MES对过程控制系统(PCS)的数据采集

MESMES 对过程控制系统 对过程控制系统 PCSPCS 的数据采集 的数据采集 1 引言引言 随着计算机信息技术的高速发展 软件应用技术的不断普及 企业信息化 建设经验的不断积累和计算机信息管理系统应用水平的提高 使企业深刻地认 识到走信息集成化道路的重要性 实施信息集成化技术 已成为企业信息化建 设发展的一种必然选择 在流程制造行业的企业信息化建设中 位于底层车间 进行生产控制的是以先进控制 操作优化为代表的过程控制系统 PCS PCS 强调的是通过控制优化 减少人为因素的影响 提高产品的质量与系统的 运行效率 而位于上层的企业计划系统 ERP 强调的是企业的计划性 尽 管这两类系统的推广取得了一定效果 但却忽略了两者之间的有效配合 导致 企业上层经营管理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 为此 将经营计划与生产过程统一起来的生产执行系统 MES 应运而 生 2 MES 系统功能及构成系统功能及构成 MES Manufacturing Execution System 即制造执行系统 俗称生产执 行系统 MES 位于企业信息计划系统 ERP SCM 和过程控制系统 PCS 的中间位置 过程控制系统包括分散控制系统 DCS 和安全仪表系 统 SIS 等 ERP 作为业务管理系统 DCS SIS 属于控制系统 而 MES 则 是生产执行系统 MES 与上层 ERP 等业务系统和底层 DCS 等生产设备控制系 统一起构成企业的神经系统 一是把业务计划指令传达到生产现场 二是将生 产现场的信息及时收集 上传和处理 MES 不单是面向生产现场的系统 而是 作为上 下两个层次之间双方信息的传递系统 连结现场层和经营层 通过实 时数据库传输基本信息系统的理论数据和工厂的实际数据 并提供企业计划系 统与过程控制系统之间的通信功能 是应用于企业的重要信息系统 其具体功 能如下 2 1 资源分配 状态及人力资源管理资源分配 状态及人力资源管理 管理设备 工具 人员物料 以及其他生产实体 满足生产计划的要求对 其所作的预定和调度 用以保证生产的正常进行 提供资源使用情况的历史记 录和实时状态信息 确保设备能够正确安装和运转 为单位提供每个人的状态 通过时间对比 出勤报告 行为跟踪及行为 包含资财及工具准备作业 为基 础的费用等为基准 实现对人力资源间接行为的跟踪管理 2 2 工序详细调度及生产单元分配工序详细调度及生产单元分配 提供与指定生产单元相关的优先级 Priorities 属性 Attributes 特 征 Characteristic 以及处方 Recipes 等 通过基于有限能力的调度考虑 生产中的交错 重叠和并行操作来准确计算出设备上下料和调整时间 实现良 好的作业顺序 并最大限度地减少生产过程中的准备时间 以作业 订单 批 量 成批和工作单等形式来管理生产单元间的工作流 通过调整车间已制订的 生产进度 对不合格品进行处理 用缓冲管理的方法控制任意位置的在制品数 量 当车间有事件发生时 要提供一定顺序的调度信息并按此进行相关的实时 操作 2 3 过程管理 生产跟踪及维修管理过程管理 生产跟踪及维修管理 监控生产过程 自动纠正生产中的错误并向用户提供决策支持以提高生产 效率 通过连续跟踪生产操作流程 在被监视和被控制的机器上实现一些比较 底层的操作 通过报警功能 使车间人员能够及时察觉到出现了超出允许误差 的加工过程 指示出作业的位置和在什么地方完成作业 通过状态信息了解谁 在作业 供应商的资财 关联序号 现在的生产条件 警报状态及再作业后跟 生产联系等其他事项 为了提高生产和日程管理能力 对设备和工具等维修行 为的指示及跟踪 以实现设备和工具的最佳利用效率 2 4 计划管理 执行分析及文档控制计划管理 执行分析及文档控制 监视生产 为作业者的议事提供支持 从内部起作用或从一个作业到下一 个作业进行计划跟踪 监视 控制 从外部包含让作业者和每个人知道允许误 差范围的计划变更警报管理 通过对过去记录和预想结果的比较 提供报告实 际的作业运行结果 执行分析结果包含资源活用 资源可用性 生产单元的周 期 日程遵守 及标准遵守的测试值 控制和管理并传递与生产单元有关的工 作指令 配方 工程图纸 标准工艺规程 零件数控加工程序 批量加工记录 工程更改通知以及各种转换操作间的通讯记录 并提供信息编辑及存储功能 将向操作人员提供操作数据或向设备控制层提供生产配方等的指令下达给操作 层 同时包括对其它重要数据 例如与环境 健康和安全制度有关的数据以及 ISO 信息 的控制与完整性维护 2 5 数据采集数据采集 通过数据采集接口来获取并更新与生产管理功能相关的各种数据和参数 包括产品跟踪 维护产品历史记录以及其他参数 实现 DCS SIS 系统以及智 能设备等与生产执行系统之间的数据交换 从 MES 系统功能可以看出 数据采集和通讯功能是至关重要的 保证了 业信息集成化的实施 实现 PCS MES ERP 层架构成为一个有机的整体 3 对对 PCS 系统的数据采集系统的数据采集 MES 系统 无论从功能模型还是信息模型以及技术上 均覆盖了流程生 产行业和离散制造行业 石油化工是典型的流程生产行业 大多采用大规模生 产方式 生产工艺技术成熟 广泛采用 PCS 系统 控制生产工艺条件的自动化 设备比较成熟 对于 MES 系统 数据采集是整个系统最重要的部分 以某一 大型化工企业为例 对 MES 与 PCS 之间的数据传输进行阐述 数据采集接口 采用国际标准的 OPC OLE for Process Control 接口 使接口标准统一化 将实时数据上传至 MES 专用的数据库中 同时也保证了传输速度与数据质量 3 1 横河公司横河公司 DCS 系统数据采集方案系统数据采集方案 横河公司的 DCS 系统是 Centum 系列 DCS 系统通过安全 VPN 协议 使用加密数据包 与管理网内横河工厂信息管理平台 Exaquantum 服务器通讯 在控制网和管理网之间有效地利用防火墙 确保控制系统安全性 装置的过程 数据利用 Exaquantum 服务器的 OPC 接口 通过标准的 OPC 接口向 MES 提 供数据 MES 系统不仅可以获取原始的过程数据 而且可以利用 Exaquantum 对这些过程数据进行处理 根据要求进行计算和累积 从而更有效的建立工厂 数据结构 满足 MES 对过程数据采集的要求 MES 所涉及的横河 DCS 控制 系统包括 Centum uXL XL CS CS3000 等多种版本 而部分版本不支持直 接加装 ExaOPC NTPF100 服务器 需要系统软件升级至 CS3000 系统 具体 实现方法是通过建立独立的 OPC 务器 采集并传输过程数据 OPC 服务器安 装横河专为 MES ERP 系统接口开发的 ExaOPC NTPF100 软件包 该软件 包提供丰富的接口功能与强大的软件通讯处理能力 同时 独立的 OPC 服务 器的网关型结构以及增强的 VPN 连接 确保了 MES 与 DCS 系统的网络隔离 保证生产系统的稳定运行 对于 CS3000 CS1000 CS 系统 每套装置增加一台 ExaOPC NTPF100 服务器 安装以太网网卡及与控制总线 VNet 通讯的 VF701 卡 并 安装 ExaOPC NTPF100 软件包 ExaOPC NTPF100 通过 VF701 卡直接与 CS 3000 CS1000 CS 控制总线 VNet 连接 由控制总线直接从控制器读取 过程数据以及进行报警事件通讯 ExaOPC NTPF10O 服务器与 ENG EWSS2 程师站等值化工程数据 ExaOPc 服务器使用组件 VPN Manager 将过程数据转换至基于 PPTP 安全 VPN 协议的数据链路 传送至 Exaquantum 工厂数据服务器上 对于 Centum uXL Centum XL 系统 需要将系统升级为 CS3000 系统 增加一台 HIS 操作站 同时增加一台 ExaOPC 服务器 ExaOPC 通过 VF701 卡直接与 CS 3000 控制总线 VNet 连接 由控制总线直接从控制器读取过程数 据以及进行报警事件通讯 ExaOPC 服务器使用组件 VPN Manager 将过程数 据转换至基于 PPTP 安全 VPN 协议的数据链路 传送至 Exaquantum 工厂数 据服务器上 3 2 艾默生公司艾默生公司 DCS 系统数据采集方案系统数据采集方案 艾默生公司的 DCs 系统包括 WDPF 控制系统和 DeltaV 控制系统 均可 通过 OPC 技术实现与 MES 系统之间的数据接口 利用 OPC 服务器的接口 向 MES 提供实时的过程数据 WDPF 控制系统的 OPC Server 运行于接口站上 从控制系统高速公路获取 实时数据 并响应 OPC Client 的数据请求 OPC Client 为实时数据库自带的 数据接口软件 负责向 OPC Server 发出数据请求 并在接收到数据响应后将 实时数据送入数据库 从物理实现上看 接口站通过以太网卡分别连接控制系 统网络和管理网络 并通过在其上运行的 OPC Server 获取控制系统数据 OPC Client 亦可运行于接口站 通过以太网将实时数据送入数据库 OPC 技术的采用 可以将 DeltaV 系统毫无困难地与工厂管理网络连接 避 免进行二次接口开发的工作 实现各工段 车间及全厂在网络上共享所有信息 与数据 需要配置一台 DeltaV 系统应用站 建立一个硬件平台 OPC Server 就安装在应用站内 用户可以方便地将数据取到工厂网上来进行管理 把实时 数据取出并存放到开放的数据库中 完成数据信息的采集和管理等工作 3 3 霍尼韦尔公司霍尼韦尔公司 DCS 系统数据采集方案系统数据采集方案 霍尼韦尔公司 TDC3000 TPS DCS 系统有专门的数据采集接口 即 APP 节点 Application Processing Platform 该节点通过专用的 RDI 接口 Real time Date Interface 与霍尼韦尔公司的 Uniformance 平台 也是 MES 数据库平台 进行数据采集 没有通讯量的限制 MES 的数据采集接口 APP 是专用的接口 独立于生产控制系统 起到了防止与 DCS 设备混用的作用 隔离网络病毒 保障了 DCS 系统的自身安全 可以在系统上直接扩容一个 APP 节点 进行在线安装 不影响装置的生产和操作 对于系统软件版本比较 低的系统需要进行升级 包括操作站主机和系统软件版本的升级 然后增加 APP 节点 实现 MES 的数据采集功能 3 4 山武公司山武公司 DCS 系统数据采集方案系统数据采集方案 山武公司的 Harmonas DEO 全部支持 OPC 接口 通过 DOGS 接口连入 工厂管理网 DOGS 作为一个符合工业标准的 OPC Server 使客户端 PC 的 应用程序通过 OPC Server 读取过程数据 因此 安装了 DOGS 后 工厂管理 网上的客户机就可以通过自行编制的应用程序 VC VB 来存取 Harmonas DEO 系统中的各种过程数据 使得山武的 Harmonas DEO 系统方便地连入工 厂管理网中 3 5 浙大中控公司浙大中控公司 DCS 系统数据采集方案系统数据采集方案 在 DCS 系统建立独立的 OPC Server 采集并传输过程数据 OPC Server 安装浙大中控专为 MES ERP 系统接口开发的 OPC Server V3 4 软件包 提供丰富的接口功能与强大的软件通讯处理能力 同时 独立的 OPC Server 网关型结构确保了 MES 与 DCS 系统的网络隔离 保证生产系统的稳定运行 每套系统在硬件方面增加 一台操作站作为 OPC Server 安装 3 个以太网卡 并安装系统软件包 OPC Server 软件 OPC Server 通过双以太网卡直接读取控制系统过程数据以及进 行报警事件通讯 OPC Server 的另一块以太网卡向 MES 系统传送过程数据 浙大中控 DCS 系统增加 OPC Server 实施起来比较容易 基于中控系统的开放 性和集成性设计 可以在不用系统停机的情况下任意加装 OPC Server 软件 使该站作为 OPC 服务器 同时向上层网络发送数据 3 6 和利时公司和利时公司 DCS 系统数据采集方案系统数据采集方案 和利时公司各系列的 DCS 产品使用平台各不相同 早期的 HS2000 为和 利时专用协议 无通用 OPC 接口 而且 MACS 与 SmartPro 的产品的 OPC 接 口版本也不一致 故针对 HS2000 MACS 和 SmartPro 系统需要不同的接口 解决方案 以实现和利时 DCS 系统与 MES 数据库的无缝连接 由于和利时 HS2000 DCS 是早