一、項(xiàng)目背景

    當(dāng)今的企業(yè)面臨著日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)，客戶的需求則變得更加苛刻。面對(duì)更嚴(yán)格的質(zhì)量、更短的交貨期、更多的品種、更為頻繁的訂單調(diào)整，企業(yè)實(shí)施了ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)，并加強(qiáng)了PCS(過(guò)程控制系統(tǒng))。但是ERP無(wú)法獲取現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況，同樣PCS無(wú)法直接從ERP得到生產(chǎn)計(jì)劃從而也無(wú)法進(jìn)行生產(chǎn)，所以在ERP和PCS之間形成了信息斷層。為了應(yīng)對(duì)這種情況，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)產(chǎn)生了。MES在計(jì)劃管理層與底層控制之間架起了一座橋梁，填補(bǔ)了兩者之間的空隙。

    石化行業(yè)作為一個(gè)基礎(chǔ)行業(yè)，包括石油煉制、石油化工、倉(cāng)儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)等生產(chǎn)領(lǐng)域。在石油化工行業(yè)DCS、PLC系統(tǒng)已成為石化企業(yè)的主要控制手段；同時(shí)大多數(shù)石化企業(yè)已經(jīng)在信息化方面特別是ERP上進(jìn)行了大量的投入，所以大多數(shù)企業(yè)有完備的ERP和PCS。這樣的狀況非常有利于MES的實(shí)施，而流程調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)作為MES的子系統(tǒng)，如果能在石化行業(yè)中得到應(yīng)用，將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

二、MES概述

    隨著企業(yè)在不斷采用集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)以及先進(jìn)控制等手段，努力提高程控系統(tǒng)(PCS)自動(dòng)化水平，企業(yè)的管理決策層在實(shí)施ERP系統(tǒng)的同時(shí)，出現(xiàn)了(1)孤島效應(yīng)：各個(gè)PCS之間生產(chǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法共享，之間的工作無(wú)法協(xié)作；(2)斷層效應(yīng)：ERP與PCS之間無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，生產(chǎn)單元間的資源調(diào)配、計(jì)劃執(zhí)行以及生產(chǎn)監(jiān)督等，車間的管理很大程度上是依賴于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了企業(yè)綜合自動(dòng)化的發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題，美國(guó)先進(jìn)制造研究所(Advanced Manufacturing Research，AMR)于1990年提出了生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System， MES)的概念，并于1992年提出了三層的企業(yè)集成模型(如圖1)。MES強(qiáng)調(diào)：(1)MES的優(yōu)化目標(biāo)是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程；(2)MES需要收集生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并對(duì)實(shí)時(shí)事件進(jìn)行及時(shí)處理；(3)MES同時(shí)與MRPⅡERP系統(tǒng)級(jí)計(jì)劃層和車間中制造設(shè)備控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。

圖1 三層的企業(yè)結(jié)構(gòu)圖

三、業(yè)務(wù)狀況分析

    作為國(guó)家大型庫(kù)區(qū)，其中：庫(kù)存容量超過(guò)500萬(wàn)立方；多條長(zhǎng)輸管線。罐區(qū)內(nèi)具有了較高的自動(dòng)化控制水平，以及較為先進(jìn)的信息化管理模式。

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    MES由SCADA系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)模塊、計(jì)量模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊等主要模塊組成(如圖2)。這些模塊涵蓋罐區(qū)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用，滿足了罐區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)的流程應(yīng)用。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    1．SCADA系統(tǒng)

    SCADA是監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集的簡(jiǎn)稱，作為一種人機(jī)接口被廣泛運(yùn)用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。

    作為唯一通過(guò)控制系統(tǒng)的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操控的手段，SCADA系統(tǒng)的作用是非常重要的。在罐區(qū)控制系統(tǒng)中它不僅提供了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控、報(bào)警、參數(shù)調(diào)節(jié)等功能，還具有歷史紀(jì)錄、參數(shù)趨勢(shì)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的能力，同時(shí)還可以通過(guò)ODBC對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作。

    SCADA系統(tǒng)作為操作流程的重要組成部分，操作人員80％以上的工作都是圍繞著SCADA系統(tǒng)來(lái)完成的。

    2．統(tǒng)計(jì)模塊

    統(tǒng)計(jì)模塊是流程調(diào)度執(zhí)行的終點(diǎn)，模塊根據(jù)調(diào)度信息和生產(chǎn)執(zhí)行信息，進(jìn)行自動(dòng)的生產(chǎn)記錄、跟蹤和分析。統(tǒng)計(jì)人員則通過(guò)對(duì)這些值的判斷、比較和選擇，運(yùn)用油罐計(jì)量模塊對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行總結(jié)，并生成相關(guān)的報(bào)表。對(duì)于流程調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)來(lái)說(shuō)主要有兩個(gè)功能：

    (1)提供一個(gè)油罐計(jì)量的工具；

    (2)給統(tǒng)計(jì)人員提供收付報(bào)表和庫(kù)存報(bào)表。

    3．計(jì)量模塊

    油罐計(jì)量是罐區(qū)操作和管理流程中重要的一環(huán)，油罐計(jì)量涉及到與貨主的交接計(jì)量，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)核算等方面。但是，在原有系統(tǒng)內(nèi)還在使用手工計(jì)量或者單機(jī)計(jì)量的原始方式，這些方式不僅容易出現(xiàn)計(jì)算誤差，還非常難于維護(hù)。另一方面，在庫(kù)區(qū)內(nèi)，油品的吞吐量非常大，對(duì)于油罐的計(jì)量來(lái)說(shuō)可以獲得的生產(chǎn)數(shù)據(jù)又非常的有限，這就造成了在計(jì)量環(huán)節(jié)上出現(xiàn)微小的失誤，對(duì)于結(jié)果誤差將會(huì)被極度放大，為此在系統(tǒng)內(nèi)開發(fā)了一套計(jì)量模塊。

    對(duì)于系統(tǒng)油罐計(jì)量關(guān)系到流程執(zhí)行的準(zhǔn)確性。其中有一個(gè)很重要的參數(shù)是收付量，這個(gè)參數(shù)在正常流程中決定了作業(yè)的唯一結(jié)束條件，而收付量這個(gè)參數(shù)有兩個(gè)手段產(chǎn)生：(1)油罐計(jì)量，(2)流量計(jì)計(jì)量。流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)可以從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換模塊中直接獲取，但是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)流程要求，每一次生產(chǎn)流程都必須使用兩種計(jì)量手段實(shí)施計(jì)量。油罐計(jì)量有一個(gè)很突出的特點(diǎn)：可預(yù)測(cè)性，油罐在收付產(chǎn)品之前就可以預(yù)測(cè)這次作業(yè)完成后的狀態(tài)。因?yàn)橛羞@個(gè)特性，流程調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)就可以在流程作業(yè)開始之前就確定好流程的結(jié)束條件，而流量計(jì)計(jì)量必須實(shí)時(shí)根據(jù)流量計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否結(jié)束流程，所以油罐計(jì)量的準(zhǔn)確、方便與否和流程調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)的關(guān)系密切。油罐計(jì)量的計(jì)算方法符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，誤差小于0.1％ 。

    4、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊

    在庫(kù)區(qū)控制系統(tǒng)種類繁多，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間幾乎沒(méi)有任何聯(lián)系，而且這些控制系統(tǒng)使用不同的傳輸協(xié)議在操作站和控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在這種情況下，控制層和執(zhí)行層的數(shù)據(jù)無(wú)縫交換是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中，并向執(zhí)行層和管理層發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，那么只有分別對(duì)每一個(gè)控制系統(tǒng)編程進(jìn)行一對(duì)一的數(shù)據(jù)交換。

    OPC是基于OLE/COM/DCOM技術(shù)的，它采用客戶/服務(wù)器模式，把開發(fā)訪問(wèn)接口的任務(wù)放在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的生產(chǎn)廠家，以O(shè)PC服務(wù)器的形式提供給用戶即OPC客戶端。OPC服務(wù)器收集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的OPC界面提供給OPC客戶端使用。

    在流程調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)中，OPC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互模塊的主要組成部分，他不僅向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還將流程調(diào)度模塊所發(fā)出的設(shè)備執(zhí)行指令下發(fā)給PLC系統(tǒng)。總而言之，OPC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)是一個(gè)透明雙行的數(shù)據(jù)信道，是執(zhí)行層與控制層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的唯一手段。

    在流程調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)中使用了B&R PLC系統(tǒng)，他提供了名為PVI OPC的OPC服務(wù)器軟件，這個(gè)軟件提供了一套完整的獲取PLC數(shù)據(jù)的方法，在與PLC通訊的過(guò)程中需要進(jìn)行系統(tǒng)端口、IP地址、通訊模式、所需數(shù)據(jù)等等方面的設(shè)置，便可獲得PLC中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)。

    系統(tǒng)中為了保證算法可以得到準(zhǔn)確的路徑結(jié)果，ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)同PLC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)同步非常重要。在它們之間的數(shù)據(jù)交換都是低實(shí)時(shí)性的(秒級(jí))，所以在整個(gè)過(guò)程中可以使用第三方的OPC控件編寫的程序進(jìn)行ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)同PLC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

    (1)指令數(shù)據(jù)流：Oracle直接調(diào)用DLL庫(kù)同步PLC數(shù)據(jù)。

    (2)狀態(tài)數(shù)據(jù)流：在系統(tǒng)中運(yùn)行一個(gè)讀取PLC數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，進(jìn)行實(shí)時(shí)的讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，直接向數(shù)據(jù)庫(kù)中同步。

五、結(jié)束語(yǔ)

    隨著石化行業(yè)管控水平的日益提高，MES系統(tǒng)必將在日常工作中得到更加深入的應(yīng)用。

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本文標(biāo)題：MES系統(tǒng)在罐區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)中的應(yīng)用

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