaOPC-NTPF100软件包。ExaOPC-NTPF100通过VF701卡直接与CS 3000／CS1000／CS控制总线VNet连接，由控制总线直接从控制器读取过程数据以及进行报警事件通讯。ExaOPC-NTPF10O服务器与ENG／EWSS2程师站等值化工程数据。ExaOPc服务器使用组件VPN Manager将过程数据转换至基于PPTP安全VPN协议的数据链路，传送至Exaquantum工厂数据服务器上。


    对于Centum uXL／Centum XL系统，需要将系统升级为CS3000系统，增加一台HIS操作站，同时增加一台ExaOPC服务器。ExaOPC通过VF701卡直接与CS 3000控制总线VNet连接，由控制总线直接从控制器读取过程数据以及进行报警事件通讯。ExaOPC服务器使用组件VPN Manager将过程数据转换至基于PPTP安全VPN协议的数据链路，传送至Exaquantum工厂数据服务器上。


    3.2 艾默生公司DCS系统数据采集方案


    艾默生公司的DCs系统包括WDPF控制系统和DeltaV控制系统，均可通过OPC技术实现与MES系统之间的数据接口。利用OPC服务器的接口，向MES提供实时的过程数据。


    WDPF控制系统的OPC Server运行于接口站上，从控制系统高速公路获取实时数据，并响应OPC Client的数据请求。OPC Client为实时数据库自带的数据接口软件，负责向OPC Server发出数据请求，并在接收到数据响应后将实时数据送入数据库。从物理实现上看，接口站通过以太网卡分别连接控制系统网络和管理网络，并通过在其上运行的OPC Server获取控制系统数据。OPC Client亦可运行于接口站，通过以太网将实时数据送入数据库。


    OPC技术的采用，可以将DeltaV系统毫无困难地与工厂管理网络连接，避免进行二次接口开发的工作。实现各工段、车间及全厂在网络上共享所有信息与数据。需要配置一台DeltaV系统应用站，建立一个硬件平台，OPC Server就安装在应用站内，用户可以方便地将数据取到工厂网上来进行管理，把实时数据取出并存放到开放的数据库中，完成数据信息的采集和管理等工作。


    3.3 霍尼韦尔公司DCS系统数据采集方案


    霍尼韦尔公司TDC3000／TPS DCS系统有专门的数据采集接口，即APP节点（Application Processing Platform），该节点通过专用的RDI接口（Real-time Date Interface）与霍尼韦尔公司的Uniformance平台（也是MES数据库平台）进行数据采集，没有通讯量的限制。MES的数据采集接口APP是专用的接口，独立于生产控制系统，起到了防止与DCS设备混用的作用，隔离网络病毒，保障了DCS系统的自身安全。可以在系统上直接扩容一个APP节点，进行在线安装，不影响装置的生产和操作。对于系统软件版本比较低的系统需要进行升级，包括操作站主机和系统软件版本的升级，然后增加APP节点，实现MES的数据采集功能。


    3.4 山武公司DCS系统数据采集方案


    山武公司的Harmonas-DEO全部支持OPC接口。通过DOGS接口连入工厂管理网，DOGS作为一个符合工业标准的OPC Server，使客户端PC的应用程序通过OPC Server读取过程数据。因此，安装了DOGS后，工厂管理网上的客户机就可以通过自行编制的应用程序（VC，VB）来存取Harmonas—DEO系统中的各种过程数据，使得山武的Harmonas-DEO系统方便地连入工厂管理网中。


    3.5 浙大中控公司DCS系统数据采集方案


    在DCS系统建立独立的OPC Server采集并传输过程数据，OPC Server安装浙大中控专为MES／ERP系统接口开发的OPC Server（V3.4）软件包，提供丰富的接口功能与强大的软件通讯处理能力。同时，独立的OPC Server网关型结构确保了MES与DCS系统的网络隔离，保证生产系统的稳定运行。每套系统在硬件方面增加一台操作站作为OPC Server，安装3个以太网卡，并安装系统软件包OPC Server软件。OPC Server通过双以太网卡直接读取控制系统过程数据以及进行报警事件通讯。OPC Server的另一块以太网卡向MES系统传送过程数据。浙大中控DCS系统增加OPC Server实施起来比较容易，基于中控系统的开放性和集成性设计，可以在不用系统停机的情况下任意加装OPC Server软件，使该站作为OPC服务器，同时向上层网络发送数据。


    3.6 和利时公司DCS系统数据采集方案


    和利时公司各系列的DCS产品使用平台各不相同，早期的HS2000为和利时专用协议，无通用OPC接口，而且MACS与SmartPro的产品的OPC接口版本也不一致，故针对HS2000，MACS和SmartPro系统需要不同的接口解决方案，以实现和利时DCS系统与MES数据库的无缝连接。


    由于和利时HS2000 DCS是早期产品，控制网为ARCNET网，采用Tokebus令牌总线协议，是一个相对封闭的系统。为便于数据的上传，和利时专门开发了HS2000通讯站，用于协议转换和通讯管理。通过配置专用网关和网关程序，即能够实现数据以UDP包的方式上传至数据服务器，此为非标准接口，需要进行二次开发，将此接口转换为标准OPC接口。


    对于MACS系统，需要配置网关并安装和利时MACS网关软件，即专用的接口转换协议，将非标准的接口转换为标准OPC接口。


    由于SmartPro系统的各个软件版本型号不一，首先配置网关，并确定系统软件版本型号，将系统版本升级到统一的最新版本，针对系统安装针对不同版本的网关软件，实现和上层数据库的通讯。通过网关的单向传输保证数据只能由DCS传到实时数据库服务器，再通过隔离网，保证数据只能从DCS实时数据库服务器传到MES服务器上，有效地保证了DCS系统的安全性，对于DCS系统的稳定运行至关重要。


    4 结束语


    MES作为企业信息化系统的中间层次，已经成为以信息化带动工业化，成为提升企业效率及效益，打造核心竞争力的必然选择。该大型石化企业MES系统投运以来，一直平稳运行。通过国际标准OPC技术的采用，使企业计划系统与生产执行系统以及过程控制系统有机地接为一体，保障了数据的安全，实现数据资源的共享，推动了企业信息化建设。