流程工業(yè)MES中的數(shù)據(jù)集成研究及應(yīng)用

?目前，流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是由企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和過程控制系統(tǒng)（PCS）
??????????? 3個(gè)支撐系統(tǒng)構(gòu)成的體系結(jié)構(gòu)。ERP負(fù)責(zé)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)決定和生產(chǎn)規(guī)劃;MES負(fù)責(zé)企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度和系統(tǒng)過程優(yōu)化;PCS負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程控制。大部分的流程工業(yè)都擁有底層的控制系統(tǒng)，不少企業(yè)也實(shí)施了ERP系統(tǒng)。但是管理層和控制層之間仍缺乏有效聯(lián)系。MES是流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在整個(gè)流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中起承上啟下的作用，是企業(yè)生產(chǎn)與管理活動(dòng)的信息集成橋梁，非常有必要從企業(yè)全局的角度統(tǒng)一規(guī)劃面向整個(gè)生產(chǎn)執(zhí)行過程的的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集成是MES的功能子系統(tǒng)中的基礎(chǔ)。根據(jù)數(shù)據(jù)集成模塊的特點(diǎn)及重要性，本文提出了一種基于數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成方法。
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??????????? 一 MES中數(shù)據(jù)集成重要性及難點(diǎn)
??????????? 1 MES數(shù)據(jù)集成的重要性
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??????????? MES采集生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、集成原料和產(chǎn)品的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、集成設(shè)備狀態(tài)信息，并將這些信息進(jìn)行合并、匯總、規(guī)范、比較、分析等綜合處理，一方面為生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)提供依據(jù)，另一方面也為ERP提供及時(shí)、可靠、準(zhǔn)確的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策參考信息。
??????????? 數(shù)據(jù)集成是實(shí)施MES的基礎(chǔ)，將PCs層的生產(chǎn)運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量、原料和產(chǎn)品輸送、動(dòng)力能耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，使下層生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)信息和上層企業(yè)資源管理等的各類信息都在MES層中融合，并通過信息集成形成優(yōu)化控制、優(yōu)化調(diào)度和優(yōu)化決策等調(diào)度或指令。同時(shí)，數(shù)據(jù)集成模塊也負(fù)責(zé)將上層系統(tǒng)中的一些數(shù)據(jù)（如優(yōu)化值、設(shè)定值等）傳送到PCS。
??????????? 2 MES數(shù)據(jù)集成的難點(diǎn)
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??????????? 流程企業(yè)生產(chǎn)流程復(fù)雜，數(shù)據(jù)來源廣，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)方式多樣，且底層各控制系統(tǒng)彼此封閉，所采用的網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)也存在很大的差異，如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)系統(tǒng)和異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)綜合集成是MES數(shù)據(jù)集成中最大的難點(diǎn)。
??????????? 二 數(shù)據(jù)平臺(tái)特點(diǎn)及功能
??????????? 1? 數(shù)據(jù)平臺(tái)的提出
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??????????? 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行是直接建立在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之上的。由于上面的應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)底層的支撐環(huán)境依賴性較強(qiáng)，使得應(yīng)用系統(tǒng)與集成環(huán)境缺乏良好的開放性和可移植性，同時(shí)也很難解決異構(gòu)信息和異構(gòu)環(huán)境的集成問題，影響應(yīng)用系統(tǒng)的整體效益。因此提出了基于數(shù)據(jù)平臺(tái)的集成。
??????????? 2? 數(shù)據(jù)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)
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??????????? 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)RTDP（即實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)）實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、管理、歷史歸檔、維護(hù)、下寫和報(bào)警生成、事件記錄、時(shí)間同步等功能。同時(shí)，它作為運(yùn)行平臺(tái)，為運(yùn)行在它之上的各種應(yīng)用軟件提供實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)。它的總體結(jié)構(gòu)如圖I所示。

??????????? 3? 數(shù)據(jù)平臺(tái)的主要功能
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??????????? （1）數(shù)據(jù)的通信功能：主要是通過OPC,DDE,ODBC接口與監(jiān)控軟件、應(yīng)用程序和各種數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信，把下層的數(shù)據(jù)讀到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)中;把上層的命令信息通過這些接口回送到相應(yīng)的系統(tǒng)去。
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??????????? （2）數(shù)據(jù)的輸入和輸出處理：對(duì)進(jìn)入到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、量程轉(zhuǎn)換、報(bào)警的設(shè)定、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)的歸檔等。
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??????????? （3）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及重連：為保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)易監(jiān)控及自動(dòng)重連的功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)提示或報(bào)警。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)，能夠檢測(cè)到并自動(dòng)重連。
??????????????? （4）在線維護(hù)、組態(tài)及查詢：為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)提供在線維護(hù)功能;根據(jù)用戶的不同要求可以進(jìn)行組態(tài);提供查詢的功能。
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??????????? （5）數(shù)據(jù)的安全保證：因?yàn)閿?shù)據(jù)平臺(tái)涉及到與下層控制系統(tǒng)相連，關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)信息，同時(shí)由于還可能要與Internet相連，因此必須設(shè)立安全機(jī)制，絕對(duì)防止未經(jīng)授權(quán)的操作，保證整個(gè)信息系統(tǒng)的安全。
??????????? 三 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)集成的結(jié)構(gòu)模型
??????????????? 考慮到實(shí)際數(shù)據(jù)集成的特點(diǎn)，提出了如圖2所示的數(shù)據(jù)集成模型。右邊為集成模型的3個(gè)層次劃分，左邊為與企業(yè)信息集成3層模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

???????????????? 整個(gè)結(jié)構(gòu)主要分為3個(gè)層次:
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??????????? （1）底層是環(huán)境層，是指基于各種現(xiàn)場(chǎng)總線、DCS的各種專用控制網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、各種不同操作系統(tǒng)、以及多種的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。它可為上層提供實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù)，提供各種數(shù)據(jù)接口（如OPC,
??????????? ODBC, DDE, CORBA等），是數(shù)據(jù)平臺(tái)和最底層設(shè)備進(jìn)行信息交互的中介。
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??????????? （2）中間層是數(shù)據(jù)平臺(tái)層，它一方面根據(jù)下層提供的接口用相應(yīng)的方法與其進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)集成和管理、數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)通信等服務(wù)功能。當(dāng)有來自上層的調(diào)度、優(yōu)化等指令時(shí)，又將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，發(fā)送給相應(yīng)的系統(tǒng);另一方面為上層的應(yīng)用提供一些公用的集成支持服務(wù)，把下層來的數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的格式，為MES層的其它模塊（如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、流程模擬、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備管理、庫(kù)存跟蹤、質(zhì)量控制、優(yōu)化控制等）及上層的ERP提供實(shí)時(shí)的和非實(shí)時(shí)的信息。
??????????????? （3）上層是應(yīng)用層，它包括MES中除數(shù)據(jù)采集功能外的其它功能，以及與ERP相關(guān)的一些功能。
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??????????????? 基于數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成的特點(diǎn)如下:
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??????????? （1）通過數(shù)據(jù)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用集成。數(shù)據(jù)平臺(tái)為MES中其它模塊及上層的ERP提供了統(tǒng)一的集成環(huán)境，便于應(yīng)用開發(fā)與集成。
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??????????? （2）開放性。DDE,ODBC,Web,OPC等標(biāo)準(zhǔn)接F1實(shí)現(xiàn)了MES與其它應(yīng)用程序、Internet/Intranet的連接，為應(yīng)用開發(fā)提供了統(tǒng)一的系統(tǒng)資源和共享資源。

??????????? （3）透明性。基于平臺(tái)數(shù)據(jù)集成簡(jiǎn)化開發(fā)工作，開發(fā)人員可以直接面向平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，而不必考慮下層數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)或通信模式，這些工作全部由數(shù)據(jù)平臺(tái)負(fù)責(zé)完成。
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??????????? （4）數(shù)據(jù)平臺(tái)提供了共享的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，并同時(shí)支持多種應(yīng)用服務(wù)，可縮短信息系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，更有效地實(shí)現(xiàn)企業(yè)三層結(jié)構(gòu)的集成。
??????????? 四 集成實(shí)例分析
??????????????? 以下從某焦化制氣廠的現(xiàn)狀出發(fā)，分析如何利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)到達(dá)集成目的。
??????????? 1 現(xiàn)有系統(tǒng)的狀況
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??????????? 全廠有全自動(dòng)備煤系統(tǒng)、煉焦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、煤氣壓送站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、氣源調(diào)峰站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、生化站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、煤氣鼓風(fēng)機(jī)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、供配電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等8個(gè)車間級(jí)的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱子系統(tǒng)）;有汽車衡、軌道衡及煤塔秤等3個(gè)稱重系統(tǒng);有推焦車爐號(hào)識(shí)別、焦?fàn)t爐溫測(cè)量2個(gè)非連續(xù)的系統(tǒng)。為了充分利用現(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)資源共享，要實(shí)現(xiàn)對(duì)13個(gè)子系統(tǒng)的信息集成，建立覆蓋全廠各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，完成生產(chǎn)管理調(diào)度系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱調(diào)度系統(tǒng)）的建設(shè)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心對(duì)全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中監(jiān)視、集中管理。
??????????????? 由于整個(gè)工廠的發(fā)展經(jīng)歷了幾十年，從舊到新各個(gè)系統(tǒng)存在著較大的差異，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
??????????????? （1）硬件平臺(tái)。有工作站、個(gè)人計(jì)算機(jī)、工控機(jī)和服務(wù)器幾種計(jì)算機(jī)類型;從通信網(wǎng)絡(luò)來看有串口、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)控制網(wǎng)、局域網(wǎng)等。
??????????????? （2）操作系統(tǒng)。有Windows98,WindowsNT,Windows2000,WindowsXP共4種。
??????????????? （3）數(shù)據(jù)庫(kù)。有文本數(shù)據(jù)庫(kù)（Axt）,Access，SQLServer7.0、SQLServer2000,
??????????? paradox5.0, excel表格等。
??????????????? （4）開發(fā)工具:匯編語(yǔ)言，TurboC,VC,VB,Delphi等。
??????????????? 因此，本系統(tǒng)集成中的難點(diǎn)就是如何將基于各種異構(gòu)環(huán)境（異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)操作系統(tǒng)、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)等）的信息統(tǒng)一起來，達(dá)到集成的要求。
??????????? 2 系統(tǒng)集成的方法
??????????????? 根據(jù)要集成的系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們采用了基于上面集成模型的集成方法。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用了以交換機(jī)為中心的局域網(wǎng)。具體各部分的信息交換如下:
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??????????? （1）全自動(dòng)備煤系統(tǒng)、煉焦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、煤氣壓送站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、氣源調(diào)峰站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、生化站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、煤氣鼓風(fēng)機(jī)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、供配電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等這8個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由于都提供了OPC服務(wù)器，有標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，采用OPC接口與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行通信。
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??????????? （2）汽車衡、軌道衡及煤塔秤等3個(gè)稱重系統(tǒng)以及推焦?fàn)t號(hào)識(shí)別、焦?fàn)t爐溫測(cè)量2個(gè)系統(tǒng)，沒有連續(xù)的數(shù)據(jù)，而且都提供了數(shù)據(jù)庫(kù)，可以通過ODBC接口將相應(yīng)的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)平臺(tái)上。