流程工業MES中的數據集成研究及應用

摘 要：MES是流程工業綜合自動化系統的關鍵環節。數據集成是MES中的基礎。如何實現在異構網絡、異構操作系統、異構數據庫等異構環境中的數據集成是系統集成中的難點。該文提出了一種基于實時數據平臺的集成模型，并應用于實際系統集成中，取得了比較滿意的效果。
關鍵字：制造執行系統 實時數據平臺 數據集成

目前，流程工業綜合自動化系統是由企業資源計劃系統（ERP）、制造執行系統（MES）和過程控制系統（PCS） 3個支撐系統構成的體系結構。ERP負責企業的經營決定和生產規劃;MES負責企業生產調度和系統過程優化;PCS負責生產過程控制。大部分的流程工業都擁有底層的控制系統，不少企業也實施了ERP系統。但是管理層和控制層之間仍缺乏有效聯系。MES是流程工業綜合自動化系統的關鍵環節，在整個流程工業綜合自動化系統中起承上啟下的作用，是企業生產與管理活動的信息集成橋梁，非常有必要從企業全局的角度統一規劃面向整個生產執行過程的的數據。數據集成是MES的功能子系統中的基礎。根據數據集成模塊的特點及重要性，本文提出了一種基于數據平臺的數據集成方法。

一 MES中數據集成重要性及難點

1 MES數據集成的重要性

MES采集生產運行數據、集成原料和產品的存儲數據、集成設備狀態信息，并將這些信息進行合并、匯總、規范、比較、分析等綜合處理，一方面為生產計劃與排產提供依據，另一方面也為ERP提供及時、可靠、準確的生產經營決策參考信息。
數據集成是實施MES的基礎，將PCs層的生產運行、產品質量、原料和產品輸送、動力能耗等數據進行匯總和處理，使下層生產過程的實時信息和上層企業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化控制、優化調度和優化決策等調度或指令。同時，數據集成模塊也負責將上層系統中的一些數據（如優化值、設定值等）傳送到PCS。

2 MES數據集成的難點

流程企業生產流程復雜，數據來源廣，數據采集、存儲方式多樣，且底層各控制系統彼此封閉，所采用的網絡、系統、數據庫也存在很大的差異，如何實現異構網絡、異構系統和異構數據庫的數據綜合集成是MES數據集成中最大的難點。

二 數據平臺特點及功能

1 數據平臺的提出

傳統的計算機應用系統的開發與運行是直接建立在操作系統、網絡和數據庫系統之上的。由于上面的應用系統對底層的支撐環境依賴性較強，使得應用系統與集成環境缺乏良好的開放性和可移植性，同時也很難解決異構信息和異構環境的集成問題，影響應用系統的整體效益。因此提出了基于數據平臺的集成。

2 數據平臺的結構

實時數據平臺RTDP（即實時數據庫）實現了現場實時數據的采集、管理、歷史歸檔、維護、下寫和報警生成、事件記錄、時間同步等功能。同時，它作為運行平臺，為運行在它之上的各種應用軟件提供實時/歷史數據服務。它的總體結構如圖I所示。

3 數據平臺的主要功能

（1）數據的通信功能：主要是通過OPC,DDE,ODBC接口與監控軟件、應用程序和各種數據庫進行通信，把下層的數據讀到實時數據平臺中;把上層的命令信息通過這些接口回送到相應的系統去。
（2）數據的輸入和輸出處理：對進入到實時數據平臺的數據進行處理。如數據格式的轉換、量程轉換、報警的設定、數據的統計、歷史數據的歸檔等。
（3）網絡監控及重連：為保證數據的正常傳輸，實時數據平臺應具備網絡易監控及自動重連的功能。當網絡出現故障時，能夠及時提示或報警。當網絡恢復時，能夠檢測到并自動重連。
（4）在線維護、組態及查詢：為保證數據的連續性，實時數據平臺應提供在線維護功能;根據用戶的不同要求可以進行組態;提供查詢的功能。
（5）數據的安全保證：因為數據平臺涉及到與下層控制系統相連，關系到企業的生產信息，同時由于還可能要與Internet相連，因此必須設立安全機制，絕對防止未經授權的操作，保證整個信息系統的安全。

三 基于實時數據平臺數據集成的結構模型

考慮到實際數據集成的特點，提出了如圖2所示的數據集成模型。右邊為集成模型的3個層次劃分，左邊為與企業信息集成3層模型的對應關系。

整個結構主要分為3個層次:
（1）底層是環境層，是指基于各種現場總線、DCS的各種專用控制網絡及工業以太網網絡環境、各種不同操作系統、以及多種的數據庫系統。它可為上層提供實時和非實時的數據服務，提供各種數據接口（如OPC, ODBC, DDE, CORBA等），是數據平臺和最底層設備進行信息交互的中介。
（2）中間層是數據平臺層，它一方面根據下層提供的接口用相應的方法與其進行通信，完成數據集成和管理、數據服務和網絡通信等服務功能。當有來自上層的調度、優化等指令時，又將其轉化為對應數據，發送給相應的系統;另一方面為上層的應用提供一些公用的集成支持服務，把下層來的數據，形成統一的格式，為MES層的其它模塊（如實時數據監控、流程模擬、生產調度、數據分析、設備管理、庫存跟蹤、質量控制、優化控制等）及上層的ERP提供實時的和非實時的信息。
（3）上層是應用層，它包括MES中除數據采集功能外的其它功能，以及與ERP相關的一些功能。
基于數據平臺的數據集成的特點如下:
（1）通過數據平臺可以實現不同應用系統之間的數據共享和應用集成。數據平臺為MES中其它模塊及上層的ERP提供了統一的集成環境，便于應用開發與集成。
（2）開放性。DDE,ODBC,Web,OPC等標準接F1實現了MES與其它應用程序、Internet/Intranet的連接，為應用開發提供了統一的系統資源和共享資源。
（3）透明性。基于平臺數據集成簡化開發工作，開發人員可以直接面向平臺進行開發，而不必考慮下層數據的結構或通信模式，這些工作全部由數據平臺負責完成。
（4）數據平臺提供了共享的數據管理、數據服務和網絡通信等功能，并同時支持多種應用服務，可縮短信息系統的開發周期，提高開發效率，更有效地實現企業三層結構的集成。

四 集成實例分析

以下從某焦化制氣廠的現狀出發，分析如何利用實時數據平臺到達集成目的。

1 現有系統的狀況
全廠有全自動備煤系統、煉焦生產監控系統、煤氣壓送站生產監控系統、鍋爐和汽輪發電機生產監控系統、氣源調峰站生產監控系統、生化站生產監控系統、煤氣鼓風機生產監控系統、供配電綜合自動化系統等8個車間級的生產監控系統（以下簡稱子系統）;有汽車衡、軌道衡及煤塔秤等3個稱重系統;有推焦車爐號識別、焦爐爐溫測量2個非連續的系統。為了充分利用現有資源，實現資源共享，要實現對13個子系統的信息集成，建立覆蓋全廠各個監控系統的生產管理網絡，完成生產管理調度系統（以下簡稱調度系統）的建設開發，實現調度中心對全廠生產數據的集中監視、集中管理。
由于整個工廠的發展經歷了幾十年，從舊到新各個系統存在著較大的差異，主要體現在以下幾個方面。
（1）硬件平臺。有工作站、個人計算機、工控機和服務器幾種計算機類型;從通信網絡來看有串口、現場總線、工業控制網、局域網等。
（2）操作系統。有Windows98,WindowsNT,Windows2000,WindowsXP共4種。
（3）數據庫。有文本數據庫（Axt）,Access，SQLServer7.0、SQLServer2000, paradox5.0, excel表格等。
（4）開發工具:匯編語言，TurboC,VC,VB,Delphi等。
因此，本系統集成中的難點就是如何將基于各種異構環境（異構網絡、異構操作系統、異構數據庫等）的信息統一起來，達到集成的要求。

2 系統集成的方法
根據要集成的系統的特點，我們采用了基于上面集成模型的集成方法。網絡結構采用了以交換機為中心的局域網。具體各部分的信息交換如下:
（1）全自動備煤系統、煉焦生產監控系統、煤氣壓送站生產監控系統、鍋爐和汽輪發電機生產監控系統、氣源調峰站生產監控系統、生化站生產監控系統、煤氣鼓風機生產監控系統、供配電綜合自動化系統等這8個監控系統由于都提供了OPC服務器，有標準的OPC接口，采用OPC接口與實時數據平臺進行通信。
（2）汽車衡、軌道衡及煤塔秤等3個稱重系統以及推焦爐號識別、焦爐爐溫測量2個系統，沒有連續的數據，而且都提供了數據庫，可以通過ODBC接口將相應的數據送到數據平臺上。
（3）有一部分數據，由于還沒進入系統，只能由手工進行錄入。這些數據可通過應用程序界面直接進入數據平臺中。
（4）在本集成中，我們采用了中科院自動化所綜合自動化中心研發的基于多現場總線和Interne:的綜合自動化系統Was，其核心就是實時數據平臺RTDB。此系統可提供多種通信接口，可對數據進行預處理、報警、發布、歸檔、查詢、仿真、分析等操作。在此基礎上，實現了數據的集成。
（5）基于上面的解決方案，我們采用如圖3的集成結構。

·網絡采用以100Mbps以太網交換機為中心的結構。各個子系統通過交換機與實時數據平臺相連。
·實時數據平臺一方面收集下層的數據，經過處理后由上層的應用（包括查詢、分析、模擬等）來調用。另一把來自上層的信息經過適當轉化后發送到下層相應的系統中去。
·考慮到負荷，歷史數據專門由一臺歷史數據服務器來管理，實時數據平臺只負責保存數據到服務器中。

五 結論

實時數據平臺技術為異構環境下的企業系統集成提供了極大的方便。本文提出的集成模型就是基于數據平臺技術的。它利用實時數據平臺本身提供的各種接口，與下層的異構數據源實現信息交互，同時為上層的各種應用提供統一的數據模式，非常方便地實現了整個企業的信息集成。從系統投運到今來看，取得了很好的效果，為企業帶來了很好的效益。