智能工厂管理系统的研究与应用

李志锋

（鹤壁煤电股份有限公司化工分公司 仪表公司，河南 鹤壁 458000）

近些年来，工厂信息管理系统的发展呈现出智能化的趋势，逐渐成为企业先进的管理模式，超越了生产控制系统，出现在国内外大型化工行业、炼油行业、电力行业、冶金等行业中。其信息集成、生产调度、优化管理的功能在大型企业的管理中至关重要。

1 系统介绍

本厂信息管理系统基于OPC（OLE for Process Control）和浙江中控PIMS 平台进行开发，采用浙江中控实时数据库系统，利用B/S 相结合的模式。B/S 应用模式是生产信息管理应用的主流模式：Web 浏览端支持获取实时工艺生产数据、实时工艺生产统计数据、过程及系统报警记录等数据、长周期历史趋势数据、操作员操作日志数据、关系型数据库等数据；画面监控、报表功能与本地监控软件一致。客户端通过设置浏览器参数，即可登录系统浏览数据。

实时数据库系统通过OPC 方式把DCS、ESD、PLC、ITCC 等系统的数据采集到实时数据库中，再同步到镜像数据库中。PIMS 实时库系统，支持发布数据至集团信息系统平台。实时集成生产管理数据、设备管理数据、生产运行数据和安全管理数据，通过对生产数据的实时采集、再处理，对流程图、趋势、报表等载体的发布、更新，实现生产信息与管理层的对接，为管理者提供一个对生产进行全面掌控、实时分析、优化决策的平台。

鹤壁煤化工项目产品种类多、工艺流程长、设备种类多、控制系统复杂，给生产管理和信息调度造成巨大压力。信息管理系统的开发正是为了帮助管理者及时、直观地了解生产现场的运行情况，解决多个控制系统各自独立、无法进行综合分析，无法统一规划全厂资源等一系列问题。

图1 鹤壁煤化工PIMS系统改造项目拓扑图Fig.1 Topological map of the Hebi Coal Chemical PIMS System renovation project

2 主要功能

1）实时数据采集。

2）流程图、趋势图的远程访问（电脑端、手机APP）。

3）报警、事件记录的管理与分析。

4）报表传送。

5）生产统计（班组效益考评、装置生产统计、能耗统计分析、效益统计、产品成本统计分析）。

6）报警短信推送。

7）实时视频监控。

3 系统结构

该系统由数据采集层、数据防护层、数据发布层构成。

PIMS 采集器中聚集了OPC Server，这些能够对项目的组态、数据集成、趋势、流程图、报警、事件记录和报表等进行管理。

OPC Client 端包括：气化装置DCS、甲醇装置DCS、空分装置DCS、动力站DCS、脱硫DCS、ESD/ITCC 系统、给排水系统的PLC、煤贮运的PLC 以及其它PLC 系统，用于为各控制系统提供OPC 接口，以采集生产数据。

PIMS Client 包 括10 个PC Client 和 多 个WEB Client，用于远程客户进行流程图访问、数据获取等。

图1 是本厂PIMS 系统的总体网络拓扑图。

4 关键技术及应用

项目从最初的总体设计规划，到网络铺设、硬件安装、数据建立、信息发布和系统配置等方面投入了大量人力物力，经过一年多的发展，解决了许多技术难题。现将项目实施主要技术难点和实施过程介绍如下：

4.1 OPC接口开发

OPC 接口用于信息管理系统与各装置DCS、ESD、ITCC、PLC 控制系统的通讯连接，本厂使用的控制系统种类繁杂，并且每个控制系统的数据通讯标准是不一样的，所以需要各个厂商的帮助，对OPC 的授权情况有一个了解；另外，依据系统相应组态不同的系统协议和地址，根据通讯协议组态不同的数据采集格式，经过多次摸索，逐一完成各OPC 接口Client 端的开发。

Server 端是以浙大中控提供的Vx 列软件包为基础，其中包括VxCollection、VxHistory 等，主要是对软件进行正确的安装配置，然后根据不同的Client 端定义相应的网关，以实现VxCollection 平台与Honeywell PKS 系统、Foxboro IA系统、横河CS3000 系统、西门子STEP7 系统、WinCC 系统等的数据交互。

4.2 计算机应用管理

该系统需配置多台服务器和数十台计算机客户端，并安装多种应用软件，为保证系统网络的安全性、完整性，大大地提高了信息管理系统的兼容性，使之适用于Windows Server、Windows7，并且计算机的软件和硬件也经过了一系列的改造，主要包括：加装专用网卡、重新DCOM配置、系统安全性配置、用户组/账户对等、用户权限配置、各计算机网络规划等。

4.3 PIMS Server组态

PIMS Server 组态的主要内容是数据采集、归档和动态画面。组态的前提是各OPC 接口开发完成，打通与控制系统的数据采集通道，然后根据将要采集数据的功能和类型建立多样化的Block 功能块。

OPC 就是OLE for Process Control，这是它的全称。它能够有效地控制Windows 的应用程序和现场过程。在它没有出现之前，应用软件的开发商都具有专门的接口函数对现场设备的数据信息进行存取和储存。但是现场设备的种类比较复杂，产品不断得到升级和改造，大大加重了用户和软件开发商的工作负担，并且工作中的现实需要也不能够得到满足，系统集成商和开发商需要一种高效性、开放性、可靠性为一体的设备驱动程序。在这样的现实背景下，OPC 标准开始出现。它在微软公司的OLE 技术的基础上，通过一系列的标准的OLE/COM 接口，利用OLE2 技术，实现了多台微机之间文档和图形的交换[1]。

鹤壁煤化工项目包括煤储运、水厂、动力站、空分、气化、甲醇、BDO、丁二酸酐、聚四氢呋喃等装置，各类控制点30000 个，控制系统流程的画面大约有900 张。TAG 组态需要一个一个地导入选出来的30000 多个重要的控制点，并采集相关的网关和Block 块的数据；采集完的数据要按照一定的单元规划进行归档，以便后面对它进行管理和开发；运用相关的数据管理软件，例如SQL Server2008或者项目配置SQL 服务器，对数据进行自动地备份。

同时，收集了管理层和各生产分厂的建议，充分考虑用户端的需求和喜好，将控制系统画面进行整合，重新编制成信息管理系统，使得画面简洁、流程准确、数据明了。在此基础上，又将控制系统事件报警汇总到信息管理系统中，并建立趋势组和报表，记录重要生产数据历史，用户可以在远程实时监控现场异常状况，也可以结合趋势进行最快速的事故分析和决策。

4.4 信息系统发布

本厂客户端有PC Client 和WEB Client 之分，PC Client运用信息管理系统可以直接对系统的服务器进行访问，但是WEB Client 访问WEB 的服务器则是利用远程网络，以网页的形式进行的，这两个客服端在信息的获取和响应的时间速度上大概是一致的。

WEB Client 是信息系统发布的主要对象，前期组态好的系统画面要转换成HTML 网页的格式，然后同时发布在WEB 的服务器上。用户还可以利用TS 服务器得到一个实时的信息。

4.5 三层网络交换结构

为了确保各个信息管理网之间的分工和权限的明确，保证通讯的稳定和安全，项目通过组合思科三层交换机和二层交换机对系统进行互联，然后运用三层交换技术分离生产控制系统和信息管理系统客户端。同时进行配置交换机，把VxCollection 服务器和WEB 服务器连接到客户网，使服务器能够任意访问、全局管理[2]。

4.6 网闸

与这个项目有关的计算机的范围比较大，并且由于每个子系统都直接连接到底层控制系统，使其潜在着安全问题，木马病毒的风险较高，所以引入了单向网闸隔离两者。网闸利用了2+1 结构设计和双主机系统+硬件隔离控制器。运用了能够专门处理数据的芯片，硬件隔离控制器和INTEL 指令集；能够单向控制和有效分隔中间的硬件控制器，使两者之间的隔离强度越来越靠近物理隔离，大大提高安全性。把安全、固化的操作系统，运用wont 嵌入式LINUX 系统内核，使内、外网关的所有网络功能都取消。剪掉内外网关TCP/IP 的协议栈，内外网关之间签订私有的通讯协议。应用层数据能够实现单向的传输，TCP 应答包杜绝带有应用层数据[3]。

4.7 防火墙

项目运用的是华为的防火墙，各个服务器之间的通讯都必须经过这个防火墙的严格控制和筛选，获取到防火墙端口的权限和行为，提高各个服务器之间传输信息的安全性，只允许这两条数据通道之间网络连接，使DoS，IP Spoofing 免受网络攻击，大大地提高了系统之间的安全性[4]。

当前，本厂信息管理系统已投入使用过程中，具备远程画面访问、视频监控、报警监控、报警短信推送、手机APP 等功能，完全实现了最初规划的功能。

5 项目效益

智能工厂信息管理系统建立了一个能够使企业在网络环境下进行数据采集和管理的平台，这个系统可以对全厂上下进行生产信息的管理和查询，使生产调度管理更加优化，加强了与各个分厂之间生产的联系。这样一来，管理层就可以更好地管理各个配置的生产情况，合理调配生产过程中的供给和需求问题，更好地执行企业的生产计划、资源调度和预测决策[5]。

这个系统使生产统计和数据二次开发功能得到实现，对生产过程中的情况进行实时地分析，并对各个生产指标进行分析和处理，为企业管理层有效提高优化生产过程提供简洁有效的路径，同时在生产管理优化的过程中加大了技术的投入，大大增加了经济效益。

本项目使得管理和控制逐渐一体化，使办公网络和生产网络之间能够传递信息，进行交流，使生产管理效率有了较为明显的提高，为此可以广泛推广应用，创造更多的生产经营效益。