PI實時數據庫在石化企業的應用

占葉勇，朱浙軍，徐江軍，侯斌，李飛燕

(浙江恒逸石化有限公司，浙江 杭州 312000)

PI實時數據庫[1-3]是流程工業智能工廠體系結構中的一個重要組成部分，作為面向工業過程的軟件平臺，該數據庫不僅承擔著過程數據的集成任務，而且還支持控制層和過程監控層的許多應用[4]。

本文將從數據網絡的建立、系統范圍、接口及系統集成、功能模塊、系統安全策略、數據處理6個方面全面介紹某公司在文萊項目中PI實時數據庫項目的建設。

1 數據網絡建設

目前，石化企業一般都會建立生產控制網和辦公信息網，但是兩個網絡之間是相互獨立的，如果想真正實現智能工廠，則必須打通這兩個網絡。所以首先需要建立一個數據網絡來實現該功能，該公司在文萊項目的智能工廠數據網絡拓撲結構如圖1所示，建立全廠裝置的實時數據采集平臺[5]，采集點7萬多點，流程圖1.5×103張，報表20張，以客戶機與服務器架構(C/S)和瀏覽器與服務器架構(B/S)方式顯示各生產裝置、罐區、公用工程和熱電等生產運行參數。該項目全廠裝置控制系統采用橫河CENTIUM CS系統，該系統提供的DCS接口包括： OPC,L2/L3交換機。

2 接口及系統集成

PI實時數據庫提供了豐富的接口，包括OPC，Modbus，WEBservice，API等[6-8]，該項目根據DCS的OPC服務器的數量和性能，在數據采集機上運行采集接口軟件，將采集的實時數據存入到實時數據庫中，系統集成方式如圖2所示，以OPC服務器為界，OPC服務器以下歸儀控部負責，OPC以上歸信息部負責。

圖1 全廠數據網絡拓撲結構示意

圖2 數據采集系統集成示意

PI實時數據庫通過OPC接口集成了分散控制系統(DCS)，安全儀表系統(SIS)，火災報警系統(FGS)，數據采集與監視控制系統(SCADA)，通過ODBC接口向下集成實驗室化驗系統(LIMS)。數據采集周期為5 s，這些數據存儲后再通過API接口提供給制造執行系統(MES)，儀表管理系統(AMS)，LIMS，企業資源計劃系統(ERP)，一定程度上減弱了智能工廠各個系統間信息孤島效應。

3 系統功能模塊

3.1 數據存儲模塊

根據裝置、罐區和公用工程等生產實時數據的位號，集中組態存儲到實時數據庫中，統一管理、訪問和發布。

3.2 工藝流程畫面開發模塊

工藝流程畫面的開發是系統實施過程中的一個要點，畫面的標識用中英文。具體包含以下幾方面：

1)裝置總覽圖。在該畫面上集中了全廠各主要的生產裝置及其生產流程，點擊相應裝置的關聯按鈕，可以快速切換到相應裝置的詳細流程圖畫面，各主要生產裝置間相互鏈接的主要生產數據可以及時反饋給操作員。

2)計調部管理畫面。為方便計劃調度部統一管理全廠生產運行，制作了全廠儲罐監控圖、氫氣系統圖、公用工程監控圖、蒸汽系統圖、風系統總圖、除鹽除氧水總圖、全廠物料總貌圖。

3)裝置細節流程圖。參照DCS 畫面進行開發，但又不完全相同，畫面信息比DCS畫面更豐富，如在畫面增加了流程畫面之間的關聯按鈕，相關裝置間的生產數據計算值等，能夠幫助操作員了解更詳盡的生產信息。

4)電力系統圖。電力系統監控圖主要用于展示公司電力進線、汽輪機發電供往各車間的電力監控流程圖，在流程圖上實時顯示各進線的電流、電壓、功率等參數。

5)生產過程報警管理。根據所提供的報警位號表，當生產數據超出報警上下限時提示報警，幫助用戶及時發現生產中的異常情況并能追蹤歷史數據。

6)設備與運行監控。設備運行狀態監控實現設備運行狀況實時監測、歷史/實時數據趨勢顯示、歷史數據對比分析等功能。設備運行監控圖實現了全廠關鍵設備的開停狀態顯示，運行參數的實時監控，重要設備的運行時間累積；并結合工藝設備管理規定，監視設備生產運行的關聯參數和狀態，輔助發現設備問題。通過對設備的關鍵參數設置報警條件，實現異常狀態設備的報警，提高設備的運行效率和使用率。

7)環保安全。環保監控圖用于實施顯示全廠污染源排放監控，監控內容包括各裝置污水排放、熱電裝置氣體排放等。對各排放的參數進行指標配置，超出指標能實時報警。

4 系統安全策略

4.1 物理訪問

該系統全部硬件部署于廠區內，廠區有出入許可制度，外來訪客需在員工陪伴下才可以進入廠區。

該系統全部服務器均部署于IT機房內，僅有相關員工及得到授權的供應商才可以進入IT機房操作服務器。該系統全部接口機均部署于現場機柜或其他專用機柜中，鑰匙由專人掌握，僅有相關員工及得到授權的供應商才可以接觸到這些計算機。

4.2 環境安全

該系統全部服務器、接口機及網絡硬件均部署于溫濕度合適的環境中，周圍有適當的防火措施，整個系統由UPS供電。

4.3 生產系統安全

該系統優先使用OPC協議連接自控系統，采用廠商提供的OPC服務器并由廠商部署實施[9]。

OPC服務器為唯一與自控系統連接的服務器，由設備廠商配置以確保底層自控系統的安全。OPC服務器中全部點位配置為只讀，可以確保在任何情況下自控系統的數據均不會被上層系統所影響。

4.4 網絡安全

除使用防火墻隔離生產網絡和生產數據采集網絡以外，在生產數據采集網絡與辦公網之間也部署防火墻，并且僅開放PI實時數據庫相關端口，以確保生產數據采集網絡的安全運行。

該項目中的其他服務器如Web服務器等均設置于辦公網絡中，容易受到病毒和各種網絡攻擊等的影響，通過在操作系統中安裝殺毒軟件和使用軟件防火墻來防范。

4.5 Windows系統安全

該系統全部計算機均安裝廠商技術支持期之內的操作系統，并由IT部門及時安裝各種補丁；均安裝專用的殺毒軟件，并定期升級，殺毒軟件的例外規則由具體的系統軟件指定，并需在設計文檔中詳細列出。

針對系統已發現的重要安全漏洞，在測試環境進行補丁更新，分別測試在安裝補丁后的運行情況，通過測試后再在生產環境安裝，以避免系統遭受已發現安全漏洞的威脅。

4.6 Windows登錄控制

該系統的全部計算機均按照“最低權限”原則配置訪問權限，其中，全部服務器及接口機均只接受指定管理員賬戶的本地登錄及局域網內遠程登錄。

賬戶策略包括口令策略和賬戶鎖定策略，設置合理的密碼長度、密碼存活期、啟用密碼復雜度，設置賬戶的鎖定閾值和鎖定復位時間。防止用戶設置弱密碼，以阻止字典攻擊和暴力破解[10]。

4.7 PI實時數據庫安全控制

PI實時數據庫支持基于角色的用戶權限管理，用戶只能在相應的授權范圍內管理或使用數據系統，并將這些數據用于分析、報表和可視化；具有運行管理功能、審計功能和日志功能；具有阻止計算機病毒入侵的嚴格措施，以及防止因人為因素造成的破壞數據庫系統的容錯能力，從而確保PI實時數據庫的數據在全面的審計跟蹤過程中的完整性。

PI實時數據庫采用開放式體系結構設計，可支持系統多級熱備冗余，在國內及國際均處于領先水平。支持超過450種標準接口保證數據傳輸的穩定、可靠和有效。

PI實時數據庫不僅能采集各類實時數據，還支持標準接口采集事務/事件性數據。事務數據的采集可通過周期方式和事件觸發方式，其中周期方式的周期可低于1 s，事件觸發方式可實時響應。

5 數據處理

PI實時數據庫提供了一套強大的數據計算的工具，主要分布在以下幾個軟件中： PIDatalink，PIProcessbook及后臺位號組態工具計算。充分利用PI實時數據庫提供的計算工具，對生產數據進行處理，一定程度上幫助生產人員深入掌握生產狀況。

5.1 罐容系統計算

根據液位查找油品物理容積，根據液位和密度計算壓力修正，根據油品溫度和環境溫度計算儲罐膨脹系數[11]，則儲罐儲油量計算公式： 修正體積=(油品物理容積-壓力修正體積)×膨脹系數，儲罐儲油量=〔(修正體積-水的體積)×體積修正系數-浮盤體積〕×(油品密度-0.001 1)×(1-含水率/100)。

5.2 回流比計算

回流比是精餾塔操作的重要參數，但DCS上只有回流量的顯示，通過回流比的計算公式： 回流比=回流量/采出量，然后對應各自的位號，可算出各精餾塔的回流比。

5.3 泵閥使用效率

泵閥使用效率=泵閥的啟動時間/總時間，泵閥啟動時，其啟停信號為1；關閉時，啟停信號為零。通過累計這些信號，就可準確地計算出泵閥的使用效率，給泵閥的檢維修提供可靠的依據。

6 結束語

建立了一個集中的實時數據庫(RTDB)系統，通過與石化生產裝置、罐區、電廠等DCS，PLC等的集成，實現生產過程實時監控、報警、運行參數分析等功能，為企業的生產調度以及生產決策帶來了便利，提高了企業的工作效率，必將給企業創造出巨大的經濟效益和社會效益。