一种通过批量控制软件对接MES与DCS的解决方案

2020-11-12施尹志史国芳黄奕龙

仪器仪表用户 2020年11期

施尹志，史国芳，郑辉，黄奕龙

（浙江中控技术股份有限公司，杭州 310053）

0 引言

以集散控制系统DCS（Distributed Control System）为代表的工业控制系统作为工业自动化领域中的核心装备系统，是自动化技术、计算机技术、网络通信技术相结合的产物，广泛应用于石化、化工等流程工业生产领域[1,2]。批量生产作为现代化生产过程的一个重要分支，广泛应用于精细化工、食品饮料、生物医药和农药化肥等部门[3]。

批量控件可作为数据管理软件，集成于过程控制系统（如：DCS）中，与工厂管理网中的MES（Manufacturing Execution System）/ERP（Enterprise Resource Planning）等上层管理调度系统相连接，具有一定的开放性。

随着精细化工产业的快速发展，其产业结构上出现了很大的变化，传统的少品种、大批量的生产方式已经不能满足现代精细化工的生产要求，逐渐向多品种、小批量的生产方式转变[4]。原有的批量控制系统遇到了很多技术难题：首先，多达数十甚至上百种原料使配方的复杂度大大增加，原有的批量控制系统能力已经不能满足要求；其次，产品的种类和更新速度的增加，导致配方程序的修改和制定的难度增加；同时，随着自动化控制技术的理论和计算机计算的飞速发展，对于工业控制集成化、标准化的要求也越来越高。

美国仪器仪表协会（ISA）在1995年制定了针对批量控制的ISA S88[5]标准。1997年，它被国际电工委员会（IEC）采纳为国际标准，该标准定义了一系列的术语和模型，以满足批量生产的控制需要，也让批量控制的发展进入崭新的阶段。

图1 系统层次结构Fig.1 System hierarchy

1 MES与DCS对接需求分析

随着智能制造与工业4.0的蓬勃发展，批量控制软件作为连接过程控制系统与管理系统的中间环节，作用越来越凸显。

在批量生产过程中，涉及到很多物理化学反应，对整个生产过程中的一些重要数据如温度、压力、投料量、时间等数据进行监控与记录，以便用于生产管理分析和数据指标管控，及时发现异常与不足并及时改进；同时，通过数据积累，用于车间成本核算，并借此对比车间管理指标变动规律，总结车间管理经验。而这些重要数据的查看、搜索、分析、对比等工作，一般由管理软件（MES/ERP）来完成。

在批量生产的实际生产环境中，传统MES/ERP与DCS直接对接的解决方案，因调度室与中控室距离较远，控制工程与信息工程实施分离等因素，存在数据调试困难，数据通信不稳定，工程组态工作量大，工程实施周期长等诸多现实问题。引入批量控制软件作为数据管理软件，作为MES与DCS中间层后，MES不再直接对接DCS。而S88标准化了批量控制的物理模型、逻辑模型，为两者的对接标准化提供了基础。不过，当下通过批量控制软件对接MES与DCS，业内并没有一套完善的解决方案。

基于上述情况，本文提出了一种通过批量控制软件对接MES与DCS的应对解决方案。本方案基于S88标准，将实时数据与命令数据双通道分离，在保证现场数据安全的前提下，提升数据交互效率。同时，本方案可将配方数据上送至MES，极大地简化了工程人员实施操作工序，提升了工程实施效率。

2 MES与DCS对接方案详细介绍

2.1 系统层次结构与网络部署方案

本方案中的批量控制软件（Batch），可提升DCS系统执行效率，改进生产管理方式。Batch开放标准接口，上接MES下连DCS，能够实现配方及指令的下传和信息上传，既是MES层与DCS层的纽带，也是批量生产控制调度核心。

图2 MES、DCS和Batch网络部署方案Fig.2 MES,DCS and Batch network deployment plan

图3 对接方案整体数据流Fig.3 Overall data flow of the docking solution

最底层是基础自动化（DCS+SIS+APC），中间层是批量控制软件，上层是生产执行系统（MES/ERP）。系统层次结构如图1所示。

控制相关网络均可配置为双网冗余，各服务器均支持主从冗余。MES与Batch通过工业防火墙隔离。Batch向MES开放WebService接口，同时推送生产实时数据至数据中转站（MQ Broker）。网络部署方案如图2所示。

2.2 对接方案介绍

主要数据流内容为：配方组态→工单计划→下工单（下单、撤消、改单）→工单生产→生产状态推送→生产数据推送→人工投料数据同步。数据通道跨平台、跨语言，通用性非常强。接口设计基于S88通用国际协议，具有非常强的现场适用性。

整体数据流如图3所示。

图4 配方编辑器配方列表界面截图Fig.4 Screenshot of the recipe list interface of the recipe editor

表1 查询配方摘要接口与返回内容Table 1 Query formula summary interface and returned content

2.2.1 配方组态

因本方案支持配方同步，所以配方组态可以在批次控制系统中进行，还可以在信息化MES系统中进行。可以方便在DCS调试时，修改配方组态；也可以在MES对接时，修改配方组态。配方组态界面如图4所示。

完成某配方版本审核生效后，配方内容固化，之后由MES发起配方同步请求。

查询配方摘要接口GetRecipe，可以获取配方摘要信息列表。摘要信息包括：ID、名称、版本、备注、状态、产品等，见表1。同时，还支持增加、删除、修改配方接口。

查询配方详情接口GetRecipeDetail，可以获取配方详细信息。详细信息包括：摘要信息、配方适用生产线、配方Unit、Operation、Phase程序等，见表2。

表2 查询配方详情接口与返回内容Table 2 Interface for querying recipe details and returned content

2.2.2 控制配方

MES接收ERP（SAP）制造单后，MES向批次控制软件下发命令（新增控制配方），批次控制软件操作人员启动控制配方。在控制配方开始前，支持修改、删除控制配方命令；在控制配方开始后，批量控制软件不再接收MES的控制配方相关命令。

新增控制配方接口AddBatch，MES可以根据生产计划下发生产指令，见表3。

查询控制配方详情接口GetBatchDetail，MES可以获取当前批次（控制配方）所有实时数据。同时，也将实时生产数据按事件ID推送数据格式，见表4。

表3 新增控制配方接口与发送数据Table 3 Newly added control recipe interface and sending data

表5 实时生产数据消息分段格式Table 5 Message segment format of real-time production data

表6 实时生产数据消息ID清单Table 6 Message ID list of real-time production data

2.2.3 实时生产数据

在批次（控制配方）实时数据有变化时，批量控制软件推送变化数据至MES，包括状态、数据变化、设备故障报警等。

实时生产数据采用BytesMessage传递数据。数据分段格式见表5。

实时生产数据消息ID清单，见表6。

表4 查询控制配方详情接口与返回内容Table 4 View the control formula details interface and return content

2.3 方案性能与安全性简要分析

本方案区分两种数据通道：命令数据通道和实时数据通道。

命令数据通道：通过TCP加密连接，由MES主动发起。支持双网冗余，使用自定义通信协议，自定义加密策略。数据量较少，可以满足现场单服务器200个批次并发生产需求。

实时数据通道：通过消息中间件（如：ActiveMQ），推送至MES。支持中间件集群冗余，支持自定义加密策略。因真实数据由Batch历史数据服务器存储，仅将实时数据加密后推送至MES，即使实时数据存在通信问题，也不影响现场控制数据。在后期可通过数据对协议自动恢复。实时数据量较大，主要负荷在消息中间件，而现代化消息中间件消息吞吐量可达百万级，还支持集群扩展功能，可以满足工业现场要求。

通道两端均应用软件狗加强软件安全性，再配合现场安装防病毒软件与工业防火墙，可以满足工业现场安全需求。