MES系统在炼化企业中的应用.docx

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MES系统在炼化企业中的应用

数据采集与监视控制系统指引石化企业安全问题

当前安全问题在全中国是一个被媒体、政府官员，企业领导天天挂在嘴上的话题，今后若干年，政府和企业要在安全方面投入大量的人力、物力。

数据采集与监视控制系统SCADA，给解决石化企业安全问题提供了一个很好的方向，石化企业中的DCS和IT维护单位应该在这个方面有所作为。

　　首先可以在以下两个方面做文章：

　　第一：

以保障安全为目的，在石油化工生产过程自动化控制方面加入和强化安全方面的模块，对生产过程中的数据，进行实时的安全监控、预警和分析，以便及时发现和处理问题。

　　这样可以在现有的DCS上做二次开发，使标准化的DCS更加符合目前的生产实际。

　　其次：

信息管理方面，强化实时数据的分类采集，把生产控制信息与管理信息进行有效的整合，建立信息化一体架构，解决企业的“信息化孤岛”问题。

其中包括包括ERP、MES、OA、硬件、网络、安全等等。

还应该建立安全专项网络数据库，利用网络平台把监控摄像头安装到需要监控的各个地方，对摄像画面进行智能化图像处理，发现不安全的迹象及时报警和处理。

　　然后在此基础上建立石化企业集中的数据采集与监视控制系统SCADA。

　　1、生产过程中强化安全控制

　　目前石化企业中的主要生产装置都采用DCS控制，装置各部分的温度、压力、流量等实时数据都可以采集上来，并且可以通过DCS进行实时控制，那么为什么不能够在现有基础上对DCS组态进行合理的修改和扩充，突出和强化安全控制。

　　目前新型的DCS都是开放的，而且开放标准逐渐统一为OPC基金会制订的OPC（OLEforProcessControl）标准。

一套正在运行的DCS，其系统数据处理量和仪表组态数据是在该系统初始组态时就决定下来的，在以后的生产,扩容与改造中，势必由于各种原因必须对系统进行组态数据修改。

其实各个DCS的生产厂家，都有修改组态设计的工具，Honeywell也好，Emerson也好，都有一套安全、快捷、准确修改组态的软件。

但要使用好修改组态工具，要有对装置生产工艺和设备状态深入的了解，和对DCS系统本身深入的理解，这样才能够保证高效率的完成对DCS控制站各种组态数据的修改，同时将对生产的影响降到最低点。

　　DCS是一种“分散式控制系统”，是系统就可以实现整个装置的功能与协调。

DCS整体控制功能非常好，工程师工作站，操作员工作站是一种紧密联合的关系，从工程师工作站可以下装组态方案到操作员工作站，站与站之间和被控装置间都是相互连锁控制和协调控制的关系，一旦组态完成整个装置的操控都在DCS的掌控之下。

　　一般DCS的组态原则都是以稳定掌控装置流程为基础的，如果我们在此基础上强化对一些事关安全的关键采样点的监控，并且事先编制好这些关键采样点异常后的处理方法，使DCS本身就能够化解一些装置运行过程中出现的一些危机，如果不能化解，就紧急报警，或者自动采取非常措施。

例如反应器温度过高，DCS采到异常样本后，先进行操作控制降温，进行操作控制后，如果不能有效降温，DCS就紧急报警。

如果有事先编制好的紧急组态流程就采样紧急流程进行处理，这样总比人工发现和处理要及时的多。

　　现在不是对紧急情况都要设置预案吗，这样做的好处其实就是充分利用了先进的DCS控制技术，把预案不光写在纸上，贴在墙上，而是集成到实实在在的实际测试与控制中间，当真正遇到安全危机的时候，装置就多了一道控制层的安全屏障，而且也不需要再增加很多的设备和投资，只需要要在原有的DCS常规控制组态的基础上，再开发安全组态和紧急情况处理组态。

　　目前DCS在一些人眼里已经没有多少开发和研究的价值，因为它已经十分成熟了，其实石化企业中有不少实际应用维护和研究单位，在保证DCS正常运行的前提下，吃透所维护的每一套DCS的方方面面，并在此基础上进行二次开发，是大有潜力可挖，大有文章可作的。

　　DCS在整个设计上就留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，要搞清楚这些可扩展接口性质，扩展接口的应用范围;充分利用DCS的双冗余控制单元，进一步完善冗余控制策略;对DCS的插件由板极维护，扩展到元件级维护，这些都是需要化很大气力才能够实现的。

　　最重要的还在对DCS系统软件方面，对各种工艺控制方案更新是DCS的一项最基本的功能，当生产方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命令就可以了，下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行，筛选对安全生产至关重要的控制措施，制定和研究紧急情况的控制预案，并把它们变成DCS控制语言，还有研究系统各种控制软件与算法使控制对象控制精度得以提高，这些都是石化企业内的维护研究单位可以做，能够做，而且能够做好的工作。

　　DCS本身很重视连续过程控制的精度，可实现PID、前馈、串级、多级、模糊、自适应等复杂控制，DCS系统还具有功能强大的SCAND软件包，具有配方功能，并针对不同行业开发了专家软件（化工工艺参数配置和控制算法），比一般的PLC等要应用方便的多，如果充分利用好这些工具那么我们就不是简单的维护DCS，而是在DCS基础上创新。

为了实现这一目标，石化企业应该培养一大批即懂计算机系统，又掌握各种编程方法，还熟悉炼油化工工艺的复合人才，这些工程师们必须了解各种DCS、了解现场各种设备，在软件编程语言上至少必须精通微软的VC++、VB以及UnixC++，甚至汇编;在编程接口方面必须精通OLE、OPC、DDE及各种API软件接口。

企业各级领导除了给这些人员创造培训机会以外，还要创造宽松的环境，给予适当的待遇，使他们在DCS维护、改进、完善的实践中不断成长。

　　当然也要创造开发实验的物质环境，因为修改了组态，特别是有关安全的控制组态，除非有绝对把握，是不敢轻易放到正在正常生产的实际生产装置上去，要有相应的仿真实验装置，在仿真实验装置上调试完善后才能正式应用到实际生产装置上去。

　　2、在信息管理方面突出安全信息的处理

　　在信息管理方面石化企业内的IT部门往往掌管着全公司的网络、重要的服务器以及承担着与总公司上达下联的重要角色。

如果能够及时和无遗漏的采集到和安全相关的重要数据，并且使用先进的方法加以去粗取精，去伪存真，及时反应到一线操作工、各级领导者和决策者的眼前，这也是石化企业内IT部门能够为企业安全生产作的重大贡献之一。

　　在石油化工流程型企业中，最重要的是生产密切相关的信息系统，它们实时获取DCS、PLC等生产系统中的现场数据，帮助管理者及时调度、指挥整个企业地理位置分散但又密切相关的现代化生产，这就是实时信息系统。

　　与一般信息系统相区别，实时信息系统最大的特点是系统的实时性。

由于有实时数据库的支撑，实时信息系统可以实时地反映生产装置的实际生产状况，查询到企业各生产现场的生产实时数据，这对于企业实时掌握生产情况，正确调度和指挥生产，以及及时处理生产中出现的问题具有十分重要的意义。

　　与一般的信息系统开发不同的是，由于实时信息系统的实时信息要从企业的生产现场自动采集得来，所以实时信息系统的开发不只是纯软件的工作，还有生产现场数据实时采集、数据网络实时通信等大量现场工作。

这里有必要讨论实时数据库与现场的关系。

　　从上个世纪80年代末开始，中国的石化企业开始引进DCS技术和产品，随着DCS系统的大量应用，企业的生产规模越来越大，企业的管理层就有了生产数据集中的需求，即对实时信息系统的需求。

90年代初，在引进国外实时数据库的同时，石化企业内的一些应用研究部门开始研究实时数据库的理论并付诸实践，并取得的一些成果。

10多年过去了，现在的实际情况是：

很多生产装置的实时生产数据倒是采集上来了，但是他们都是各自孤立的，对管理层，特别是决策层没有多少实际的意义。

这里面一方面是由于没有把采集上来的实时数据进行科学的筛选和分类，另一方面就是从实时数据库到实时信息系统的构建有相当的技术难度，而且运行和维护好一个实时信息系统决非易事。

　　目前在理论上对实时数据、实时数据库的结构等基本方面还没有统一的定义和处理方法，实时数据库要达到关系数据库那样理论和系统的统一尚需时日。

不同开发商的实时数据库系统对于实时数据的定义、理解和处理不尽一致，对于实时数据库的功能和性能的要求也不尽一致，实时数据库能达到的实际性能与功能也是参差不齐，对实时数据库的访问也没有类似SQL语言那样的标准。

再加上石化企业的现场采样前端设备五花八门，出自不同的厂家，出自不同的年代，采样的标准也不一样。

后台对这些数据的处理方式也不相同，所采样的底层数据库也不一样，要想把他们在一个模式下统一起来，需要很大的工作量。

　　在流程型工业中实时数据原本是指存在于生产现场的生产参数如温度、流量、压力、物（液）位等，在现代化生产中这些实时数据已经被变送器采集并转换为数字量而存于DCS或PLC系统的局部实时数据库中。

这些数据，按数据的类型分，实时数据可分为模拟量、累计量和开关量。

模拟量可以是温度、压力、瞬时流量、物位、产品度量、产品质量等，模拟量的特点是仅与时刻有关;累计量可以是累计流量、产品产量、原料消耗量、库（罐）存量等，累计量的特点是不但与时刻有关而且与时间段的起始与结束时刻有关;开关量如电力开关的位置、阀门的开闭、设备的在线与备用、生产控制中的操作条件等，开关量的特点是二位式数据。

实时数据的最大特点是时效性，实时数据在模拟系统中仅仅在某一时刻有效，在数字系统中由于实时数据存在时间上非连续的模数转换，实时数据只在本采样周期内有效，过了有效期的数据便失效。

　　实时数据库即存储实时数据的数据库。

由于实时数据的时效性，实时数据库中存储的实时数据应该能尽量跟上现场实时数据的变化，否则实时数据库中存储的是无效数据。

事实上，数字系统不可能像模拟系统那样几乎没有滞后地跟随现场的变化，数字系统的滞后主要取决于DCS（或PLC系统）的数据采集的采集周期，数据采集周期的选择又与数据载体参数的变化速率（载体的时间常数）有关。

一般的数据采样周期数量级在0.1秒至1秒左右，用于闭环控制的采集周期可能小些，仅用于测量的采集周期可能大些。

从方便观察的角度说，数据的变化周期又不可太快，在DCS或PLC系统的人机画面上，实时数据的刷新周期在1～2秒。

如果实时数据库能以2秒的周期跟上实时数据的变化，则用于流程型工业的企业级实时数据库的实时性能就可以得到保证。

但是由于种种原因，现场运行的实时数据库系统包括使用进口实时数据库的系统只有个别系统能达到这一指标，大多数数据都要延迟和滞后。

但是这种延迟和滞后除了类似于安全阀起跳这一类情况有影响以外，对其它控制反应并没有多大影响。

相反的如果控制反应太敏感了，反到会使生产装置运行不平稳。

　　我们筛选实时数据中事关安全的数据，对这些数据进行分析和处理，包括对数据合理性的判断、数据滤波等。

而数据处理是计算机的“强项”，就看怎样去建立数学模型，怎样去对异常的数据变化，有效的进行适当的反应、报警和处理，这方面应该是在信息管理方面突出安全信息的核心工作。

　　另外在信息系统中采集上来的有关安全的数据是可以存储在磁盘上的，这些存储在磁盘上的有关安全的历史数据，又是我们在万一发生事故后，分析和处理事故的重要证据之一，有了这些第一手的现场实时数据，何愁事故不好分析，事故原因不好查。

　　目前在石化企业内采样TCP/IP的应用层协议的Web、HTTP、FTP应用比比皆是，内部网络的速度越来越快，在此基础上我们应该加入视频应用，在一些对保障生产安全至关重要，而人又不能时刻监控到的现场都安上摄像头，和常规的工业电视不一样，这种视频监控点，视频画面不一定要很连续，但要有画面的智能分析。

图像智能分析系统可以发现画面的严重异常，例如位移、火灾、泄漏、爆炸等，发现画面异常后可以采样声、光、电报警，还可以使用即时通讯系统，例如QQ、MSN自动通知相关人员，甚至可以自动打电话、发移动短信报警。

而建立这种系统，费用又不是很高的，因为网络系统是现成的，就像QQ视频聊天一样，在生产现场安装的摄像头无非就是要求防爆，如果规模采购价格也不会高多少的。

　　在以上应用的基础上，还可以建立安全专项数据库，至少可以建立一个事故追溯数据库，在这个数据库中不光有事故的记录，还应该有实时数据的分析系统，要集中处理，力求实用，最好能够通过数据库找出事故的临界值来。

　　3、建立石化企业集中统一的数据采集与监视控制系统SCADA

　　SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition），数据采集与监视控制系统）是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。

它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。

　　其实SCADA系统也不是新鲜东西，它的发展自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。

国内电力系统、铁路系统很早就有使用，现在已经广泛使用。

石油、石化系统近几年也开始重视SCADA。

　　在这里不妨看一看SCADA的发展简史：

　　第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，开始到70年代。

　　第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。

第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。

　　第三代是90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系型数据库技术的能够实现大范围联网的SCADA系统。

这一阶段是各种最新的计算机技术都汇集进SCADA系统中。

　　第四代SCADA系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。

　　我们目前刚好赶上第四代SCADA系统发展的大好时机。

　　首先，石化企业各个生产装置的DCS、PLC等已经可以给我们提供大量的实时数据，SCADA系统的建立正好是水到渠成，我们利用这些数据，除了进行安全分析和控制以外还可以进行生产控制、计量控制、调度控制以及扩展到经营管理和控制。

集中了这些数据，今后令人头痛的仿真模拟和仿真培训系统也不是无源之水了。

　　其次，目前石化企业都已经建立了比较完善的计算机网络，信息化方面，企业的办公系统、生产调度、销售、供应、人、财、物等各方面都已经有比较完善的数据库系统，所欠缺的就是都是各自为政，把这些孤岛连接起来，为我所用，是建立集中统一的数据采集与监视控制系统SCADA的主要工作之一。

　　要把现有的各种实时数据，和其它数据库数据整合到SCADA下面，就要充分利用第四代SCADA的技术，用好面向对象技术（OOT）、Internet技术、神经网络技术及JAVA技术。

　　面向对象技术（OOT），就是是以认识论为基础，用对象来理解和分析问题空间，并设计和开发出由对象构成的软件系统（解空间）的方法。

由于问题空间和解空间都是由对象组成的，这样可以消除由于问题空间和求解空间结构上的不一致带来的问题。

简言之，面向对象就是面向事情本身，面向对象的分析过程就是认识客观世界的过程。

面向对象方法的主要优点是：

符合人们通常的思维方式;从分析到设计再到编码采用一致的模型表示具有高度连续性;软件重用性好。

例如，在财务方面，经理、员工、顾客、帐本、打印机，直接作为对象出现的程序中。

他们相互通信，完成诸如存取款、会计结算、打印报表等业务。

以往的编程技术只用数据结构和算法来模拟要完成的业务，虽然可以得到所需计算，但经不起修改。

如果增加某项业务，如代营股票，则程序几乎要重编。

而现在只要把增加的业务加到顾客、帐本、员工、打印机这些对象上就可以了。

　　Internet技术，就是TCP/IP的应用层协议下的Web、HTTP、FTP等应用，一般客户机都不用装其它专门软件，只需要使用浏览器就可以访问数据库，和进行各种操作，目前这些应用已经十分成熟。

　　神经网络技术，是指一类新的计算模型，它是模仿人脑神经网络的结构和某些工作机制而建立的一种计算模型。

这种计算模型的特点是，利用大量的简单计算单元（即神经元）连成网络，来实现大规模并行计算。

神经网络计算技术的优势是鲁棒性、适应性和并行性。

神经网络计算技术的特点是，利用大量的简单单元进行大规模的并行计算。

我们知道，传统计算机的计算原理则是集中在少数处理单元上进行的串行计算，神经网络计算和传统计算有着根本的区别。

所以神经网络计算技术的优势也就表现在它的特点上，即表现在两个“大”字上。

一是“大”量的简单计算单元，它保证了计算的鲁棒性和适应性，二是网络的“大”规模并行计算，它保证了计算的快速性。

　　JAVA技术，最大特点就是跨平台，不管是什么操作系统，都可以在虚拟JAVA平台下集成起来，我们可以把不同厂家，不同版本的DCS、PLC以及其它数据利用JAVA语言，统一在一个平台下，最大限度的解决各种接口带来的麻烦。

　　综合面向对象技术、Internet技术，以及神经网络技术和JAVA技术，我们就可以把复杂的问题简单化，因此掌握和应用好以上技术，开发自己的SCADA系统就不会那么太难，关键就是需要熟知国内外本行业发展动态并且头脑清晰的技术领头人，还需要培养一大批即懂计算机又懂生产流程和具体业务的复合型人才，要逐步建立一个二次开发的工程技术队伍，这只队伍不只是能够干DCS和干石化企业的信息化工程，而是要具备系统的扩展、集成和二次开发能力。

要朝着开发石化企业自动化控制和信息工程中间件这个方向努力，将来要实现一般技术人员，利用我们开发的不同的中间件，就可以像搭积木那样，在现场搭建SCADA。

MES系统在炼化企业中的应用

20世纪90年代初，美国制造执行系统协会（MESA）提出“制造过程的间隙”的理论，成为制造执行系统（MES）发展的理论旗帜。

炼化企业作为典型的流程工业企业，随着原油价格的不断攀高及国内外企业竞争加剧，对于提升生产增效空间、加强精细化管理水平有着越来越迫切的用户需求，在此背景下，MES系统在国内外炼化企业的开发和实施工作也发展迅速。

对于MES系统的定义，国内外有着不同的观念，其中：

美国先进制造研究机构AMR将MES系统定义为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统，MES系统为操作及管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源的当前状态信息；而国际制造执行系统协会MESA将MES定位在车间现场除了企业资源规划（ERP），CAD/CAM和工业控制之外的所有功能的集合。

特别关注生产作业，是现场级与作业相关数据的总协调。

应该说，MES系统的概念随着信息技术的发展、用户需求的理解及实施效果的反馈而不断得到更新，从目前流程工业MES系统的产品及应用现状来看，MES系统在制造企业的应用主要担当了两个方面的重要作用：

一是数据双向通道的作用。

即通过MES系统的实施，可以有效弥补企业过程控制系统（PCS）层及ERP层之间的数据间隙，由下至上，通过对底层PCS层数据的搜集、存储及校正，建立过程控制数据层次上的数字化工厂，结合生产调度层次上的调度事件信息数据等，为上层ERP计划管理层提供准确统一的生产数据；由上至下，通过对实时生产数据的总结，上层ERP层可以根据未来订单及现阶段生产状况调整生产计划，下发MES层进行计划的分解及产生调度指令，有效指导企业生产活动。

因此，MES系统在数据层面上，起到了沟通PCS层和ERP层的桥梁作用，并保证了生产数据、调度事件等信息的一致性及准确性。

另一方面，生产活动的复杂性产生了很多实际的用户需求，为了满足这些用户需求，MES系统也可以视为一个功能模块的集合。

美国MESA将MES系统分为11个功能模型，分别是：

资源配置与状态、操作/详细调度、派遣生产单元、文档控制、数据收集/获取、劳工管理、质量管理、过程管理、维护管理、产品跟踪生产单元和性能分析，这些功能模型之间由数据流相互联系，作为一个有机整体覆盖企业生产层面上的绝大多数用户需求。

值得注意的是，不同行业的生产活动差异很大，对MES系统功能的要求及着重点也是完全不同的，另外，每个MES系统开发厂商对于功能模型的理解也存在差异，造成MES系统产品功能模型上存在一些差别。

美、日、欧等工业发达国家非常重视MES技术的研究及系统开发，并已经形成MES软件行业，MES软件市场在近期的年增长率保持在35%~40%幅度。

据AMR调查，通过实施MES系统，对企业计划落实，实现操作过程自动化非常有利，估计能减少45%的制造周期时间，减少75%的数据录入时间，减少18%的产品缺陷，减少61%的为交班而准备的纸面工作。

随着MES概念的提出及技术的发展，各相关国际组织都开始意识到了要对MES进行更加明确的定义。

MESA协会第一个、ISA随后都相继开发了相关的模型对MES加以描述，并试图通过模型使其标准化。

其中，ISA-SP95是仪器仪表、系统和自动化学会（ISA）定义的有关企业和制造业集成标准，作为详细阐述MES功能的国际标准，它明确指定了企业MES系统的接口和功能组成。

ISA-SP95委员会由最终用户、厂商和其他人员（集成商,学术界等）共同平等地构成，该委员会每年召开4~5次为期2~3天的会议，商讨关于标准发展的主要方法。

目前，这个标准由ANSI（美国国家标准化组织）/ISA共同制定和发布，分为了几个部分，其中第1、第2和第3部分在通过了IEC/ISO的评估后成为IEC/ISO62264。

炼化企业MES系统简介

MES系统面向生产现场而产生，与车间生产状况息息相关，因此存在很强的行业相关性。

由于每个行业的生产特点和流通序列不同，还有其特定的业务流程，造成不同的行业对MES的要求和着重点是完全不同的。

基于生产制造的行业特性，MES系统大体可以分为离散制造业、流程工业和批处理生产过程三种。

炼化企业是典型的流程工业企业，具有生产过程连续化、生产批量大、工艺规程相对固定和物料流向复杂等特点，随着原油价格的不断攀高及国内外企业竞争加剧，炼化企业对于提升生产增效空间、加强精细化管理水平有着越来越迫切的用户需求，在这个背景下，近几年MES系统在国内外炼化企业的开发和实施工作发展迅速。

以国外炼化企业为例，1、美国ExxonMobil公司在埃克森和美孚公司合并后，统一实施了POIS-2的第二代MES系统项目，这个项目分为三个阶段：

阶段一为通用基础设施改造，包括升级DCS和LAN、架设标准化桌面系统、安装Honeywell实时数据平台Uniformance和实验室信息管理系统LIMS等；阶段二为生产统计管理应用，包括实现生产统计，罐组份跟踪等；阶段三为操作管理应用，包括实现操作监视、装置平衡、能量平衡、物料移动、调合管理等。

2、巴西国家石油公司PetroBras公司是一个拥有11家炼油厂和2家化肥厂的大型炼化企业。

其MES方案包括：

计划和排产系统；实时数据库应用系统，负责收集生产装置、罐区、设备的数据，以及产品的质量数据；实现物料平衡，数据调整以及生产报表的生成；实现企业级的信息收集和汇总。

国内炼化企业从1999年开始，逐步意识到MES系统的开发及实施工作对于工厂信息化建设的重要性，这个过程主要分为两个阶段。

第一个阶段，炼化企业主要依据实际生产应用需求，在工厂开发实施一些独立非系统化的MES模块，例如锦州石化物料平衡系统、茂名石化的数据整合与物料平衡系统及镇海炼化的物料平衡与数据校正系统等；第二个阶段，炼化企业开始注重MES的系统及完整性，在PCS系统上架设统一的工厂实时/关系数据平台，向上连接ERP系统，形成完整的企业综合自动化系统三层结构；炼化企业在生产活动方面的用户需求通过功能模块的架构及实施得到解决。

在这个阶段，以中石油和中石化两大大型国有企业的下属炼化厂作为主要代表。

中石油是国内较早进行MES系统规划实施的公司之一，2000年11月，中石油完成了《中