1 引言
隨著計算機信息技術的高速發展、軟件應用技術的不斷普及、企業信息化建設經驗的不斷積累和計算機信息管理系統應用水平的提高，使企業深刻地認識到走信息集成化道路的重要性。實施信息集成化技術，已成為企業信息化建設發展的一種必然選擇。在流程制造行業的企業信息化建設中，位于底層車間進行生產控制的是以先進控制、操作優化為代表的過程控制系統(PCS)，PCS強調的是通過控制優化，減少人為因素的影響，提高產品的質量與系統的運行效率；而位于上層的企業計劃系統(ERP)，強調的是企業的計劃性。盡管這兩類系統的推廣取得了一定效果，但卻忽略了兩者之間的有效配合，導致企業上層經營管理缺乏有效的實時信息支持、下層控制環節缺乏優化的調度與協調。為此，將經營計劃與生產過程統一起來的生產執行系統(MES)應運而生。
2 MES系統功能及構成
MES(Manufacturing Execution System)即制造執行系統，俗稱生產執行系統。MES位于企業信息計劃系統(ERP／SCM)和過程控制系統(PCS)的中間位置，過程控制系統包括分散控制系統(DCS)和安全儀表系統(SIS)等。ERP作為業務管理系統，DCS／SIS屬于控制系統，而MES則是生產執行系統。MES與上層ERP等業務系統和底層DCS等生產設備控制系統一起構成企業的神經系統，一是把業務計劃指令傳達到生產現場，二是將生產現場的信息及時收集、上傳和處理。MES不單是面向生產現場的系統，而是作為上、下兩個層次之間雙方信息的傳遞系統，連結現場層和經營層，通過實時數據庫傳輸基本信息系統的理論數據和工廠的實際數據，并提供企業計劃系統與過程控制系統之間的通信功能，是應用于企業的重要信息系統。其具體功能如下：
2.1 資源分配、狀態及人力資源管理
管理設備、工具、人員物料、以及其他生產實體，滿足生產計劃的要求對其所作的預定和調度，用以保證生產的正常進行；提供資源使用情況的歷史記錄和實時狀態信息，確保設備能夠正確安裝和運轉。為單位提供每個人的狀態，通過時間對比，出勤報告，行為跟蹤及行為(包含資財及工具準備作業)為基礎的費用等為基準，實現對人力資源間接行為的跟蹤管理。
2.2 工序詳細調度及生產單元分配
提供與指定生產單元相關的優先級(Priorities)、屬性(Attributes)、特征(Characteristic)以及處方(Recipes)等，通過基于有限能力的調度考慮生產中的交錯、重疊和并行操作來準確計算出設備上下料和調整時間，實現良好的作業順序，并最大限度地減少生產過程中的準備時間。以作業、訂單、批量、成批和工作單等形式來管理生產單元間的工作流。通過調整車間已制訂的生產進度，對不合格品進行處理，用緩沖管理的方法控制任意位置的在制品數量。當車間有事件發生時，要提供一定順序的調度信息并按此進行相關的實時操作。
2.3 過程管理、生產跟蹤及維修管理
監控生產過程、自動糾正生產中的錯誤并向用戶提供決策支持以提高生產效率。通過連續跟蹤生產操作流程，在被監視和被控制的機器上實現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了超出允許誤差的加工過程。指示出作業的位置和在什么地方完成作業、通過狀態信息了解誰在作業、供應商的資財、關聯序號、現在的生產條件、警報狀態及再作業后跟生產聯系等其他事項。為了提高生產和日程管理能力，對設備和工具等維修行為的指示及跟蹤，以實現設備和工具的最佳利用效率。
2.4 計劃管理、執行分析及文檔控制
監視生產，為作業者的議事提供支持，從內部起作用或從一個作業到下一個作業進行計劃跟蹤、監視、控制；從外部包含讓作業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想結果的比較，提供報告實際的作業運行結果。執行分析結果包含資源活用、資源可用性、生產單元的周期、日程遵守、及標準遵守的測試值。控制和管理并傳遞與生產單元有關的工作指令、配方、工程圖紙、標準工藝規程、零件數控加工程序、批量加工記錄、工程更改通知以及各種轉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據或向設備控制層提供生產配方等的指令下達給操作層，同時包括對其它重要數據(例如與環境、健康和安全制度有關的數據以及ISO信息)的控制與完整性維護。
2.5 數據采集
通過數據采集接口來獲取并更新與生產管理功能相關的各種數據和參數，包括產品跟蹤、維護產品歷史記錄以及其他參數。實現DCS／SIS系統以及智能設備等與生產執行系統之間的數據交換。
從MES系統功能可以看出，數據采集和通訊功能是至關重要的，保證了 業信息集成化的實施，實現PCS／MES／ERP~層架構成為一個有機的整體。
3 對PCS系統的數據采集
MES系統，無論從功能模型還是信息模型以及技術上，均覆蓋了流程生產行業和離散制造行業。石油化工是典型的流程生產行業，大多采用大規模生產方式，生產工藝技術成熟，廣泛采用PCS系統，控制生產工藝條件的自動化設備比較成熟。對于MES系統，數據采集是整個系統最重要的部分。以某一大型化工企業為例，對MES與PCS之間的數據傳輸進行闡述。數據采集接口采用國際標準的OPC(OLE for Process Control)接口。使接口標準統一化，將實時數據上傳至MES專用的數據庫中，同時也保證了傳輸速度與數據質量。
3.1 橫河公司DCS系統數據采集方案
橫河公司的DCS系統是Centum系列，DCS系統通過安全VPN 協議，使用加密數據包，與管理網內橫河工廠信息管理平臺Exaquantum服務器通訊，在控制網和管理網之間有效地利用防火墻，確保控制系統安全性。裝置的過程數據利用Exaquantum服務器的OPC接口，通過標準的OPC接口向MES提供數據。MES系統不僅可以獲取原始的過程數據，而且可以利用Exaquantum對這些過程數據進行處理，根據要求進行計算和累積，從而更有效的建立工廠數據結構，滿足MES對過程數據采集的要求。MES所涉及的橫河DCS控制系統包括Centum uXL、XL、CS、CS3000等多種版本，而部分版本不支持直接加裝ExaOPC NTPF100服務器，需要系統軟件升級至CS3000系統。具體實現方法是通過建立獨立的OPC務器，采集并傳輸過程數據，OPC服務器安裝橫河專為MES／ERP系統接口開發的ExaOPC-NTPF100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服務器的網關型結構以及增強的VPN連接，確保了MES與DCS系統的網絡隔離，保證生產系統的穩定運行。
對于CS3000／CS1000／CS系統，每套裝置增加一臺ExaOPC—NTPF100服務器，安裝以太網網卡及與控制總線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據以及進行報警事件通訊。ExaOPC-NTPF10O服務器與ENG／EWSS2程師站等值化工程數據。ExaOPc服務器使用組件VPN Manager將過程數據轉換至基于PPTP安全VPN協議的數據鏈路，傳送至Exaquantum工廠數據服務器上。具體實現方式如圖1所示。
圖1 ExaOPC與CS3OOO／CS1000／CS系統連接示意圖
對于Centum uXL／Centum XL系統，需要將系統升級為CS3000系統，增加一臺HIS操作站，同時增加一臺ExaOPC服務器。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據以及進行報警事件通訊。ExaOPC服務器使用組件VPN Manager將過程數據轉換至基于PPTP安全VPN協議的數據鏈路，傳送至Exaquantum工廠數據服務器上。
3.2 艾默生公司DCS系統數據采集方案
艾默生公司的DCs系統包括WDPF控制系統和DeltaV控制系統，均可通過OPC技術實現與MES系統之間的數據接口。利用OPC服務器的接口，向MES提供實時的過程數據。
WDPF控制系統的OPC Server運行于接口站上，從控制系統高速公路獲取實時數據，并響應OPC Client的數據請求。OPC Client為實時數據庫自帶的數據接口軟件，負責向OPC Server發出數據請求，并在接收到數據響應后將實時數據送入數據庫。從物理實現上看，接口站通過以太網卡分別連接控制系統網絡和管理網絡，并通過在其上運行的OPC Server獲取控制系統數據。OPC Client亦可運行于接口站，通過以太網將實時數據送入數據庫。
OPC技術的采用，可以將DeltaV系統毫無困難地與工廠管理網絡連接，避免進行二次接口開發的工作。實現各工段、車間及全廠在網絡上共享所有信息與數據。需要配置一臺DeltaV系統應用站，建立一個硬件平臺，OPC Server就安裝在應用站內，用戶可以方便地將數據取到工廠網上來進行管理，把實時數據取出并存放到開放的數據庫中，完成數據信息的采集和管理等工作，如圖2所示。
圖2 艾默生DCS系統接口連接示意圖
3.3 霍尼韋爾公司DCS系統數據采集方案
霍尼韋爾公司TDC3000／TPS DCS系統有專門的數據采集接口，即APP節點(Application Processing Platform)，該節點通過專用的RDI接口(Real-time Date Interface)與霍尼韋爾公司的Uniformance平臺(也是MES數據庫平臺)進行數據采集，沒有通訊量的限制。MES的數據采集接口APP是專用的接口，獨立于生產控制系統，起到了防止與DCS設備混用的作用，隔離網絡病毒，保障了DCS系統的自身安全。可以在系統上直接擴容一個APP節點，進行在線安裝，不影響裝置的生產和操作。對于系統軟件版本比較低的系統需要進行升級，包括操作站主機和系統軟件版本的升級，然后增加APP節點，實現MES的數據采集功能。具體如圖3所示。
圖3 霍尼韋爾DCS系統接口連接示意圖
3.4 山武公司DCS系統數據采集方案
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，DOGS作為一個符合工業標準的OPC Server，使客戶端PC的應用程序通過OPC Server讀取過程數據。因此，安裝了DOGS后，工廠管理網上的客戶機就可以通過自行編制的應用程序(VC，VB)來存取Harmonas—DEO系統中的各種過程數據，使得山武的Harmonas-DEO系統方便地連入工廠管理網中，如圖4所示。
圖4 山武DCS系統接口連接示意圖
3.5 浙大中控公司DCS系統數據采集方案
在DCS系統建立獨立的OPC Server采集并傳輸過程數據，OPC Server安裝浙大中控專為MES／ERP系統接口開發的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網關型結構確保了MES與DCS系統的網絡隔離，保證生產系統的穩定運行。每套系統在硬件方面增加一臺操作站作為OPC Server，安裝3個以太網卡，并安裝系統軟件包OPC Server軟件。OPC Server通過雙以太網卡直接讀取控制系統過程數據以及進行報警事件通訊。OPC Server的另一塊以太網卡向MES系統傳送過程數據。浙大中控DCS系統增加OPC Server實施起來比較容易，基于中控系統的開放性和集成性設計，可以在不用系統停機的情況下任意加裝OPC Server軟件，使該站作為OPC服務器，同時向上層網絡發送數據。具體如圖5所示。
圖5 浙大中控DCS系統接口連接示意圖
3.6 和利時公司DCS系統數據采集方案
和利時公司各系列的DCS產品使用平臺各不相同，早期的HS2000為和利時專用協議，無通用OPC接口，而且MACS與SmartPro的產品的OPC接口版本也不一致，故針對HS2000，MACS和SmartPro系統需要不同的接口解決方案，以實現和利時DCS系統與MES數據庫的無縫連接。
由于和利時HS2000 DCS是早期產品，控制網為ARCNET網，采用Tokebus令牌總線協議，是一個相對封閉的系統。為便于數據的上傳，和利時專門開發了HS2000通訊站，用于協議轉換和通訊管理。通過配置專用網關和網關程序，即能夠實現數據以UDP包的方式上傳至數據服務器，此為非標準接口，需要進行二次開發，將此接口轉換為標準OPC接口。
對于MACS系統，需要配置網關并安裝和利時MACS網關軟件，即專用的接口轉換協議，將非標準的接口轉換為標準OPC接口。
由于SmartPro系統的各個軟件版本型號不一，首先配置網關，并確定系統軟件版本型號，將系統版本升級到統一的最新版本，針對系統安裝針對不同版本的網關軟件，實現和上層數據庫的通訊。通過網關的單向傳輸保證數據只能由DCS傳到實時數據庫服務器，再通過隔離網，保證數據只能從DCS實時數據庫服務器傳到MES服務器上，有效地保證了DCS系統的安全性，對于DCS系統的穩定運行至關重要。接口示意如圖6所示。
圖6 和利時DCS系統接口連接示意圖
4 結束語
MES作為企業信息化系統的中間層次，已經成為以信息化帶動工業化，成為提升企業效率及效益，打造核心競爭力的必然選擇。該大型石化企業MES系統投運以來，一直平穩運行。通過國際標準OPC技術的采用，使企業計劃系統與生產執行系統以及過程控制系統有機地接為一體，保障了數據的安全，實現數據資源的共享，推動了企業信息化建設。
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本文標題：MES系統對過程控制系統的數據采集
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