[建筑]73-石化行业MES体系结构的研究【PSE2006】.doc

本文由百有任何贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 主题九：信息集成技术研究及应用 石化行业 MES 体系结构的研究 王妙云，郭武，刘伟 （中国石化长岭分公司，湖南岳阳市，414012） 摘 要：本文探讨了流程行业 MES 的体系结构与特征，介绍了适合我国石化行业的 MES 的系统功能、技术 特点以及未来的发展趋势。 关键字：MES、体系结构 0 概述 目前，中国石化的大部分企业实现了以 ERP 为代表的企业管理信息系统，以及以 DCS、 PLC 和 SCADA 为代表的过程控制系统。尽管这两类系统的推广取得了较大成果，但其应用效 益没有达到充分发挥， 主要原因是企业在信息化过程中忽略了两者之间的有效配合， 导致企 业上层计划缺乏有效的实时信息支持、 下层控制环节缺乏优化的调度与协调。 企业经营管理 层与生产过程执行层双向信息流交互割断， 使得企业难以实时反应。 十多年前诞生的生产执 行系统 MES 致力于解决这一问题， 它作为 ERP 系统的执行机构， 对从生产命令下发到产品完 成的整个生产过程进行优化管理， 并实时的将生产过程信息反馈给 ERP 系统， 从而将生产活 动与管理活动信息有效的集成起来 23。目前 MES 在发达国家已经普遍推广。在我国， 90 年代末期开始 MES 的研究与应用，涌现出了一些 MES 产品。 1 国外石化行业 MES 解决方案 MES 的概念一经提出，就引起来各界广泛关注，在进行 MES 标准、规范、模型的研究 的同时，MES 的产品也逐渐推出。从 20 世纪 90 年代末开始，MES 产品由单一的 MES 功能模 块发展到整体解决方案。石化行业作为典型的流程行业，由于信息化基础较好，其对 MES 系统的需求很早就显现出来， 国内外很多著名的公司也投入了较大的精力开发实施面向石化 行业的 MES 系统。其中较为著名的 MES 产品解决方案有：Honeywell 的 MES 方案、Aspen 的 MES 方案、SK 的 MES 方案等。 1.1 Honeywell 公司的相关产品和技术 Honeywell 的所有业务模块是基于 Uniformance 平台实现的，其本质是一个一体化的 完整的业务系统的数据库（包括实时数据库、关系数据库、历史数据库、事件日志数据库） ， 业务模块和平台是紧耦合的关系。 Honeywell 的 MES 产品的核心是 Business.FLEXPKS。该产品将经营目标转化为生产操 作目标，同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈，从而形成计划管理层、生产执行层 和过程控制层三个层次的周期循环。 Honeywell 又将其 MES 解决方案与资产管理解决方案SSET.MAXTM、先进控制与区 域优化解决方案Profit.PlusTM、生产信息集成平台Uniformance 等应用套件和信息 501 主题九：信息集成技术研究及应用 集成平台整合为协同生产管理解决方案(Unified Manufacturing Solutions)，也可看成是 其广义的 MES 或者是 MES 功能模块的扩充。如图 1-1 所示。 图 1-1 Hoenywell MES 系统总体架构 1.2 Aspen Tech 公司的相关产品和技术 美国 ASPEN Tech 公司用于过程工业运营管理的 MES 产品为 ASPEN Plant elligence， 即智能工厂解决方案。Aspen 的软件模块由于历史原因相对独立，各模块是通过 Aspen operation Mangement（前身是 AEP）采用适配器集成为 Aspen one 的解决方案。业务模块 和平台是松耦合的关系。以信息总线为集成基础，具有分布存储可扩展、功能丰富、事件驱 动等特点。 ASPEN Tech 的 MES 解决方案自 1998 年推出，并不断发展和完善，得到了许多大型石 油化工公司的采用。方案主要包括流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度 与优化、先进控制与实时优化(RT-OPT)、实时数据库与信息管理、数据校正与物料平衡、绩 效监控与绩效管理、油品调和、生产指令管理与操作日志、油品移动和罐区管理等功能模块 以及 ASPEN Enterpise Platform(AEP)集成平台，实现生产经营管理与生产过程控制的一体 化。这些模块主要分布在 5 个应用套件中，即绩效管理、生产计划系统（PIMS） 、生产调度 优化（ORION） 、油品调合计划调度和生产管理与执行。 图 1-2 Aspen MES 系统总体架构 502 主题九：信息集成技术研究及应用 1.3 SK 的相关产品和技术 韩国的 SK 公司推出了 CIM 技术生产管理系统(OIS)，其总体架构如图所示。OIS 产品 技术特点在于： 1. 强大的计算引擎，包括：静态及动态的流程计算、 流量补偿计算、储罐毛、净容 积计算、物料移动计算 、成分和质量跟踪、不可测移动物料的计算等。 2. 所有工厂的事务数据统一存放在 Oracle 数据库，包括：流程物料 (实时数据、 手工数据、计算数据)、进出厂业务数据、公用工厂消耗数据、计划及调度信息、 制造成本、成品质量、环保数据等，为用户及应用提供统一的数据库。 3. 应用数据集成， 包括从独立的实时系统(RTS)分离出相关数据、 从实验室信息系统 (LIMS)接受质量分析数据、 从储罐测量系统(TGS)接受储罐液位数据、 从进出厂系 统接受进出厂物料数据、为其他应用提供直接查询、与 ERP 交换收发料确认信息 及会计信息等。 图 1-3 SK OIS 系统总体架构 1.4 国外 MES 产品特点和不足 国外 MES 系统和产品大都采用 C/S 模式，综合运用了面向对象技术、分布式对象计算 技术(COM/DCOM、CORBA)以及实时数据库技术等，对 MES 中资源配置、作业调度、生产过程 的实时管理以及质量管理等基本功能进行了应用集成， 有效的实现了对车间生产的跟踪、 控 制和优化。 虽然这些 MES 产品各有优势和侧重点， 并在国外企业的应用中取得了显著的效果， 但是由于它们所建立的、 作为 MES 核心的企业生产过程模型不适应国内企业环境的特点， 需 要重新开发；大部分的 MES 产品缺乏一个通用、标准的应用集成平台，各种厂家的 MES 应用 所采用的软件技术差异较大， 难以与遗留应用以及其它 MES 应用形成无缝的集成， 需要对系 统进行二次应用开发。要采用其作为国内企业实施 MES 的完整解决方案存在诸多问题和不 足。 2 中国石化 MES 的体系结构 中国石化紧跟时代发展的步伐，在信息化建设与研发方面一直走在行业前列，多年的 503 主题九：信息集成技术研究及应用 系统应用经验使大家清楚的认识到 MES 是流程工业综合自动化技术发展的关键1。中国石 化信息化总体规划明确提出了实现以 ERP/MES/PCS 为核心架构的综合自动化系统， 进一步加 强 MES 系统的建设，为 ERP 提供数据支撑，从而使 ERP 发挥最大的应用效益。中石化 MES 的体系结构如图 2-1 所示。 中石化的 MES 系统总体架构以数据集成平台为核心， 以物流跟踪主线， 全面支持罐区管 理、仓储管理、进出厂管理、公用工程管理、化工辅料管理等关键业务。 该体系结构的设计过程中，重点考虑了以下因素： （1）MES 与 ERP、PCS 间的数据集成关系，充分体现它石化企业综合自动化体系中的 重要性和纽带作用。 （2）体现石化行业的特色，进行合理的模块化，各模块之间相对独立，又互有联系。 不同的模块可独立实施， 保证了 MES 系统的开放性和柔性。 它们最终通过 MES 数据集成平台 实现计划、调度、控制、统计各模块信息的准时传递。 （3）参考石化行业业务模型，建立企业核心生产数据模型，采用数据驱动的思想，实 现生产和管理等不同信息集成的功能。在数据集成过程中考虑人为因素的集成。 图 2-1 中石化 MES 的总体架构 中石化的 MES 通过生产过程信息处理和支持系统提供的信息与知识， 对生产统计、 生产 调度、装置运行、生产成本等进行实时管理，强调实现生产过程优化运行、优化控制和优化 管理等核心技术，以实现生产全过程的调度平衡、统计平衡来保证生产过程的优化管理，以 实现生产过程的物流跟踪、加强罐区管理、进出厂管理、仓储管理、装置管理来保证生产过 程的优化控制。以实现公用工程和化工辅料消耗管理来保证生产过程的优化运行。 3 石化行业 MES 的应用 国内外石化行业都非常注重企业信息化的建设， 90 年代， 到 企业资源规划系统 （ERP） 、 供应链管理（SCM） 、先进计划系统（APS） 、实时数据库系统（RTDB） 、先进控制系统（APC） 、 504 主题九：信息集成技术研究及应用 实时优化系统（RTO）和集散控制系统（DCS）等系统都较大程度的得到应用。如 BP 公司在 美国和欧洲的企业实施了非常完备的 ERP、DCS、RTDB 和 APC 系统，如 Shell 公司在美国和 欧洲的企业实施了非常完备的 ERP 系统，DCS、RTDB 和 APC 系统实施了大部分功能。 MES 提出以来，这些公司又积极投入 MES 系统的建设中，通过 MES 将生产管理和生产操 作集成起来，用来支持整个企业的供应链的优化，并从中受益。如 BP 公司在美国和欧洲的 企业实施了 MES 系统的大部分功能，ExxonMobile 公司在美国和欧洲的企业实施了 MES 系统 的大部分功能，Shell 公司在美国和欧洲的企业实施了 MES 系统的部分功能， ChevronTexaco 公司在美国和欧洲的企业实施了 MES 系统的部分功能。 中国石化从 2004 年开始实施 MES 系统，目前部分企业实施了 MES 系统的部分功能。中 国石油也开始了 MES 系统的实施。 目前国内石化企业在信息技术方面的应用， 与国际大石油 公司仍然存在一定的差距。中石化从十五规划开始，开展以 ERP 为主线的信息化建设，到现 在已经 4 年多了， 信息化建设和应用水平有了很大的提高， 明显缩短了与国外先进水平的差 距。企业的注意力正在转向如何从这些项目中获得利益。目前中石化正大力加强企业 MES 建设， 以便于这些实施了的 ERP 系统更加有用。 中石化以国家 863 课题为背景， 以石化盈科、 中科院软件所、浙大中控为技术依托单位，建设炼化企业 MES 系统，并先后在茂名分公司、 荆门分公司、安庆分公司上线成功。 中国石化长岭分公司和中国科学院软件研究所承担的MES 集成平台及关键技术攻关 试点项目，经过多年的努力，完成了炼化企业数据集成平台和企业数据模型的建设，并在此 基础上开发了生产调度管理模块、 公用工程信息管理模块、 基于计划统计的物料平衡模块和 质量管理模块。 系统构建了炼化企业业务模型， 实现了生产层面数据共享， 覆盖了油品罐区、 生产调度、计划统计等生产管理环节，解决了困扰企业多年的物料无法闭环控制的难题，实 现了从原料进厂到产品出厂的精细化管理。 4 MES 未来的发展趋势 走产品化的道路，从信息集成、事务集成发展到智能集成型的 MES，满足可集成性、可 配置性、可适应性、可扩展性和可靠性的要求是 MES 今后的发展趋势4。具体表现在以下 几个方面: ? ? ? ? 通过软总线技术的研究， 进一步加大 MES 系统与各种厂家、 各种类型的已有系统平 滑地连接集成。 通过面向对象技术、组件技术的应用，大大增强企业 MES 的可裁减性与适应性。 企业生产过程模型的建立和优化手段将更加全面和丰富。MES 是以生产过程模型为 核心系统，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进行管理的。 对生产过程和运行数据进行全面采集、整合和充分利用。首先，MES 实现从一线直 接采集数据，提高数据采集的质量和效率；其次，将各类生产运行数据进行实时集 成和联结，形成生产企业层面全面的生产运行数据库，对上/下游生产装置进行关 键指标的监控与分析；接着，利用工厂级生产运行数据进行全厂的统计平衡，提供 生产实际与计划数据的比较。 ? 充分利用生产数据，支持各个业务领域运行和优化；例如，优化调和方案，采用合 理半成品。减少质量浪费；利用实际生产运行数据，提高离线和在线模型的精度； 及时发现收率偏差，及早发现装置的问题，进行维护或修理等。 ? 融入了一些流程行业的专有关键技术，如一体化计划、物料平衡技术、装置校正技 术、全面质量管理技术、动态成本控制技术、设备故障监测与分析等，以满足解决 505 主题九：信息集成技术研究及应用 生产现场各种复杂问题的需要。 在石化企业 MES 解决方案的基础上， 进一步拓展研究适合流程行业的 MES 系统解决 方案。 参考文献 1 王凌，王雄，金以慧. MES-流程工业发展的关键. 化工自动化及仪表,2001,2 8(4) :15 2 于海斌 ,朱云龙. 可集成的制造执行系统. 计算机集成制造系统,2000,12 6 (6) 3 Brian L. Harkins, Elliott S. Middleton, David A. Mushin. Linking the Plant Floor to the Enterprise: The Benefits & Pitfalls. 4 /news/news.asp?newsid=2005125163054156&classid=106126101.国际制造执行 系 统(MES)应用与发展 5 郭超， 金晓明， 荣冈.数据校正技术在流程工业企业物料平衡中的应用. 化工自动化与仪表,2005, Vol. 32 6 裴瑞凌，荣冈.炼油过程的智能工厂流程模拟仿真平台. 化工自动化与仪表，2005, Vol. 32 506 1本文由百有任何贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 主题九：信息集成技术研究及应用 石化行业 MES 体系结构的研究 王妙云，郭武，刘伟 （中国石化长岭分公司，湖南岳阳市，414012） 摘 要：本文探讨了流程行业 MES 的体系结构与特征，介绍了适合我国石化行业的 MES 的系统功能、技术 特点以及未来的发展趋势。 关键字：MES、体系结构 0 概述 目前，中国石化的大部分企业实现了以 ERP 为代表的企业管理信息系统，以及以 DCS、 PLC 和 SCADA 为代表的过程控制系统。尽管这两类系统的推广取得了较大成果，但其应用效 益没有达到充分发挥， 主要原因是企业在信息化过程中忽略了两者之间的有效配合， 导致企 业上层计划缺乏有效的实时信息支持、 下层控制环节缺乏优化的调度与协调。 企业经营管理 层与生产过程执行层双向信息流交互割断， 使得企业难以实时反应。 十多年前诞生的生产执 行系统 MES 致力于解决这一问题， 它作为 ERP 系统的执行机构， 对从生产命令下发到产品完 成的整个生产过程进行优化管理， 并实时的将生产过程信息反馈给 ERP 系统， 从而将生产活 动与管理活动信息有效的集成起来 23。目前 MES 在发达国家已经普遍推广。在我国， 90 年代末期开始 MES 的研究与应用，涌现出了一些 MES 产品。 1 国外石化行业 MES 解决方案 MES 的概念一经提出，就引起来各界广泛关注，在进行 MES 标准、规范、模型的研究 的同时，MES 的产品也逐渐推出。从 20 世纪 90 年代末开始，MES 产品由单一的 MES 功能模 块发展到整体解决方案。石化行业作为典型的流程行业，由于信息化基础较好，其对 MES 系统的需求很早就显现出来， 国内外很多著名的公司也投入了较大的精力开发实施面向石化 行业的 MES 系统。其中较为著名的 MES 产品解决方案有：Honeywell 的 MES 方案、Aspen 的 MES 方案、SK 的 MES 方案等。 1.1 Honeywell 公司的相关产品和技术 Honeywell 的所有业务模块是基于 Uniformance 平台实现的，其本质是一个一体化的 完整的业务系统的数据库（包括实时数据库、关系数据库、历史数据库、事件日志数据库） ， 业务模块和平台是紧耦合的关系。 Honeywell 的 MES 产品的核心是 Business.FLEXPKS。该产品将经营目标转化为生产操 作目标，同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈，从而形成计划管理层、生产执行层 和过程控制层三个层次的周期循环。 Honeywell 又将其 MES 解决方案与资产管理解决方案SSET.MAXTM、先进控制与区 域优化解决方案Profit.PlusTM、生产信息集成平台Uniformance 等应用套件和信息 501 主题九：信息集成技术研究及应用 集成平台整合为协同生产管理解决方案(Unified Manufacturing Solutions)，也可看成是 其广义的 MES 或者是 MES 功能模块的扩充。如图 1-1 所示。 图 1-1 Hoenywell MES 系统总体架构 1.2 Aspen Tech 公司的相关产品和技术 美国 ASPEN Tech 公司用于过程工业运营管理的 MES 产品为 ASPEN Plant elligence， 即智能工厂解决方案。Aspen 的软件模块由于历史原因相对独立，各模块是通过 Aspen operation Mangement（前身是 AEP）采用适配器集成为 Aspen one 的解决方案。业务模块 和平台是松耦合的关系。以信息总线为集成基础，具有分布存储可扩展、功能丰富、事件驱 动等特点。 ASPEN Tech 的 MES 解决方案自 1998 年推出，并不断发展和完善，得到了许多大型石 油化工公司的采用。方案主要包括流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度 与优化、先进控制与实时优化(RT-OPT)、实时数据库与信息管理、数据校正与物料平衡、绩 效监控与绩效管理、油品调和、生产指令管理与操作日志、油品移动和罐区管理等功能模块 以及 ASPEN Enterpise Platform(AEP)集成平台，实现生产经营管理与生产过程控制的一体 化。这些模块主要分布在 5 个应用套件中，即绩效管理、生产计划系统（PIMS） 、生产调度 优化（ORION） 、油品调合计划调度和生产管理与执行。 图 1-2 Aspen MES 系统总体架构 502 主题九：信息集成技术研究及应用 1.3 SK 的相关产品和技术 韩国的 SK 公司推出了 CIM 技术生产管理系统(OIS)，其总体架构如图所示。OIS 产品 技术特点在于： 1. 强大的计算引擎，包括：静态及动态的流程计算、 流量补偿计算、储罐毛、净容 积计算、物料移动计算 、成分和质量跟踪、不可测移动物料的计算等。 2. 所有工厂的事务数据统一存放在 Oracle 数据库，包括：流程物料 (实时数据、 手工数据、计算数据)、进出厂业务数据、公用工厂消耗数据、计划及调度信息、 制造成本、成品质量、环保数据等，为用户及应用提供统一的数据库。 3. 应用数据集成， 包括从独立的实时系统(RTS)分离出相关数据、 从实验室信息系统 (LIMS)接受质量分析数据、 从储罐测量系统(TGS)接受储罐液位数据、 从进出厂系 统接受进出厂物料数据、为其他应用提供直接查询、与 ERP 交换收发料确认信息 及会计信息等。 图 1-3 SK OIS 系统总体架构 1.4 国外 MES 产品特点和不足 国外 MES 系统和产品大都采用 C/S 模式，综合运用了面向对象技术、分布式对象计算 技术(COM/DCOM、CORBA)以及实时数据库技术等，对 MES 中资源配置、作业调度、生产过程 的实时管理以及质量管理等基本功能进行了应用集成， 有效的实现了对车间生产的跟踪、 控 制和优化。 虽然这些 MES 产品各有优势和侧重点， 并在国外企业的应用中取得了显著的效果， 但是由于它们所建立的、 作为 MES 核心的企业生产过程模型不适应国内企业环境的特点， 需 要重新开发；大部分的 MES 产品缺乏一个通用、标准的应用集成平台，各种厂家的 MES 应用 所采用的软件技术差异较大， 难以与遗留应用以及其它 MES 应用形成无缝的集成， 需要对系 统进行二次应用开发。要采用其作为国内企业实施 MES 的完整解决方案存在诸多问题和不 足。 2 中国石化 MES 的体系结构 中国石化紧跟时代发展的步伐，在信息化建设与研发方面一直走在行业前列，多年的 503 主题九：信息集成技术研究及应用 系统应用经验使大家清楚的认识到 MES 是流程工业综合自动化技术发展的关键1。中国石 化信息化总体规划明确提出了实现以 ERP/MES/PCS 为核心架构的综合自动化系统， 进一步加 强 MES 系统的建设，为 ERP 提供数据支撑，从而使 ERP 发挥最大的应用效益。中石化 MES 的体系结构如图 2-1 所示。 中石化的 MES 系统总体架构以数据集成平台为核心， 以物流跟踪主线， 全面支持罐区管 理、仓储管理、进出厂管理、公用工程管理、化工辅料管理等关键业务。 该体系结构的设计过程中，重点考虑了以下因素： （1）MES 与 ERP、PCS 间的数据集成关系，充分体现它石化企业综合自动化体系中的 重要性和纽带作用。 （2）体现石化行业的特色，进行合理的模块化，各模块之间相对独立，又互有联系。 不同的模块可独立实施， 保证了 MES 系统的开放性和柔性。 它们最终通过 MES 数据集成平台 实现计划、调度、控制、统计各模块信息的准时传递。 （3）参考石化行业业务模型，建立企业核心生产数据模型，采用数据驱动的思想，实 现生产和管理等不同信息集成的功能。在数据集成过程中考虑人为因素的集成。 图 2-1 中石化 MES 的总体架构 中石化的 MES 通过生产过程信息处理和支持系统提供的信息与知识， 对生产统计、 生产 调度、装置运行、生产成本等进行实时管理，强调实现生产过程优化运行、优化控制和优化 管理等核心技术，以实现生产全过程的调度平衡、统计平衡来保证生产过程的优化管理，以 实现生产过程的物流跟踪、加强罐区管理、进出厂管理、仓储管理、装置管理来保证生产过 程的优化控制。以实现公用工程和化工辅料消耗管理来保证生产过程的优化运行。 3 石化行业 MES 的应用 国内外石化行业都非常注重企业信息化的建设， 90 年代， 到 企业资源规划系统 （ERP） 、 供应链管理（SCM） 、先进计划系统（APS） 、实时数据库系统（RTDB） 、先进控制系统（APC） 、 504 主题九：信息集成技术研究及应用 实时优化系统（RTO）和集散控制系统（DCS）等系统都较大程度的得到应用。如 BP 公司在 美国和欧洲的企业实施了非常完备的 ERP、DCS、RTDB 和 APC 系统，如 Shell 公司在美国和 欧洲的企业实施了非常完备的 ERP 系统，DCS、RTDB 和 APC 系统实施了大部分功能。 MES 提出以来，这些公司又积极投入 MES 系统的建设中，通过 MES 将生产管理和生产操 作集成起来，用来支持整个企业的供应链的优化，并从中受益。如 BP 公司在美国和欧洲的 企业实施了 MES 系统的大部分功能，ExxonMobile 公司在美国和欧洲的企业实施了 MES 系统 的大部分功能，Shell 公司在美国和欧洲的企业实施了 MES 系统的部分功能， ChevronTexaco 公司在美国和欧洲的企业实施了 MES 系统的部分功能。 中国石化从 2004 年开始实施 MES 系统，目前部分企业实施了 MES 系统的部分功能。中 国石油也开始了 MES 系统的实施。 目前国内石化企业在信息技术方面的应用， 与国际大石油 公司仍然存在一定的差距。中石化从十五规划开始，开展以 ERP 为主线的信息化建设，到现 在已经 4 年多了， 信息化建设和应用水平有了很大的提高， 明显缩短了与国外先进水平的差 距。企业的注意力正在转向如何从这些项目中获得利益。目前中石化正大力加强企业 MES 建设， 以便于这些实施了的 ERP 系统更加有用。 中石化以国家 863 课题为背景， 以石化盈科、 中科院软件所、浙大中控为技术依托单位，建设炼化企业 MES 系统，并先后在茂名分公司、 荆门分公司、安庆分公司上线成功。 中国石化长岭分公司和中国科学院软件研究所承担的MES 集成平台及关键技术攻关 试点项目，经过多年的努力，完成了炼化企业数据集成平台和企业数据模型的建设，并在此 基础上开发了生产调度管理模块、 公用工程信息管理模块、 基于计划统计的物料平衡模块和 质量管理模块。 系统构建了炼化企业业务模型， 实现了生产层面数据共享， 覆盖了油品罐区、 生产调度、计划统计等生产管理环节，解决了困扰企业多年的物料无法闭环控制的难题，实 现了从原料进厂到产品出厂的精细化