【典型案例】霍尼韦尔MES解决方案介绍
2022-03-16 来源： 智造苑
Business.FLEX是美国霍尼韦尔公司（Honeywell）用于流程工业的MES产品套件。该产品由价值链管理、高级计划与调度、操作管理、油品调和及储运自动化、生产管理5个应用套件共30多个模块组成。其中与生产过程管理相关的核心模块有：Web应用平台（WorkCenter PKS）、计算引擎（BizCalc）、操作管理（OM）、物料平衡（PB）、绩效管理（KPIM）、资产管理（Asset Management）、能源管理（EMS）、统计过程控制（SPC）、无线巡检（Intelatrac）、ERP接口（Business Hiway）以及综合信息展示平台（EAF）、化验室信息管理系统（LIMS）等。Business.FLEX产品套件与数据管理平台（Uniformance）构成了霍尼韦尔用于流程工业的MES解决方案（Honeywell MES），其结构如图1所示。
图1 霍尼韦尔MES解决方案（Honeywell MES）
Honeywll MES是典型的平台化解决方案，数据集成管理平台（Uniformance）、Web应用平台（WPKS）、计算引擎（BizCalc，一个高级计算管理工具，可以对各类数据进行大量复杂计算处理和验证，为MES其他应用模块或者外部的其他应用系统提供数据基础）以及报表工具等构成了Honeywll MES的基础平台，Business.FLEX的所有业务模块都是基于Uniformance数据平台运行的。
Honeywell MES将企业经营目标转化为生产操作目标，同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈，从而形成计划管理层、生产执行层和过程控制层3个层次的周期循环。Honeywell MES通过制定生产计划、进行生产排产、形成操作指令，指导生产操作、监视生产状况，进行生产统计、实现物料平衡、进行实际与计划的比较，将生产结果反馈到ERP层，从而再改进生产计划，改进生产流程，形成生产过程的闭环，对业务流程进行不断改善。专门的绩效管理模块可以对工厂各个层次各个专业的人员设定绩效指标，并进行实时监视，保证所有人员的行为与公司的整体目标保持一致。Honeywell MES采用统一的Web应用平台－IE浏览器，保证生产信息在最大范围内共享，保证决策层能根据实时生产情况及时做出生产调整。
Honeywell MES广泛应用于油气、炼油石化、化工、造纸、烟草等众多工业领域。该系统部署灵活、可伸缩性强，可应用于单一装置、全厂乃至整个集团公司的生产运营管理。以下具体介绍Honeywell MES解决方案的基础平台及主要功能模块。
「 1. 数据管理平台（Uniformance） 」
Uniformance为企业的数据采集、存储和管理建立了一整套统一、开放的一体化数据库平台与生产实时管控平台。开放型数据库系统可集成工厂所有的过程数据、商业管理数据并支持相关的应用。这种全厂范围内的数据库结构可保障工厂的管理部门使用一致的数据，从而提高工厂信息化管理水平。
Uniformance平台结构如图2所示，由数据采集、数据存储处理和桌面应用3个层次所构成，主要包含以下功能。
图2 Uniformance平台结构
1）数据采集层
数据采集的准确和可靠为以后的应用提供了保障。霍尼韦尔公司开发了一套统一的数据采集基础结构和连接多种系统的实时数据库的产品化接口RDI（real time database interface），使其能够像DCS一样运行。这些接口不仅包括霍尼韦尔系统的接口，还提供与其他主要DCS 连接的接口，例如 Foxboro 的 I/A，AB 的 PLC、OPC 服务器等等。在采集实时数据的同时，还能采集非连续的数据，如实验室的分析数据，物料的移动数据及操作变更数据等。现代化企业大量采用DCS 等自动化仪表及控制设备进行生产过程自动化控制。PHD 实时数据库具有与这些常用设备的接口和数据采集能力，包括：DCS、PLC、化验室数字仪表、数字流量计等。并且，实时数据库软件包具有接口软件的开发工具，以便为特殊设备开发接口。
数据采集是实时数据库运行的基础，PHD（process history database）实时数据库可保证数据采集的实时性和可靠性以及实时数据的一致性和完整性。同时，数据采集接口能够方便地进行数据采集的定义和配置。
2）数据存储和处理层
Uniformance作为一体化应用平台不仅可以管理实时数据，还能实现对事件信息，事务性数据和应用数据的管理。在系统内部实现了实时数据库和关系数据库 (Oracle)的无缝连接，极大地方便了管理应用软件的开发。实时数据库可用来存放原始数据和修正后的数据。原始数据可以是来自生产过程DCS、先进控制系统、质量检验系统、及其他自动化设备的实时数据。实时数据库还可以保存修正后的数据，包括：校正数据，补偿数据及人工修正的数据。
PHD 实时数据库能够对各种来源、各种类型的数据进行合理组织，以标准化的数据结构存储于实时数据库中，既能保证数据的完整性、一致性，又能够方便数据查询和应用。PHD 实时数据库还能够以时间顺序长期保存实时数据及他们的统计值，如一段时间的平均值，最大、最小值等。这些历史数据的保存时间大大长于DCS 或其他仪表。PHD 实时数据库软件还具有很强数据压缩能力，以便利用有限的计算机存储资源存储更长时间的历史数据。
3）桌面应用层
Uniformance一体化应用平台提供的桌面应用包括基于Web 服务器的数据库信息浏览、基于MS Excel 的数据分析和报表、基于PowerPoint 的监视和演示分析、基于VB 的应用开发和功能强大的趋势分析功能等。通过使用开发平台和商用软件可以降低培训和升级费用，方便用户使用和维护。
工厂参照模型（plant reference model，PRM）是霍尼韦尔公司在Oracle 关系数据库管理系统基础上开发的工厂信息模型，用于存储工厂设备信息、产品信息、PHD 组态信息和一系列事务性数据（例如进料、产品装运信息等）。用户可以通过对PRM 的组态，形成面向对象的管理数据模型。它可以存放全厂的设备信息、产品信息、物料流程信息以及实时数据的位号，不管是霍尼韦尔提供生产管理软件还是用户开发应用，PRM 都可作为其基础和管理数据模型，从而大大缩短实施生产管理软件时间和提高管理模件之间关联性。PRM动态连接实时数据库PHD 和关系数据库Oracle，为工厂建立管理应用模件提供基础。
「 2. Web应用服务平台（WPKS） 」
WPKS（门户网站）是霍尼韦尔MES生产管理信息系统的统一浏览平台与发布平台，也是一个全新的基于IE浏览器的web应用平台，用于实现信息可视化。WPKS的主要功能与特点如下：作为信息发布网站，把流程图、报表实时发布；作为其他应用模块的发布平台；是一个可组态的Web应用平台，只是需要进行简单的组态、配置，不需要进行开发工作。
如图3所示，WPKS 为3层结构，即数据层、逻辑层和展示层。基于这种3层架构，WPKS为开发和配置强大的Web 应用提供框架，同时保证与其他基于Web 的应用保持协调一致。
图3 WPKS 的3层结构
（1）数据层：包括PHD 实时数据库、Oracle 和SQL 关系数据库。这3种数据库的数据通过WPKS 的数据服务器上传。
（2）逻辑层：包括WPKS 的数据服务器、应用服务器和IIS。数据服务器把数据传送给应用服务器，应用服务器负责把WPKS 的页面信息发送给IIS 服务器，IIS 负责解析WPKS 发送的信息。
（3）展示层：包括IE 浏览器、HMI WEB 图形编辑器。用户可以通过IE 浏览器浏览流程图、趋势图等的信息。HMI WEB 用于制造用户流程图、趋势图等。
WPKS 基于Microsoft 的.net 框架构建，支持所有.net 应用，准许用户以及第三方开发人员使用Visual Studio.net 进行客户化定制。
WPKS 通过与PHD的无缝集成，实现生产信息的Web 浏览功能。WPKS 作为霍尼韦尔的MES解决方案的基石，是一个全新的基于IE 浏览器的应用平台，用于实现信息可视化、监视与分析以及决策支持。基于WPKS 平台，PHD 利用其所存储的生产数据，可实现下面主要的应用功能：
（1）以图形的方式展示当前设备运行状态，同时可将其他非实时数据展示在流程图上，并可以关联查询实时数据的历史趋势；
（2）展示资源实时动态信息，实时展示当前全厂资源动态信息和资源存储状况；
（3）以表格的形式展示实时数据；
（4）通过动态过程历史曲线，展示实时数据的历史变化情况；
（5）流程回放功能，对于某流程画面，可以按时间向前回放到任意时刻的状态，以便对生产进行跟踪查询；
（6）对数采接口状态进行实时的监视，并对实时数据的质量进行实时的监控；
（7）通过网页查询及使用实时数据库中的历史数据；
（8）通过网页人工录入数据；
（9）在流程图等图形展示界面中，可以随时方便查看图中数据点的历史趋势曲线的功能。
「 3. 核心功能模块 」
1）操作管理（OM）
操作管理是基于Uniformance 平台之上，可以通过它对各操作班组的表现进行考核和监视。操作管理能够帮助下达基于不同加工方案的调度指令，实现平滑交接班以及交接班日志的电子化。
操作管理实现一套完整的生产装置操作管理流程，通过对一系列主要生产操作指标的管理，来为生产管理部门提供决策依据，同时为实施全厂的绩效考核提供考核依据和手段，并以友好的界面提供给使用者。
操作管理具体实现如下目标：
（1）使操作更接近真正的最优目标值。
（2）采用更精确和一致的上下限设定值，减少事故。
（3）更好地分析根本原因的工具，减少事故。
（4）使交接班能够平滑进行，减少错误的发生率，从而提高生产效率。
（5）帮助企业建立一套精细的操作管理流程，提高企业的竞争力。
（6）提供一套用于监视生产装置性能的工具，供生产管理部门提供决策依据，同时为全厂的绩效考核提供依据和手段。
操作管理帮助生产人员通过对装置和生产流程的精细化管理来提高产品的产量和质量并确保装置的平稳运行。通过3个互为补充的子模块相互协作来完成精细化管理的目标。霍尼韦尔操作管理3个子模块分别是操作监视（Operations Monitoring）、操作指令（Operating Instructions）与操作日志（Operations Logbook）。
（1）操作监视（Operations Monitoring）：操作监视负责监控生产装置关键数据的实时采样结果，并把该结果与工艺专家为其指定的指标上下限的比较，同时记录其超标情况，最后提供出一个操作界面供授权人员为超指标数据输入超标原因和相关的建议和意见等。这样一个流程完整实现了“监控－反馈”的闭环控制。
（2）操作指令（Operating Instructions）：操作指令配合操作监视协同工作，负责完成对监控目标的指标上下限更改的工作，以及为装置生产人员下达指令，用以完成生产方案变更等的操作。操作指令在其生命周期内执行一套完整的“生成－审批－激活”的流程，确保了生产过程中的各个环节的参与者都能够了解生产的全过程，并配合好其他岗位人员共同完成生产工作。
（3）操作日志（Operations Logbook）：操作日志模块为现场操作人员提供了一套记录当班生产情况的工具，可以实现班组交接记录的电子化。
2）物料平衡（PB）
物料平衡是指产品或物料实际产量或实际用量及收集到的损耗之和与理论产量或理论用量之间的比较，并考虑可允许的偏差范围。每一个工序之间投入、产出都进行物料平衡，可以从根本上杜绝由于物料不平衡造成一部分原材料流失。物料平衡是流程工业生产管理的重要工具，关系到企业生产的投入与产出，可反映出产品的分布情况，以及生产与计划之间的偏差。
物料平衡利用高级的统计数据校正技术实现数据校正，具有识别可能的移动丢失和不正确的测量能力。该模块的应用将在很大程度上减少人工手工记录、查表和计算过程，并快速、准确地实现物料一天一平衡功能，使生产管理人员和操作人员能实时、准确地了解产品库存、装置生产状况等信息，为合理地调配和利用各种生产资源、优化安排装置生产起到巨大的推动作用，为企业内各种生产资源合理的调配与利用奠定基础。每天进行一次物料平衡计算，使生产管理人员可以及时找出不合理物料丢失的原因，并有利于进行每日的成本核算、监控和管理，从而及时组织和调整生产，实现生产、经营过程的整体优化，降低生产成本，提高企业的经济效益。
按照功能划分，物料平衡包括TPI建模、工厂参照模型、PB引擎、SDR引擎、物料平衡客户端等几个功能模块。
（1）TPI建模工具。TPI是一个基本的建模工具，采用Client/Server的用户界面建立物料平衡模型。TPI可以用来定义平衡组、平衡边界，建立设备之间的连接关系，创建和维护产品（物料）、产品组和产品属性，同时确定物料流向。
（2）工厂参考模型。工厂参考模型PRM是Honeywell MES软件包中的公用数据模型，用于存储和管理工厂的基础数据。包括了工厂架构、装置、管线、储罐情况，以及其他关联信息等。
（3）PB引擎。PB引擎是初始平衡预处理器，它负责从PHD中收集过程测量的原始数据，包括库存、流量和其他测量数据，然后与产品的移动记录（通常为手动记录）合并在一起，生成一系列原始记录，同时把测量单位转化为平衡单位（例如体积量转化为质量）。
（4）SDR引擎。SDR引擎是利用数学统计方法解决平衡问题的处理器。它利用工厂的冗余测量能识别不正确的测量，识别可能丢失的物料移动或不正确的物料移动，利用已有的测量值推算没有测量的物流和库存。
（5）PB客户端。PB客户端是个Client/Server结构的应用软件，也是进行数据整定和分析的人机界面，是物料平衡工程进行日平衡的主要工具。
3）绩效管理（KPIM）
KPIM帮助企业整合主要绩效指标的计算，然后分析得到的结果。KPIM提供了能够及时查阅KPI计算结果及KPI完成状况的工具。KPIM主要功能如下：
(1) 从企业内各信息源获取相关信息进行KPI的计算并进行监视；
(2) 提供历史与实时KPI记录，帮助进行问题的分析；
(3) 可以有效地进行对KPI体系的维护；
(4) 提供KPI结果实时显示与报表打印；
(5) 在线计算和监视KPI；
(6) 从多种数据源计算KPI；
(7) 把KPI数据组织成有意义的层次结构；
(8) 提供KPI记录，为绩效出现偏差提供分析原因；
(9) 追索KPI出现偏差的根源。
KPIM有助于实现更快、更有效果的决策。KPIM自动收集源数据，自动计算KPI结果，并自动发布那些结果。KPIs能够被组织成一个完整的分级KPI系统。各级管理者能够从上到下监控整体业务执行的情况，并能够了解在哪里出现偏差，以及为什么出现偏差。通过从高层次的 KPI 往下查找分析它们的各个相关部分，从而为决策层提供决策依据。
KPIM能够与MES其他应用连接在一起，持续地报告结果。KPIM是一个标准的Business.FLEX PKS应用，它能够利用Business.FLEX PKS的应用——工厂参考模型配置，共享其他应用的结果。比如说，现有的操作统计出的偏差能够容易地与KPIM联系起来。图4所示为一KPI监视页例图。
图4 KPI监视页例图
4）ERP接口集成（Business Hiway）
霍尼韦尔的ERP接口产品Business Hiway可以有效地操纵向上传送工厂的信息，诸如库存和生产的信息，也能向下下载公司级诸如定单和规格等要求，它还为与ERP集成提供了现成的组态方法以降低集成成本。通过Business Hiway，Business.FLEX 的所有应用（如物料平衡等）能与ERP集成，从而可以实现工厂生产管理与ERP的一体化。
Business Hiway能够同Uniformance PHD以及Oracle关系数据库等进行无缝连接，同时其核心XML Service与ERP系统能通过HTTP进行数据的交换与传输，很好地克服了数据传输的距离和速度难题。
引自：《制造执行系统技术及其应用》（作者：饶运清）
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