炼化行业MES系统

本文面向炼化行业的特点，针对MES系统在炼化行业的应用情况进行了系统分析，炼化行业MES系统以生产过程数据为基础，全面支撑企业的生产、经营等多项业务管理。控制系统网络不断开放的同时，带来的安全问题日益严峻，各种安全问题如病毒、攻击和入侵等已经引起了人们的高度重视。

一、炼化行业MES系统应用情况

炼化行业是典型的流程产业企业，具有生产过程连续化、生产批量大、工艺规程相对固定和物料流向复杂等特点，随着原油价格的不断攀高及国内外企业竞争加剧，炼化行业对于提升生产增效空间、加强精细化治理水平有着越来越迫切的用户需求，在这个背景下，近几年MES系统在国内外炼化行业的开发和实施工作发展迅速。

（一）国外炼化行业MES系统应用

美国ExxonMobil公司在埃克森和美孚公司合并后，同一实施了POIS-2的第二代MES系统项目，这个项目分为三个阶段：阶段一为通用基础设施改造，包括升级DCS和LAN、架设标准化桌面系统、安装Honeywell实时数据平台Uniformance和实验室信息治理系统LIMS等；阶段二为生产统计治理应用，包括实现生产统计，罐组份跟踪等；阶段三为操纵治理应用，包括实现操纵监视、装置平衡、能量平衡、物料移动、调合治理等。

巴西国家石油公司PetroBras公司是一个拥有11家炼油厂和2家化肥厂的大型炼化行业。其MES系统方案包括：计划和排产系统；实时数据库应用系统，负责收集生产装置、罐区、设备的数据，以及产品的质量数据；实现物料平衡，数据调整以及生产报表的天生；实现企业级的信息收集和汇总。

（二）国内炼化行业MES系统应用

国内炼化行业从1999年开始，逐步意识到MES系统的开发及实施工作对于工厂信息化建设的重要性，这个过程主要分为两个阶段。第一个阶段，炼化行业主要依据实际生产应用需求，在工厂开发实施一些独立非系统化的MES模块，例如锦州石化物料平衡系统、茂名石化的数据整合与物料平衡系统及镇海炼化的物料平衡与数据校正系统等；第二个阶段，炼化行业开始注重MES的系统及完整性，在PCS系统上架设同一的工厂实时/关系数据平台，向上连接ERP系统，形成完整的企业综合自动化系统三层结构；炼化行业在生产活动方面的用户需求通过功能模块的架构及实施得到解决。在这个阶段，以中石油和中石化两大大型国有企业的下属炼化厂作为主要代表。

二、炼化行业MES系统厂商介绍

（一）国外炼化行业MES系统厂商

国外炼化行业MES系统软件厂商起步较早，如Honeywell，Aspen等都有自己MES软件产品，Honeywell的Business FLEX@PKSTM生产执行系统软件套件作为Honeywell高技术解决方案的重要组成部分，能够帮助企业实现实时协调，增加治理的透明度，并持续不断地进步企业生产的灵活性和效益。它包括5个主要应用套件共30多个应用模块，分别为：先进计划及调度优化、操纵治理、油品调和及储运自动化、生产治理和价值链治理。AspenTech公司也将生产执行系统MES作为AspenONE企业卓越运营治理解决方案的一部分推出，它提供了一套完整的软件来实现对生产系统的治理，主要包括对实时数据库系统、生产计划及调度系统、生产治理系统和公用工程的治理等，并针对炼油、乙烯产业提供了特定的MES解决方案。另外，EMERSON及SIEMENS等公司也有自行开发的MES建模技术、解决方案及软件产品。

（二）国内炼化行业MES系统厂商

国内炼化行业MES系统厂商固然起步较晚，但随着MES软件产品需求的旺盛，对国外同类软件产品实施经验的积累等，国内炼化行业MES系统开发及实施厂商的发展非常迅速，由于国内炼化行业有着自己独特的生产业务流程及相关用户需求，与国外软件产品相比，国内厂商有着自己强大的本土优势。

三、炼化行业MES系统功能模块

在实际的企业生产过程中，炼化行业MES系统业务需求分为一下功能模块，其中物料管理和能源管理为主线。

（一）物料管理

在物料管理中对每一个生产环节、每一个生产动态都采用实时追踪，从原料产品进厂到装置加工和投入产出以及产品储存和收付动态到最后成品出厂，每个事件的动态都实行全部监控。根据业务层次的不同，在物料管理中主要包含进出厂、炼油装置、灌区管理、仓储管理、调度生产平衡和统计平衡等业务需求。

1. 进出厂管理

进出厂模块主要是对汽车、火车、管输等进出厂方式的计量单、装卸单进行管理，体现了进出厂业务操作的全过程，推动从人工分散管理方式转变为实时集成管理的方式，其业务范围涉及装置、灌区等相关进出厂业务。计量是业务的关键，所有计量的数据和进出厂班量都将作为调度平衡的基础数据，而进出厂计量单则为统计平衡提供数据支持。

2. 炼油装置

在每个班次的6：00和18：00时刻，MES装置操作人员开始从实时数据库自动采集各个装置的物料侧线仪表数据，按事先配置好的侧线模型计算公式获取物料侧线的原始量，根据所采用的加工方案投入产出模型，对装置投人产出的数据能够进行自动校正。这样可以消除由于计量仪表所产生的显著误差，使投入产出的数据量符合实际生产状况，从而对某一装置达到初始平衡。同时还要记录装置相关侧线的收付操作类型、收付双方的移动节点名称以及收付双方的开始和结束时间。

3. 灌区管理

在灌区业务中主要是通过实时数据库和LIMS数据库提供的灌计量数据和化验分析数据按班次进行各种罐检尺、灌收付等相关业务，同时还拥有灌的收拨存记录台帐等管理业务。在生产平衡中它提供了每个班次的储收付和检尺数据，统计平衡中则提供了灌库存在统计周期内的盘点数据。

4. 仓储管理

通过网络化方式管理仓储物流，对仓储管理进行总体设计，实现最优化组合，提供各种收付的基础信息，能够让生产调度部门可以及时掌握化工成品库的库存数据，以及出入库和库内操作情况。

5. 调度平衡

该业务流程主要是对装置、灌区和进出厂所提及的各种操作记录进行移动模型解析，形成生产平衡所需数据。根据这一数据，通过各种平衡计算方法进行数据平衡，如算法库和模型求解器等，在调度生产这个级别完成数据平衡。并且利用平衡工具，可以对生产平衡节点之间的移动关系以及节点量的检查，这样能够降低平衡周期，提高平衡效率。最后根据平衡后的生产数据生成调度日报，满足企业调度生产的需要。

6. 统计平衡

通过调度生产平衡后的数据，以进出厂、灌区和互供计量数据为基础，并且全面参考固体和气体等数据，最后达到厂级的统计平衡。从而为上层经营管理平台提供生产数据支持，满足计划部门的业务需求。

（二）能源管理

1. 能源数据统计分析

主要包括能源计量设备管理、能源计划、实绩、成本，及能源统计分析等，帮助企业实现能源的有效利用和降低成本。

1. 统计报表支持决策

通过访问实时数据库，MES系统获取能源计量仪表的实时数据，由操作管理人员对所取数据进行确认，按所需求的计量时间，通过计算得到每个公用工程测量点的能源消耗数据，经过平衡确认，利用接口将数据输送到ERP系统，根据能源介质输出日报、旬报、月报等各类报表。

（三）生产设备管理

MES系统的该模块主要包括生产装置管理、设备台账管理、设备运行管理以及设备维护管理等，可以实时监控设备的运行状态，提高设备利用率。

（四）计量器具管理

主要包括计量器具台账和计量器具检定管理等，以确保生产过程中的计量准确性和一致性。

（五）生产计划管理

MES系统的该模块主要包括产品产能管理、计划排产管理等，帮助企业制定合理的生产计划，以满足市场需求。

（六）生产报表管理

主要包括生产报表模板、生产日报、月报、季报、年报以及生产完成情况统计报表等，为管理层提供全面的生产数据分析。

（七）生产调度管理

主要包括生产异常情况管理、交接班日志管理、调度日志管理等，确保生产过程的顺利进行。

通过这些功能模块的协同作用，炼化行业MES系统可以有效地优化生产过程，提高生产效率，降低生产成本，并保证产品的质量。

四、炼化行业MES系统架构

MES系统采用的面向服务的架构框架模型技术是以业务驱动服务，然后服务驱动技术的一种架构。操作用户可以通过企业服务总线ESB模式转换后发送消息来调用服务，这样可以支持相互独立的异构环境中的消息、服务、事件之间的交互。它将MES系统中不同功能单元抽象为服务，通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来，这使得MES系统具有用户操作界面、统一的数据存储结构、统一的公共服务组件和统一的数据接口。按照系统的逻辑结构总体上分为四层，即Web服务层、MES系统业务逻辑层、MES系统核心数据层以及基础数据层。

（一）Web服务层

Web服务层是人机交互页面，主要是由浏览器作为web客户端，通过界面控件库为操作用户提供了友好的操作界面，方便用户使用该系统，是Web页面向服务器发送请求，并获得反馈信息的交互过程，用户在系统中进行的数据输入、数据提交和数据查询等各种业务操作，都是由web层来表现出来。

（二）业务逻辑层

业务逻辑层集成了MES系统中的主要业务逻辑处理，它位于MES系统的服务端，当用户在Web层调用数据时，首先向MES系统服务端提出调用申请，然后由该层对所调用数据进行业务处理，最后Web层将数据展示给用户，它在很大程度上决定了软件系统的健壮性、灵活性。业务逻辑层包括业务流程层、业务组件层和业务实体层，业务流程层负责处理所有的业务流程，是整个系统的核心，业务组件层用于存放系统在进行数据交换时所调用的组件，包括仓储、装卸台、移动记录和移动节点等组件，业务实体层指的是业务数据的载体，用于数据之间的传递，包括原料、生产单元、产品、库存等。

（三）核心数据层

核心数据层包括数据服务层和Oracle关系型数据库，负责对MES系统的数据进行管理，根据业务逻辑层的调度指令对系统数据进行业务处理，例如写入、查询、修改等操作，MES系统采用数据库集群技术搭建，将多台数据库服务器组成一个逻辑数据库，这样它具有负载均衡、所有节点服务器之间数据同步、容错和高可用性等功能，在数据层中还包括历史数据库和测试数据库。

（四）基础数据层

基础数据层在MES系统中数据采集和过程控制贯彻始终，数据是系统的根本所在，这些数据都是在基础数据层中实现的，它集成了RTDB、LIMS等服务接口组件，统一了接口标准。在炼油企业中，使用数据采集系统可以提取到所有车间装置中的计量仪表的实时数据，这样MES系统就只需要通过实时接口提取实时数据库中的所需数据。进出厂所需的数据也可以通过Web Services从计量管理系统中抽取数据，通过标准接口采集LIMS系统数据。

五、炼化行业 MES系统信息化应用

MES系统作为炼化行业信息中一个承上启下的生产执行系统，并不仅仅是一个孤立的系统，它是一个面向生产管理的集成、协同、数据共享的平台，为企业的其它信息系统输送唯一的、同步的生产数据，这样形成数据的统一性高，提高了数据质量。MES系统向下集成了RTDB实时数据库、LIMS等基础数据；向上为ERP、总部生产运营指挥系统提供了数据支持。系统内部实现了进出厂、灌区、仓储以及生产装置的业务协同和集成，并且和0RION、PIMS、计量管理等系统形成了数据共享和业务协同，这也是MES系统的一个重要的核心目标之一，而这些需求功能都是由Web Services标准接口来实现的。例如MES系统为了及时、准确、完整地实现物料平衡，就必须由计量管理系统为其提供进出厂的计量单数据，这就需要一个名为SmtInOutBillIf的Web Services接口实现，当通过Web Services向MES系统写入计量单数据时可以由返回的信息编码来判断数据是否发送成功，如00表示数据发送成功，01表示用户权限不足，02表示进出厂点不存在，03表示进出厂点物料不匹配，等等。表1是SmtInOutBillIf接口的输入输出参数。

六、炼化行业MES系统网络安全策略

随着炼化行业MES系统的快速发展，信息网与控制网的融合给MES系统建设带来新的思考，那就是不能再将控制网络与MES系统割裂开来。控制网络已经成为MES系统的一部分，MES系统建设要从全局考虑，进行网络结构优化，安全策略部署等措施，做到信息网与控制网通讯可控，区域隔离、实时报警，既满足数据通讯需求又保证工业控制网络安全稳定运行。

（一）MES系统网络架构设计

MES系统网络架构设计将网络结构划分为三个区域，从上至下是办公区、生产区、控制区。其中办公区是企业的办公网络，主要部署了基于网络应用的办公自动化系统，生产运行系统，生产视频监控系统，ERP系统等等。

生产区是为MES系统搭建的生产专网，它是一条独立于办公网的物理链路。其网络节点是的无人机交互的计算机，仅部署MES系统服务器、BUFFER机。在生产网和办公网之间通过部署防火墙，实现由生产网至办公网的单向访问。防火墙配置相应安全策略，允许MES系统服务器、BuFFER机访问部分办公网资源，如防病毒和补丁程序网站等。控制区为控制系统所在的控制网络。

（二）安全防护网关

在生产区与控制区进行数据交换的设备间，部署安全防护网关。通过建立通讯许可机制、通讯协议检测，实现生产网与控制网间可信的数据交换和网络隔离，确保MES等系统与控制系统的通信安全，保障控制网安全稳定运行。通过统一的监控平台，实时监测生产网与控制网的数据通讯、网关运行状态、运行参数，及时更新安全策略。

（三）网络节点安全策略

对Windows操作系统中的账户、口令、认证授权、协议安全、补丁与防护软件等多个方面进行安全策略的部署。其中在补丁与防护软件方面，安装赛门铁克杀毒软件，通过定制扫描策略，定期进行病毒扫描，做到及时检测病毒，减少计算机中毒概率；通过集成安装补丁分发系统，为Buffer机及时推送最新的Windows安全漏洞补丁程序。在协议安全方面进行TCP／IP筛选，开放业务所需的TCP、UDP端口和口协议。

七、炼化行业MES系统功能模型的结构

MES系统与上下层的信息交互是整个系统实现集成的关键。MES系统向上层ERP系统供应链提交生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、生产进程、油品质量、成本分析及各种生产运行数据；向底层系统发布生产指令及有关的控制参数；同时分别接受上层的中长期计划和底层的数据采集、设备运行状态等。MES系统在整个企业信息化集成中起着承上启下的作用，是生产活动和管理活动的桥梁，对于面向制造加工业和过程工业的ERP系统，脱离MES系统将无法根据市场需求去组织、管理和优化生产。MES系统的发展和应用是一个过程，而不是一个孤立的系统，MES系统的成功实施需要一个过程，要改造制造环境，要求管理机制作适应性改变。MES系统的实施需要恰当的规划和细致的分析，根据炼化行业和企业自身情况构造MES系统模型。

总结

炼化行业MES系统的应用实现了企业生产由以往的依赖人工经验向系统精细化管理的转变，梳理了业务流程，解决了物料和能源的全程跟踪问题，并通过超差报警优化了调度生产，提供了ERP系统数据支撑，保证了企业生产稳定均衡。总之，炼化行业MES系统应用对炼化行业增强行业竞争力有着重要意义。

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