MES 系統(tǒng)實(shí)施建設(shè)與創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用

宋 揚(yáng)，阿福東

（中國石油大慶煉化分公司，黑龍江 大慶 163414）

1 總體實(shí)施背景

1.1 MES 系統(tǒng)應(yīng)用情況

大慶煉化公司MES（Manufacturing Execution System）面向制造企業(yè)執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)于2006 年實(shí)施投用至今，共計(jì)覆蓋生產(chǎn)裝置48 套，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)21 000 余點(diǎn)，可運(yùn)算平穩(wěn)率指標(biāo)1 700 余個(gè)。MES 系統(tǒng)采用BUF－SHADOW（客戶機(jī)－服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)裝置DCS（Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng)）控制站安裝BUF、OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。BUF 服務(wù)器機(jī)采集DCS 數(shù)據(jù)上傳至信息中心SHADOW 端服務(wù)器，數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，發(fā)布網(wǎng)頁供生產(chǎn)及技術(shù)部門查看使用。

1.2 MES 系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)狀及實(shí)施目的

MES 實(shí)施初期購置的BUF／OPC 服務(wù)器、客戶機(jī)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要，設(shè)備老化，故障頻發(fā)。系統(tǒng)軟件與行政辦公系統(tǒng)兼容性差，數(shù)據(jù)采集故障率高，部分模塊用戶體驗(yàn)不佳。通過對MES 1.0 的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，在對系統(tǒng)各模塊需求調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析MES 1.0 的功能差距解決MES2.0 存在的問題。將MES 1.0 原有的14 個(gè)功能整合為9 個(gè)功能模塊，并進(jìn)行功能提升；新增化工生產(chǎn)批次管理、生產(chǎn)績效管理、生產(chǎn)運(yùn)行信息平臺(tái)、計(jì)量管理4 個(gè)功能模塊。

2 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)

2016 年底，通過內(nèi)部項(xiàng)目先期會(huì)議，建立了項(xiàng)目的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案，對新方案的技術(shù)創(chuàng)新性、網(wǎng)絡(luò)安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、用戶體驗(yàn)性等進(jìn)行了充分的論證并征詢了外部專家的意見，確定了MES 2.0 系統(tǒng)在煉化企業(yè)信息化架構(gòu)地位。

2.1 技術(shù)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

通過公司原有HP 服務(wù)器及VMware 系統(tǒng)在MES 1.0 虛擬化服務(wù)器的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，采用虛擬化設(shè)計(jì)，在MES 原有技術(shù)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)了BUF 的虛擬化集成。此項(xiàng)技術(shù)為中石油MES 2.0 整體實(shí)施中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在大幅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)降低了項(xiàng)目整體投資。

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

服務(wù)器均采用Windows Server 2012 R2 系統(tǒng)后性能整體提升20%?？稍谔摂M化技術(shù)的支持下采用VMware 虛擬服務(wù)器方式運(yùn)行，備份機(jī)制更加完善，可通過虛擬快照實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)迅捷恢復(fù)。同時(shí)平臺(tái)配置機(jī)房UPS 電源支撐電力供應(yīng)，降低因BUF 機(jī)分散于各裝置時(shí)因廠區(qū)電力波動(dòng)導(dǎo)致的宕機(jī)概率。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全性設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)在MES 虛擬化平臺(tái)上配置北京力控工業(yè)安全網(wǎng)關(guān)及華為多業(yè)務(wù)以太網(wǎng)防火墻設(shè)備，提高了網(wǎng)絡(luò)安全防范性能。同時(shí)增加微軟補(bǔ)丁分發(fā)服務(wù)器為整個(gè)系統(tǒng)定時(shí)發(fā)布安全漏洞補(bǔ)丁，統(tǒng)一對虛擬BUF 進(jìn)行360 天擎系列企業(yè)級防病毒軟件安裝。

2.4 用戶體驗(yàn)性設(shè)計(jì)

MES 系統(tǒng)采用霍尼韋爾新一代PHD 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件實(shí)現(xiàn)裝置DCS 數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集頻率由過去的120 秒更新至30 秒甚至是5 秒，提高了MES 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)對運(yùn)行管理模塊進(jìn)行程序優(yōu)化提高了平穩(wěn)率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，經(jīng)過對MES 系統(tǒng)用戶調(diào)研，發(fā)現(xiàn)用戶對新系統(tǒng)操作性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率非常滿意。

3 大慶煉化MES 實(shí)施中采用的新技術(shù)

3.1 采用虛擬服務(wù)器硬件升級技術(shù)方案

為了降低采購費(fèi)用及未來的維護(hù)成本，MES 硬件升級項(xiàng)目中采用虛擬化技術(shù)，改變原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用虛擬服務(wù)器代替BUF 機(jī)，通過新增硬件防火墻、安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備保障各裝置MES 接口完全隔離，防止病毒通過MES 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳播，同時(shí)在虛擬化服務(wù)器集中部署殺毒軟件，通過同步更新系統(tǒng)補(bǔ)丁等方式提高M(jìn)ES 系統(tǒng)整體安全性，在信息中心機(jī)房進(jìn)行統(tǒng)一管理。該方案的核心技術(shù)在于VMware 技術(shù)進(jìn)行虛擬交換機(jī)的鏈路創(chuàng)建，以及通過具備三層交換功能的華為防火墻實(shí)現(xiàn)BUF 端口的網(wǎng)絡(luò)隔離，向下配置工業(yè)安全網(wǎng)關(guān)保證BUF／DCS 數(shù)據(jù)交換的安全性，實(shí)現(xiàn)MES 系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)接口安全。

3.2 新技術(shù)的應(yīng)用效果

此前BUF 機(jī)器及OPC 機(jī)器均放置于同一操作臺(tái)，現(xiàn)場操作環(huán)境差。此次實(shí)施的虛擬化方案可以明顯改善現(xiàn)場操作環(huán)境，降低BUF 機(jī)、OPC 服務(wù)器、DCS 操作站的故障率，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

經(jīng)過此次改造，所有BUF 機(jī)均以虛擬化形式放置于信息中心機(jī)房服務(wù)器，便于系統(tǒng)調(diào)整、備份恢復(fù)及時(shí)處理故障，并且由機(jī)房提供穩(wěn)定電源可保障MES 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)每年可減少BUF 機(jī)維修費(fèi)用，在新建MES 項(xiàng)目時(shí)，可減少購置BUF服務(wù)器費(fèi)用。

3.3 實(shí)現(xiàn)PHD 與DCS 畫面1∶1

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，按照DCS 流程圖繪制MES 流程圖并保證完全一致，各裝置提供DCS 流程圖電子版，MES 項(xiàng)目組建立DCS 原圖數(shù)據(jù)庫。在原有MES 流程圖基礎(chǔ)上增加燃?xì)鈩?dòng)力、氫氣、瓦斯、蒸汽等匯總流程圖。繪制裝置總貌圖和公司總貌圖，罐區(qū)系統(tǒng)流程圖。

在MES 項(xiàng)目建設(shè)中，共完成公司、分廠、裝置、罐區(qū)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫流程圖繪制900 余幅，建立位號23 000 余個(gè)。

4 MES 部分應(yīng)用模塊實(shí)施情況

通過MES 項(xiàng)目的實(shí)施，目前大慶煉化MES 系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了項(xiàng)目的預(yù)期效果，具體實(shí)現(xiàn)的主要功能模塊如下。

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

用于存儲(chǔ)和管理實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)以及長期的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)操作進(jìn)行監(jiān)控，為公司生產(chǎn)管理者分析生產(chǎn)條件對事件進(jìn)行快速反應(yīng)和處理提供依據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的使用，可以使管理者及時(shí)的監(jiān)測到生產(chǎn)過程中的異常變化，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)方案或相關(guān)工藝指標(biāo)。使企業(yè)經(jīng)營管理者能夠隨時(shí)掌握生產(chǎn)運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

4.2 平穩(wěn)率計(jì)算和運(yùn)行管理

對生產(chǎn)運(yùn)行整個(gè)過程進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理，包括裝置平穩(wěn)率和工藝臺(tái)賬、操作監(jiān)控、操作指令、班組日志。

4.2.1 平穩(wěn)率計(jì)算

能夠針對裝置在自定義的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行位號超出限定值的數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計(jì)，以百分率形式、圖形化方式顯示裝置在生產(chǎn)過程中的運(yùn)行狀況，便于裝置操作人員與管理層的實(shí)時(shí)管控，用戶可以通過Web 頁面，進(jìn)行相應(yīng)的操作，對裝置的運(yùn)行平穩(wěn)程度進(jìn)行評估與監(jiān)控。

4.2.2 工藝臺(tái)賬

工藝臺(tái)賬模塊可以通過簡單的配置，使用戶在應(yīng)用中方便快捷地生成自己需要的電子操作記錄報(bào)表，以實(shí)現(xiàn)管理層面對不同對象管理的個(gè)人定制，取代過去需要手動(dòng)填寫的紙質(zhì)工藝臺(tái)賬，從而減少查詢歷史報(bào)表時(shí)的時(shí)間。MES 工藝臺(tái)賬模塊采用新的提取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接口和函數(shù)，提取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)速度大幅提高，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整提取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的頻率和需要保留工藝參數(shù)的小數(shù)位數(shù)。

5 MES 實(shí)施效果

增強(qiáng)系統(tǒng)對IT 新技術(shù)的支持，提高系統(tǒng)運(yùn)行的速度及穩(wěn)定性，在新系統(tǒng)架構(gòu)及高性能虛擬化服務(wù)器的支撐下，預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)采集頻率可提高一倍，大容量服務(wù)器可保障生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由過去的1 年增加到5 年。

增加對高版本瀏覽器的支持，新系統(tǒng)瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流程圖不再需要加入域，通過優(yōu)化系統(tǒng)插件的方式增強(qiáng)了與OA、合同管理等系統(tǒng)的兼容性。工業(yè)控制實(shí)時(shí)流程圖界面除溫度流量液位壓力等數(shù)據(jù)外，還可對控制點(diǎn)手動(dòng)、自動(dòng)模式狀態(tài)，閥門開度，操作人員手動(dòng)對控制點(diǎn)的修改、位號異常波動(dòng)的超標(biāo)報(bào)警信息直接在流程圖進(jìn)行顯示，可靈活組態(tài)的系統(tǒng)界面使之更接近DCS 現(xiàn)場畫面。

6 結(jié)論

此次MES 項(xiàng)目達(dá)到了總體目標(biāo)要求，大慶煉化MES 項(xiàng)目組完成900 張1∶1 流程圖的繪制工作，23 000 余個(gè)工業(yè)控制位號的梳理工作。MES 系統(tǒng)在涉及煉油及化工的35 套生產(chǎn)裝置及動(dòng)力儲(chǔ)運(yùn)等13 套輔助裝置得到全面應(yīng)用。

在現(xiàn)場具備DCS 工業(yè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過MES 項(xiàng)目建設(shè)實(shí)現(xiàn)提升工業(yè)自動(dòng)化控制及生產(chǎn)優(yōu)化管理系統(tǒng)功能和架構(gòu)，深化模塊間集成應(yīng)用，優(yōu)化煉化生產(chǎn)及管理業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務(wù)對計(jì)劃、調(diào)度、工藝、執(zhí)行、統(tǒng)計(jì)、分析全過程的閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能對生產(chǎn)、能耗、計(jì)量、質(zhì)量、安環(huán)、設(shè)備等領(lǐng)域的基本覆蓋，基本實(shí)現(xiàn)煉化生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)“班跟蹤、日平衡”，充分發(fā)揮信息化系統(tǒng)在煉油化工企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行管理中的核心作用。增強(qiáng)管理層對生產(chǎn)現(xiàn)場的動(dòng)態(tài)監(jiān)控與生產(chǎn)指揮能力，提高生產(chǎn)運(yùn)行效率和協(xié)同管理水平。