生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)在精細化工行業(yè)的應用

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計的數(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，通過運用OPC、組態(tài)、數(shù)據(jù)庫技術，為生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)提供了實時、準確的數(shù)據(jù)基礎，并在MES中搭建了生產(chǎn)管理、業(yè)務流程管理、能耗管理、人員管理、安全管理等板塊，促進了信息系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)在精細化工行業(yè)的結合與發(fā)展。

關鍵詞：生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)；精細化工行業(yè)；數(shù)據(jù)采集；OPC；實時數(shù)據(jù)庫；MES 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ423 文章編號：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年來工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，生產(chǎn)現(xiàn)場控制、檢測設備的種類日漸繁多，不同產(chǎn)品甚至于同品牌的不同型號間通信協(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技術的誕生，實現(xiàn)了用戶和供應商開發(fā)的分工，形成了一種自動化領域通信協(xié)議的新標準，大大改進了數(shù)據(jù)采集技術。MES是建立在數(shù)據(jù)的基礎上的，通過生產(chǎn)、管理上的邏輯關系，運用數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)智能分析、業(yè)務管理等內(nèi)容。在自主設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，我們實現(xiàn)了對DCS、PLC及Modbus、4～20mA等多種協(xié)議數(shù)據(jù)型式的采集，通過應用普遍、傳輸距離更具優(yōu)勢的網(wǎng)線和光纜把京博農(nóng)化5個生產(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)場一次表的數(shù)據(jù)采集。將一次表模擬量輸出連接信號轉(zhuǎn)換卡，現(xiàn)場儀表（流量計、報警器、電表等未接入DCS/PLC的儀表）輸出的4～20mA信號轉(zhuǎn)換為TCP協(xié)議信號，通過網(wǎng)線接入生產(chǎn)信息局域網(wǎng)（10.2.10.1網(wǎng)段）。建議在機房建立數(shù)據(jù)匯集點中心交換機，以便于發(fā)生問題時查找故障。若信號傳輸距離在150米以上，需增加光纖收發(fā)器。這一步實現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場各類儀表的數(shù)據(jù)上傳，通過對轉(zhuǎn)換卡的IP分配（對信號轉(zhuǎn)換卡做MAC地址綁定IP）情況，可以對各儀表信息進行區(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)化四車間流量計數(shù)據(jù)上傳

從圖1中我們可以看出，生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)搅薖C機上，軟件讀取到的是一次表上輸出的毫安值。通過組態(tài)軟件對量程的設定，我們便能計算出與生產(chǎn)現(xiàn)場一致的數(shù)值，這一步會在下文詳細介紹。

1.1.2 自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。DCS、PLC等自控系統(tǒng)通過其監(jiān)控軟件的OPC服務器，可以將組態(tài)中位號及其量程等信息傳輸至OPC客戶端。在OPC Client中連接服務器，添加位號后能夠獲取控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括數(shù)值、采集時間、數(shù)據(jù)質(zhì)量等。不論何種品牌、型號，只要支持OPC協(xié)議即可完成數(shù)據(jù)的采集，將實時、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)上傳至生產(chǎn)信息網(wǎng)。如果在使用OPC的過程中，遇到OPC軟件運行2小時后自動退出或者OPC只能采集有限個數(shù)據(jù)點，說明所使用的OPC尚未注冊，建議咨詢控制系統(tǒng)供應商。不建議使用破解版或舊版本的OPC軟件，會造成軟件假死或數(shù)據(jù)上傳意外終止，造成數(shù)據(jù)丟失。運用OPC技術數(shù)據(jù)傳輸速度快、穩(wěn)定性高、結構簡單，節(jié)省了為軟件編寫驅(qū)動的復雜步驟，OPC在自動化領域的應用成為業(yè)界的新型標準。

1.2 組態(tài)系統(tǒng)

運用組態(tài)軟件對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)貯。

1.2.1 模擬量計算。將一臺安裝組態(tài)軟件（如組態(tài)王、WinCC等）的PC機連接生產(chǎn)信息局域網(wǎng)，在組態(tài)軟件中通過設置串口、添加采集卡配置、維護變量、引用變量等步驟后，把信號轉(zhuǎn)換卡采集的一次表數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。模擬量的4～20mA范圍對應變量設置的量程（即一次表量程）得到實時數(shù)據(jù)。可以把數(shù)據(jù)引用到組態(tài)軟件的監(jiān)視畫面上，在配置完成后切換到運行狀態(tài)查看實時數(shù)據(jù)進行測試。經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)，不同生產(chǎn)廠區(qū)通過光纖、網(wǎng)線遠傳來的數(shù)據(jù)延遲在<1s的范圍內(nèi)。

1.2.2 數(shù)據(jù)儲存與監(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，通過數(shù)據(jù)采集、配置實時數(shù)據(jù)庫，將一次表、各種自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送至實時數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)匯集點作為實時數(shù)據(jù)庫的服務器，主要做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至MES服務器、存儲數(shù)據(jù)、用戶管理用。

在實時數(shù)據(jù)庫中需要對數(shù)據(jù)標簽進行維護，包括位號、描述、單位、數(shù)據(jù)類型、量程、報警范圍等。維護后，實時數(shù)據(jù)庫中位號標簽便有了對應的描述。通過對各采集站的IP分配情況，可以對裝置進行區(qū)分。在實時數(shù)據(jù)庫中能夠以裝置為單位，看到該裝置中各數(shù)據(jù)標簽、數(shù)值和曲線圖。在實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)中，可以繪制動態(tài)的工藝流程圖，如實時體現(xiàn)物料移動情況的管線、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)閥等便可用管線上的流速來表示。

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)間的信息孤島問題?！八陨a(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)模式下管理層無法獲取生產(chǎn)實時狀況，只能從定期的報表中獲知生產(chǎn)任務完成情況，無法及時發(fā)現(xiàn)問題。而生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)使用實時準確的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，能夠及時反映生產(chǎn)故障，優(yōu)化了生產(chǎn)活動，對生產(chǎn)活動進行指導，減少無附加值行為，提高工廠運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)務過程管理）是以流程為中心的方法，將流程、管理方法和信息技術相結合，以促成高效、透明的業(yè)務流程。本系統(tǒng)中通過BPM系統(tǒng)搭建MES主體架構，在其基礎上加入了投入、產(chǎn)出分析和生產(chǎn)監(jiān)控模塊。MES要在服務器上對數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)布，需要安裝BPM、Visual Studio、關系數(shù)據(jù)庫，如SQL Server等搭建服務器系統(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)務流程、人員管理、生產(chǎn)監(jiān)控、工藝質(zhì)量管理、報表等內(nèi)容，所以要在數(shù)據(jù)庫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，包括各個部門和車間，然后在相應部門下建立員工賬號并錄入成員信息。建立MES數(shù)據(jù)庫，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)務表、各類報表及一系列標準等。在安裝目錄下可以看到有系統(tǒng)配置文件，接下來在系統(tǒng)配置文件中可以用匯編語言添加各功能模塊、建立MES目錄樹。BPM功能強大且操作簡單，通過拖拽式便可制作業(yè)務流程和各類表單。

通過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)：

在目錄樹下新建生產(chǎn)監(jiān)控配置文件，加入實時數(shù)據(jù)庫各監(jiān)視界面的鏈接，鏈接對應實時數(shù)據(jù)庫服務器IP地址和監(jiān)視頁面目錄。在MES生產(chǎn)監(jiān)控模塊下調(diào)用實時數(shù)據(jù)庫插件便能查看工藝流程圖，效果與客戶端登錄方式相同。在制作業(yè)務流程時，需在BPM平臺下拖拽式新建業(yè)務流程，然后制作、引用報表，并在報表中使用SQL語句引用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)即可。

圖2 京博農(nóng)化MES系統(tǒng)登陸頁面 圖3 報表樣式

在京博農(nóng)化調(diào)度中心我們安裝了一臺連接生產(chǎn)信息局域網(wǎng)的PC機，實現(xiàn)了與安防監(jiān)控系統(tǒng)大屏幕的結合。在此計算機上，我們能夠查看各車間流量計、報警器、工藝流程圖和處理MES任務。

圖4 調(diào)度中心MES展示圖

3 結語

在該MES系統(tǒng)中，登錄人員可以從任務管理中查看當前需處理的表單及流程，并在當前處理人提交后自動發(fā)往下一流程節(jié)點。同時生產(chǎn)管理部門與領導可進入生產(chǎn)監(jiān)控頁面查看生產(chǎn)情況，從動態(tài)流程圖中能一目了然的看出正在運行的設備、各項工藝指標及其趨勢，有效指導了生產(chǎn)。本文中講述了從生產(chǎn)現(xiàn)場一次表數(shù)據(jù)采集、組態(tài)操作、到數(shù)據(jù)上傳、服務器搭建、MES配置等每一步進展，然而目前的系統(tǒng)也尚有待完善之處。如我們正在開發(fā)的物料平衡、資金占用管理等模塊，這就需要MES從財務系統(tǒng)的服務器讀取數(shù)據(jù)并引用，使得資金、物料、倉儲等業(yè)務更貼近生產(chǎn)。

有業(yè)內(nèi)專家指出：“未來的十年，不再是ERP的十年，而是MES的十年?！?MES的數(shù)據(jù)基礎依賴于OPC功能，將來基于強大OPC UA功能的MES系統(tǒng)將能夠根據(jù)制造環(huán)境的變化進行智能預測、智能調(diào)度、智能診斷和智能決策，實現(xiàn)人機制造一體化的制造過程優(yōu)化。農(nóng)化生產(chǎn)將在一個精確的管控指標——實時信息閉環(huán)下運行，管理也更將精細化，同時，MES對管理系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、財務的有效結合也必將大力促進物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，實現(xiàn)人與人的無縫聯(lián)系和溝通。

參考文獻

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[3] 高文彬.提高MES系統(tǒng)在煙草加工企業(yè)中的應用水平[J].輕工科技，2014，（12）.

作者簡介：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)。

（責任編輯：陳 倩）endprint