企業(yè)實(shí)時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

王軍

(中石化股份有限公司天津分公司 信息檔案管理中心， 天津 300270)

近些年，中石化股份有限公司天津分公司按照中國石化信息化建設(shè)“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一投資、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”的總體要求，積極開展信息化與工業(yè)化融合工作，信息應(yīng)用三層架構(gòu)即生產(chǎn)控制層、生產(chǎn)管理層、分析決策應(yīng)用層。但生產(chǎn)管理層(MES及ORION系統(tǒng))大部分?jǐn)?shù)據(jù)不能自動來源于控制系統(tǒng)，基本采用人工抄報、錄入，系統(tǒng)之間未能有效集成。該公司屬于連續(xù)的流程企業(yè)，工藝復(fù)雜、生產(chǎn)條件嚴(yán)格，并且是作業(yè)部聯(lián)合生產(chǎn)、生產(chǎn)設(shè)備多、自動化程度比較高，有大量的自動控制設(shè)備、DCS，具備為管理層信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和條件。因此，為了更好地發(fā)揮管理層信息系統(tǒng)的作用，減輕人工數(shù)據(jù)錄入強(qiáng)度，需要建立一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從各種型號的自控設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)集中存儲、統(tǒng)一管理，使MES等應(yīng)用系統(tǒng)能隨時地獲取煉油、化工(聚酯、芳烴)、烯烴、動力、熱電等裝置的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)將裝置現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)時信息集成在統(tǒng)一的生產(chǎn)信息管理平臺中，使系統(tǒng)的完備性、可靠性與可用性顯著增強(qiáng)，更有利于專業(yè)管理人員對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控分析、事故診斷，為公司的生產(chǎn)、運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持平臺。

1 系統(tǒng)需求分析

實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是生產(chǎn)管理層信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，要求在裝置數(shù)據(jù)采集條件穩(wěn)定的情況下，盡可能采集所有需要采集的生產(chǎn)裝置實(shí)時數(shù)據(jù)，并將生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)長期保存，按照用戶提出的業(yè)務(wù)需求采用網(wǎng)上Web方式展示發(fā)布。具體需求如下：

1)在原有的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，充分利用已有的網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建一個相對獨(dú)立的生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，能夠安全可靠地滿足裝置安全生產(chǎn)和實(shí)時數(shù)據(jù)采集需要，具有易擴(kuò)充性。

2)系統(tǒng)要建立安全、規(guī)范、通用的實(shí)時數(shù)據(jù)平臺(InfoPlus.21)，實(shí)現(xiàn)包括煉油、化工(芳烴、聚酯)、烯烴、動力所屬22套裝置、4個罐區(qū)、3個數(shù)采系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集。

3)實(shí)時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)系統(tǒng)存儲算法要科學(xué)、合理，并對外提供開發(fā)的數(shù)據(jù)通信接口。為滿足數(shù)據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)維護(hù)的要求，系統(tǒng)具備報警與事件管理等功能，以滿足用戶應(yīng)用和管理的實(shí)際要求。

4)采集數(shù)據(jù)的展示要以棒圖、數(shù)值、曲線等多種形式展示出來,并根據(jù)需要生成報表，能夠提供多種數(shù)據(jù)查詢。

5)實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)管理層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞，為總部、煉油化工生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)提供實(shí)時數(shù)據(jù)支撐。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由煉油、化工、公用工程、油罐等裝置監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)采工作站、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、企業(yè)級監(jiān)視信息系統(tǒng)組成。

數(shù)據(jù)采集通過網(wǎng)絡(luò)鏈接生產(chǎn)裝置DCS/PLC系統(tǒng)、數(shù)采工作站、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全快速地傳輸；數(shù)采工作站根據(jù)系統(tǒng)配置從生產(chǎn)裝置DCS/PLC系統(tǒng)獲取生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)，并具有數(shù)據(jù)緩存功能；關(guān)系數(shù)據(jù)庫用于存儲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管理信息；企業(yè)級監(jiān)視信息系統(tǒng)是該公司生產(chǎn)實(shí)時監(jiān)視和管理中心，將從煉油部、化工部、烯烴部、動力部等主要裝置上采集來的數(shù)據(jù)以一定的方式展示出來，形成實(shí)時過程數(shù)據(jù)和監(jiān)視信息。

數(shù)采工作站一般物理部署在各生產(chǎn)裝置DCS控制室內(nèi)，原則是每套裝置要求配置1臺數(shù)采工作站，但也可能是幾套相關(guān)裝置共用同1臺數(shù)采工作站。數(shù)采工作站上運(yùn)行采集接口軟件，實(shí)現(xiàn)從不同裝置的DCS中按要求讀取實(shí)時數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息，并完成與實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的交互。

系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器物理存放在網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房，它們由實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web發(fā)布服務(wù)器組成。實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器運(yùn)行AspenTech Infoplus.21，是公司實(shí)時數(shù)據(jù)的儲存中心；關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器運(yùn)行Oracle 9i，存儲系統(tǒng)運(yùn)行必需的關(guān)系型數(shù)據(jù)和報警事件數(shù)據(jù)；Web發(fā)布服務(wù)器運(yùn)行信息監(jiān)視系統(tǒng)，發(fā)布各工藝流程、生產(chǎn)裝置、儲運(yùn)系統(tǒng)的監(jiān)視頁面。

2.2 各子系統(tǒng)主要功能

該項(xiàng)目提供的系統(tǒng)由三大部分組成，即數(shù)采接口系統(tǒng)、存儲與管理系統(tǒng)和信息展示系統(tǒng)。

2.2.1數(shù)采接口系統(tǒng)

根據(jù)裝置監(jiān)控系統(tǒng)接口多樣性的特點(diǎn)，數(shù)采工作站上運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集軟件針對不同的監(jiān)控系統(tǒng)接口類型，根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)請求，從監(jiān)控系統(tǒng)讀取生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)，并返回給實(shí)時數(shù)據(jù)庫。數(shù)采工作站具有本地緩存功能，使系統(tǒng)在數(shù)采工作站與實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)中斷時數(shù)據(jù)采集不中斷。

1)標(biāo)準(zhǔn)接口模塊。各Windows平臺上的組態(tài)軟件一般都提供DDE/OPC通信協(xié)議，對于這些標(biāo)準(zhǔn)接口，直接采用AspenTech公司提供的CIM-IO for DDE和CIM-IO for OPC組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。在數(shù)采工作站上直接配置Cim-IO Server。

2)專用接口模塊。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議不是OPC/DDE通信協(xié)議時，數(shù)采工作站需要專門開發(fā)針對該協(xié)議的采集模塊。由于不同專用系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)通信協(xié)議不同，開發(fā)過程中還需要獲取專用系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。例如，對于成品包裝系統(tǒng)，要專門針對SQL Server數(shù)據(jù)庫表開發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊。

2.2.2數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)由實(shí)時數(shù)據(jù)存儲管理和關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲管理兩大部分組成。

實(shí)時數(shù)據(jù)存儲管理主要依托AspenTech InfoPlus.21實(shí)時數(shù)據(jù)庫，實(shí)時數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)存儲中心，存儲各數(shù)采接口系統(tǒng)采集的生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)，并向應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲管理主要依托Oracle 9i關(guān)系數(shù)據(jù)庫。關(guān)系數(shù)據(jù)庫儲存數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行時必要的關(guān)系型數(shù)據(jù)和報警事件數(shù)據(jù)，如標(biāo)簽點(diǎn)信息、企業(yè)級/生產(chǎn)裝置等的描述信息、用戶的權(quán)限管理和配置信息、實(shí)時生成的報警信息。

實(shí)時報警與事件信息由報警與事件管理軟件根據(jù)用戶設(shè)置以一定時間間隔生成，并寫入Oracle數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)量由用戶設(shè)置的報警點(diǎn)和存儲頻率決定。一般來說，報警與事件的存儲頻率應(yīng)遠(yuǎn)低于實(shí)時數(shù)據(jù)；設(shè)置的報警點(diǎn)也是用戶所關(guān)注的決定裝置生產(chǎn)成本和運(yùn)行安全以及生產(chǎn)考核的關(guān)鍵點(diǎn)。報警與事件的數(shù)據(jù)量不會很大，存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫里是合適的，可以不用實(shí)時數(shù)據(jù)庫的記錄點(diǎn)數(shù)以減輕實(shí)時數(shù)據(jù)庫負(fù)擔(dān)。

2.2.3信息展示系統(tǒng)

1)生產(chǎn)實(shí)時監(jiān)測。系統(tǒng)展示發(fā)布各煉油、芳烴、聚酯、烯烴、熱電系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)以及原料、中間產(chǎn)品、成品、蒸汽等重要流體的流動狀態(tài)。系統(tǒng)共采集35000多個數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2)實(shí)時工藝流程展示。系統(tǒng)按生產(chǎn)裝置顯示生產(chǎn)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)。為便于用戶全面迅速地了解各套生產(chǎn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)分為裝置總圖和工段流程圖，以簡潔、清晰的方式展示。系統(tǒng)提供流程圖約500多幅。

3)歷史趨勢追憶。系統(tǒng)向用戶提供標(biāo)簽分類結(jié)構(gòu)，使用戶可以方便地選擇多個標(biāo)簽，根據(jù)用戶指定的起止時間在同一幅圖內(nèi)以曲線的形式進(jìn)行展示，查看其歷史數(shù)據(jù)變化趨勢和指定時刻的歷史數(shù)據(jù)。

4)報警生成及查詢。根據(jù)各生產(chǎn)裝置、儲罐的重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時測量值、計算值和設(shè)定的高低限以及報警消除的時間間隔，生成實(shí)時報警信息并實(shí)現(xiàn)查詢。

5)裝置KPI(Key Process Indication)。根據(jù)用戶指定的各裝置KPI監(jiān)控信息，依照公司、作業(yè)部、車間三級關(guān)注點(diǎn)，以表格形式實(shí)時展示，供用戶查詢。裝置KPI的表格數(shù)量大約為50張。

6)生產(chǎn)報表。按照調(diào)度臺帳格式，將煉油、化工、烯烴、熱電系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)實(shí)時生成生產(chǎn)報表，以表格的形式匯總指定時刻生產(chǎn)裝置重要的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，供生產(chǎn)管理人員實(shí)時查詢，并可以根據(jù)實(shí)際需要隨時定義。系統(tǒng)生產(chǎn)報表的數(shù)量約為200張。

3 系統(tǒng)安全設(shè)計

數(shù)采工作站采取物理安全措施、訪問控制、身份認(rèn)證、入侵檢測、病毒預(yù)防和數(shù)據(jù)緩存與恢復(fù)等手段作為網(wǎng)絡(luò)安全的基本措施，防止各類計算機(jī)病毒侵害、人為破壞和實(shí)時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)意外丟失，特別是防止通過接口對DCS的干擾與入侵。具體措施如下：

1)數(shù)采工作站配置雙網(wǎng)卡。利用雙網(wǎng)卡的物理特性隔離現(xiàn)場不同的網(wǎng)段，各網(wǎng)卡處于不同子網(wǎng)(Subnet)，系統(tǒng)禁止網(wǎng)卡間的路由，只在應(yīng)用層進(jìn)行選擇性的數(shù)據(jù)傳遞，從物理上把下層控制網(wǎng)絡(luò)隔離開來。

2)數(shù)采工作站負(fù)責(zé)從監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入實(shí)時數(shù)據(jù)庫。生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)在此處設(shè)置IP篩選機(jī)制，只允許固定IP、固定端口的機(jī)器與數(shù)采工作站通信，從網(wǎng)絡(luò)設(shè)置上防止非法程序的入侵。

3)數(shù)采工作站安裝防火墻軟件，只打開數(shù)據(jù)傳輸使用的端口，限制其他網(wǎng)絡(luò)通信端口。

4)數(shù)采工作站上的數(shù)據(jù)緩存和恢復(fù)功能確保數(shù)采工作站與實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)中斷時仍能采集生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到實(shí)時數(shù)據(jù)庫中。數(shù)采工作站的硬件配置將保證系統(tǒng)可緩存7天的生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)效益分析

1)實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用能夠及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、優(yōu)化生產(chǎn)、降低加工損失、提高綜合商品率，降低了企業(yè)能耗，提升了公司裝置控制管理水平。實(shí)施實(shí)時數(shù)據(jù)庫后，可以大幅縮短生產(chǎn)數(shù)據(jù)在現(xiàn)場和生產(chǎn)管理部門的傳遞周期，做到實(shí)時傳遞，從而為及時、準(zhǔn)確地處理生產(chǎn)異常情況贏得了時間，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2)系統(tǒng)對影響過程的運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控，使裝置生產(chǎn)狀態(tài)保持平穩(wěn)，減少非計劃停車時間；通過歷史數(shù)據(jù)可進(jìn)行事故原因分析，以避免事故的再次發(fā)生。

3)系統(tǒng)對影響原材料用量的過程以及公用工程中瓦斯、蒸汽、氫氣用量的監(jiān)測，減少原材料以及公用工程中能源的消耗，為進(jìn)行生產(chǎn)過程優(yōu)化、全廠物料平衡和領(lǐng)導(dǎo)決策提供了科學(xué)的依據(jù)。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)正式運(yùn)行后，經(jīng)過不斷的功能提升與深化應(yīng)用，滿足了生產(chǎn)監(jiān)控及生產(chǎn)管理需要。在今后的工作中，要進(jìn)一步圍繞降低生產(chǎn)成本、提高效益開展工作，從能量平衡、裝置考核、成本核算、班組指標(biāo)競賽等方面進(jìn)行深層的開發(fā)，為提高生產(chǎn)管理水平提供科學(xué)的支撐平臺。

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