全廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的技術(shù)改造

劉志韜，常思聰

（1.大化集團(tuán)大連碳化工有限公司，遼寧 大連 116610；2.大連大化工程設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 大連 116023）

1 改造前系統(tǒng)狀況

我廠于2006年從美國(guó)Honeywell公司購(gòu)買TPS一套，TPS全稱Totalplant Solution全廠一體化解決方案，是在原有的TDC3000系統(tǒng)上升級(jí)而成，是第一個(gè)將整個(gè)工廠的商業(yè)信息系統(tǒng)與生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)統(tǒng)一在一個(gè)平臺(tái)上的自動(dòng)化系統(tǒng)。特點(diǎn)為：它基于MS Windows NT工作站，它擁有NT的更多功能且靈活易使用。TPS將各種技術(shù)集成在一起，包括：Windows NT操作系統(tǒng)，OLE公共軟件，ODBC公共數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，TPS提供唯一的人機(jī)接口，即GUS，GUS是基于 Windows界面，并且TPS采用安全的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 TPS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

我廠的TPS系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)庫(kù)存在問(wèn)題：

1）數(shù)據(jù)保存的容量小、數(shù)據(jù)精度低。

集散控制系統(tǒng)自帶的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)過(guò)小，并且歷史數(shù)據(jù)不能按照原始數(shù)據(jù)精度保存。目前的數(shù)據(jù)庫(kù)滿足不了生產(chǎn)要求（尤其對(duì)變化迅速的壓力、流量、位移、振動(dòng)等參數(shù)），這樣對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及工藝指標(biāo)的分析尤其是故障及事故原因分析帶來(lái)了不利。

2）生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)不能互利互用。

我廠信息化程度還是停留在滿足各生產(chǎn)控制系統(tǒng)的孤立應(yīng)用層面上，管理層的數(shù)據(jù)來(lái)源單一且缺乏足夠的數(shù)據(jù)信息。信息化的客觀要求，必須將生產(chǎn)控制系統(tǒng)與企業(yè)信息管理系統(tǒng)集成起來(lái)，采集所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并且要求數(shù)據(jù)要有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)信息集成與決策。

2 搭建全廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

2.1 El系統(tǒng)介紹

EI能夠解決生產(chǎn)控制系統(tǒng)與經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)之間的“數(shù)字鴻溝”。為企業(yè)提供實(shí)時(shí)和歷史的數(shù)據(jù)管理，以便發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、管理一體化。

2.2 硬件的組成

搭建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)所需材料如下：

1）工業(yè)用超5類網(wǎng)線800m。

2）24口交換機(jī)2臺(tái)，一臺(tái)是連接EI服務(wù)器和DCS數(shù)據(jù)源，一臺(tái)是連接局域網(wǎng)客戶端。

3）EI服務(wù)器一臺(tái)，包含2臺(tái)主機(jī)，分別為主機(jī)1和主機(jī)2，主機(jī)1負(fù)責(zé)采集DCS數(shù)據(jù)，主機(jī)2負(fù)責(zé)上傳由主機(jī)1所采集的數(shù)據(jù)，2臺(tái)主機(jī)之間由一個(gè)物理網(wǎng)閘連接，由于主機(jī)2是連接外部局域網(wǎng)，這樣做的好處就是防止外部局域網(wǎng)對(duì)分布式控制系統(tǒng)造成的干擾或數(shù)據(jù)倒流影響操作。

4）單向物理網(wǎng)閘一個(gè)，嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)的流向。

5）EI數(shù)據(jù)庫(kù)軟件一份。

我們用網(wǎng)線把TPS系統(tǒng)的GUS站與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器的主機(jī)1連接，并且用網(wǎng)線把主機(jī)2與單位的辦公局域網(wǎng)連接，通過(guò)辦公局域網(wǎng)來(lái)訪問(wèn)主機(jī)2上的數(shù)據(jù)，用一個(gè)管控單向物理隔離網(wǎng)閘，連接主機(jī)1和主機(jī)2。在此處使用單向物理隔離網(wǎng)閘是非常有必要性的。

管控單向物理隔離網(wǎng)閘稱數(shù)采安全防護(hù)網(wǎng)關(guān)，以下簡(jiǎn)稱網(wǎng)關(guān)機(jī)，工作原理如下：

數(shù)采安全防護(hù)網(wǎng)關(guān)內(nèi)置兩臺(tái)主機(jī)之間，從主機(jī)1到主機(jī)2是絕對(duì)單向物理隔離電路，從物理層進(jìn)行了隔離，信息只能從主機(jī)1單向傳輸?shù)街鳈C(jī)2，從根本上杜絕了病毒和惡意攻擊。該設(shè)備具體工作流程如下：主機(jī)1的一個(gè)以太網(wǎng)口連接DCS系統(tǒng)，主機(jī)1運(yùn)行OPC2Safety程序，OPC2Safety通過(guò)OPC協(xié)議從DCS系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到絕對(duì)單向物理隔離電路上，如果DCS系統(tǒng)沒(méi)有OPC Server軟件，則可以在主機(jī)1上安裝一套該DCS系統(tǒng)的OPC Server軟件，主機(jī)1和DCS系統(tǒng)之間可以通過(guò)TCP／IP進(jìn)行通訊，主機(jī)2的一個(gè)以太網(wǎng)口連接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，主機(jī)2運(yùn)行OPC4Safety程序，OPC4Safety從絕對(duì)單向物理隔離電路上接收到從主機(jī)1發(fā)送過(guò)來(lái)的DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包裝成OPC Server，將OPC4Safety中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，并且寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。

2.3 軟件介紹及調(diào)試

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件包EI中2個(gè)基本模塊：數(shù)據(jù)采集接口軟件模塊IO MANAGE和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件模塊Package，主要功能如下：

1）生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控：橫向集成工廠的開放控制系統(tǒng)（DCS／PLC／SCADA），瀏覽及監(jiān)控整個(gè)流程過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)情況和設(shè)備運(yùn)行情況。通過(guò)C／S和B／S分別實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、立體流程圖的組態(tài)和瀏覽；方便快捷地查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；可在同一幅畫面內(nèi)畫出幾個(gè)任意位好的歷史數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)曲線；提示并顯示實(shí)時(shí)報(bào)警，可查詢歷史報(bào)警。

圖2 數(shù)采安全防護(hù)網(wǎng)關(guān)工作原理

2）歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)可接受的任何類型的實(shí)際數(shù)據(jù)，并使用先進(jìn)的儲(chǔ)存算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次壓縮處理，大大節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

3）歷史數(shù)據(jù)檢索：使用獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在很短時(shí)間內(nèi)完成訪問(wèn)一年乃至幾年的數(shù)據(jù)。

4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)采集控制系統(tǒng)（DCS／PLC／SCADA）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

數(shù)據(jù)采集接口軟件模塊IO MANAGE是針對(duì)各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（PI、IP21等）和DCS、PLC等數(shù)據(jù)源之間的進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊的工具。IO主要包含IO Server服務(wù)器和IO Client客戶端兩個(gè)部分。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

IO Server運(yùn)行在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，主要功能是把數(shù)據(jù)庫(kù)的位號(hào)信息和數(shù)據(jù)請(qǐng)求傳遞給IO Client，并把IO Client發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。IO Client的主要功能是根據(jù)需求取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，它主要由以下三個(gè)程序組成：

Collecter——DCS等數(shù)據(jù)源進(jìn)行通訊取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

Router——發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)給IO Server；

Hisaver——在本地保存歷史數(shù)據(jù)，作用是緩存、斷點(diǎn)續(xù)傳。

IO Monitor主要功能是監(jiān)視數(shù)據(jù)采集通訊的運(yùn)行情況，可運(yùn)行在和IO Server在同一局域網(wǎng)上的任一PC上。Device Driver為控制系統(tǒng)通訊接口，運(yùn)行在DCS上，比如工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊接口OPCServer等。在向DCS讀取數(shù)據(jù)方面，我們要求采用多重冗余結(jié)構(gòu)，就是說(shuō)服務(wù)器先從一臺(tái)指定的GUS站上讀取數(shù)據(jù)，如果這臺(tái)GUS站掉電或者特殊情況無(wú)法讀取數(shù)據(jù)時(shí)，軟件自動(dòng)跳到相鄰的GUS站上，保證數(shù)據(jù)源不缺失。

3 效果及展望

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)安全測(cè)試

在數(shù)據(jù)庫(kù)建立起來(lái)之后，安全性是首要進(jìn)行測(cè)試的，在數(shù)據(jù)庫(kù)正常采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)DCS系統(tǒng)有沒(méi)有干擾是我們尤為關(guān)注的，也就是對(duì)管控單向物理網(wǎng)閘的可靠性測(cè)試，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)半年歷經(jīng)數(shù)次開車后，管控單向物理網(wǎng)閘很好完成了作用，對(duì)DCS系統(tǒng)毫無(wú)影響。

3.2 與數(shù)據(jù)庫(kù)建立前對(duì)比

數(shù)據(jù)庫(kù)建立好后與TPS系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)做比較：12WI0101在20min的時(shí)間段里面有2次擾動(dòng)，一次是14：25，一次是14：40，這是在 TPS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)采樣出來(lái)的，采樣周期為1min，而EI系統(tǒng)該點(diǎn)的歷史趨勢(shì)，第一可以曲線形狀比較，EI系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)曲線輪廓分明，有坡度，有跳變，但在TPS自帶的系統(tǒng)中無(wú)法看到，第二在數(shù)值上，TPS的數(shù)據(jù)庫(kù)只能捕捉到工藝參數(shù)為12，而在EI系統(tǒng)中捕捉到20，這是由于TPS數(shù)據(jù)庫(kù)采集周期過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致，根本沒(méi)有采集到12WI0101點(diǎn)跳變到20后，又回落到11的過(guò)程。12WI0101在14：40擾動(dòng)的EI數(shù)據(jù)庫(kù)截圖，能明顯能看出，在14：40附近有2次擾動(dòng)，但TPS自帶數(shù)據(jù)庫(kù)只采集到一次，并且曲線輪廓細(xì)節(jié)也差很多。

在經(jīng)過(guò)半年后看了下數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間的大小，我們的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盤為500GB，按照當(dāng)時(shí)存儲(chǔ)空間推算，我們7000點(diǎn)的數(shù)據(jù)量至少能存儲(chǔ)1年半以上，如果想更長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)量可以選擇更大容量的硬盤，擴(kuò)展非常方便。

3.3 實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)在我公司的應(yīng)用

對(duì)我公司而言，其直接應(yīng)用效益體現(xiàn)在：

1）解決DCS數(shù)據(jù)庫(kù)過(guò)小的缺陷。集散控制系統(tǒng)自帶的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)過(guò)小，并且歷史數(shù)據(jù)大都不能按照原始數(shù)據(jù)精度保存。在實(shí)際生產(chǎn)中由于數(shù)據(jù)量非常大，刷新速度快，在DCS的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)長(zhǎng)期保存全部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)非常困難。使用EI系統(tǒng)后，保存數(shù)據(jù)的頻率最快可以達(dá)到秒級(jí)，保證最大程度上反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況變化情況。

2）通過(guò)對(duì)工藝歷史數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，以及關(guān)鍵性能指標(biāo)變化趨勢(shì)分析，工藝員以及設(shè)備員可以對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，找出生產(chǎn)瓶頸，提出解決方案，優(yōu)化生產(chǎn)，提高效益。

3）由于原料、成品罐區(qū)和其他生產(chǎn)裝置的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)，通過(guò)信息集成，調(diào)度部門能及時(shí)得到生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)反饋信息，使生產(chǎn)調(diào)度擺脫過(guò)去通過(guò)電話和操作記錄來(lái)指揮生產(chǎn)的管理方式，可以隨時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程，即時(shí)發(fā)出調(diào)度指令，從而對(duì)生產(chǎn)做出調(diào)整，降低生產(chǎn)成本、降低物耗。

4）對(duì)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)加以利用，彌補(bǔ)了工廠的信息斷層，將分散的信息資源集成起來(lái)，數(shù)據(jù)真實(shí)、共享，建立良好的系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)制。

3.4 不足及展望

在我公司信息化過(guò)程中，EI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)以及對(duì)EI數(shù)據(jù)庫(kù)的二次開發(fā)還存在如下的一些問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究、探討和嘗試：

EI系統(tǒng)的二次開發(fā)功能需要進(jìn)一步完善，先進(jìn)控制和PID參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化等功能需要建立，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，使生產(chǎn)過(guò)程處于優(yōu)化狀態(tài)。

數(shù)據(jù)服務(wù)器的負(fù)荷還需進(jìn)一步降低。

［1］ Honeywell Inc.Process History Database System Manual USA：Honeywell International Inc.June 2004

［2］ Honeywell Inc.PHD OPC Server User Guide USA：Honeywell International Inc.June 2004

［3］ 王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004