MES對過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

1、MES對過程控制系統(tǒng)（PCS ）的數(shù)據(jù)采集i引言隨著計算機信息技術(shù)的高速發(fā)展、軟件應(yīng)用技術(shù)的不斷普及、企業(yè)信息化 建設(shè)經(jīng)驗的不斷積累和計算機信息管理系統(tǒng)應(yīng)用水平的提高，使企業(yè)深刻地認(rèn)識 到走信息集成化道路的重要性。實施信息集成化技術(shù)，已成為企業(yè)信息化建設(shè)發(fā) 展的一種必然選擇。在流程制造行業(yè)的企業(yè)信息化建設(shè)中，位于底層車間進(jìn)行生 產(chǎn)控制的是以先進(jìn)控制、操作優(yōu)化為代表的過程控制系統(tǒng)（PCS），PCS強調(diào) 的是通過控制優(yōu)化，減少人為因素的影響，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與系統(tǒng)的運行效率； 而位于上層的企業(yè)計劃系統(tǒng)（ERP），強調(diào)的是企業(yè)的計劃性。盡管這兩類系統(tǒng) 的推廣取得了一定效果，但卻忽略了兩者之間的有效配合

2、，導(dǎo)致企業(yè)上層經(jīng)營管 理缺乏有效的實時信息支持、下層控制環(huán)節(jié)缺乏優(yōu)化的調(diào)度與協(xié)調(diào)。為此，將經(jīng) 營計劃與生產(chǎn)過程統(tǒng)一起來的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）應(yīng)運而生。2 MES系統(tǒng)功能及構(gòu)成MES（Manufacturing Execution System）即制造執(zhí)行系統(tǒng)，俗稱生產(chǎn)執(zhí) 行系統(tǒng)。MES位于企業(yè)信息計劃系統(tǒng)（ERP/SCM）和過程控制系統(tǒng)（PCS） 的中間位置，過程控制系統(tǒng)包括分散控制系統(tǒng)（DCS）和安全儀表系統(tǒng)（SIS） 等。ERP作為業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，DCS / SIS屬于控制系統(tǒng)，而MES則是生產(chǎn)執(zhí)行 系統(tǒng)。MES與上層ERP等業(yè)務(wù)系統(tǒng)和底層DCS等生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)一起構(gòu)成 企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)，

3、一是把業(yè)務(wù)計劃指令傳達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場，二是將生產(chǎn)現(xiàn)場的信息 及時收集、上傳和處理。MES不單是面向生產(chǎn)現(xiàn)場的系統(tǒng)，而是作為上、下兩 個層次之間雙方信息的傳遞系統(tǒng)，連結(jié)現(xiàn)場層和經(jīng)營層，通過實時數(shù)據(jù)庫傳輸基 本信息系統(tǒng)的理論數(shù)據(jù)和工廠的實際數(shù)據(jù)，并提供企業(yè)計劃系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng) 之間的通信功能，是應(yīng)用于企業(yè)的重要信息系統(tǒng)。其具體功能如下：2.1資源分配、狀態(tài)及人力資源管理管理設(shè)備、工具、人員物料、以及其他生產(chǎn)實體，滿足生產(chǎn)計劃的要求對 其所作的預(yù)定和調(diào)度，用以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行；提供資源使用情況的歷史記錄 和實時狀態(tài)信息，確保設(shè)備能夠正確安裝和運轉(zhuǎn)。為單位提供每個人的狀態(tài)，通 過時間對比，出勤報告，行

4、為跟蹤及行為（包含資財及工具準(zhǔn)備作業(yè)）為基礎(chǔ)的 費用等為基準(zhǔn)，實現(xiàn)對人力資源間接行為的跟蹤管理。2.2工序詳細(xì)調(diào)度及生產(chǎn)單元分配提供與指定生產(chǎn)單元相關(guān)的優(yōu)先級（Priorities）、屬性（Attributes）、特 征（Characteristic）以及處方（Recipes）等，通過基于有限能力的調(diào)度考慮生 產(chǎn)中的交錯、重疊和并行操作來準(zhǔn)確計算出設(shè)備上下料和調(diào)整時間，實現(xiàn)良好的 作業(yè)順序，并最大限度地減少生產(chǎn)過程中的準(zhǔn)備時間。以作業(yè)、訂單、批量、成 批和工作單等形式來管理生產(chǎn)單元間的工作流。通過調(diào)整車間已制訂的生產(chǎn)進(jìn) 度，對不合格品進(jìn)行處理，用緩沖管理的方法控制任意位置的在制品數(shù)量。當(dāng)車 間

5、有事件發(fā)生時，要提供一定順序的調(diào)度信息并按此進(jìn)行相關(guān)的實時操作。2.3過程管理、生產(chǎn)跟蹤及維修管理監(jiān)控生產(chǎn)過程、自動糾正生產(chǎn)中的錯誤并向用戶提供決策支持以提高生產(chǎn) 效率。通過連續(xù)跟蹤生產(chǎn)操作流程，在被監(jiān)視和被控制的機器上實現(xiàn)一些比較底 層的操作；通過報警功能，使車間人員能夠及時察覺到出現(xiàn)了超出允許誤差的加 工過程。指示出作業(yè)的位置和在什么地方完成作業(yè)、通過狀態(tài)信息了解誰在作業(yè)、 供應(yīng)商的資財、關(guān)聯(lián)序號、現(xiàn)在的生產(chǎn)條件、警報狀態(tài)及再作業(yè)后跟生產(chǎn)聯(lián)系等 其他事項。為了提高生產(chǎn)和日程管理能力，對設(shè)備和工具等維修行為的指示及跟 蹤，以實現(xiàn)設(shè)備和工具的最佳利用效率。2.4計劃管理、執(zhí)行分析及文檔控制監(jiān)視

6、生產(chǎn)，為作業(yè)者的議事提供支持，從內(nèi)部起作用或從一個作業(yè)到下一 個作業(yè)進(jìn)行計劃跟蹤、監(jiān)視、控制；從外部包含讓作業(yè)者和每個人知道允許誤差 范圍的計劃變更警報管理。通過對過去記錄和預(yù)想結(jié)果的比較，提供報告實際的 作業(yè)運行結(jié)果。執(zhí)行分析結(jié)果包含資源活用、資源可用性、生產(chǎn)單元的周期、日 程遵守、及標(biāo)準(zhǔn)遵守的測試值?？刂坪凸芾聿鬟f與生產(chǎn)單元有關(guān)的工作指令、 配方、工程圖紙、標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程、零件數(shù)控加工程序、批量加工記錄、工程更改 通知以及各種轉(zhuǎn)換操作間的通訊記錄，并提供信息編輯及存儲功能，將向操作人 員提供操作數(shù)據(jù)或向設(shè)備控制層提供生產(chǎn)配方等的指令下達(dá)給操作層，同時包括 對其它重要數(shù)據(jù)(例如與環(huán)境、健康和

7、安全制度有關(guān)的數(shù)據(jù)以及ISO信息)的 控制與完整性維護(hù)。2.5數(shù)據(jù)采集通過數(shù)據(jù)采集接口來獲取并更新與生產(chǎn)管理功能相關(guān)的各種數(shù)據(jù)和參數(shù)， 包括產(chǎn)品跟蹤、維護(hù)產(chǎn)品歷史記錄以及其他參數(shù)。實現(xiàn)DCS / SIS系統(tǒng)以及智 能設(shè)備等與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。從MES系統(tǒng)功能可以看出，數(shù)據(jù)采集和通訊功能是至關(guān)重要的，保證了業(yè) 信息集成化的實施，實現(xiàn)PCS / MES / ERP層架構(gòu)成為一個有機的整體。3對PCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集MES系統(tǒng)，無論從功能模型還是信息模型以及技術(shù)上，均覆蓋了流程生產(chǎn) 行業(yè)和離散制造行業(yè)。石油化工是典型的流程生產(chǎn)行業(yè)，大多采用大規(guī)模生產(chǎn)方 式，生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟，廣泛采用PCS系

8、統(tǒng)，控制生產(chǎn)工藝條件的自動化設(shè)備 比較成熟。對于MES系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)最重要的部分。以某一大型化 工企業(yè)為例，對MES與PCS之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行闡述。數(shù)據(jù)采集接口采用國 際標(biāo)準(zhǔn)的OPC (OLE for Process Control)接口。使接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化，將實時 數(shù)據(jù)上傳至MES專用的數(shù)據(jù)庫中，同時也保證了傳輸速度與數(shù)據(jù)質(zhì)量。3.1橫河公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案橫河公司的DCS系統(tǒng)是Centum系列，DCS系統(tǒng)通過安全VPN協(xié)議， 使用加密數(shù)據(jù)包，與管理網(wǎng)內(nèi)橫河工廠信息管理平臺Exaquantum服務(wù)器通訊， 在控制網(wǎng)和管理網(wǎng)之間有效地利用防火墻，確?？刂葡到y(tǒng)安全性。裝置的過程數(shù)

9、據(jù)利用Exaquantum服務(wù)器的OPC接口，通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口向MES提供 數(shù)據(jù)。MES系統(tǒng)不僅可以獲取原始的過程數(shù)據(jù)，而且可以利用Exaquantum對 這些過程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)要求進(jìn)行計算和累積，從而更有效的建立工廠數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)，滿足MES對過程數(shù)據(jù)采集的要求。MES所涉及的橫河DCS控制系統(tǒng)包 括Centum uXL、XL、CS、CS3000等多種版本，而部分版本不支持直接加裝 ExaOPC NTPF100服務(wù)器，需要系統(tǒng)軟件升級至CS3000系統(tǒng)。具體實現(xiàn)方法 是通過建立獨立的OPC務(wù)器，采集并傳輸過程數(shù)據(jù)，OPC服務(wù)器安裝橫河專為 MES / ERP系統(tǒng)接口開發(fā)的ExaOPC-N

10、TPF100軟件包，該軟件包提供豐富的 接口功能與強大的軟件通訊處理能力，同時，獨立的OPC服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)型結(jié)構(gòu) 以及增強的VPN連接，確保了 MES與DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)隔離，保證生產(chǎn)系統(tǒng)的 穩(wěn)定運行。對于CS3000 / CS1000 / CS系統(tǒng)，每套裝置增加一臺ExaOPCNTPF100 服務(wù)器，安裝以太網(wǎng)網(wǎng)卡及與控制總線VNet通訊的VF701卡，并安裝 ExaOPC-NTPF100 軟件包。ExaOPC-NTPF100 通過 VF701 卡直接與 CS 3000 / CS1000 / CS控制總線VNet連接，由控制總線直接從控制器讀取過程數(shù)據(jù)以 及進(jìn)行報警事件通訊。ExaOPC-NTP

11、F10O服務(wù)器與ENG / EWSS2程師站等 值化工程數(shù)據(jù)。ExaOPc服務(wù)器使用組件VPN Manager將過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至基于 PPTP安全VPN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路，傳送至Exaquantum工廠數(shù)據(jù)服務(wù)器上。對于Centum uXL / Centum XL系統(tǒng)，需要將系統(tǒng)升級為CS3000系統(tǒng)，增 加一臺HIS操作站，同時增加一臺ExaOPC服務(wù)器。ExaOPC通過VF701卡 直接與CS 3000控制總線VNet連接，由控制總線直接從控制器讀取過程數(shù)據(jù) 以及進(jìn)行報警事件通訊。ExaOPC服務(wù)器使用組件VPN Manager將過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換至基于PPTP安全VPN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路，傳送至Exa

12、quantum工廠數(shù)據(jù)服務(wù) 器上。3.2艾默生公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案艾默生公司的DCs系統(tǒng)包括WDPF控制系統(tǒng)和DeltaV控制系統(tǒng)，均可通 過OPC技術(shù)實現(xiàn)與MES系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口。利用OPC服務(wù)器的接口，向 MES提供實時的過程數(shù)據(jù)。WDPF控制系統(tǒng)的OPC Server運行于接口站上，從控制系統(tǒng)高速公路獲取 實時數(shù)據(jù)，并響應(yīng)OPC Client的數(shù)據(jù)請求。OPC Client為實時數(shù)據(jù)庫自帶的數(shù) 據(jù)接口軟件，負(fù)責(zé)向OPC Server發(fā)出數(shù)據(jù)請求，并在接收到數(shù)據(jù)響應(yīng)后將實時 數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫。從物理實現(xiàn)上看，接口站通過以太網(wǎng)卡分別連接控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 和管理網(wǎng)絡(luò)，并通過在其上運行的OPC

13、 Server獲取控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)。OPC Client 亦可運行于接口站，通過以太網(wǎng)將實時數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫。OPC技術(shù)的采用，可以將DeltaV系統(tǒng)毫無困難地與工廠管理網(wǎng)絡(luò)連接，避 免進(jìn)行二次接口開發(fā)的工作。實現(xiàn)各工段、車間及全廠在網(wǎng)絡(luò)上共享所有信息與 數(shù)據(jù)。需要配置一臺DeltaV系統(tǒng)應(yīng)用站，建立一個硬件平臺，OPC Server就 安裝在應(yīng)用站內(nèi)，用戶可以方便地將數(shù)據(jù)取到工廠網(wǎng)上來進(jìn)行管理，把實時數(shù)據(jù) 取出并存放到開放的數(shù)據(jù)庫中，完成數(shù)據(jù)信息的采集和管理等工作。3.3霍尼韋爾公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案霍尼韋爾公司TDC3000 / TPS DCS系統(tǒng)有專門的數(shù)據(jù)采集接口，即APP 節(jié)點(App

14、lication Processing Platform)，該節(jié)點通過專用的 RDI 接口(Real-time Date Interface)與霍尼韋爾公司的Uniformance平臺(也是MES數(shù)據(jù)庫平臺) 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，沒有通訊量的限制。MES的數(shù)據(jù)采集接口 APP是專用的接口， 獨立于生產(chǎn)控制系統(tǒng)，起到了防止與DCS設(shè)備混用的作用，隔離網(wǎng)絡(luò)病毒，保 障了 DCS系統(tǒng)的自身安全。可以在系統(tǒng)上直接擴(kuò)容一個APP節(jié)點，進(jìn)行在線 安裝，不影響裝置的生產(chǎn)和操作。對于系統(tǒng)軟件版本比較低的系統(tǒng)需要進(jìn)行升級， 包括操作站主機和系統(tǒng)軟件版本的升級，然后增加APP節(jié)點，實現(xiàn)MES的數(shù) 據(jù)采集功能。3.4山武

15、公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案山武公司的Harmonas-DEO全部支持OPC接口。通過DOGS接口連入 工廠管理網(wǎng)，DOGS作為一個符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OPC Server，使客戶端PC的應(yīng) 用程序通過OPC Server讀取過程數(shù)據(jù)。因此，安裝了 DOGS后，工廠管理網(wǎng) 上的客戶機就可以通過自行編制的應(yīng)用程序(VC，VB)來存取HarmonasDEO 系統(tǒng)中的各種過程數(shù)據(jù)，使得山武的Harmonas-DEO系統(tǒng)方便地連入工廠管理 網(wǎng)中。3.5浙大中控公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案在DCS系統(tǒng)建立獨立的OPC Server采集并傳輸過程數(shù)據(jù)，OPC Server 安裝浙大中控專為MES / ERP系統(tǒng)接口

16、開發(fā)的OPC Server (V3.4)軟件包， 提供豐富的接口功能與強大的軟件通訊處理能力。同時，獨立的OPC Server網(wǎng) 關(guān)型結(jié)構(gòu)確保了 MES與DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)隔離，保證生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。每 套系統(tǒng)在硬件方面增加一臺操作站作為OPC Server，安裝3個以太網(wǎng)卡，并安裝系統(tǒng)軟件包OPC Server軟件。OPC Server通過雙以太網(wǎng)卡直接讀取控制系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)以及進(jìn)行 報警事件通訊。OPC Server的另一塊以太網(wǎng)卡向MES系統(tǒng)傳送過程數(shù)據(jù)。浙 大中控DCS系統(tǒng)增加OPC Server實施起來比較容易，基于中控系統(tǒng)的開放性 和集成性設(shè)計，可以在不用系統(tǒng)停機的情況下任意加裝OP

17、C Server軟件，使該 站作為OPC服務(wù)器，同時向上層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。3.6和利時公司DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案和利時公司各系列的DCS產(chǎn)品使用平臺各不相同，早期的HS2000為和 利時專用協(xié)議，無通用OPC接口，而且MACS與SmartPro的產(chǎn)品的OPC接 口版本也不一致，故針對HS2000，MACS和SmartPro系統(tǒng)需要不同的接口解 決方案，以實現(xiàn)和利時DCS系統(tǒng)與MES數(shù)據(jù)庫的無縫連接。由于和利時HS2000 DCS是早期產(chǎn)品，控制網(wǎng)為ARCNET網(wǎng)，采用Tokebus 令牌總線協(xié)議，是一個相對封閉的系統(tǒng)。為便于數(shù)據(jù)的上傳，和利時專門開發(fā)了 HS2000通訊站，用于協(xié)議轉(zhuǎn)換和通訊管理。通過配置專用網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)程序，即 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)以UDP包的方式上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，此為非標(biāo)準(zhǔn)接口，需要進(jìn)行 二次開發(fā)，將此接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)OPC接口。對于MACS系統(tǒng)，需要配置耍并安裝和利時MACS網(wǎng)關(guān)軟件，即專用的接口 轉(zhuǎn)換協(xié)議，將非標(biāo)準(zhǔn)的接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)OPC接口。由于SmartPro系統(tǒng)的各個軟件版本型號不一，首先配置網(wǎng)關(guān)，并確定系統(tǒng)軟件 版本型號，將系統(tǒng)版本升級到統(tǒng)一的最新版本，針對系統(tǒng)安裝針對不同版本的網(wǎng) 關(guān)軟件