煉油廠的MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃玉志，薛紅波，楊朝鋒

（延長(zhǎng)石油集團(tuán)研究院，西安710075）

隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)大范圍信息共享的需求越來(lái)越迫切，因而對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的開(kāi)放性提出了越來(lái)越高的要求。而工業(yè)界廣泛使用的傳統(tǒng)DCS等系統(tǒng)由于采用自定義的專用網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，沒(méi)有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，難以與其他廠家的系統(tǒng)或儀表互連、互操作。各個(gè)廠家自成體系，所形成的“信息孤島”難以與外界交換數(shù)據(jù)。建立企業(yè)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)是建立企業(yè)信息化的迫切要求，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是流程工業(yè)綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行、成本核算、物料跟蹤、質(zhì)量管理等業(yè)務(wù)的持續(xù)改進(jìn)具有重要意義。面對(duì)這一現(xiàn)狀，陜西省延長(zhǎng)石油集團(tuán)煉化公司采用面向流程行業(yè)的生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）。通過(guò)該MES，實(shí)時(shí)掌握企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃、運(yùn)行管理、生產(chǎn)執(zhí)行和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)等；綜合各方面的生產(chǎn)信息，為企業(yè)合理配置資源、及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和經(jīng)營(yíng)策略提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)信息系統(tǒng)的實(shí)施，改善生產(chǎn)過(guò)程，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，進(jìn)一步降低成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目涵蓋的各煉油分廠分別配置獨(dú)立的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。煉化公司從各分廠獲取數(shù)據(jù)，組建公司的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成各種應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控、WEB功能［1－2］。

1.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)時(shí)接口通過(guò)OPC采集生產(chǎn)裝置DCS和PLC的數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)配電系統(tǒng)專用接口以及Centum CS的ACG接口；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口采集LIMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)接口完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的煉油裝置數(shù)據(jù)、配電數(shù)據(jù)、LIMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，具有以下性能：

a）數(shù)據(jù)緩沖功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)時(shí)接口可將采集的自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存在本地；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，能夠?qū)⒕彺嬖诒镜氐膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的完整性。

b）自恢復(fù)能力。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)的原因?qū)е聦?shí)時(shí)接口與其通信中斷時(shí)，能夠自動(dòng)恢復(fù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的鏈接。

c）組態(tài)擴(kuò)展功能。用戶對(duì)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需求不斷變化，實(shí)時(shí)接口能夠采用組態(tài)的方式適應(yīng)這種變化。

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)周期存儲(chǔ)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且有效管理和分析生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，使用戶可以應(yīng)用這些數(shù)據(jù)改進(jìn)生產(chǎn)能力、增加利潤(rùn)、提高事務(wù)處理的靈活性。

1.3 生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控

圖形化用戶界面使用簡(jiǎn)單、方便，可使用客戶端工具和瀏覽器瀏覽。數(shù)據(jù)顯示方式靈活多樣，以下列出一些常用的方式：

a）流程圖。用總貌及分組畫面顯示全廠的工藝流程，并實(shí)時(shí)顯示每一關(guān)鍵的過(guò)程變量信息，對(duì)過(guò)程變量提供不同時(shí)間段的圖形分析和畫面查詢。

b）趨勢(shì)圖。在CRT上顯示定義的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線，時(shí)間軸可以任意設(shè)定。

c）報(bào)表。報(bào)表分固定報(bào)表和模板報(bào)表。固定報(bào)表采用固定的結(jié)構(gòu)和定義好的標(biāo)簽顯示和打印全廠或車間的數(shù)據(jù)；模板報(bào)表采用固定的結(jié)構(gòu)，靈活的標(biāo)簽，顯示和打印全廠或車間的數(shù)據(jù)。報(bào)表采用WEB方式，方便靈活，打印可以是定時(shí)打印或事件打?。?］。

1.4 數(shù)據(jù)展示發(fā)布

通過(guò)WEB界面可以瀏覽煉油裝置、配電系統(tǒng)、LIMS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)流程圖畫面和趨勢(shì)圖。設(shè)備管理部門能夠?qū)崟r(shí)掌握關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)在線關(guān)鍵設(shè)備的主要運(yùn)行參數(shù)（轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)

對(duì)于MES來(lái)說(shuō)，與生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù)信息是煉化企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)是工廠重要的信息資源，涉及工廠的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)秘密，不能隨意泄漏和更改。因此，保證數(shù)據(jù)安全是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本要求。煉化公司信息網(wǎng)絡(luò)在物理上與各煉油分廠生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)連接，因而必須有嚴(yán)格措施保證網(wǎng)絡(luò)安全，避免對(duì)生產(chǎn)造成影響［4－6］。

采用虛擬局域網(wǎng)VLAN技術(shù)構(gòu)建安全子網(wǎng)，將廠區(qū)各生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)分割為邏輯上相對(duì)獨(dú)立的生產(chǎn)子網(wǎng)和公司管理網(wǎng)絡(luò)，分別對(duì)應(yīng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)和公司辦公網(wǎng)，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的封閉性和高等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。在生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)與公司辦公網(wǎng)之間的交叉點(diǎn)上，采用必要的訪問(wèn)控制措施，對(duì)通信方式與通信業(yè)務(wù)類型進(jìn)行控制。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與公司辦公網(wǎng)絡(luò)連接處，采用嚴(yán)格的防火墻接入控制措施，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入的可信性。經(jīng)過(guò)授權(quán)的節(jié)點(diǎn)才允許接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，進(jìn)行廠區(qū)業(yè)務(wù)通信。應(yīng)用服務(wù)器直接與公司辦公網(wǎng)絡(luò)相連，為了保障應(yīng)用系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，在應(yīng)用服務(wù)器上安裝SSR服務(wù)器加固系統(tǒng)，采用先進(jìn)的ROST技術(shù)，從系統(tǒng)層對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行加固。通過(guò)對(duì)文件、目錄、進(jìn)程、注冊(cè)表和服務(wù)的強(qiáng)制訪問(wèn)控制，有效地制約和分散了原有系統(tǒng)管理員的權(quán)限，能夠把普通的操作系統(tǒng)從體系上升級(jí)，使其符合國(guó)家信息安全等級(jí)保護(hù)服務(wù)器操作系統(tǒng)安全的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從根本上避免了針對(duì)服務(wù)器操作系統(tǒng)的一切惡意攻擊，將木馬、后門、沖擊波、振蕩波等蠕蟲(chóng)類病毒和內(nèi)外網(wǎng)的黑客攻擊拒之門外，有效保護(hù)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器操作系統(tǒng)的所有資源，防止非法盜取、修改、刪除數(shù)據(jù)等，從而也從縱向上保證了應(yīng)用系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定的工作［7－8］。

具體安全措施主要表現(xiàn)在操作系統(tǒng)級(jí)防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)級(jí)防護(hù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)級(jí)防護(hù)、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)。

2.1 操作系統(tǒng)防護(hù)

MES實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器將采用成熟、穩(wěn)定、安全的基于NT技術(shù)開(kāi)發(fā)的Windows 2003Server操作系統(tǒng)，應(yīng)用服務(wù)器還將安裝SSR服務(wù)器安全加固系統(tǒng)，使其符合國(guó)家信息安全等級(jí)保護(hù)服務(wù)器操作系統(tǒng)安全的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)高效的權(quán)限分離加固技術(shù)，具備強(qiáng)制訪問(wèn)控制、分權(quán)管理和強(qiáng)認(rèn)證的安全內(nèi)核，有效解決了目前操作系統(tǒng)的安全問(wèn)題，即使非法用戶獲得系統(tǒng)管理員權(quán)限也不能對(duì)系統(tǒng)造成破壞。

2.2 網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)防護(hù)

需要在各煉油廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與主網(wǎng)之間加裝硬件防火墻系統(tǒng)，以保證各煉油分廠控制系統(tǒng)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)安全。

作為MES穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)級(jí)防護(hù)在安全防護(hù)中至關(guān)重要。各廠網(wǎng)絡(luò)采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)VLAN，將物理上互連的網(wǎng)絡(luò)在邏輯上劃分為多個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)之間是無(wú)法通信的，因而廣播也就被隔離開(kāi)了。將廠區(qū)各生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)分割為邏輯上相對(duì)獨(dú)立的生產(chǎn)子網(wǎng)和公司管理網(wǎng)絡(luò)，分別對(duì)應(yīng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)和公司辦公網(wǎng)，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的封閉性和高等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)VLAN成員發(fā)出的數(shù)據(jù)包只發(fā)給同一VLAN的其他成員，從而構(gòu)建安全子網(wǎng)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用雙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在與公司辦公網(wǎng)邊界處采用嚴(yán)格的防火墻接入控制措施，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入的可信性。對(duì)通信方式與通信業(yè)務(wù)類型進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)授權(quán)的節(jié)點(diǎn)允許接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，進(jìn)行廠區(qū)業(yè)務(wù)通信。從網(wǎng)絡(luò)方面保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)固運(yùn)行，進(jìn)而保障了生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的穩(wěn)固運(yùn)行。

2.3 數(shù)據(jù)防護(hù)

為保證生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，必須考慮數(shù)據(jù)采集的安全。既要確保數(shù)據(jù)采集連續(xù)不間斷，避免實(shí)時(shí)信息丟失，也要保證數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。為此，系統(tǒng)架構(gòu)采用分層次的結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)采集器／主服務(wù)器（Buffer／Main）結(jié)構(gòu)。各個(gè)煉油分廠生產(chǎn)裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由各個(gè)數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)采集，然后將數(shù)據(jù)在主服務(wù)器上匯總。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和連續(xù)性只需落實(shí)到各個(gè)裝置，即使各煉油分廠主服務(wù)器出現(xiàn)短暫故障或者網(wǎng)絡(luò)斷連，依然不會(huì)丟失數(shù)據(jù)采集信息。由于生產(chǎn)管理系統(tǒng)面向的用戶比較多，涉及從操作工到企業(yè)管理者的若干層次，因而必須為數(shù)據(jù)訪問(wèn)設(shè)定不同的層次。通過(guò)對(duì)用戶角色授權(quán)可以管理各級(jí)用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)的權(quán)限與方式，可以防止企業(yè)機(jī)密生產(chǎn)信息泄漏。AspenTech實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)InforPlus.21提供了確保數(shù)據(jù)訪問(wèn)安全的兩個(gè)保密體系：基于位號(hào)的安全保密體系；基于操作系統(tǒng)的安全保密體系。

2.4 數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)

由于MES直接與生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)，故系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整、安全相當(dāng)重要。為了解決關(guān)鍵業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)安全和應(yīng)用不間斷問(wèn)題，就要對(duì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、可靠、安全和多層次的備份。筆者采用EMC磁盤陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理，便于日后查詢、統(tǒng)計(jì)；也可存儲(chǔ)在線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確保在系統(tǒng)災(zāi)難發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)恢復(fù)信息，避免更大的損失［9－10］。

3 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性高、技術(shù)先進(jìn)、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

a）提高了工作效率，極大方便各級(jí)管理人員了解生產(chǎn)運(yùn)行情況。

b）生產(chǎn)數(shù)據(jù)都進(jìn)入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，能監(jiān)督操作工認(rèn)真負(fù)責(zé)地在崗操作。

c）操作工的操作有科學(xué)量化的考核依據(jù)。

d）為生產(chǎn)管理提供一個(gè)有效的平臺(tái)，使企業(yè)管理效率進(jìn)一步提高，有效改善了企業(yè)形象。

該系統(tǒng)的使用，可為企業(yè)管理提供一個(gè)信息平臺(tái)，使生產(chǎn)更加平穩(wěn)，生產(chǎn)成本進(jìn)一步下降，事故進(jìn)一步減少，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 俞承杭.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 萬(wàn)國(guó)平.網(wǎng)絡(luò)隔離與網(wǎng)閘［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］ 袁德明，喬月圓.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［4］ 李鋒鋼.MES系統(tǒng)在石化企業(yè)的應(yīng)用［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2011（27）：10－13.

［5］ 孫旭.MES對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集［J］.中國(guó)儀器儀表，2011（08）：30－33.

［6］ 趙世萍，王壽書，劉啟明，等.應(yīng)用MES系統(tǒng)提升煉化企業(yè)能源管理效率研究［J］.中國(guó)信息界，2011（07）：25－27.

［7］ 馬宜興.網(wǎng)絡(luò)安全與病毒防范［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2009.

［8］ 王代潮，曾德超，劉巖.信息安全管理平臺(tái)理論與實(shí)踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［9］ 沈鑫剡.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［10］ 張世永.網(wǎng)絡(luò)安全原理與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.