氯碱行业MES系统的开发与应用

肖 明(1)   刘卫红(2)
(1) 宜宾天原股份有限公司；(2) 浙江中控软件技术有限公司

关键字：氯碱行业、异构系统集成、MES、生产调度、工艺管理、设备管理

　　1． 前言
　　近几年来我国经济在消费、投资和出口“三架马车”的带动下，宏观经济持续增长，GDP的增长率远高于世界水平。国民经济的高速发展为国内氯碱工业发展提供了广阔的发展空间，并使氯碱行业成为投资热点之一。
随着我国PVC市场开放力度的加大，尤其是外资和合资企业的加盟，市场竞争将会进一步白热化。加大结构调整力度，实现集约化经营是PVC工业生产发展的大趋势。经过大规模的整合，那些老、小、旧的生产企业或被淘汰出局，或被兼并重组。氯碱工业发展，面对来自于资源、环保的压力，只有抓好技术进步，开展信息化建设，降低氯碱行业的生产成本、增加设备资产利用率、提高产品质量、优化产品结构、降低库存、提高管理水平、提高产品的附加值，以适应日趋严格的产品环保要求；形成能够针对国内外市场变化，迅速优化生产方案和操作参数，以实现高效率的系统化的经营决策，获取最大的产品价值，从而提高利润。
宜宾天原股份有限公司（以下简称“宜宾天原”）是一个集氯碱化工、精细化工、建筑材料、造纸产业于一体的企业集团，始建于1944年，是中国最早的氯碱化工企业之一，中国西部最大的氯碱化工企业，中国最大的电石法聚氯乙烯制造企业。
作为氯碱行业的龙头企业，宜宾天原一直致力于计算机信息技术在生产过程控制、管理信息等方面的应用，在各产品生产线基本采用了智能化仪表、DCS、PLC等控制系统，生产装置实现了生产过程的自动化控制。但在实现企业综合自动化方面还存在一些不足，主要体现在异构系统没有集成，形成多个“信息孤岛”；网络不健全，信息流通不畅；数据采集主要依赖人工方式，环节多、效率低；各部门岗位的业务流程不规范，处理业务的实效性差等几个方面。
面对需求多变的市场竞争，宜宾天原除了在扩大产能、优化产品结构等方面进行大量的工艺改造外，还加大了对企业信息化建设的投入。2007年2月开始，宜宾天原与浙江中控软件技术有限公司（以下简称“中控软件”）紧密合作，借用成熟先进的网络技术、信息化技术及管理理念，双方经过6个多月的共同努力，完成了宜宾天原全厂范围的MES系统的设计、开发与实施工作。目前，宜宾天原MES系统运行稳定，并取得了良好的应用效果。
　　2． 系统建设
　　宜宾天原MES系统采用中控软件的流程工业MES解决方案MES-Suite，建立以物料流为主线，以生产调度管理、工艺管理、设备管理为基础，梳理企业生产过程的业务活动，基于全流程的物流跟踪和全生命周期的设备管理，为宜宾天原提供一个规范、高效、统一的业务信息集成与应用平台。系统总体架构如图1所示。

图1 宜宾天原MES系统整体架构图

　　根据 “效益驱动，总体规划，重点突破，分步实施”的原则，宜宾天原MES系统一期工程主要包括综合数据集成平台，生产调度，工艺管理，设备管理四个模块。
　　综合数据集成平台
　　综合数据集成平台基ISA-SP95规范建立统一的核心数据库，主要包括统一的工厂数据模型、生产管理业务模型。数据集成平台支撑MES系统主要数据源的数据集成，包括实时数据库（RTDB）、实验室信息管理系统（LIMS）等，为业务模块提供基础数据支撑。宜宾天原总共有7种品牌17套DCS/PLC系统(如表1所示)，平台通过工业标准的OPC/DDE数据采集接口获取这些控制系统的实时数据(如图2)，并存储在实时数据库中，为MES的其他功能模块甚至企业ERP系统提供统一的数据支撑。

图2 数据采集架构图

表1 控制系统清单

　　生产调度
　　生产调度子系统主要内容包括：生产计划的跟踪管理、预案管理、实时监控、产量统计、运行记录、值班记录等。其主要特点体现在以下几个方面：
　　1）生产计划的跟踪
　　管理层下达的生产计划，根据生产工艺、流程要求进行物料、能源平衡计算，结合控制系统采集到的设备状况，形成调度令，下达到生产作业现场，经确认后控制并通过流程图实时监视生产作业的进行，从而达到优化生产管理，提高生产效率，增加产量的目的。
系统的生产过程可视化前端，用于监视、管理、跟踪和提高生产作业过程，实现在现场级和管理级（甚至在异地）对生产现场关键工序控制点(工艺、安全、环保、质量)指标的动态掌握和实时监控，还能够对相应的指标进行报警管理。这样就可以取代电话汇报现场生产的落后管理方式，并为生产调度提供实时的基础信息。
　　2）预案管理
　　化工生产的生产过程风险较大，如何通过有效的生产过程调度降低故障或事故的损失成为生产调度管理的重要任务，事故预案管理是公司预防、降低事故的重要管理手段。预案管理是在事故或隐患发生时刻，实时地将生产调整的方案及相关信息及时地呈现给生产调度，为调度人员有效开展调度工作提供数据和应急预案的支撑。

　　工艺管理
　　工艺管理子系统主要内容包括：工艺卡片库、工艺台帐、趋势分析、运行指标管理、6σ管理等。其主要特点体现在以下几个方面：
　　1)工艺运行质量管理
　　根据综合数据集成平台提供的工艺指标运行数据对主要工艺控制指标的运行质量进行评估，推进各项工艺管理工作，主要包括以下管理内容：
 工艺控制指标优化；
 工艺操作法修订；
 工艺优化；
 工艺指标考核（KPI）。
　　2)工艺控制指标稳定性6σ管理
　　为有效评估生产装置工艺指标的运行稳定性和可控性，公司采用6σ（六西格玛）统计分析工具对工艺指标进行分析和评价，该统计结果作为生产装置运行KPI的主要指标纳入绩效考核管理。

　　设备管理
　　设备管理子系统主要内容包括：固定资产管理、设备档案资料管理、设备标准化管理、设备维护保养管理、设备状态监控管理、设备状态评估管理、设备检维修工单管理、备件管理等。设备管理是基于设备运行状态管理和设备技术经济性管理的设备综合管理系统，其主要特点体现在以下几个方面：
　　1)设备状态的实时监测
　　通过对装置设备的运行状态和设备相关的工艺控制指标情况的多专业监测和数据收集，实现设备状态信息的集成管理和可视化管理；对设备状态信息的及时分析、评估，实现对装置设备状态的“预防”性管理，并为单台（套）设备技术经济性评估提供专业数据的支撑。
　　2)设备状态管理的运行
　　公司 “运行、机、电、仪四位一体”的设备运行检维修体系，以及“管、用、修三位一体”的设备管理体系利用管理平台提供的集成和可视化的设备状态信息进行专业的评估，有效发挥专业技术人员的作用，有效推进各项管理工作。
　　3)设备综合管理系统
 设备维护保养管理；
 设备状态检测/隐患管理；
 设备状态评估；
 设备检修计划/工单管理；
 备品配件管理；
 设备技术经济性评估；

　　3． 系统特点
　　宜宾天原MES的体系结构具体设计遵循SP95标准，使用SOA技术，在.NET平台上实现了基于构件的开发，具备很强的自适应性、互操作性、可扩展性和可重用性，着重强调了构件化技术和体系结构技术的实现。在控制系统软件复杂性和快速适应变化方面具有明显的优势。
　　统一的数据服务
　　基于统一的MES数据平台，提供MES系统数据访问服务，主要包括ERP系统数据支撑和基于WEB服务的统一数据访问。
　　高度可扩展的设计
　　MES平台对系统的各类元数据进行对象封装提供了完整支持，使其具有良好的可组态性。只需对配置文件稍做修改即可适应大部分设备、工艺在未来的变更。                    　　
　　高度的集成性
　　从技术发展角度和用户需求来看，软件结构本身应能与其它应用系统集成，做到信息共享和资源共享。在MES的结构设计中，已经充分考虑到这一点，不仅提高了企业MES中系统的生命周期，降低对信息系统的投入，同时也为企业将来选择较为合适的各种软件提供了更大的空间。                         　　
　　强大的开放性
　　MES内置了支持各种主流实时数据库（ESP-iSYS，PI，Uniformance，InfoPlus）的数据接口，并通过标准关系数据库接口（ODBC，OLE DB）实现与ERP及其它MIS系统的数据集成。平台的开放性支持从MES系统的不同数据模块中裁剪不同的功能，以满足某个特定任务的需要,实现互操作。
　　4． 应用效果
　　MES系统的投用，给整个宜宾天原的生产和管理带来了很多有益的变化，极大提高了工作效率，规范了管理流程，并有效地促进企业各项生产计划、管理、调度工作，提升了企业的信息化水平，突出表现在以下几个方面：
　　统一数据集成平台和全厂生产专用网络
　　建立了统一的数据模型和数据通讯协议，用统一的数据集成平台对不同厂家的DCS/PLC控制系统的实时数据进行采集、存储和发布，保证了数据的高度集成。另外建立了生产管理专用网络，覆盖宜宾天原全厂各相关部门和车间，实现了信息的网上共享，改变了传统的手工书面的数据传达方式，缩短数据收集和分析的时间，加强了企业内部各部门之间的信息联系和工作安排，提高了办公效率。
　　生产系统实时监控和报警管理
　　宜宾天原厂区较大，装置多而又分散，流程十分复杂，由于无法及时了解生产现场的情况，各种设施协同运行的系统管理一直很难做到。MES系统的建立为各级管理部门提供的远程实时生产过程信息，有效地帮助调度人员及时调整物流方向，减少非计划停车，保持生产的平稳运行。
 　　通过比较当前的数据和历史趋势数据，特别是结合装置安全运行的经验，通过趋势图和数据的分析可以及早报告事故隐患，并且通过对事故前后实时记录的历史数据的分析，定位事故发生的原因,对全厂重要装置的运行管理提前预警。
　　工艺指标的实时跟踪和平稳性分析，提高产品质量管理
　　系统提供工艺卡片运行的实时跟踪，通过指标运行平稳性分析，优化工艺管理，为产品质量合格与否的判断提供了数据支撑，并自动计算工艺指标的六西格玛值，其数据可以与ERP、MIS、OA等其他应用系统数据高度集成，进一步提高对产品质量的管理。
　　建立设备全生命周期的监控管理，提高了设备利用率，保证生产稳定运行
　　系统提供设备运行状态的实时监测和相关工艺指标的综合数据分析，通过动设备和静设备两个角度提高对设备全生命周期的管理，缩短设备生命周期中的停机时间，提高设备的利用率，保证生产长期稳定运行。
　　为生产经营提供决策依据
　　系统的信息依据两库中的数据，建立统一界面和形式多样的显示方式：如表格、趋势、柱图等。用户能通过Web的形式监控生产现场，使得“办公室更趋近生产现场”,甚至在外地也可以通过Internet进行随时查询浏览，以便及时、全面、准确地了解企业有关生产经营管理的信息，为领导科学及时决策提供依据。

（转载）