楊慶彧，劉建偉，李曉薇，蔡孟杭，丁長富

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

圖1 后處理廠企業(yè)級信息系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)Fig.1 The three-tier structure of the enterprise-level information system of the post-processing plant

20 世紀70 年代后半期開始，一些企業(yè)為了解決生產(chǎn)管理中的個性問題引入了一些單一功能的軟件產(chǎn)品和個別系統(tǒng)，如設備維護系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)統(tǒng)計等功能的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，形成了MES 系統(tǒng)的雛形。MES（Manufacturing Execution System）直譯為制造執(zhí)行系統(tǒng)，俗稱生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。MES 在20 世紀90 年代初期的重點功能是實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場信息的整合，到了20 世紀90 年代后期，特別是流程制造工業(yè)提出了整體解決方案和信息系統(tǒng)的需求，希望通過各種功能，諸如資源分配管理、調(diào)度、質(zhì)量保證管理、設備維護管理、生產(chǎn)績效分析、排程、文件控制，以及物料和生產(chǎn)跟蹤等之間的交互作用來描述MES 過程。同時，將MES 系統(tǒng)與上層企業(yè)資源計劃（ERP）等業(yè)務系統(tǒng)和底層過程控制系統(tǒng)（PCS）等生產(chǎn)控制系統(tǒng)一起定義為企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)。MES 系統(tǒng)將業(yè)務計劃的指令傳達到生產(chǎn)現(xiàn)場，和將生產(chǎn)現(xiàn)場的信息及時收集、上傳和處理，實現(xiàn)精細化管理和企業(yè)全局性優(yōu)化。MES 是連結(jié)現(xiàn)場層和經(jīng)營層，改善生產(chǎn)經(jīng)營效益的信息化前沿系統(tǒng)。MES 系統(tǒng)在提高企業(yè)的整體運行管理水平上起著極其重要的作用[1,2]。

“十三五”時期，國家的相關規(guī)劃都對企業(yè)信息化提出了較高的要求，通過信息化和工業(yè)化的深度融合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)升級，改善企業(yè)在工業(yè)化經(jīng)濟中所存在的高消耗、高污染的問題，實現(xiàn)資源、能源的合理利用，以支持綠色、低碳的發(fā)展戰(zhàn)略。工信部《石化和化學工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，在有關加強企業(yè)技術改造的內(nèi)容中提出推進先進過程控制系統(tǒng)的應用，優(yōu)化調(diào)度、故障診斷，提高集約化生產(chǎn)水平。在《2015 年智能制造試點示范專項行動實施方案》報告中，提出以智能工廠為代表的流程制造試點示范是重點示范之一，在石化、化工等流程制造領域，推進新一代信息技術與制造技術的融合創(chuàng)新，開展智能工廠試點示范項目建設，提升企業(yè)的資源配置優(yōu)化、實時在線優(yōu)化、生產(chǎn)管理精細化和智能決策科學化水平。

通過對生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）功能構(gòu)件設計及架構(gòu)搭建進行研究，為后處理廠設計一套以生產(chǎn)為核心，以數(shù)據(jù)平臺和核心數(shù)據(jù)庫為支撐，集實時數(shù)據(jù)集成、生產(chǎn)管控、供應鏈管理、能源管控、設備管理、安全管控和環(huán)保管控等業(yè)務領域為一體的后處理廠生產(chǎn)業(yè)務系統(tǒng)。

圖2 生產(chǎn)管控系統(tǒng)構(gòu)件設計圖Fig.2 Design diagram of production control system components

1 后處理廠MES功能構(gòu)建設計

MES 系統(tǒng)位于PCS 與ERP 之間，起著承上起下的作用。從后處理廠企業(yè)級信息模型（圖1）可以看出，MES在控制層和管理層之間架起了一座橋梁。一方面，MES 通過實時數(shù)據(jù)庫可以采集現(xiàn)場設備、儀表的狀態(tài)數(shù)據(jù)，對其進行分析計算，將信息進行處理后及時反饋給管理層；另一方面，MES 可以對來自ERP 的管理信息進行分解、細化，并及時將操作指令傳遞給過程控制層。它能提供過程控制層無法實現(xiàn)的車間級調(diào)度管理功能，以及管理層無法實現(xiàn)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的獲取與分析功能，是后處理廠提高經(jīng)濟效益，實現(xiàn)管控一體化最有效的解決方案[3,4]。

后處理廠MES 系統(tǒng)以數(shù)據(jù)平臺和核心數(shù)據(jù)庫為支撐，集實時數(shù)據(jù)集成、生產(chǎn)管控、供應鏈管理、能源管控、設備管理、安全管控和環(huán)保管控等業(yè)務領域為一體的后處理廠生產(chǎn)業(yè)務集成平臺。后處理廠MES 系統(tǒng)設計重點圍繞生產(chǎn)管控、供應鏈管理、能源管控、設備管理、安全管控和環(huán)保管控6 個業(yè)務領域開展建設，因此將后處理廠MES 系統(tǒng)分解成6 個功能構(gòu)件組，這6 個功能構(gòu)建組下分別構(gòu)建若干的功能構(gòu)件。

1.1 生產(chǎn)管控構(gòu)件組設計

根據(jù)后處理廠生產(chǎn)運行實際需求，對生產(chǎn)管控構(gòu)件組進行設計，搭建成調(diào)度指揮、工藝管理、生產(chǎn)執(zhí)行、操作管理、實時數(shù)據(jù)庫等構(gòu)件小組，每個構(gòu)件組下再設計若干構(gòu)件，設計的生產(chǎn)管控系統(tǒng)功能構(gòu)件圖如圖2。

生產(chǎn)管控構(gòu)件組起到強化生產(chǎn)運行與過程控制縱向一體化管控能力，建設預測預警、操作報警、異常處置、運行監(jiān)控。管控從計劃、調(diào)度向下延伸至控制層。

1.1.1 調(diào)度指揮

調(diào)度指揮功能構(gòu)件設計是面向廠級及子項級的調(diào)度人員，實現(xiàn)調(diào)度指令在線閉環(huán)管理與評價，多維度、分角色、集成的調(diào)度監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常，實現(xiàn)各專業(yè)的高效協(xié)同，提高生產(chǎn)運行平穩(wěn)性。

圖3 供應鏈管理系統(tǒng)構(gòu)件設計圖Fig.3 Component design diagram of supply chain management system

1.1.2 工藝管理

工藝管理構(gòu)件設計面向公司、子項、車間的工藝管理人員以及各裝置的工藝技術人員，通過工藝變更、工藝指令等業(yè)務流程的閉環(huán)管理，將工藝管理規(guī)范化、標準化，通過工藝資料統(tǒng)一管理，集中保存，實現(xiàn)了工藝知識在后處理廠內(nèi)的共享和使用。

1.1.3 生產(chǎn)執(zhí)行

生產(chǎn)執(zhí)行功能構(gòu)件設計面向后處理廠的生產(chǎn)執(zhí)行的各環(huán)節(jié)，包括：乏燃料接收監(jiān)控、廢包殼及端頭操作監(jiān)控、三廢整備監(jiān)控、核材料追蹤、產(chǎn)品管理、子項管理、倉庫管理、進出廠管理、物料平衡管理、統(tǒng)計平衡等多個方面，實現(xiàn)對后處理廠的生產(chǎn)執(zhí)行的管控。

1.1.4 操作管理

操作管理功能構(gòu)件設計是面向生產(chǎn)操作層面的業(yè)務支持模塊，通過信息化手段，為班組的安全、規(guī)范、平穩(wěn)生產(chǎn)提供指導，并通過指標競賽、績效考核、獎金兌現(xiàn)等管理手段，強化班組優(yōu)化操作的意識。

1.1.5 實時數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫功能構(gòu)件設計是用于采集、存儲和處理大量的過程數(shù)據(jù)，同時為各種類型的用戶、業(yè)務系統(tǒng)和生產(chǎn)應用程序提供訪問和利用這些數(shù)據(jù)的便利。

1.2 供應鏈管理

根據(jù)后處理廠供應鏈管理實際需求，對供應鏈管理構(gòu)件組進行設計，搭建成計劃管理、物流管理庫等構(gòu)件小組，每個構(gòu)件組下再設計若干構(gòu)件，設計的供應鏈管理功能構(gòu)件圖如圖3。

供應鏈構(gòu)件組起到建設計劃生產(chǎn)協(xié)同優(yōu)化、物資管理、物流管理，實現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務從計劃、調(diào)度到裝置層面，物流物資從進廠、庫存、出庫、發(fā)貨和監(jiān)管業(yè)務線上管理[5]。

圖4 能源管理構(gòu)件設計圖Fig.4 Design drawing of energy management components

1.2.1 計劃管理

計劃管理功能構(gòu)件設計是建設涵蓋計劃、調(diào)度、裝置優(yōu)化、數(shù)據(jù)交互的協(xié)同與優(yōu)化模塊，基于后處理廠生產(chǎn)經(jīng)營條件，實現(xiàn)由全局到局部優(yōu)化，由月度到日常優(yōu)化的協(xié)調(diào)統(tǒng)一和無縫銜接。

1.2.2 物流管理

物流管理功能構(gòu)件設計是建設進出廠物流管理，包括從物流訂單下達到物流運輸計劃執(zhí)行、服務商管理等方面。

1.3 能源管理

根據(jù)后處理廠能源管理實際需求，對能源管理構(gòu)件組進行設計，搭建成能源計劃、能源運行、能源統(tǒng)計等構(gòu)件小組，每個構(gòu)件組下再設計若干構(gòu)件，設計的能源管理功能構(gòu)件圖如圖4。

能源管理構(gòu)件組是以能源優(yōu)化為重點，建立動力管網(wǎng)優(yōu)化、能流管理，提高后處理廠能源利用水平，實現(xiàn)“能效倍增”。

1.3.1 能流管理

能流管理功能構(gòu)件設計通過能源管理系統(tǒng)的實施，做到能源的及時跟蹤與后處理廠能源消耗統(tǒng)計，為后處理廠優(yōu)化用能提供有力支撐，為后處理廠節(jié)能降耗、節(jié)能減排提供依據(jù)。

1.3.2 水資源管理

水資源管理構(gòu)件設計是建立水資源管理系統(tǒng)。通過水資源管理，對后處理廠的工業(yè)水系統(tǒng)進行全面監(jiān)控和管理。

1.4 設備管理

設備管理功能構(gòu)件設計是根據(jù)后處理廠設備管理實際需求，對設備管理構(gòu)件組進行設計，搭建成設備全生命周期管理、設備運行管理、設備維修管理、設備健康管理等構(gòu)件小組，每個構(gòu)件組下再設計若干構(gòu)件[6]。

1.4.1 設備全生命周期管理

設備全生命周期管理功能構(gòu)件設計是實現(xiàn)了主數(shù)據(jù)從申請、審批、創(chuàng)建，到設備各種專業(yè)檔案信息的集成，覆蓋了設備基礎技術信息、維修維護的專業(yè)信息和相關維修維護組織信息，為設備管理提供了基礎數(shù)據(jù)和專業(yè)展示查詢。

1.4.2 設備運行管理

設備運行管理功能構(gòu)件設計是針對通知單管理、裝置和設備開停機管理。

1.4.3 設備維修管理

維修管理功能構(gòu)件設計主要包括修理費預算管理、工單管理、在線運行分析。

1.5 安全管理

根據(jù)后處理廠安全管理實際需求，對安全管理構(gòu)件組進行設計，搭建成輻射安全防護、安全管理、安全風險管控等構(gòu)件小組，每個構(gòu)件組下再設計若干構(gòu)件。

能源管理構(gòu)件組是建立設備性能模型，對典型設備進行狀態(tài)分析和效能分析，核算設備實際效率和能耗，并與設計指標進行偏差分析，找到優(yōu)化方向，降低運營成本。

1.5.1 輻射安全防護

敷設安全防護功能構(gòu)件設計通過提供如何使輻照合理可行盡量低的指南和說明，實際控制呼吸器的分配，跟蹤放射源和放射性檢測儀器，確保人員安全和遵守規(guī)定。

1.5.2 安全管理

安全管理功能構(gòu)件設計是以安全診斷為核心，建立安全管理薄弱環(huán)節(jié)診斷模型，全面支撐后處理廠安全生產(chǎn)。

1.6 環(huán)保管理

根據(jù)后處理廠環(huán)保管理實際需求，對環(huán)保管理構(gòu)件組進行設計，搭建成環(huán)保管理、環(huán)保風險管控等構(gòu)件小組，每個構(gòu)件組下再設計若干構(gòu)件，設計的環(huán)保管理功能構(gòu)件圖如圖5。

1.6.1 環(huán)保管理

環(huán)保管理的功能構(gòu)件設計內(nèi)容如下：

● 地圖管理。

● 生產(chǎn)裝置環(huán)保監(jiān)控。

● 環(huán)保治理設施監(jiān)控。

● 統(tǒng)計分析。

1.6.2 環(huán)保風險監(jiān)控

環(huán)保風險管理的功能構(gòu)件設計內(nèi)容如下：

● 三廢管理。

● 異常排污管理。

● 在線監(jiān)測。

● 統(tǒng)計分析。

圖5 環(huán)保管控構(gòu)件設計圖Fig.5 Design drawing of environmental protection control components

2 后處理廠MES系統(tǒng)架構(gòu)搭建與實施

后處理廠的生產(chǎn)首先從生產(chǎn)計劃開始，到產(chǎn)品的分銷與運輸，需要完成綜合信息管理、車間控制系統(tǒng)/裝置的聯(lián)合控制、能源監(jiān)測與計量控制到生產(chǎn)計劃、調(diào)度等，實現(xiàn)一體化的管理。后處理廠MES 系統(tǒng)的架構(gòu)搭建，包括：總體架構(gòu)設計、基礎數(shù)據(jù)設計、數(shù)據(jù)庫設計、模塊設計、界面設計、接口設計等重要內(nèi)容。

2.1 生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)后處理廠架構(gòu)規(guī)劃方法，結(jié)合先進的企業(yè)架構(gòu)設計理念，搭建適用于后處理廠的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)，確保后處理廠未來業(yè)務目標的實現(xiàn)。

MES 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)如圖6。

設計搭建后處理廠MES 系統(tǒng)，建成以生產(chǎn)執(zhí)行為核心、互聯(lián)智能的生產(chǎn)運營信息化體系，實現(xiàn)工廠運營的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，支撐后處理廠在質(zhì)量效益、綠色低碳、安全環(huán)保的先進水平。

設計建立信息安全體系：融合信息安全最佳實踐，從網(wǎng)絡安全、系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全和終端安全4 個維度進行防范。并結(jié)合總部IT 運行管控平臺的推廣實施，實現(xiàn)不同維度的日志集中采集、監(jiān)控和綜合審計分析的信息安全事件可視化管控。

2.2 應用架構(gòu)

基礎數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫設計需要整理后處理各子項重要的運行參數(shù)，以支撐MES 系統(tǒng)各功能構(gòu)件的實現(xiàn)。

支持后處理廠生產(chǎn)各專業(yè)的運行和管理；過程控制與裝備層，涵蓋了后處理廠現(xiàn)場的控制系統(tǒng)、制造物聯(lián)設備、傳感器和智能儀表，以及裝置的過程控制。

2.3 模塊架構(gòu)

后處理廠MES 系統(tǒng)采用模塊化設計，技術架構(gòu)采用“平臺+應用”的模式。技術架構(gòu)如圖8。

圖6 后處理廠MES系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)圖Fig.6 Overall architecture diagram of MES system hardware of post-processing plant

圖7 MES獲取PCS數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.7 Flow chart of MES acquiring PCS data processing

后處理廠MES 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)主要分為3 部分：業(yè)務域應用數(shù)據(jù)、企業(yè)數(shù)據(jù)倉庫、大數(shù)據(jù)平臺。

業(yè)務域應用數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的存儲，后處理廠企業(yè)數(shù)據(jù)倉庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)標準化、數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)分析；大數(shù)據(jù)平臺通過分布式存儲實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的挖掘和分析。

2.4 信息安全

信息安全設計主要包括以下內(nèi)容：

1）信息安全管控

從方案設計、產(chǎn)品配置、安全自測、審計等方面進行安全建設和安全操作管理。

2）基礎設施安全

① 網(wǎng)絡構(gòu)成

設計安全域，制定區(qū)域安全策略，制定黑白名單。采用防火墻、入侵檢測、物理網(wǎng)閘等進行安全隔離，訪問控制和入侵檢測；不同安全域通過物理防火墻安全隔離，實現(xiàn)訪問控制；通過安全組、虛擬防火墻實現(xiàn)同一區(qū)域內(nèi)不同應用間的邏輯隔離及安全訪問控制。

圖8 后處理廠MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)圖Fig.8 Data architecture diagram of MES system of post-processing plant

② 節(jié)點和主機

建立適合智能化應用環(huán)境和安全需求的標準主機安全加固基線，制作統(tǒng)一標準的云主機安全鏡像文件。

3）業(yè)務應用安全

部署應用層防火墻，數(shù)據(jù)庫審計系統(tǒng)應對應用層攻擊和數(shù)據(jù)庫攻擊；代碼安全檢測：在系統(tǒng)開發(fā)過程中，及時發(fā)現(xiàn)應用設計漏洞，降低后期修復代碼級漏洞的成本。

4）關鍵操作保護

調(diào)度指揮、供應鏈支撐等組件對于數(shù)據(jù)的完整性和不可否認性要求高，需在業(yè)務操作中要求雙因素認證，提高認證強度，防止非法訪問系統(tǒng)；對關鍵操作使用數(shù)字簽名技術實現(xiàn)抗抵賴防護；在應用開發(fā)階段完善日志功能，實現(xiàn)關鍵操作可以通過日志審計發(fā)現(xiàn)操作痕跡，加強事件事后追溯能力。

5）關鍵數(shù)據(jù)保護

部署數(shù)據(jù)庫審計系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫防火墻）：生產(chǎn)管控中的調(diào)度專家?guī)?，工藝?guī)程等組件，供應鏈管理的日效益分析、供應鏈支持等組件對于機密性要求高，需要辨別關鍵控制節(jié)點與處理措施，完善應用開發(fā)的數(shù)據(jù)分類分級管理，細化數(shù)據(jù)庫訪問行為的審計策略，設定異常數(shù)據(jù)行為，采用數(shù)據(jù)簽名與強身份認證保護，實現(xiàn)對關鍵數(shù)據(jù)的保護；設計重要數(shù)據(jù)的權(quán)限配置，設計重要數(shù)據(jù)的加密策略。

6）加強審計

實現(xiàn)應用系統(tǒng)賬號全生命周期性審計，對安全軟件日志進行詳細審計，防止惡意軟件的破壞。

3 結(jié)論

通過開展MES 系統(tǒng)功能構(gòu)件設計、MES 系統(tǒng)架構(gòu)搭建的研究，為后處理廠構(gòu)建一套以生產(chǎn)為核心，以數(shù)據(jù)平臺和核心數(shù)據(jù)庫為支撐，集實時數(shù)據(jù)集成、生產(chǎn)管控、供應鏈管理、能源管控、設備管理、安全管控和環(huán)保管控等業(yè)務領域為一體的具備高度信息化、集成化、模塊化、可視化、自動化、智能化的后處理廠生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。提升后處理廠互聯(lián)感知、優(yōu)化協(xié)同、預測預警、核安全應急響應和科學決策能力，實現(xiàn)生產(chǎn)效能提升，增強后處理廠穩(wěn)定運行能力。