生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)在精細(xì)化工行業(yè)的應(yīng)用

田育彰+張金儒+戴榮華+李金江

摘要：山東京博農(nóng)化科技股份有限公司搭建了自主設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。根據(jù)京博農(nóng)化現(xiàn)有硬件情況，通過(guò)運(yùn)用OPC、組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，為生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并在MES中搭建了生產(chǎn)管理、業(yè)務(wù)流程管理、能耗管理、人員管理、安全管理等板塊，促進(jìn)了信息系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)在精細(xì)化工行業(yè)的結(jié)合與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)；精細(xì)化工行業(yè)；數(shù)據(jù)采集；OPC；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；MES 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ423 文章編號(hào)：1009-2374（2015）13-0056-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.029

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

近30年來(lái)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制、檢測(cè)設(shè)備的種類(lèi)日漸繁多，不同產(chǎn)品甚至于同品牌的不同型號(hào)間通信協(xié)議都不盡相同，這成為數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)囊淮箅y題。而OPC技術(shù)的誕生，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)和供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的分工，形成了一種自動(dòng)化領(lǐng)域通信協(xié)議的新標(biāo)準(zhǔn)，大大改進(jìn)了數(shù)據(jù)采集技術(shù)。MES是建立在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的，通過(guò)生產(chǎn)、管理上的邏輯關(guān)系，運(yùn)用數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)智能分析、業(yè)務(wù)管理等內(nèi)容。在自主設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)DCS、PLC及Modbus、4～20mA等多種協(xié)議數(shù)據(jù)型式的采集，通過(guò)應(yīng)用普遍、傳輸距離更具優(yōu)勢(shì)的網(wǎng)線(xiàn)和光纜把京博農(nóng)化5個(gè)生產(chǎn)園區(qū)、13套生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到了搭建的生產(chǎn)信息局域網(wǎng)。

1.1 數(shù)據(jù)上傳

1.1.1 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一次表的數(shù)據(jù)采集。將一次表模擬量輸出連接信號(hào)轉(zhuǎn)換卡，現(xiàn)場(chǎng)儀表（流量計(jì)、報(bào)警器、電表等未接入DCS/PLC的儀表）輸出的4～20mA信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)CP協(xié)議信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)接入生產(chǎn)信息局域網(wǎng)（10.2.10.1網(wǎng)段）。建議在機(jī)房建立數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)中心交換機(jī)，以便于發(fā)生問(wèn)題時(shí)查找故障。若信號(hào)傳輸距離在150米以上，需增加光纖收發(fā)器。這一步實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)儀表的數(shù)據(jù)上傳，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換卡的IP分配（對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換卡做MAC地址綁定IP）情況，可以對(duì)各儀表信息進(jìn)行區(qū)分。圖1為PC連接生產(chǎn)信息局域網(wǎng)后獲取的數(shù)據(jù)：

圖1 京博農(nóng)化四車(chē)間流量計(jì)數(shù)據(jù)上傳

從圖1中我們可以看出，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅薖C機(jī)上，軟件讀取到的是一次表上輸出的毫安值。通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)量程的設(shè)定，我們便能計(jì)算出與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一致的數(shù)值，這一步會(huì)在下文詳細(xì)介紹。

1.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。DCS、PLC等自控系統(tǒng)通過(guò)其監(jiān)控軟件的OPC服務(wù)器，可以將組態(tài)中位號(hào)及其量程等信息傳輸至OPC客戶(hù)端。在OPC Client中連接服務(wù)器，添加位號(hào)后能夠獲取控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括數(shù)值、采集時(shí)間、數(shù)據(jù)質(zhì)量等。不論何種品牌、型號(hào)，只要支持OPC協(xié)議即可完成數(shù)據(jù)的采集，將實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)上傳至生產(chǎn)信息網(wǎng)。如果在使用OPC的過(guò)程中，遇到OPC軟件運(yùn)行2小時(shí)后自動(dòng)退出或者OPC只能采集有限個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，說(shuō)明所使用的OPC尚未注冊(cè)，建議咨詢(xún)控制系統(tǒng)供應(yīng)商。不建議使用破解版或舊版本的OPC軟件，會(huì)造成軟件假死或數(shù)據(jù)上傳意外終止，造成數(shù)據(jù)丟失。運(yùn)用OPC技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速度快、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省了為軟件編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜步驟，OPC在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用成為業(yè)界的新型標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 組態(tài)系統(tǒng)

運(yùn)用組態(tài)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)貯。

1.2.1 模擬量計(jì)算。將一臺(tái)安裝組態(tài)軟件（如組態(tài)王、WinCC等）的PC機(jī)連接生產(chǎn)信息局域網(wǎng)，在組態(tài)軟件中通過(guò)設(shè)置串口、添加采集卡配置、維護(hù)變量、引用變量等步驟后，把信號(hào)轉(zhuǎn)換卡采集的一次表數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模擬量的4～20mA范圍對(duì)應(yīng)變量設(shè)置的量程（即一次表量程）得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。可以把數(shù)據(jù)引用到組態(tài)軟件的監(jiān)視畫(huà)面上，在配置完成后切換到運(yùn)行狀態(tài)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，不同生產(chǎn)廠(chǎng)區(qū)通過(guò)光纖、網(wǎng)線(xiàn)遠(yuǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)延遲在<1s的范圍內(nèi)。

1.2.2 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與監(jiān)控。本系統(tǒng)中涉及的組態(tài)軟件只是OPC作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的中間橋梁，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、配置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，將一次表、各種自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器，主要做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至MES服務(wù)器、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、用戶(hù)管理用。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中需要對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)簽進(jìn)行維護(hù)，包括位號(hào)、描述、單位、數(shù)據(jù)類(lèi)型、量程、報(bào)警范圍等。維護(hù)后，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中位號(hào)標(biāo)簽便有了對(duì)應(yīng)的描述。通過(guò)對(duì)各采集站的IP分配情況，可以對(duì)裝置進(jìn)行區(qū)分。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中能夠以裝置為單位，看到該裝置中各數(shù)據(jù)標(biāo)簽、數(shù)值和曲線(xiàn)圖。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)中，可以繪制動(dòng)態(tài)的工藝流程圖，如實(shí)時(shí)體現(xiàn)物料移動(dòng)情況的管線(xiàn)、裝置的啟停等。所以在裝置的總貌圖中，有些不是很重要的部分，如調(diào)節(jié)閥等便可用管線(xiàn)上的流速來(lái)表示。

2 生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)

生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）是介于管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS）和過(guò)程控制系統(tǒng)（Process Control System，PCS）的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，旨在解決管理與生產(chǎn)間的信息孤島問(wèn)題。“它以生產(chǎn)行為信息為核心，為企業(yè)決策系統(tǒng)提供直接的支持”（MESA 1997）。傳統(tǒng)模式下管理層無(wú)法獲取生產(chǎn)實(shí)時(shí)狀況，只能從定期的報(bào)表中獲知生產(chǎn)任務(wù)完成情況，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。而生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)反映生產(chǎn)故障，優(yōu)化了生產(chǎn)活動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)，減少無(wú)附加值行為，提高工廠(chǎng)運(yùn)行和事件處理的有效性。

2.1 使用BPM企業(yè)管理工具搭建系統(tǒng)

BPM（Business Process Management，業(yè)務(wù)過(guò)程管理）是以流程為中心的方法，將流程、管理方法和信息技術(shù)相結(jié)合，以促成高效、透明的業(yè)務(wù)流程。本系統(tǒng)中通過(guò)BPM系統(tǒng)搭建MES主體架構(gòu)，在其基礎(chǔ)上加入了投入、產(chǎn)出分析和生產(chǎn)監(jiān)控模塊。MES要在服務(wù)器上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)布，需要安裝BPM、Visual Studio、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，如SQL Server等搭建服務(wù)器系統(tǒng)環(huán)境。endprint

2.2 系統(tǒng)內(nèi)容完善

京博農(nóng)化需求的MES涉及了業(yè)務(wù)流程、人員管理、生產(chǎn)監(jiān)控、工藝質(zhì)量管理、報(bào)表等內(nèi)容，所以要在數(shù)據(jù)庫(kù)中完善這些功能所要使用的數(shù)據(jù)。首先在BPM中建立公司組織架構(gòu)，包括各個(gè)部門(mén)和車(chē)間，然后在相應(yīng)部門(mén)下建立員工賬號(hào)并錄入成員信息。建立MES數(shù)據(jù)庫(kù)，錄入系統(tǒng)各功能板塊所需數(shù)據(jù)源，包括員工信息表、業(yè)務(wù)表、各類(lèi)報(bào)表及一系列標(biāo)準(zhǔn)等。在安裝目錄下可以看到有系統(tǒng)配置文件，接下來(lái)在系統(tǒng)配置文件中可以用匯編語(yǔ)言添加各功能模塊、建立MES目錄樹(shù)。BPM功能強(qiáng)大且操作簡(jiǎn)單，通過(guò)拖拽式便可制作業(yè)務(wù)流程和各類(lèi)表單。

通過(guò)IIS在生產(chǎn)信息局域網(wǎng)上發(fā)布MES網(wǎng)站，輸入MES域名便可登錄系統(tǒng)：

在目錄樹(shù)下新建生產(chǎn)監(jiān)控配置文件，加入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)各監(jiān)視界面的鏈接，鏈接對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器IP地址和監(jiān)視頁(yè)面目錄。在MES生產(chǎn)監(jiān)控模塊下調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)插件便能查看工藝流程圖，效果與客戶(hù)端登錄方式相同。在制作業(yè)務(wù)流程時(shí)，需在BPM平臺(tái)下拖拽式新建業(yè)務(wù)流程，然后制作、引用報(bào)表，并在報(bào)表中使用SQL語(yǔ)句引用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)即可。

圖2 京博農(nóng)化MES系統(tǒng)登陸頁(yè)面 圖3 報(bào)表樣式

在京博農(nóng)化調(diào)度中心我們安裝了一臺(tái)連接生產(chǎn)信息局域網(wǎng)的PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)了與安防監(jiān)控系統(tǒng)大屏幕的結(jié)合。在此計(jì)算機(jī)上，我們能夠查看各車(chē)間流量計(jì)、報(bào)警器、工藝流程圖和處理MES任務(wù)。

圖4 調(diào)度中心MES展示圖

3 結(jié)語(yǔ)

在該MES系統(tǒng)中，登錄人員可以從任務(wù)管理中查看當(dāng)前需處理的表單及流程，并在當(dāng)前處理人提交后自動(dòng)發(fā)往下一流程節(jié)點(diǎn)。同時(shí)生產(chǎn)管理部門(mén)與領(lǐng)導(dǎo)可進(jìn)入生產(chǎn)監(jiān)控頁(yè)面查看生產(chǎn)情況，從動(dòng)態(tài)流程圖中能一目了然的看出正在運(yùn)行的設(shè)備、各項(xiàng)工藝指標(biāo)及其趨勢(shì)，有效指導(dǎo)了生產(chǎn)。本文中講述了從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一次表數(shù)據(jù)采集、組態(tài)操作、到數(shù)據(jù)上傳、服務(wù)器搭建、MES配置等每一步進(jìn)展，然而目前的系統(tǒng)也尚有待完善之處。如我們正在開(kāi)發(fā)的物料平衡、資金占用管理等模塊，這就需要MES從財(cái)務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)并引用，使得資金、物料、倉(cāng)儲(chǔ)等業(yè)務(wù)更貼近生產(chǎn)。

有業(yè)內(nèi)專(zhuān)家指出：“未來(lái)的十年，不再是ERP的十年，而是MES的十年。” MES的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)依賴(lài)于OPC功能，將來(lái)基于強(qiáng)大OPC UA功能的MES系統(tǒng)將能夠根據(jù)制造環(huán)境的變化進(jìn)行智能預(yù)測(cè)、智能調(diào)度、智能診斷和智能決策，實(shí)現(xiàn)人機(jī)制造一體化的制造過(guò)程優(yōu)化。農(nóng)化生產(chǎn)將在一個(gè)精確的管控指標(biāo)——實(shí)時(shí)信息閉環(huán)下運(yùn)行，管理也更將精細(xì)化，同時(shí)，MES對(duì)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、財(cái)務(wù)的有效結(jié)合也必將大力促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人與人的無(wú)縫聯(lián)系和溝通。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：田育彰（1989-），男，山東淄博人，京博農(nóng)化科技股份有限公司儀表工，研究方向：信息系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint