區(qū)塊鏈技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)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(guó)中化集團(tuán)，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(tuán)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(yùn)輸?shù)絺}(cāng)儲(chǔ)，直到銷售的各環(huán)節(jié)建立區(qū)塊，通過(guò)建立電子身份證的方式，解決追溯和信任問(wèn)題；有的方案提出讓石油企業(yè)建立統(tǒng)一的分銷平臺(tái)，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(lái)生產(chǎn)關(guān)系的一個(gè)補(bǔ)充。它創(chuàng)造了一種基礎(chǔ)性質(zhì)的可能，在沒(méi)有中心“大家長(zhǎng)”的系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的用戶能夠扮演好自己的角色，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的目標(biāo)。企業(yè)運(yùn)行中，區(qū)塊鏈技術(shù)并不適應(yīng)企業(yè)的每個(gè)環(huán)節(jié)，特別是在生產(chǎn)方面飽受爭(zhēng)議。因此，在石油化工的生產(chǎn)過(guò)程控制中是否可以運(yùn)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(tuán)信息化工程建設(shè)十分成功。該公司對(duì)化工生產(chǎn)的所有流程和企業(yè)的管理經(jīng)營(yíng)進(jìn)行了全面信息資源規(guī)劃（IRP）：以該集團(tuán)石油化工產(chǎn)品為主，涵蓋供、產(chǎn)、銷3 個(gè)層面，目的是為了研究出化工企業(yè)的核心運(yùn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)各層面的集成。該公司經(jīng)過(guò)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(qiáng)、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(diǎn)。固然海化集團(tuán)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(shí)準(zhǔn)確的流入管理層，會(huì)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?；蛘咭搽y免在生產(chǎn)期間，操作員在生產(chǎn)過(guò)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(jì)量等特點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程與原材料區(qū)塊化控制，按照實(shí)際的生產(chǎn)力劃撥原材料，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原材料的去向，每項(xiàng)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(wèn)以及可溯性，能夠監(jiān)控到操作人員對(duì)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(shí)進(jìn)行事故分析，擴(kuò)大生產(chǎn)安全系數(shù)。

1.3 生產(chǎn)過(guò)程控制與區(qū)塊鏈

該集團(tuán)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(jì)算機(jī)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(jí)、各級(jí)獨(dú)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(jiǎn)單的辦法確保數(shù)據(jù)的完整性；我們通過(guò)分析該集團(tuán)DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀，運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)為其提供技術(shù)解決方案。

以該集團(tuán)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(lái)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(duì)系統(tǒng)的管理都帶來(lái)了諸多困難；同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中可靠性、穩(wěn)定性存在不足，主操作人員操作過(guò)程繁瑣，相互交流困難，給生產(chǎn)帶來(lái)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(duì)控制系統(tǒng)的可靠性、快速性、人機(jī)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(shí)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(chǎng)總線層：PROFIBUS DP 與PA，是聯(lián)絡(luò)控制站(AS)與各操作現(xiàn)場(chǎng)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(jí)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(jí)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(diǎn)。①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、邏輯性強(qiáng)、功能強(qiáng)大。基于WinCC 的操作員站是一個(gè)強(qiáng)大的全面開(kāi)放的監(jiān)控系統(tǒng)，不但能用于簡(jiǎn)單過(guò)程監(jiān)控，還能用來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的過(guò)程監(jiān)控。②數(shù)據(jù)的完整性。冗余度選件能使2 個(gè)冗眾的WinCC 站同時(shí)運(yùn)行，以保證連續(xù)的過(guò)程和操作員控制。若兩站其一出現(xiàn)故障，另一個(gè)則會(huì)自動(dòng)頂替，完成數(shù)據(jù)傳輸與過(guò)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(guò)程值檔案和報(bào)文部復(fù)制到現(xiàn)在恢復(fù)運(yùn)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(qiáng)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(shí)，所有的工程師都能在系統(tǒng)窗口上跟蹤過(guò)程活動(dòng)或者參與生產(chǎn)控制，同時(shí)得到報(bào)警和操作員的提示。

（3）PSC7 系統(tǒng)存在的不足。該集團(tuán)純堿廠PCS7系統(tǒng)在投入運(yùn)用近15 年來(lái)，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(dòng)化的發(fā)展，也不斷顯露出一些問(wèn)題，主要如下：①由于各種網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的交叉使用，很可能導(dǎo)致PCS7 的交流網(wǎng)絡(luò)過(guò)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(shí)，有可能造成其8 個(gè)輸入通道數(shù)據(jù)同時(shí)偏高各自量程的30%左右，從而導(dǎo)致生產(chǎn)波動(dòng)。③控制層和系統(tǒng)操作層在同一層網(wǎng)絡(luò)，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)故障的擴(kuò)大化。如當(dāng)交換機(jī)上某個(gè)光口故障時(shí)，會(huì)造成通訊阻塞，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)機(jī)柜間的所有設(shè)備通訊不暢。④由于全廠DCS 是一個(gè)以太網(wǎng)，系統(tǒng)一旦遭到病毒侵人，可能威脅整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)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(jī)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(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)安全上依然存在很大問(wèn)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(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法可歸結(jié)為區(qū)塊鏈的4 個(gè)主要特點(diǎn)。在PCS7 操作系統(tǒng)中，數(shù)機(jī)柜間有兩對(duì)控制層交換機(jī)，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(yùn)用到區(qū)塊鏈技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)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(lái)篡改下級(jí)工作站網(wǎng)絡(luò)送到中控室的數(shù)據(jù)，其意義在于無(wú)法刪除或修改已存儲(chǔ)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(wèn)以及可溯性，能夠完整的監(jiān)控到操作人員是否對(duì)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(shí)，可以進(jìn)行事故分析。

2 結(jié)語(yǔ)

該集團(tuán)的生產(chǎn)在從理論上來(lái)說(shuō)，具有進(jìn)行區(qū)塊鏈建設(shè)的可能性，然而該集團(tuán)是一個(gè)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(jià)值點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用，可以突破限制，優(yōu)化企業(yè)集團(tuán)的信息化程度。不過(guò)現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術(shù)建設(shè)僅限于概念上。該集團(tuán)當(dāng)前的信息化程度較高，新技術(shù)建設(shè)需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力?；诩瘓F(tuán)中長(zhǎng)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(yíng)運(yùn)作模式，并非是促進(jìn)企業(yè)壯大的妙計(jì)良策。