MES在罐区仓储中的应用

2016-04-29 15:20:55 sophie

对石化罐区的计算机控制系统的作业模式和MES的应用领域进行了分析。说明了MES与ERP、PCS之间的关系和其各自的应用范围,结合罐区的实际情况对MES系统在石化罐区仓储中的应用方法进行了阐述。根据生产状况确定罐区MES的系统结构;对作业数据流进行分析,将系统划分为SCADA子系统、统计、计量、实时数据采集等模块,对系统内的功能进行了描述,同时详细表述了各模块实现方法和各软件间的集成手段。

一、项目背景

    当今的企业面临着日益激烈的竞争,客户的需求则变得更加苛刻。面对更严格的质量、更短的交货期、更多的品种、更为频繁的订单调整,企业实施了ERP(企业资源计划),并加强了PCS(过程控制系统)。但是ERP无法获取现场的生产情况,同样PCS无法直接从ERP得到生产计划从而也无法进行生产,所以在ERP和PCS之间形成了信息断层。为了应对这种情况,生产执行系统(Manufacturing Execution System,MES)产生了。MES在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁,填补了两者之间的空隙。

    石化行业作为一个基础行业,包括石油炼制、石油化工、仓储转运等生产领域。在石油化工行业DCS、PLC系统已成为石化企业的主要控制手段;同时大多数石化企业已经在信息化方面特别是ERP上进行了大量的投入,所以大多数企业有完备的ERP和PCS。这样的状况非常有利于MES的实施,而流程调度执行系统作为MES的子系统,如果能在石化行业中得到应用,将会带来巨大的经济效益。

二、MES概述

    随着企业在不断采用集散控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)以及先进控制等手段,努力提高程控系统(PCS)自动化水平,企业的管理决策层在实施ERP系统的同时,出现了(1)孤岛效应:各个PCS之间生产数据无法共享,之间的工作无法协作;(2)断层效应:ERP与PCS之间无法进行数据交换,生产单元间的资源调配、计划执行以及生产监督等,车间的管理很大程度上是依赖于实际经验来进行。这些问题严重制约了企业综合自动化的发展。针对这一问题,美国先进制造研究所(Advanced Manufacturing Research,AMR)于1990年提出了生产执行系统(Manufacturing Execution System, MES)的概念,并于1992年提出了三层的企业集成模型(如图1)。MES强调:(1)MES的优化目标是整个生产过程;(2)MES需要收集生产过程中的实时数据并对实时事件进行及时处理;(3)MES同时与MRPⅡERP系统级计划层和车间中制造设备控制层保持双向通信能力,从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。

 MES在罐区仓储中的应用

图1 三层的企业结构图

三、业务状况分析

    作为国家大型库区,其中:库存容量超过500万立方;多条长输管线。罐区内具有了较高的自动化控制水平,以及较为先进的信息化管理模式。

四、系统实现

    MES由SCADA系统、统计模块、计量模块、实时数据采集模块等主要模块组成(如图2)。这些模块涵盖罐区计算机控制系统的主要应用,满足了罐区仓储的流程应用。

 MES在罐区仓储中的应用

图2 系统结构图

    1.SCADA系统

    SCADA是监控及数据采集的简称,作为一种人机接口被广泛运用于各种自动控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制的自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

    作为唯一通过控制系统的对现场设备进行操控的手段,SCADA系统的作用是非常重要的。在罐区控制系统中它不仅提供了对现场设备的监控、报警、参数调节等功能,还具有历史纪录、参数趋势、数据统计的能力,同时还可以通过ODBC对数据库进行操作。

    SCADA系统作为操作流程的重要组成部分,操作人员80%以上的工作都是围绕着SCADA系统来完成的。

    2.统计模块

    统计模块是流程调度执行的终点,模块根据调度信息和生产执行信息,进行自动的生产记录、跟踪和分析。统计人员则通过对这些值的判断、比较和选择,运用油罐计量模块对生产情况进行总结,并生成相关的报表。对于流程调度执行系统来说主要有两个功能:

    (1)提供一个油罐计量的工具;

    (2)给统计人员提供收付报表和库存报表。

    3.计量模块

    油罐计量是罐区操作和管理流程中重要的一环,油罐计量涉及到与货主的交接计量,统计生产核算等方面。但是,在原有系统内还在使用手工计量或者单机计量的原始方式,这些方式不仅容易出现计算误差,还非常难于维护。另一方面,在库区内,油品的吞吐量非常大,对于油罐的计量来说可以获得的生产数据又非常的有限,这就造成了在计量环节上出现微小的失误,对于结果误差将会被极度放大,为此在系统内开发了一套计量模块。

    对于系统油罐计量关系到流程执行的准确性。其中有一个很重要的参数是收付量,这个参数在正常流程中决定了作业的唯一结束条件,而收付量这个参数有两个手段产生:(1)油罐计量,(2)流量计计量。流量计计量数据可以从实时数据交换模块中直接获取,但是根据实际生产流程要求,每一次生产流程都必须使用两种计量手段实施计量。油罐计量有一个很突出的特点:可预测性,油罐在收付产品之前就可以预测这次作业完成后的状态。因为有这个特性,流程调度执行系统就可以在流程作业开始之前就确定好流程的结束条件,而流量计计量必须实时根据流量计的数据来判断是否结束流程,所以油罐计量的准确、方便与否和流程调度执行系统的关系密切。油罐计量的计算方法符合国家标准,误差小于0.1% 。

    4、实时数据采集模块

    在库区控制系统种类繁多,系统与系统之间几乎没有任何联系,而且这些控制系统使用不同的传输协议在操作站和控制器之间进行数据传输。在这种情况下,控制层和执行层的数据无缝交换是不可能实现的。因此要实现数据集中,并向执行层和管理层发送相关数据,那么只有分别对每一个控制系统编程进行一对一的数据交换。

    OPC是基于OLE/COM/DCOM技术的,它采用客户/服务器模式,把开发访问接口的任务放在现场设备的生产厂家,以OPC服务器的形式提供给用户即OPC客户端。OPC服务器收集现场设备的数据信息,通过标准的OPC界面提供给OPC客户端使用。

    在流程调度执行系统中,OPC实时数据平台作为实时数据交互模块的主要组成部分,他不仅向实时数据库提供实时数据,还将流程调度模块所发出的设备执行指令下发给PLC系统。总而言之,OPC实时数据平台是一个透明双行的数据信道,是执行层与控制层的实时数据交换的唯一手段。

    在流程调度执行系统中使用了B&R PLC系统,他提供了名为PVI OPC的OPC服务器软件,这个软件提供了一套完整的获取PLC数据的方法,在与PLC通讯的过程中需要进行系统端口、IP地址、通讯模式、所需数据等等方面的设置,便可获得PLC中现场设备的运行参数和状态。

    系统中为了保证算法可以得到准确的路径结果,ORACLE数据库同PLC系统之间的数据同步非常重要。在它们之间的数据交换都是低实时性的(秒级),所以在整个过程中可以使用第三方的OPC控件编写的程序进行ORACLE数据库同PLC系统之间的数据交换。

    (1)指令数据流:Oracle直接调用DLL库同步PLC数据。

    (2)状态数据流:在系统中运行一个读取PLC数据的应用程序,进行实时的读取现场数据,直接向数据库中同步。

五、结束语

    随着石化行业管控水平的日益提高,MES系统必将在日常工作中得到更加深入的应用。