區(qū)塊鏈技術(shù)在生產(chǎn)過程控制中的可應(yīng)用性探討

王昊，楊卓，曾妍月，鄒斌

（1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730300）

今年，區(qū)塊鏈技術(shù)正成為當(dāng)前最熱的科技變革技術(shù)，它正向石油化工行業(yè)進(jìn)軍。其最具代表性的石油化工企業(yè)——中國中化集團，率先在“青島·鏈灣雙清區(qū)塊鏈應(yīng)用論壇”向公眾展示了其精心打造的“能源石化區(qū)塊鏈商業(yè)應(yīng)用聯(lián)盟”。除了中化集團的應(yīng)用案例之外，從當(dāng)前關(guān)于石油行業(yè)區(qū)塊鏈的一些解決方案中，有提出從石油的生產(chǎn)到冶煉，從運輸?shù)絺}儲，直到銷售的各環(huán)節(jié)建立區(qū)塊，通過建立電子身份證的方式，解決追溯和信任問題；有的方案提出讓石油企業(yè)建立統(tǒng)一的分銷平臺，利用區(qū)塊鏈技術(shù)快速匹配，在去中心化的鏈條中降低交易間的成本等。

區(qū)塊鏈技術(shù)可能是未來生產(chǎn)關(guān)系的一個補充。它創(chuàng)造了一種基礎(chǔ)性質(zhì)的可能，在沒有中心“大家長”的系統(tǒng)中，每個節(jié)點的用戶能夠扮演好自己的角色，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的目標(biāo)。企業(yè)運行中，區(qū)塊鏈技術(shù)并不適應(yīng)企業(yè)的每個環(huán)節(jié)，特別是在生產(chǎn)方面飽受爭議。因此，在石油化工的生產(chǎn)過程控制中是否可以運用區(qū)塊鏈技術(shù)，是本文探討的主要內(nèi)容。

1 生產(chǎn)與區(qū)塊鏈變革

1.1 案例選取

中海油下屬的某集團信息化工程建設(shè)十分成功。該公司對化工生產(chǎn)的所有流程和企業(yè)的管理經(jīng)營進(jìn)行了全面信息資源規(guī)劃（IRP）：以該集團石油化工產(chǎn)品為主，涵蓋供、產(chǎn)、銷3 個層面，目的是為了研究出化工企業(yè)的核心運作規(guī)律，整合研究數(shù)據(jù)，消除層內(nèi)和層間的信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)各層面的集成。該公司經(jīng)過全方位的業(yè)務(wù)調(diào)研整理、信息流梳理和數(shù)據(jù)分析，最終形成了先進(jìn)控制為主體的全方位優(yōu)化控制、MES 的部分管理等。特別是生產(chǎn)方面十分突出。

1.2 變革意義

石油化工企業(yè)具有資源能源依賴性強、連續(xù)型大規(guī)模生產(chǎn)、成套專業(yè)化設(shè)備、大批量生產(chǎn)的特點。固然海化集團的生產(chǎn)采用了DCS 程序控制，但生產(chǎn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)不能及時準(zhǔn)確的流入管理層，會導(dǎo)致生產(chǎn)和供應(yīng)鏈管理之間的數(shù)據(jù)是信息孤島。或者也難免在生產(chǎn)期間，操作員在生產(chǎn)過程中向管理層面反映的數(shù)據(jù)失真，這就直接影響產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，間接挫傷工人的積極性。如果在這期間加入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，利用區(qū)塊鏈的不可篡改、數(shù)據(jù)計量等特點，生產(chǎn)過程與原材料區(qū)塊化控制，按照實際的生產(chǎn)力劃撥原材料，實時監(jiān)測原材料的去向，每項原材料都有據(jù)可循，提高原材料利用率；區(qū)塊鏈的分布式訪問以及可溯性，能夠監(jiān)控到操作人員對生產(chǎn)數(shù)據(jù)是否進(jìn)行篡改，以及當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或者操作設(shè)備出事故時進(jìn)行事故分析，擴大生產(chǎn)安全系數(shù)。

1.3 生產(chǎn)過程控制與區(qū)塊鏈

該集團的生產(chǎn)線主要以DCS 控制系統(tǒng)為主。DCS系統(tǒng)稱為集散控制系統(tǒng)，也可稱之為“分散控制系統(tǒng)”或“分布式計算機控制系統(tǒng)”。它是基于分散控制、操作和集中管理的思想，采用多層分級、各級獨立的結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈技術(shù)是分布式系統(tǒng)的系統(tǒng)服務(wù)，基于安全的理念，主要為了用簡單的辦法確保數(shù)據(jù)的完整性；我們通過分析該集團DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀，運用區(qū)塊鏈技術(shù)來為其提供技術(shù)解決方案。

以該集團純堿廠為例，2005 年以前采用的是按車間工段分散控制的傳統(tǒng)DCS 控制系統(tǒng)，DCS 系統(tǒng)的來源冗亂繁雜，其中有羅斯蒙特系統(tǒng)、霍尼威爾系統(tǒng)、西門子PLC 等，在系統(tǒng)應(yīng)用與連接以及工作人員對系統(tǒng)的管理都帶來了諸多困難；同時運行過程中可靠性、穩(wěn)定性存在不足，主操作人員操作過程繁瑣，相互交流困難，給生產(chǎn)帶來很多弊端。為提高生產(chǎn)效率，以及滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的可靠性、快速性、人機交互性及監(jiān)控水平等要求，自2005 起它便慢慢地更換以往的控制系統(tǒng)，統(tǒng)一采用的是西門子PCS7 控制系統(tǒng)(注：PCS7 系統(tǒng)的實質(zhì)是在DCS 系統(tǒng)上的優(yōu)化)。

（1）PCS7 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)描述（圖1）。①現(xiàn)場總線層：PROFIBUS DP 與PA，是聯(lián)絡(luò)控制站(AS)與各操作現(xiàn)場站的橋梁。②控制總線層：工業(yè)以太網(wǎng)，是連接控制器(AS)與服務(wù)器或操作站的紐帶。③廠級網(wǎng)絡(luò)：標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，是建立服務(wù)器與操作站或上層廠級網(wǎng)絡(luò)通訊的關(guān)鍵。

圖1 PCS7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）PCS7 系統(tǒng)的優(yōu)點。①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、邏輯性強、功能強大。基于WinCC 的操作員站是一個強大的全面開放的監(jiān)控系統(tǒng)，不但能用于簡單過程監(jiān)控，還能用來進(jìn)行復(fù)雜的過程監(jiān)控。②數(shù)據(jù)的完整性。冗余度選件能使2 個冗眾的WinCC 站同時運行，以保證連續(xù)的過程和操作員控制。若兩站其一出現(xiàn)故障，另一個則會自動頂替，完成數(shù)據(jù)傳輸與過程值的歸檔任務(wù)。當(dāng)故障消除后，在該站故障期間所采集的過程值檔案和報文部復(fù)制到現(xiàn)在恢復(fù)運行的站上，從而保證了數(shù)據(jù)的完整性。③自我診斷的功能強大。不但可以提供系統(tǒng)的自我診斷，而且還能提供設(shè)備的硬件診斷。當(dāng)發(fā)生故障時，所有的工程師都能在系統(tǒng)窗口上跟蹤過程活動或者參與生產(chǎn)控制，同時得到報警和操作員的提示。

（3）PSC7 系統(tǒng)存在的不足。該集團純堿廠PCS7系統(tǒng)在投入運用近15 年來，為企業(yè)的生產(chǎn)效益作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。系統(tǒng)基本能滿足生產(chǎn)要求及工藝要求，但是隨著信息化與自動化的發(fā)展，也不斷顯露出一些問題，主要如下：①由于各種網(wǎng)絡(luò)交換機的交叉使用，很可能導(dǎo)致PCS7 的交流網(wǎng)絡(luò)過于集中，負(fù)荷較大，從而影響通信及系統(tǒng)信息傳遞。②DCS 模擬輸人卡故障時，有可能造成其8 個輸入通道數(shù)據(jù)同時偏高各自量程的30%左右，從而導(dǎo)致生產(chǎn)波動。③控制層和系統(tǒng)操作層在同一層網(wǎng)絡(luò)，會造成網(wǎng)絡(luò)故障的擴大化。如當(dāng)交換機上某個光口故障時，會造成通訊阻塞，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)機柜間的所有設(shè)備通訊不暢。④由于全廠DCS 是一個以太網(wǎng)，系統(tǒng)一旦遭到病毒侵人，可能威脅整個網(wǎng)絡(luò)的安全運行。

（4）區(qū)塊鏈可發(fā)揮的作用。毋庸置疑，在現(xiàn)有技術(shù)下，PCS7 系統(tǒng)不論是在系統(tǒng)控制、人機交互、智能操作等方面已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，但不可否認(rèn)該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)安全上依然存在很大問題。而區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展或能為其提供解決方案。在區(qū)塊鏈技術(shù)方案的研究中，分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法可歸結(jié)為區(qū)塊鏈的4 個主要特點。在PCS7 操作系統(tǒng)中，數(shù)機柜間有兩對控制層交換機，由于系統(tǒng)文件、生產(chǎn)操作歷史數(shù)據(jù)均存于工程師站內(nèi)，如果在工程師站中運用到區(qū)塊鏈技術(shù)，其優(yōu)點如下：①利用區(qū)塊鏈的加密算法，可以防止黑客侵入以太網(wǎng)來篡改下級工作站網(wǎng)絡(luò)送到中控室的數(shù)據(jù)，其意義在于無法刪除或修改已存儲的數(shù)據(jù)，讓控制室獲得的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為最原始的資料。②利用區(qū)塊鏈的分布式訪問以及可溯性，能夠完整的監(jiān)控到操作人員是否對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改，以及當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或者操作設(shè)備出事故時，可以進(jìn)行事故分析。

2 結(jié)語

該集團的生產(chǎn)在從理論上來說，具有進(jìn)行區(qū)塊鏈建設(shè)的可能性，然而該集團是一個整體，區(qū)塊鏈不能進(jìn)行單一環(huán)節(jié)的建設(shè)。但區(qū)塊鏈技術(shù)能夠作為底層框架，很可能在生產(chǎn)價值點進(jìn)行應(yīng)用，可以突破限制，優(yōu)化企業(yè)集團的信息化程度。不過現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術(shù)建設(shè)僅限于概念上。該集團當(dāng)前的信息化程度較高，新技術(shù)建設(shè)需要耗費大量的人力、物力、財力。基于集團中長期發(fā)展戰(zhàn)略的目標(biāo)要求，采用能源區(qū)塊鏈形式改革當(dāng)下的經(jīng)營運作模式，并非是促進(jìn)企業(yè)壯大的妙計良策。