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炼油化工MES功能与架构研究

原创 猿小六 2018-07-04 阅读 225 次
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炼油化工行业是典型的流程型制造业,其特点是:生产工艺复杂、操作条件苛刻、物料流向选择多、产品组合多、自动化水平高、工艺参数关联度高、一体化、大型化趋势明显。随着技术的进步和市场竞争的加剧,世界领先的炼油化工公司将信息化作为技术进步和提升管理的主要手段。制造执行系统(manufacturing execution solutions,简称“MES”)是直接支持生产运营,为企业的实时、智能化管理提供支撑的信息系统。

在炼油化工企业中,MES面向生产执行过程,建立实时数据库和关系数据库,对生产过程进行过程监视、控制和诊断、状态监测,全面支持物料平衡、生产计划、调度、排产、生产统计等业务操作和管理。

1  炼化生产过程

制造业是指对自然物质和原材料进行加工与再加工,为国民经济其他部门提供生产资料和装备,为社会提供消费品的生产部门。人们习惯于按照生产工艺组织方式将制造业划分为流程型制造业和离散型制造业。典型的离散制造行业主要包括装备、机床、造船、汽车、电子等,其特点是原材料多、加工路线比较复杂、最终产品较少。典型的流程生产行业有炼油、化工、冶金、制药、钢铁、水泥等,其特点是原材料较少、加工路线相似、最终产品种类多,生产过程连续。

炼油化工生产过程是1个生产量大、产品品种相对稳定的过程,通常是在高温高压条件下进行,生产连续,非计划停产常常会带来巨大损失。炼化企业内与MES关系紧密的设施主要有:生产系统、储运系统、公用工程系统(水、电、汽、风)。生产系统是炼油化工生产的核心,它包括各个生产装置,主要功能是将原油等原料转化为成品油、石化产品等。储运系统主要由储罐和管线组成,用于储存原油、成品油、半成品和液态化学品,固体产品多存储在库房中。生产系统和储运系统中的实体与连接实体的管线构成了炼油化工生产流程。公用工程系统主要是提供水、电、汽、风等介质和能源,同样包括这些介质的相关生产设施和输送系统。炼化企业业务流程、生产工艺和装备设施是MES功能设计的基础。

大型炼油化工企业多是集团型企业,即由分布于不同地点的多个生产厂组成,实行总部和地区生产企业2级管理模式。集团总部一般负责确定原油加工总量和各企业的加工量,确定大的产品结构,负责进行产销衔接;编制、审批并下发年度、季度、月度生产计划,监督生产计划的执行;负责掌控生产进度和主要指标的完成情况,如原油加工量、汽煤柴产量、主要产品库存和销售情况,主要化工品的产量、库存等。

地区生产企业作为生产运行的执行者,依据总部下达的生产计划进行计划分解、排产、调度与执行,组织具体的生产操作,为生产过程提供机动设备、工艺技术、原料、存储能力等保障。由于管理层级和职责不同,各地区企业的管理模式也不相同,从而带来生产运行业务流程的不同。地区企业生产管理模式分为集中式管理和分布式管理2种模式。

(1)集中式管理模式:在这种模式下,公司的业务管理职能全部集中在公司的职能处室,直接管辖各个生产车间,下面不设分厂,生产运行管理职责基本上由机关职能处室承担。

(2)分布式管理模式:地区公司采用公司、分厂和车间3级管理体系,各分厂管理所属车间的生产运行,负责装置和产品的调度;公司管理层主要掌控一些重要的指标和协调厂际间的互供料管理和动力平衡,监督生产计划的执行情况。炼化企业的管理模式,是MES应用架构设计的基础。

2  炼化企业MES架构与技术要求

国内外大型炼化企业一般会根据本企业的业务需求和管理需求,参考行业经验,在MESA模型的基础上,对MES架构进行重新设计和完善,形成自己的MES功能架构。

中国石化MES系统分为集团总部和企业2层功能设计。总部主要是进行生产信息监控,主要功能包括:计划跟踪、调度信息、统计信息、报警管理、装置KPI,这些功能集成于中国石化生产营运指挥系统中,在总部生产调度指挥中心大屏幕上炼油生产、化工生产与油气勘探、开发和生产、原油资源供应、化工产品销售,成品油物流和销售等核心业务的主要情况一同展示。生产企业MES的功能包括:罐区管理、仓储管理、进出厂管理、物料移动管理、操作指令管理、装置校正、调度平衡、统计平衡、化工辅料管理、公用工程管理、实验室管理系统接口、实时数据库接口等。

中国石油MES系统的建立了统一的生产运行管理平台,同样分为总部和地区公司2层功能。在企业层面设计建设了14个功能模块:工厂基础信息管理、实验室信息管理、实时数据库、实时数据库应用、生产计划与排产、运行管理、物料移动、物料平衡、收率计算、生产统计、生产运行信息平台、统计平衡、公用工程计量统计、ERP数据接口。在总部层面设计建设了4个功能模块:生产业务管理、实时动态跟踪、调度资料管理、生产绩效管理,2个平台:综合展示平台和生产数据集成平台

目前,主流的MES软件一般采用B/S架构,硬件设备部署在光纤存域网(SAN)中,实现高速访问和海量存储。MES系统配置的服务器主要包括实时数据库服务器、关系数据库服务器、应用服务器、WEB服务器、管理服务器等,数据库管理软件和应用软件分别部署在相应的服务器中。对于单个企业,目前大多是集中部署1套MES系统,各类用户在同一系统中操作使用。对于多厂、跨地区的集团型企业,其应用架构相对复杂。集团企业可以根据MES系统规模例如企业数量、用户数量、子系统数量,以及地域等因素,来确定应用架构的类型和部署方式。

常见的集团企业MES应用架构有以下几种:

(1)总部集中式架构。该方案是指将整个集团建立1套MES系统,软硬件设备和数据集中存放在总部。企业所有终端用户都广域网访问安置在总部的MES服务器中的信息。该架构用户应用方式分为2种:1)实时在线式,生产操作产生的数据实时进入总部系统数据库中,总部和企业用户全部使用同1套数据在线同步操作和分析,实现实时监控。2)离线增量式,终端具有一定的数据缓存能力,定期将数据传送到总部,数据周期性更新,对现场的监控分析存在时间差。

(2)分布式架构。在此架构下,各企业和总部分别部署MES系统,地区企业MES与总部MES通过网络实现数据通信。企业用户使用本地系统,并定期将数据传送到总部系统中。该架构数据信息流转方式也分为2种:1)数据复制式:定期将企业MES的数据传送到总部MES数据库中,实现对生产的管控和信息的共享。2)报表汇总式:数据主要保留在企业本地,将总部需要的报表数据或考核指标数据周期性地传送到总部数据库中,总部主要统计和考核生产结果。

(3)混合式架构。该架构是上述2种架构的混合,适应于MES管理功能较多,且企业间信息化水平不同的综合性集团。在此架构下,部分企业建立本地MES,用户操作使用本地系统,数据周期性上报;部分企业当地未建立MES系统,直接使用总部MES系统,或定期上报增量数据。

S95标准中将系统所需交换的31种信息流归为4类:产品定义信息、生产能力信息、生产计划信息、生产绩效信息,并定义了9大对象模型:资源类的人员模型、设备模型、材料模型、过程段模型;能力类的生产能力模型,过程段能力模型;产品定义类的产品定义模型;生产计划类的生产计划模型和生产实绩模型。

炼油化工MES功能与架构研究

混合式应用架构

MES系统涉及的数据比较多,从数据的变化频率来分可分为静态数据和动态数据,从数据采集方式来分可分为自动采集数据和手工录入数据,从数据性质可分为生产数据、质量数据、能耗数据等。常用的方法是从静态数据和动态数据两方面分析、集成。炼化企业MES依据数据的结构和存储方式,分别建立实时数据库和关系数据库。实时数据库和关系数据库在物理上都可能会是多个,不同类型、不同来源的数据存在不同的数据库中。这些数据种类主要有:

(1)静态数据:主要包括组织机构、物料编码、原油、成品油、中间物料、物料流动参数、公用工程计量息、储罐参数、化验项目、化验采样点、工艺指标、出厂计量点、控制系统状况等。

(2)动态数据:动态数据是周期性变动的数据,这些数据来源于生产现场及生产经营过程,包括温度、压力、流量、液位、罐操作记录、化验数据、计量数据、生产记录等。

MES中应用静态数据建立业务模型和工厂模型,利用动态数据进行监控、调度、操作和统计。由于炼化企业对现场实时监控要求很高,因而,数据采集功能对于MES很重要,通过对生产现场各种数据的自动收集、整理,为生产计划、物料跟踪、装置操作、产品化验、物料平衡以及其它生产管理提供基础数据。在MES建设过程中,实时数据能否自动采集重点在于建立与自动化设备的数据接口。目前,底层控制系统与MES的通讯一般要求采用OPC(OLE for Process Control)标准。OPC用Client/Server的通信模式,OPC定义了1套应用于支持过程数据访问、报警、事件、过程历史数据访问等功能的COM接口,OPC服务器一方面负责与现场设备的通信,另一方面将获取的数据通过标准的OPC接口供MES实时数据库调用。MES向控制系统提供生产设备操作指令和运行参数,以指导和优化生产。由于每时每刻都有大量的流动数据流入流出,MES数据库动态性能要求高,其报表、保存与备份、恢复与删除、以及口令与权限,在设计时要求严格执行标准。

此外,MES还要与ERP等其它系统交换数据。MES向ERP提供实际生产数据,如原料投入、产出、库存、公用工程等数据。MES向SCM提供实际订货状态、生产能力和容量。MES与其它系统的数据交换主要采用XML格式,XML可以实现跨平台,使异构系统中的数据信息统一进行定义。另外,企业服务总线(ESB)也成为当前多系统间集成的主流解决方案,通过总线进行不同系统数据的定义、抽取、转换,实现数据共享。

MES起源于车间生产执行,成型于信息集成,应用于生产运行。MES将企业的生产计划和经营目标转化为操作指令,执行于生产过程之中,实现计划经营与生产操作之间的协调统一。通过对生产现场实时监控与预警,预防问题的发生,减少不合格产品与设备故障,提高产品质量和生产效率,减少人力和资源的使用,降低成本。通过产品和物料跟踪,监视物料/工件在任意时刻的位置和状态,收集和记录产品加工过程或工序、加工结果的数据,形成每个产品可追溯性记录。通过性能分析功能,MES将实际测定的生产结果、产品质量与历史记录、工艺规程、质量标准等进行比较,辅助管理者对产品性能、过程运作进行改进和提高。MES实现了实时掌握第一手生产信息,对工艺过程的稳定性进行实时监控和预警,对突发状况做出快速反应,使生产与计划结合更加紧密,制造执行过程透明化,满足企业精细化管理需求,真正使生产计划与执行形成“闭合回路”。

信息化与工业化的融合,业务与应用的驱动,使MES系统不断发展和提升。下一代MES的发展方向是:在ISA95标准上,建立集物流、能流、质量、设备状态等统一的工厂数据模型,使系统更加适应企业业务流程变更或重组的需求;构建灵活的面向服务的架构(SOA),增强集成性,易于配置、即插即用;更强的实时性和智能化,可视化功能更好,实现全球范围内的生产协同。

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