后处理厂生产执行系统（MES）功能构件设计及架构搭建研究

杨庆彧，刘建伟，李晓薇，蔡孟杭，丁长富

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

图1 后处理厂企业级信息系统三层结构Fig.1 The three-tier structure of the enterprise-level information system of the post-processing plant

20 世纪70 年代后半期开始，一些企业为了解决生产管理中的个性问题引入了一些单一功能的软件产品和个别系统，如设备维护系统、质量管理系统、生产统计等功能的生产管理系统，形成了MES 系统的雏形。MES（Manufacturing Execution System）直译为制造执行系统，俗称生产执行系统。MES 在20 世纪90 年代初期的重点功能是实现生产现场信息的整合，到了20 世纪90 年代后期，特别是流程制造工业提出了整体解决方案和信息系统的需求，希望通过各种功能，诸如资源分配管理、调度、质量保证管理、设备维护管理、生产绩效分析、排程、文件控制，以及物料和生产跟踪等之间的交互作用来描述MES 过程。同时，将MES 系统与上层企业资源计划（ERP）等业务系统和底层过程控制系统（PCS）等生产控制系统一起定义为企业的神经系统。MES 系统将业务计划的指令传达到生产现场，和将生产现场的信息及时收集、上传和处理，实现精细化管理和企业全局性优化。MES 是连结现场层和经营层，改善生产经营效益的信息化前沿系统。MES 系统在提高企业的整体运行管理水平上起着极其重要的作用[1,2]。

“十三五”时期，国家的相关规划都对企业信息化提出了较高的要求，通过信息化和工业化的深度融合，实现结构调整、产业升级，改善企业在工业化经济中所存在的高消耗、高污染的问题，实现资源、能源的合理利用，以支持绿色、低碳的发展战略。工信部《石化和化学工业“十二五”发展规划》，在有关加强企业技术改造的内容中提出推进先进过程控制系统的应用，优化调度、故障诊断，提高集约化生产水平。在《2015 年智能制造试点示范专项行动实施方案》报告中，提出以智能工厂为代表的流程制造试点示范是重点示范之一，在石化、化工等流程制造领域，推进新一代信息技术与制造技术的融合创新，开展智能工厂试点示范项目建设，提升企业的资源配置优化、实时在线优化、生产管理精细化和智能决策科学化水平。

通过对生产执行系统（MES）功能构件设计及架构搭建进行研究，为后处理厂设计一套以生产为核心，以数据平台和核心数据库为支撑，集实时数据集成、生产管控、供应链管理、能源管控、设备管理、安全管控和环保管控等业务领域为一体的后处理厂生产业务系统。

图2 生产管控系统构件设计图Fig.2 Design diagram of production control system components

1 后处理厂MES功能构建设计

MES 系统位于PCS 与ERP 之间，起着承上起下的作用。从后处理厂企业级信息模型（图1）可以看出，MES在控制层和管理层之间架起了一座桥梁。一方面，MES 通过实时数据库可以采集现场设备、仪表的状态数据，对其进行分析计算，将信息进行处理后及时反馈给管理层；另一方面，MES 可以对来自ERP 的管理信息进行分解、细化，并及时将操作指令传递给过程控制层。它能提供过程控制层无法实现的车间级调度管理功能，以及管理层无法实现的生产数据的获取与分析功能，是后处理厂提高经济效益，实现管控一体化最有效的解决方案[3,4]。

后处理厂MES 系统以数据平台和核心数据库为支撑，集实时数据集成、生产管控、供应链管理、能源管控、设备管理、安全管控和环保管控等业务领域为一体的后处理厂生产业务集成平台。后处理厂MES 系统设计重点围绕生产管控、供应链管理、能源管控、设备管理、安全管控和环保管控6 个业务领域开展建设，因此将后处理厂MES 系统分解成6 个功能构件组，这6 个功能构建组下分别构建若干的功能构件。

1.1 生产管控构件组设计

根据后处理厂生产运行实际需求，对生产管控构件组进行设计，搭建成调度指挥、工艺管理、生产执行、操作管理、实时数据库等构件小组，每个构件组下再设计若干构件，设计的生产管控系统功能构件图如图2。

生产管控构件组起到强化生产运行与过程控制纵向一体化管控能力，建设预测预警、操作报警、异常处置、运行监控。管控从计划、调度向下延伸至控制层。

1.1.1 调度指挥

调度指挥功能构件设计是面向厂级及子项级的调度人员，实现调度指令在线闭环管理与评价，多维度、分角色、集成的调度监控，及时发现生产异常，实现各专业的高效协同，提高生产运行平稳性。

图3 供应链管理系统构件设计图Fig.3 Component design diagram of supply chain management system

1.1.2 工艺管理

工艺管理构件设计面向公司、子项、车间的工艺管理人员以及各装置的工艺技术人员，通过工艺变更、工艺指令等业务流程的闭环管理，将工艺管理规范化、标准化，通过工艺资料统一管理，集中保存，实现了工艺知识在后处理厂内的共享和使用。

1.1.3 生产执行

生产执行功能构件设计面向后处理厂的生产执行的各环节，包括：乏燃料接收监控、废包壳及端头操作监控、三废整备监控、核材料追踪、产品管理、子项管理、仓库管理、进出厂管理、物料平衡管理、统计平衡等多个方面，实现对后处理厂的生产执行的管控。

1.1.4 操作管理

操作管理功能构件设计是面向生产操作层面的业务支持模块，通过信息化手段，为班组的安全、规范、平稳生产提供指导，并通过指标竞赛、绩效考核、奖金兑现等管理手段，强化班组优化操作的意识。

1.1.5 实时数据库

实时数据库功能构件设计是用于采集、存储和处理大量的过程数据，同时为各种类型的用户、业务系统和生产应用程序提供访问和利用这些数据的便利。

1.2 供应链管理

根据后处理厂供应链管理实际需求，对供应链管理构件组进行设计，搭建成计划管理、物流管理库等构件小组，每个构件组下再设计若干构件，设计的供应链管理功能构件图如图3。

供应链构件组起到建设计划生产协同优化、物资管理、物流管理，实现生产业务从计划、调度到装置层面，物流物资从进厂、库存、出库、发货和监管业务线上管理[5]。

图4 能源管理构件设计图Fig.4 Design drawing of energy management components

1.2.1 计划管理

计划管理功能构件设计是建设涵盖计划、调度、装置优化、数据交互的协同与优化模块，基于后处理厂生产经营条件，实现由全局到局部优化，由月度到日常优化的协调统一和无缝衔接。

1.2.2 物流管理

物流管理功能构件设计是建设进出厂物流管理，包括从物流订单下达到物流运输计划执行、服务商管理等方面。

1.3 能源管理

根据后处理厂能源管理实际需求，对能源管理构件组进行设计，搭建成能源计划、能源运行、能源统计等构件小组，每个构件组下再设计若干构件，设计的能源管理功能构件图如图4。

能源管理构件组是以能源优化为重点，建立动力管网优化、能流管理，提高后处理厂能源利用水平，实现“能效倍增”。

1.3.1 能流管理

能流管理功能构件设计通过能源管理系统的实施，做到能源的及时跟踪与后处理厂能源消耗统计，为后处理厂优化用能提供有力支撑，为后处理厂节能降耗、节能减排提供依据。

1.3.2 水资源管理

水资源管理构件设计是建立水资源管理系统。通过水资源管理，对后处理厂的工业水系统进行全面监控和管理。

1.4 设备管理

设备管理功能构件设计是根据后处理厂设备管理实际需求，对设备管理构件组进行设计，搭建成设备全生命周期管理、设备运行管理、设备维修管理、设备健康管理等构件小组，每个构件组下再设计若干构件[6]。

1.4.1 设备全生命周期管理

设备全生命周期管理功能构件设计是实现了主数据从申请、审批、创建，到设备各种专业档案信息的集成，覆盖了设备基础技术信息、维修维护的专业信息和相关维修维护组织信息，为设备管理提供了基础数据和专业展示查询。

1.4.2 设备运行管理

设备运行管理功能构件设计是针对通知单管理、装置和设备开停机管理。

1.4.3 设备维修管理

维修管理功能构件设计主要包括修理费预算管理、工单管理、在线运行分析。

1.5 安全管理

根据后处理厂安全管理实际需求，对安全管理构件组进行设计，搭建成辐射安全防护、安全管理、安全风险管控等构件小组，每个构件组下再设计若干构件。

能源管理构件组是建立设备性能模型，对典型设备进行状态分析和效能分析，核算设备实际效率和能耗，并与设计指标进行偏差分析，找到优化方向，降低运营成本。

1.5.1 辐射安全防护

敷设安全防护功能构件设计通过提供如何使辐照合理可行尽量低的指南和说明，实际控制呼吸器的分配，跟踪放射源和放射性检测仪器，确保人员安全和遵守规定。

1.5.2 安全管理

安全管理功能构件设计是以安全诊断为核心，建立安全管理薄弱环节诊断模型，全面支撑后处理厂安全生产。

1.6 环保管理

根据后处理厂环保管理实际需求，对环保管理构件组进行设计，搭建成环保管理、环保风险管控等构件小组，每个构件组下再设计若干构件，设计的环保管理功能构件图如图5。

1.6.1 环保管理

环保管理的功能构件设计内容如下：

● 地图管理。

● 生产装置环保监控。

● 环保治理设施监控。

● 统计分析。

1.6.2 环保风险监控

环保风险管理的功能构件设计内容如下：

● 三废管理。

● 异常排污管理。

● 在线监测。

● 统计分析。

图5 环保管控构件设计图Fig.5 Design drawing of environmental protection control components

2 后处理厂MES系统架构搭建与实施

后处理厂的生产首先从生产计划开始，到产品的分销与运输，需要完成综合信息管理、车间控制系统/装置的联合控制、能源监测与计量控制到生产计划、调度等，实现一体化的管理。后处理厂MES 系统的架构搭建，包括：总体架构设计、基础数据设计、数据库设计、模块设计、界面设计、接口设计等重要内容。

2.1 生产执行系统总体架构

根据后处理厂架构规划方法，结合先进的企业架构设计理念，搭建适用于后处理厂的生产执行系统架构，确保后处理厂未来业务目标的实现。

MES 系统硬件总体架构如图6。

设计搭建后处理厂MES 系统，建成以生产执行为核心、互联智能的生产运营信息化体系，实现工厂运营的数字化、网络化、智能化，支撑后处理厂在质量效益、绿色低碳、安全环保的先进水平。

设计建立信息安全体系：融合信息安全最佳实践，从网络安全、系统安全、数据安全和终端安全4 个维度进行防范。并结合总部IT 运行管控平台的推广实施，实现不同维度的日志集中采集、监控和综合审计分析的信息安全事件可视化管控。

2.2 应用架构

基础数据和数据库设计需要整理后处理各子项重要的运行参数，以支撑MES 系统各功能构件的实现。

支持后处理厂生产各专业的运行和管理；过程控制与装备层，涵盖了后处理厂现场的控制系统、制造物联设备、传感器和智能仪表，以及装置的过程控制。

2.3 模块架构

后处理厂MES 系统采用模块化设计，技术架构采用“平台+应用”的模式。技术架构如图8。

图6 后处理厂MES系统硬件总体架构图Fig.6 Overall architecture diagram of MES system hardware of post-processing plant

图7 MES获取PCS数据处理流程图Fig.7 Flow chart of MES acquiring PCS data processing

后处理厂MES 系统的数据架构主要分为3 部分：业务域应用数据、企业数据仓库、大数据平台。

业务域应用数据库实现交易数据的存储，后处理厂企业数据仓库实现数据标准化、数据共享及数据分析；大数据平台通过分布式存储实现结构化、半结构化和非结构数据的挖掘和分析。

2.4 信息安全

信息安全设计主要包括以下内容：

1）信息安全管控

从方案设计、产品配置、安全自测、审计等方面进行安全建设和安全操作管理。

2）基础设施安全

① 网络构成

设计安全域，制定区域安全策略，制定黑白名单。采用防火墙、入侵检测、物理网闸等进行安全隔离，访问控制和入侵检测；不同安全域通过物理防火墙安全隔离，实现访问控制；通过安全组、虚拟防火墙实现同一区域内不同应用间的逻辑隔离及安全访问控制。

图8 后处理厂MES系统数据架构图Fig.8 Data architecture diagram of MES system of post-processing plant

② 节点和主机

建立适合智能化应用环境和安全需求的标准主机安全加固基线，制作统一标准的云主机安全镜像文件。

3）业务应用安全

部署应用层防火墙，数据库审计系统应对应用层攻击和数据库攻击；代码安全检测：在系统开发过程中，及时发现应用设计漏洞，降低后期修复代码级漏洞的成本。

4）关键操作保护

调度指挥、供应链支撑等组件对于数据的完整性和不可否认性要求高，需在业务操作中要求双因素认证，提高认证强度，防止非法访问系统；对关键操作使用数字签名技术实现抗抵赖防护；在应用开发阶段完善日志功能，实现关键操作可以通过日志审计发现操作痕迹，加强事件事后追溯能力。

5）关键数据保护

部署数据库审计系统（数据库防火墙）：生产管控中的调度专家库，工艺规程等组件，供应链管理的日效益分析、供应链支持等组件对于机密性要求高，需要辨别关键控制节点与处理措施，完善应用开发的数据分类分级管理，细化数据库访问行为的审计策略，设定异常数据行为，采用数据签名与强身份认证保护，实现对关键数据的保护；设计重要数据的权限配置，设计重要数据的加密策略。

6）加强审计

实现应用系统账号全生命周期性审计，对安全软件日志进行详细审计，防止恶意软件的破坏。

3 结论

通过开展MES 系统功能构件设计、MES 系统架构搭建的研究，为后处理厂构建一套以生产为核心，以数据平台和核心数据库为支撑，集实时数据集成、生产管控、供应链管理、能源管控、设备管理、安全管控和环保管控等业务领域为一体的具备高度信息化、集成化、模块化、可视化、自动化、智能化的后处理厂生产执行系统。提升后处理厂互联感知、优化协同、预测预警、核安全应急响应和科学决策能力，实现生产效能提升，增强后处理厂稳定运行能力。