智能工廠管理系統(tǒng)的研究與應用

李志鋒

（鶴壁煤電股份有限公司化工分公司 儀表公司，河南 鶴壁 458000）

近些年來，工廠信息管理系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出智能化的趨勢，逐漸成為企業(yè)先進的管理模式，超越了生產(chǎn)控制系統(tǒng)，出現(xiàn)在國內(nèi)外大型化工行業(yè)、煉油行業(yè)、電力行業(yè)、冶金等行業(yè)中。其信息集成、生產(chǎn)調(diào)度、優(yōu)化管理的功能在大型企業(yè)的管理中至關重要。

1 系統(tǒng)介紹

本廠信息管理系統(tǒng)基于OPC（OLE for Process Control）和浙江中控PIMS 平臺進行開發(fā)，采用浙江中控實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，利用B/S 相結(jié)合的模式。B/S 應用模式是生產(chǎn)信息管理應用的主流模式：Web 瀏覽端支持獲取實時工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)、實時工藝生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、過程及系統(tǒng)報警記錄等數(shù)據(jù)、長周期歷史趨勢數(shù)據(jù)、操作員操作日志數(shù)據(jù)、關系型數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)；畫面監(jiān)控、報表功能與本地監(jiān)控軟件一致。客戶端通過設置瀏覽器參數(shù)，即可登錄系統(tǒng)瀏覽數(shù)據(jù)。

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過OPC 方式把DCS、ESD、PLC、ITCC 等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集到實時數(shù)據(jù)庫中，再同步到鏡像數(shù)據(jù)庫中。PIMS 實時庫系統(tǒng)，支持發(fā)布數(shù)據(jù)至集團信息系統(tǒng)平臺。實時集成生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、設備管理數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)和安全管理數(shù)據(jù)，通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集、再處理，對流程圖、趨勢、報表等載體的發(fā)布、更新，實現(xiàn)生產(chǎn)信息與管理層的對接，為管理者提供一個對生產(chǎn)進行全面掌控、實時分析、優(yōu)化決策的平臺。

鶴壁煤化工項目產(chǎn)品種類多、工藝流程長、設備種類多、控制系統(tǒng)復雜，給生產(chǎn)管理和信息調(diào)度造成巨大壓力。信息管理系統(tǒng)的開發(fā)正是為了幫助管理者及時、直觀地了解生產(chǎn)現(xiàn)場的運行情況，解決多個控制系統(tǒng)各自獨立、無法進行綜合分析，無法統(tǒng)一規(guī)劃全廠資源等一系列問題。

圖1 鶴壁煤化工PIMS系統(tǒng)改造項目拓撲圖Fig.1 Topological map of the Hebi Coal Chemical PIMS System renovation project

2 主要功能

1）實時數(shù)據(jù)采集。

2）流程圖、趨勢圖的遠程訪問（電腦端、手機APP）。

3）報警、事件記錄的管理與分析。

4）報表傳送。

5）生產(chǎn)統(tǒng)計（班組效益考評、裝置生產(chǎn)統(tǒng)計、能耗統(tǒng)計分析、效益統(tǒng)計、產(chǎn)品成本統(tǒng)計分析）。

6）報警短信推送。

7）實時視頻監(jiān)控。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)防護層、數(shù)據(jù)發(fā)布層構(gòu)成。

PIMS 采集器中聚集了OPC Server，這些能夠?qū)椖康慕M態(tài)、數(shù)據(jù)集成、趨勢、流程圖、報警、事件記錄和報表等進行管理。

OPC Client 端包括：氣化裝置DCS、甲醇裝置DCS、空分裝置DCS、動力站DCS、脫硫DCS、ESD/ITCC 系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)的PLC、煤貯運的PLC 以及其它PLC 系統(tǒng)，用于為各控制系統(tǒng)提供OPC 接口，以采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

PIMS Client 包 括10 個PC Client 和 多 個WEB Client，用于遠程客戶進行流程圖訪問、數(shù)據(jù)獲取等。

圖1 是本廠PIMS 系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡拓撲圖。

4 關鍵技術及應用

項目從最初的總體設計規(guī)劃，到網(wǎng)絡鋪設、硬件安裝、數(shù)據(jù)建立、信息發(fā)布和系統(tǒng)配置等方面投入了大量人力物力，經(jīng)過一年多的發(fā)展，解決了許多技術難題?，F(xiàn)將項目實施主要技術難點和實施過程介紹如下：

4.1 OPC接口開發(fā)

OPC 接口用于信息管理系統(tǒng)與各裝置DCS、ESD、ITCC、PLC 控制系統(tǒng)的通訊連接，本廠使用的控制系統(tǒng)種類繁雜，并且每個控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊標準是不一樣的，所以需要各個廠商的幫助，對OPC 的授權(quán)情況有一個了解；另外，依據(jù)系統(tǒng)相應組態(tài)不同的系統(tǒng)協(xié)議和地址，根據(jù)通訊協(xié)議組態(tài)不同的數(shù)據(jù)采集格式，經(jīng)過多次摸索，逐一完成各OPC 接口Client 端的開發(fā)。

Server 端是以浙大中控提供的Vx 列軟件包為基礎，其中包括VxCollection、VxHistory 等，主要是對軟件進行正確的安裝配置，然后根據(jù)不同的Client 端定義相應的網(wǎng)關，以實現(xiàn)VxCollection 平臺與Honeywell PKS 系統(tǒng)、Foxboro IA系統(tǒng)、橫河CS3000 系統(tǒng)、西門子STEP7 系統(tǒng)、WinCC 系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)交互。

4.2 計算機應用管理

該系統(tǒng)需配置多臺服務器和數(shù)十臺計算機客戶端，并安裝多種應用軟件，為保證系統(tǒng)網(wǎng)絡的安全性、完整性，大大地提高了信息管理系統(tǒng)的兼容性，使之適用于Windows Server、Windows7，并且計算機的軟件和硬件也經(jīng)過了一系列的改造，主要包括：加裝專用網(wǎng)卡、重新DCOM配置、系統(tǒng)安全性配置、用戶組/賬戶對等、用戶權(quán)限配置、各計算機網(wǎng)絡規(guī)劃等。

4.3 PIMS Server組態(tài)

PIMS Server 組態(tài)的主要內(nèi)容是數(shù)據(jù)采集、歸檔和動態(tài)畫面。組態(tài)的前提是各OPC 接口開發(fā)完成，打通與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道，然后根據(jù)將要采集數(shù)據(jù)的功能和類型建立多樣化的Block 功能塊。

OPC 就是OLE for Process Control，這是它的全稱。它能夠有效地控制Windows 的應用程序和現(xiàn)場過程。在它沒有出現(xiàn)之前，應用軟件的開發(fā)商都具有專門的接口函數(shù)對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)信息進行存取和儲存。但是現(xiàn)場設備的種類比較復雜，產(chǎn)品不斷得到升級和改造，大大加重了用戶和軟件開發(fā)商的工作負擔，并且工作中的現(xiàn)實需要也不能夠得到滿足，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商需要一種高效性、開放性、可靠性為一體的設備驅(qū)動程序。在這樣的現(xiàn)實背景下，OPC 標準開始出現(xiàn)。它在微軟公司的OLE 技術的基礎上，通過一系列的標準的OLE/COM 接口，利用OLE2 技術，實現(xiàn)了多臺微機之間文檔和圖形的交換[1]。

鶴壁煤化工項目包括煤儲運、水廠、動力站、空分、氣化、甲醇、BDO、丁二酸酐、聚四氫呋喃等裝置，各類控制點30000 個，控制系統(tǒng)流程的畫面大約有900 張。TAG 組態(tài)需要一個一個地導入選出來的30000 多個重要的控制點，并采集相關的網(wǎng)關和Block 塊的數(shù)據(jù)；采集完的數(shù)據(jù)要按照一定的單元規(guī)劃進行歸檔，以便后面對它進行管理和開發(fā)；運用相關的數(shù)據(jù)管理軟件，例如SQL Server2008或者項目配置SQL 服務器，對數(shù)據(jù)進行自動地備份。

同時，收集了管理層和各生產(chǎn)分廠的建議，充分考慮用戶端的需求和喜好，將控制系統(tǒng)畫面進行整合，重新編制成信息管理系統(tǒng)，使得畫面簡潔、流程準確、數(shù)據(jù)明了。在此基礎上，又將控制系統(tǒng)事件報警匯總到信息管理系統(tǒng)中，并建立趨勢組和報表，記錄重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)歷史，用戶可以在遠程實時監(jiān)控現(xiàn)場異常狀況，也可以結(jié)合趨勢進行最快速的事故分析和決策。

4.4 信息系統(tǒng)發(fā)布

本廠客戶端有PC Client 和WEB Client 之分，PC Client運用信息管理系統(tǒng)可以直接對系統(tǒng)的服務器進行訪問，但是WEB Client 訪問WEB 的服務器則是利用遠程網(wǎng)絡，以網(wǎng)頁的形式進行的，這兩個客服端在信息的獲取和響應的時間速度上大概是一致的。

WEB Client 是信息系統(tǒng)發(fā)布的主要對象，前期組態(tài)好的系統(tǒng)畫面要轉(zhuǎn)換成HTML 網(wǎng)頁的格式，然后同時發(fā)布在WEB 的服務器上。用戶還可以利用TS 服務器得到一個實時的信息。

4.5 三層網(wǎng)絡交換結(jié)構(gòu)

為了確保各個信息管理網(wǎng)之間的分工和權(quán)限的明確，保證通訊的穩(wěn)定和安全，項目通過組合思科三層交換機和二層交換機對系統(tǒng)進行互聯(lián)，然后運用三層交換技術分離生產(chǎn)控制系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)客戶端。同時進行配置交換機，把VxCollection 服務器和WEB 服務器連接到客戶網(wǎng)，使服務器能夠任意訪問、全局管理[2]。

4.6 網(wǎng)閘

與這個項目有關的計算機的范圍比較大，并且由于每個子系統(tǒng)都直接連接到底層控制系統(tǒng)，使其潛在著安全問題，木馬病毒的風險較高，所以引入了單向網(wǎng)閘隔離兩者。網(wǎng)閘利用了2+1 結(jié)構(gòu)設計和雙主機系統(tǒng)+硬件隔離控制器。運用了能夠?qū)ｉT處理數(shù)據(jù)的芯片，硬件隔離控制器和INTEL 指令集；能夠單向控制和有效分隔中間的硬件控制器，使兩者之間的隔離強度越來越靠近物理隔離，大大提高安全性。把安全、固化的操作系統(tǒng)，運用wont 嵌入式LINUX 系統(tǒng)內(nèi)核，使內(nèi)、外網(wǎng)關的所有網(wǎng)絡功能都取消。剪掉內(nèi)外網(wǎng)關TCP/IP 的協(xié)議棧，內(nèi)外網(wǎng)關之間簽訂私有的通訊協(xié)議。應用層數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)單向的傳輸，TCP 應答包杜絕帶有應用層數(shù)據(jù)[3]。

4.7 防火墻

項目運用的是華為的防火墻，各個服務器之間的通訊都必須經(jīng)過這個防火墻的嚴格控制和篩選，獲取到防火墻端口的權(quán)限和行為，提高各個服務器之間傳輸信息的安全性，只允許這兩條數(shù)據(jù)通道之間網(wǎng)絡連接，使DoS，IP Spoofing 免受網(wǎng)絡攻擊，大大地提高了系統(tǒng)之間的安全性[4]。

當前，本廠信息管理系統(tǒng)已投入使用過程中，具備遠程畫面訪問、視頻監(jiān)控、報警監(jiān)控、報警短信推送、手機APP 等功能，完全實現(xiàn)了最初規(guī)劃的功能。

5 項目效益

智能工廠信息管理系統(tǒng)建立了一個能夠使企業(yè)在網(wǎng)絡環(huán)境下進行數(shù)據(jù)采集和管理的平臺，這個系統(tǒng)可以對全廠上下進行生產(chǎn)信息的管理和查詢，使生產(chǎn)調(diào)度管理更加優(yōu)化，加強了與各個分廠之間生產(chǎn)的聯(lián)系。這樣一來，管理層就可以更好地管理各個配置的生產(chǎn)情況，合理調(diào)配生產(chǎn)過程中的供給和需求問題，更好地執(zhí)行企業(yè)的生產(chǎn)計劃、資源調(diào)度和預測決策[5]。

這個系統(tǒng)使生產(chǎn)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)二次開發(fā)功能得到實現(xiàn)，對生產(chǎn)過程中的情況進行實時地分析，并對各個生產(chǎn)指標進行分析和處理，為企業(yè)管理層有效提高優(yōu)化生產(chǎn)過程提供簡潔有效的路徑，同時在生產(chǎn)管理優(yōu)化的過程中加大了技術的投入，大大增加了經(jīng)濟效益。

本項目使得管理和控制逐漸一體化，使辦公網(wǎng)絡和生產(chǎn)網(wǎng)絡之間能夠傳遞信息，進行交流，使生產(chǎn)管理效率有了較為明顯的提高，為此可以廣泛推廣應用，創(chuàng)造更多的生產(chǎn)經(jīng)營效益。