生产执行系统在精细化工行业的应用

田育彰+张金儒+戴荣华+李金江

摘要：山东京博农化科技股份有限公司搭建了自主设计的数据采集系统和生产执行系统。根据京博农化现有硬件情况，通过运用OPC、组态、数据库技术，为生产执行系统提供了实时、准确的数据基础，并在MES中搭建了生产管理、业务流程管理、能耗管理、人员管理、安全管理等板块，促进了信息系统、自动化系统在精细化工行业的结合与发展。

关键词：生产执行系统；精细化工行业；数据采集；OPC；实时数据库；MES 文献标识码：A

中图分类号：TQ423 文章编号：1009-2374（2015）13-0056-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.029

1 数据采集系统

近30年来工业控制系统发展迅速，生产现场控制、检测设备的种类日渐繁多，不同产品甚至于同品牌的不同型号间通信协议都不尽相同，这成为数据采集、传输的一大难题。而OPC技术的诞生，实现了用户和供应商开发的分工，形成了一种自动化领域通信协议的新标准，大大改进了数据采集技术。MES是建立在数据的基础上的，通过生产、管理上的逻辑关系，运用数据可以实现智能分析、业务管理等内容。在自主设计的数据采集系统中，我们实现了对DCS、PLC及Modbus、4～20mA等多种协议数据型式的采集，通过应用普遍、传输距离更具优势的网线和光缆把京博农化5个生产园区、13套生产装置的生产数据上传到了搭建的生产信息局域网。

1.1 数据上传

1.1.1 生产现场一次表的数据采集。将一次表模拟量输出连接信号转换卡，现场仪表（流量计、报警器、电表等未接入DCS/PLC的仪表）输出的4～20mA信号转换为TCP协议信号，通过网线接入生产信息局域网（10.2.10.1网段）。建议在机房建立数据汇集点中心交换机，以便于发生问题时查找故障。若信号传输距离在150米以上，需增加光纤收发器。这一步实现了生产现场各类仪表的数据上传，通过对转换卡的IP分配（对信号转换卡做MAC地址绑定IP）情况，可以对各仪表信息进行区分。图1为PC连接生产信息局域网后获取的数据：

图1 京博农化四车间流量计数据上传

从图1中我们可以看出，生产现场的数据已经通过网络传输到了PC机上，软件读取到的是一次表上输出的毫安值。通过组态软件对量程的设定，我们便能计算出与生产现场一致的数值，这一步会在下文详细介绍。

1.1.2 自动控制系统的数据采集。DCS、PLC等自控系统通过其监控软件的OPC服务器，可以将组态中位号及其量程等信息传输至OPC客户端。在OPC Client中连接服务器，添加位号后能够获取控制系统的数据，包括数值、采集时间、数据质量等。不论何种品牌、型号，只要支持OPC协议即可完成数据的采集，将实时、稳定的数据上传至生产信息网。如果在使用OPC的过程中，遇到OPC软件运行2小时后自动退出或者OPC只能采集有限个数据点，说明所使用的OPC尚未注册，建议咨询控制系统供应商。不建议使用破解版或旧版本的OPC软件，会造成软件假死或数据上传意外终止，造成数据丢失。运用OPC技术数据传输速度快、稳定性高、结构简单，节省了为软件编写驱动的复杂步骤，OPC在自动化领域的应用成为业界的新型标准。

1.2 组态系统

运用组态软件对数据进行转贮。

1.2.1 模拟量计算。将一台安装组态软件（如组态王、WinCC等）的PC机连接生产信息局域网，在组态软件中通过设置串口、添加采集卡配置、维护变量、引用变量等步骤后，把信号转换卡采集的一次表数据进行转换。模拟量的4～20mA范围对应变量设置的量程（即一次表量程）得到实时数据。可以把数据引用到组态软件的监视画面上，在配置完成后切换到运行状态查看实时数据进行测试。经实践发现，不同生产厂区通过光纤、网线远传来的数据延迟在<1s的范围内。

1.2.2 数据储存与监控。本系统中涉及的组态软件只是OPC作数据转发的中间桥梁，通过数据采集、配置实时数据库，将一次表、各种自动控制系统的数据发送至实时数据库。数据汇集点作为实时数据库的服务器，主要做数据转至MES服务器、存储数据、用户管理用。

在实时数据库中需要对数据标签进行维护，包括位号、描述、单位、数据类型、量程、报警范围等。维护后，实时数据库中位号标签便有了对应的描述。通过对各采集站的IP分配情况，可以对装置进行区分。在实时数据库中能够以装置为单位，看到该装置中各数据标签、数值和曲线图。在实时数据库组态中，可以绘制动态的工艺流程图，如实时体现物料移动情况的管线、装置的启停等。所以在装置的总貌图中，有些不是很重要的部分，如调节阀等便可用管线上的流速来表示。

2 生产执行系统

生产执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是介于管理信息系统（Management Information System，MIS）和过程控制系统（Process Control System，PCS）的生产管理系统，旨在解决管理与生产间的信息孤岛问题。“它以生产行为信息为核心，为企业决策系统提供直接的支持”（MESA 1997）。传统模式下管理层无法获取生产实时状况，只能从定期的报表中获知生产任务完成情况，无法及时发现问题。而生产执行系统使用实时准确的生产过程数据，能够及时反映生产故障，优化了生产活动，对生产活动进行指导，减少无附加值行为，提高工厂运行和事件处理的有效性。

2.1 使用BPM企业管理工具搭建系统

BPM（Business Process Management，业务过程管理）是以流程为中心的方法，将流程、管理方法和信息技术相结合，以促成高效、透明的业务流程。本系统中通过BPM系统搭建MES主体架构，在其基础上加入了投入、产出分析和生产监控模块。MES要在服务器上对数据进行处理后发布，需要安装BPM、Visual Studio、关系数据库，如SQL Server等搭建服务器系统环境。endprint

2.2 系统内容完善

京博农化需求的MES涉及了业务流程、人员管理、生产监控、工艺质量管理、报表等内容，所以要在数据库中完善这些功能所要使用的数据。首先在BPM中建立公司组织架构，包括各个部门和车间，然后在相应部门下建立员工账号并录入成员信息。建立MES数据库，录入系统各功能板块所需数据源，包括员工信息表、业务表、各类报表及一系列标准等。在安装目录下可以看到有系统配置文件，接下来在系统配置文件中可以用汇编语言添加各功能模块、建立MES目录树。BPM功能强大且操作简单，通过拖拽式便可制作业务流程和各类表单。

通过IIS在生产信息局域网上发布MES网站，输入MES域名便可登录系统：

在目录树下新建生产监控配置文件，加入实时数据库各监视界面的链接，链接对应实时数据库服务器IP地址和监视页面目录。在MES生产监控模块下调用实时数据库插件便能查看工艺流程图，效果与客户端登录方式相同。在制作业务流程时，需在BPM平台下拖拽式新建业务流程，然后制作、引用报表，并在报表中使用SQL语句引用数据库数据即可。

图2 京博农化MES系统登陆页面 图3 报表样式

在京博农化调度中心我们安装了一台连接生产信息局域网的PC机，实现了与安防监控系统大屏幕的结合。在此计算机上，我们能够查看各车间流量计、报警器、工艺流程图和处理MES任务。

图4 调度中心MES展示图

3 结语

在该MES系统中，登录人员可以从任务管理中查看当前需处理的表单及流程，并在当前处理人提交后自动发往下一流程节点。同时生产管理部门与领导可进入生产监控页面查看生产情况，从动态流程图中能一目了然的看出正在运行的设备、各项工艺指标及其趋势，有效指导了生产。本文中讲述了从生产现场一次表数据采集、组态操作、到数据上传、服务器搭建、MES配置等每一步进展，然而目前的系统也尚有待完善之处。如我们正在开发的物料平衡、资金占用管理等模块，这就需要MES从财务系统的服务器读取数据并引用，使得资金、物料、仓储等业务更贴近生产。

有业内专家指出：“未来的十年，不再是ERP的十年，而是MES的十年。” MES的数据基础依赖于OPC功能，将来基于强大OPC UA功能的MES系统将能够根据制造环境的变化进行智能预测、智能调度、智能诊断和智能决策，实现人机制造一体化的制造过程优化。农化生产将在一个精确的管控指标——实时信息闭环下运行，管理也更将精细化，同时，MES对管理系统、生产系统、财务的有效结合也必将大力促进物联网技术的发展，实现人与人的无缝联系和沟通。

参考文献

[1] 陶松桥，杨明忠.基于ERP与MES集成的车间生产计划和调度方法[J].机电工程技术，2005，（6）.

[2] 林碧英，曲俊华，吕洁，王素琴.WEB数据库的存取技术[J].计算机工程与应用，2000，（10）.

[3] 高文彬.提高MES系统在烟草加工企业中的应用水平[J].轻工科技，2014，（12）.

作者简介：田育彰（1989-），男，山东淄博人，京博农化科技股份有限公司仪表工，研究方向：信息系统。

（责任编辑：陈 倩）endprint