區塊鏈技術在生產過程控制中的可應用性探討

王昊，楊卓，曾妍月，鄒斌

（1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730300）

今年，區塊鏈技術正成為當前最熱的科技變革技術，它正向石油化工行業進軍。其最具代表性的石油化工企業——中國中化集團，率先在“青島·鏈灣雙清區塊鏈應用論壇”向公眾展示了其精心打造的“能源石化區塊鏈商業應用聯盟”。除了中化集團的應用案例之外，從當前關于石油行業區塊鏈的一些解決方案中，有提出從石油的生產到冶煉，從運輸到倉儲，直到銷售的各環節建立區塊，通過建立電子身份證的方式，解決追溯和信任問題；有的方案提出讓石油企業建立統一的分銷平臺，利用區塊鏈技術快速匹配，在去中心化的鏈條中降低交易間的成本等。

區塊鏈技術可能是未來生產關系的一個補充。它創造了一種基礎性質的可能，在沒有中心“大家長”的系統中，每個節點的用戶能夠扮演好自己的角色，實現各環節的目標。企業運行中，區塊鏈技術并不適應企業的每個環節，特別是在生產方面飽受爭議。因此，在石油化工的生產過程控制中是否可以運用區塊鏈技術，是本文探討的主要內容。

1 生產與區塊鏈變革

1.1 案例選取

中海油下屬的某集團信息化工程建設十分成功。該公司對化工生產的所有流程和企業的管理經營進行了全面信息資源規劃（IRP）：以該集團石油化工產品為主，涵蓋供、產、銷3 個層面，目的是為了研究出化工企業的核心運作規律，整合研究數據，消除層內和層間的信息孤島，實現數據各層面的集成。該公司經過全方位的業務調研整理、信息流梳理和數據分析，最終形成了先進控制為主體的全方位優化控制、MES 的部分管理等。特別是生產方面十分突出。

1.2 變革意義

石油化工企業具有資源能源依賴性強、連續型大規模生產、成套專業化設備、大批量生產的特點。固然海化集團的生產采用了DCS 程序控制，但生產的關鍵數據不能及時準確的流入管理層，會導致生產和供應鏈管理之間的數據是信息孤島。或者也難免在生產期間，操作員在生產過程中向管理層面反映的數據失真，這就直接影響產品的數量和質量，間接挫傷工人的積極性。如果在這期間加入區塊鏈技術，利用區塊鏈的不可篡改、數據計量等特點，生產過程與原材料區塊化控制，按照實際的生產力劃撥原材料，實時監測原材料的去向，每項原材料都有據可循，提高原材料利用率；區塊鏈的分布式訪問以及可溯性，能夠監控到操作人員對生產數據是否進行篡改，以及當系統發生故障或者操作設備出事故時進行事故分析，擴大生產安全系數。

1.3 生產過程控制與區塊鏈

該集團的生產線主要以DCS 控制系統為主。DCS系統稱為集散控制系統，也可稱之為“分散控制系統”或“分布式計算機控制系統”。它是基于分散控制、操作和集中管理的思想，采用多層分級、各級獨立的結構。區塊鏈技術是分布式系統的系統服務，基于安全的理念，主要為了用簡單的辦法確保數據的完整性；我們通過分析該集團DCS 系統網絡結構的應用現狀，運用區塊鏈技術來為其提供技術解決方案。

以該集團純堿廠為例，2005 年以前采用的是按車間工段分散控制的傳統DCS 控制系統，DCS 系統的來源冗亂繁雜，其中有羅斯蒙特系統、霍尼威爾系統、西門子PLC 等，在系統應用與連接以及工作人員對系統的管理都帶來了諸多困難；同時運行過程中可靠性、穩定性存在不足，主操作人員操作過程繁瑣，相互交流困難，給生產帶來很多弊端。為提高生產效率，以及滿足現有的生產工藝對控制系統的可靠性、快速性、人機交互性及監控水平等要求，自2005 起它便慢慢地更換以往的控制系統，統一采用的是西門子PCS7 控制系統(注：PCS7 系統的實質是在DCS 系統上的優化)。

（1）PCS7 系統網絡結構描述（圖1）。①現場總線層：PROFIBUS DP 與PA，是聯絡控制站(AS)與各操作現場站的橋梁。②控制總線層：工業以太網，是連接控制器(AS)與服務器或操作站的紐帶。③廠級網絡：標準以太網，是建立服務器與操作站或上層廠級網絡通訊的關鍵。

圖1 PCS7 系統結構圖

（2）PCS7 系統的優點。①系統結構緊湊、邏輯性強、功能強大。基于WinCC 的操作員站是一個強大的全面開放的監控系統，不但能用于簡單過程監控，還能用來進行復雜的過程監控。②數據的完整性。冗余度選件能使2 個冗眾的WinCC 站同時運行，以保證連續的過程和操作員控制。若兩站其一出現故障，另一個則會自動頂替，完成數據傳輸與過程值的歸檔任務。當故障消除后，在該站故障期間所采集的過程值檔案和報文部復制到現在恢復運行的站上，從而保證了數據的完整性。③自我診斷的功能強大。不但可以提供系統的自我診斷，而且還能提供設備的硬件診斷。當發生故障時，所有的工程師都能在系統窗口上跟蹤過程活動或者參與生產控制，同時得到報警和操作員的提示。

（3）PSC7 系統存在的不足。該集團純堿廠PCS7系統在投入運用近15 年來，為企業的生產效益作出了不可磨滅的貢獻。系統基本能滿足生產要求及工藝要求，但是隨著信息化與自動化的發展，也不斷顯露出一些問題，主要如下：①由于各種網絡交換機的交叉使用，很可能導致PCS7 的交流網絡過于集中，負荷較大，從而影響通信及系統信息傳遞。②DCS 模擬輸人卡故障時，有可能造成其8 個輸入通道數據同時偏高各自量程的30%左右，從而導致生產波動。③控制層和系統操作層在同一層網絡，會造成網絡故障的擴大化。如當交換機上某個光口故障時，會造成通訊阻塞，進而導致相應機柜間的所有設備通訊不暢。④由于全廠DCS 是一個以太網，系統一旦遭到病毒侵人，可能威脅整個網絡的安全運行。

（4）區塊鏈可發揮的作用。毋庸置疑，在現有技術下，PCS7 系統不論是在系統控制、人機交互、智能操作等方面已經發展得相當成熟，但不可否認該系統在數據存儲、網絡安全上依然存在很大問題。而區塊鏈技術的發展或能為其提供解決方案。在區塊鏈技術方案的研究中，分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法可歸結為區塊鏈的4 個主要特點。在PCS7 操作系統中，數機柜間有兩對控制層交換機，由于系統文件、生產操作歷史數據均存于工程師站內，如果在工程師站中運用到區塊鏈技術，其優點如下：①利用區塊鏈的加密算法，可以防止黑客侵入以太網來篡改下級工作站網絡送到中控室的數據，其意義在于無法刪除或修改已存儲的數據，讓控制室獲得的生產數據為最原始的資料。②利用區塊鏈的分布式訪問以及可溯性，能夠完整的監控到操作人員是否對生產數據進行篡改，以及當系統發生故障或者操作設備出事故時，可以進行事故分析。

2 結語

該集團的生產在從理論上來說，具有進行區塊鏈建設的可能性，然而該集團是一個整體，區塊鏈不能進行單一環節的建設。但區塊鏈技術能夠作為底層框架，很可能在生產價值點進行應用，可以突破限制，優化企業集團的信息化程度。不過現有的區塊鏈技術建設僅限于概念上。該集團當前的信息化程度較高，新技術建設需要耗費大量的人力、物力、財力。基于集團中長期發展戰略的目標要求，采用能源區塊鏈形式改革當下的經營運作模式，并非是促進企業壯大的妙計良策。