一種通過批量控制軟件對接MES與DCS的解決方案

施尹志，史國芳，鄭 輝，黃奕龍

（浙江中控技術股份有限公司，杭州 310053）

0 引言

以集散控制系統DCS（Distributed Control System）為代表的工業控制系統作為工業自動化領域中的核心裝備系統，是自動化技術、計算機技術、網絡通信技術相結合的產物，廣泛應用于石化、化工等流程工業生產領域[1,2]。批量生產作為現代化生產過程的一個重要分支，廣泛應用于精細化工、食品飲料、生物醫藥和農藥化肥等部門[3]。

批量控件可作為數據管理軟件，集成于過程控制系統（如：DCS）中，與工廠管理網中的MES（Manufacturing Execution System）/ERP（Enterprise Resource Planning）等上層管理調度系統相連接，具有一定的開放性。

隨著精細化工產業的快速發展，其產業結構上出現了很大的變化，傳統的少品種、大批量的生產方式已經不能滿足現代精細化工的生產要求，逐漸向多品種、小批量的生產方式轉變[4]。原有的批量控制系統遇到了很多技術難題：首先，多達數十甚至上百種原料使配方的復雜度大大增加，原有的批量控制系統能力已經不能滿足要求；其次，產品的種類和更新速度的增加，導致配方程序的修改和制定的難度增加；同時，隨著自動化控制技術的理論和計算機計算的飛速發展，對于工業控制集成化、標準化的要求也越來越高。

美國儀器儀表協會（ISA）在1995年制定了針對批量控制的ISA S88[5]標準。1997年，它被國際電工委員會（IEC）采納為國際標準，該標準定義了一系列的術語和模型，以滿足批量生產的控制需要，也讓批量控制的發展進入嶄新的階段。

圖1 系統層次結構Fig.1 System hierarchy

1 MES與DCS對接需求分析

隨著智能制造與工業4.0的蓬勃發展，批量控制軟件作為連接過程控制系統與管理系統的中間環節，作用越來越凸顯。

在批量生產過程中，涉及到很多物理化學反應，對整個生產過程中的一些重要數據如溫度、壓力、投料量、時間等數據進行監控與記錄，以便用于生產管理分析和數據指標管控，及時發現異常與不足并及時改進；同時，通過數據積累，用于車間成本核算，并借此對比車間管理指標變動規律，總結車間管理經驗。而這些重要數據的查看、搜索、分析、對比等工作，一般由管理軟件（MES/ERP）來完成。

在批量生產的實際生產環境中，傳統MES/ERP與DCS直接對接的解決方案，因調度室與中控室距離較遠，控制工程與信息工程實施分離等因素，存在數據調試困難，數據通信不穩定，工程組態工作量大，工程實施周期長等諸多現實問題。引入批量控制軟件作為數據管理軟件，作為MES與DCS中間層后，MES不再直接對接DCS。而S88標準化了批量控制的物理模型、邏輯模型，為兩者的對接標準化提供了基礎。不過，當下通過批量控制軟件對接MES與DCS，業內并沒有一套完善的解決方案。

基于上述情況，本文提出了一種通過批量控制軟件對接MES與DCS的應對解決方案。本方案基于S88標準，將實時數據與命令數據雙通道分離，在保證現場數據安全的前提下，提升數據交互效率。同時，本方案可將配方數據上送至MES，極大地簡化了工程人員實施操作工序，提升了工程實施效率。

2 MES與DCS對接方案詳細介紹

2.1 系統層次結構與網絡部署方案

本方案中的批量控制軟件（Batch），可提升DCS系統執行效率，改進生產管理方式。Batch開放標準接口，上接MES下連DCS，能夠實現配方及指令的下傳和信息上傳，既是MES層與DCS層的紐帶，也是批量生產控制調度核心。

圖2 MES、DCS和Batch網絡部署方案Fig.2 MES,DCS and Batch network deployment plan

圖3 對接方案整體數據流Fig.3 Overall data flow of the docking solution

最底層是基礎自動化（DCS+SIS+APC），中間層是批量控制軟件，上層是生產執行系統（MES/ERP）。系統層次結構如圖1所示。

控制相關網絡均可配置為雙網冗余，各服務器均支持主從冗余。MES與Batch通過工業防火墻隔離。Batch向MES開放WebService接口，同時推送生產實時數據至數據中轉站（MQ Broker）。網絡部署方案如圖2所示。

2.2 對接方案介紹

主要數據流內容為：配方組態→工單計劃→下工單（下單、撤消、改單）→工單生產→生產狀態推送→生產數據推送→人工投料數據同步。數據通道跨平臺、跨語言，通用性非常強。接口設計基于S88通用國際協議，具有非常強的現場適用性。

整體數據流如圖3所示。

圖4 配方編輯器配方列表界面截圖Fig.4 Screenshot of the recipe list interface of the recipe editor

表1 查詢配方摘要接口與返回內容Table 1 Query formula summary interface and returned content

2.2.1 配方組態

因本方案支持配方同步，所以配方組態可以在批次控制系統中進行，還可以在信息化MES系統中進行。可以方便在DCS調試時，修改配方組態；也可以在MES對接時，修改配方組態。配方組態界面如圖4所示。

完成某配方版本審核生效后，配方內容固化，之后由MES發起配方同步請求。

查詢配方摘要接口GetRecipe，可以獲取配方摘要信息列表。摘要信息包括：ID、名稱、版本、備注、狀態、產品等，見表1。同時，還支持增加、刪除、修改配方接口。

查詢配方詳情接口GetRecipeDetail，可以獲取配方詳細信息。詳細信息包括：摘要信息、配方適用生產線、配方Unit、Operation、Phase程序等，見表2。

表2 查詢配方詳情接口與返回內容Table 2 Interface for querying recipe details and returned content

2.2.2 控制配方

MES接收ERP（SAP）制造單后，MES向批次控制軟件下發命令（新增控制配方），批次控制軟件操作人員啟動控制配方。在控制配方開始前，支持修改、刪除控制配方命令；在控制配方開始后，批量控制軟件不再接收MES的控制配方相關命令。

新增控制配方接口AddBatch，MES可以根據生產計劃下發生產指令，見表3。

查詢控制配方詳情接口GetBatchDetail，MES可以獲取當前批次（控制配方）所有實時數據。同時，也將實時生產數據按事件ID推送數據格式，見表4。

表3 新增控制配方接口與發送數據Table 3 Newly added control recipe interface and sending data

表5 實時生產數據消息分段格式Table 5 Message segment format of real-time production data

表6 實時生產數據消息ID清單Table 6 Message ID list of real-time production data

2.2.3 實時生產數據

在批次（控制配方）實時數據有變化時，批量控制軟件推送變化數據至MES，包括狀態、數據變化、設備故障報警等。

實時生產數據采用BytesMessage傳遞數據。數據分段格式見表5。

實時生產數據消息ID清單，見表6。

表4 查詢控制配方詳情接口與返回內容Table 4 View the control formula details interface and return content

2.3 方案性能與安全性簡要分析

本方案區分兩種數據通道：命令數據通道和實時數據通道。

命令數據通道：通過TCP加密連接，由MES主動發起。支持雙網冗余，使用自定義通信協議，自定義加密策略。數據量較少，可以滿足現場單服務器200個批次并發生產需求。

實時數據通道：通過消息中間件（如：ActiveMQ），推送至MES。支持中間件集群冗余，支持自定義加密策略。因真實數據由Batch歷史數據服務器存儲，僅將實時數據加密后推送至MES，即使實時數據存在通信問題，也不影響現場控制數據。在后期可通過數據對協議自動恢復。實時數據量較大，主要負荷在消息中間件，而現代化消息中間件消息吞吐量可達百萬級，還支持集群擴展功能，可以滿足工業現場要求。

通道兩端均應用軟件狗加強軟件安全性，再配合現場安裝防病毒軟件與工業防火墻，可以滿足工業現場安全需求。

3 結束語

本文提出了一種通過批量控制軟件的MES與DCS對接方案，已應用于中控系列控制軟件中。方案已經在多個精細化工、醫藥等現場投入實際應用，幫助企業實現了一種安全、可靠、高效的對接方案。本方案對于批量控制軟件的精細化工企業的生產監控和提升效率具有積極的意義。