大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)在工廠智能化中的應(yīng)用

韓承宇魯 錚許明陽馬方圓王璟德?孫 巍?

(1.北京化工大學化學工程學院,北京 100029;2.中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362103)

隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展,流程工業(yè)的自動化水平也得到了大幅的提升。為加強制造業(yè)創(chuàng)新,提升制造業(yè)的競爭優(yōu)勢,在全球產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)有利地位,發(fā)達國家[1,2]提出了“智能制造”相關(guān)的戰(zhàn)略計劃。在這種形勢下,行業(yè)內(nèi)的競爭越來越激烈,化工廠傳統(tǒng)的信息化模式已經(jīng)不能滿足行業(yè)的需求,這也促使工廠做出了變革,出現(xiàn)了智能化工廠。智能化工廠可以結(jié)合當前先進的信息技術(shù)實現(xiàn)智能化的生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)智能管理。

1 工廠的智能化

1.1 現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)

當前主流的化工廠都具備了基本的流程工業(yè)自動化體系,通常采用三層架構(gòu)[3],如所示:以企業(yè)管理、決策為核心的經(jīng)營計劃系統(tǒng)(Business Planning System,BPS);以優(yōu)化運行為核心的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES);以設(shè)備綜合控制為核心的過程控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)。

1.2 現(xiàn)有系統(tǒng)遇到的問題

1)DCS 系統(tǒng)可以提供給操作人員原始數(shù)據(jù),同時在生產(chǎn)過程發(fā)生波動,工藝指標超出了控制系統(tǒng)的設(shè)定上下限范圍時,能給出相應(yīng)的報警,但并不能為工程師提供進一步關(guān)于故障發(fā)生原因及路徑、過程變量下一步的變化趨勢等重要的輔助決策信息。這種情況下工程師需要通過查詢過程變量的歷史數(shù)據(jù),依靠自己的知識與經(jīng)驗進行調(diào)整。

2)傳統(tǒng)的3 層體系相對獨立,數(shù)據(jù)不能共享,可拓展性較差,操作決策更依賴工程師的個人經(jīng)驗。比如MES 中能夠通過DCS 提供的接口來查詢實時生產(chǎn)數(shù)據(jù),但并不具備對原始的過程數(shù)據(jù)進行分析處理的能力。以工業(yè)鍋爐為例:當工程師希望獲取某個工業(yè)爐的熱效率時,需要先從DCS 獲取數(shù)據(jù),然后自行計算。無法做到編寫計算模塊、接入系統(tǒng)、批量計算并在界面上顯示。

3)原有的架構(gòu)忽略了工程師經(jīng)驗的輸入,知識無法在系統(tǒng)中積累。仍以工業(yè)爐為例:如果要同時對比多個工業(yè)爐的熱效率,并就熱效率的高低進行原因分析,則需要工程師在大量的計算后進行原因分析。原因分析這一步需要工程師具有豐富的經(jīng)驗。現(xiàn)有系統(tǒng)無法做到輸入工業(yè)爐熱效率不高的常見原因,并對批量計算出的熱效率進行自動分析。

1.3 智能化改造的措施

工藝流程可以抽象為物質(zhì)流、能量流和信息流[4]。工廠的智能化改造重點在于重新構(gòu)建各個系統(tǒng)間信息流鏈接。下面以依據(jù)信息流的流動路徑探討智能化的改造措施。

1)新增智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。化工廠內(nèi)信息流的來源包括:DCS OPC (Open Platform Communications)服務(wù)器、其他實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、實驗室的定期采樣數(shù)據(jù)和紙質(zhì)版的記錄。這些來源在目前的體系下是分散的,沒有一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺。在智能化的改造過程中需要先建立一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),便于整合各種現(xiàn)有數(shù)據(jù)源,并保留接入新的類似工藝機理模型等數(shù)據(jù)源的能力。其他數(shù)據(jù)處理模塊需要查詢原始數(shù)據(jù)時,只需要向智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)查詢數(shù)據(jù),無需適配各種不同數(shù)據(jù)源的接口。

2)新增數(shù)據(jù)調(diào)度中心。為了增強拓展性并減少接口數(shù)量,需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)度服務(wù)。該服務(wù)收集包括過程原始數(shù)據(jù)、計算處理過的數(shù)據(jù)、人機交互產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)流,是數(shù)據(jù)的集散地,集中地收集、分發(fā)數(shù)據(jù)。原有的模塊和新增的模塊只用實現(xiàn)一種數(shù)據(jù)交換格式即可與現(xiàn)有的系統(tǒng)和將來可能添加的系統(tǒng)進行通信。這增強了系統(tǒng)的可拓展性,并降低了新模塊的接入成本。

3)數(shù)據(jù)驅(qū)動的知識融合。工藝工程師具有豐富的流程相關(guān)的知識,需要提供合適的方式將這些知識輸入到系統(tǒng)中去,并在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中加以利用;工業(yè)流程具有大量的數(shù)據(jù)采集點,每天都能產(chǎn)生大量的歷史數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)挖掘算法并結(jié)合工藝的流程信息,能自動的從歷史數(shù)據(jù)和新增的數(shù)據(jù)中挖掘出流程變量間的關(guān)系,實現(xiàn)流程知識的自動抽取。監(jiān)測系統(tǒng)收集到的知識可以用于異常波動的原因分析。當監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到流程發(fā)生異常偏離時,使用知識進行偏離原因分析,找出導(dǎo)致偏離的相關(guān)變量。

4)友好的二次開發(fā)接口。現(xiàn)有的DCS 系統(tǒng)多提供C/C++、C#等編譯型語言的接口,編譯型語言學習曲線較為陡峭,不易于快速上手,提高了二次開發(fā)的難度。采用Python 腳本語言的方式提供二次開發(fā)的接口,降低二次開發(fā)的難度。

2 大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)介紹

本研究對現(xiàn)有的3 層架構(gòu)進行集成,提出了新的大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)新增了智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),集成了現(xiàn)有的多種數(shù)據(jù)源。算法模塊從數(shù)據(jù)源抽取數(shù)據(jù),進行進一步處理分析,利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計學算法從中提取有用的信息,為工藝工程師提供參考。大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)既可以作為獨立應(yīng)用運行,也可以對外提供API (Application Programming Interface)向其他的系統(tǒng)模塊提供數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)框架可以看作DCS 系統(tǒng)的拓展,主要加強了對DCS 系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)的分析能力。并且能結(jié)合工藝的流程信息、工藝人員的經(jīng)驗和DCS 的歷史數(shù)據(jù)對流程進行建模。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的物理架構(gòu)如圖1所示。可分為4 個區(qū)域:安全生產(chǎn)區(qū)、受信區(qū)、隔離區(qū)和辦公局域網(wǎng)。生產(chǎn)安全區(qū)為DCS OPC 服務(wù)器等各種數(shù)據(jù)源所在的內(nèi)網(wǎng);受信區(qū)為監(jiān)測系統(tǒng)主要組件部署區(qū)域;隔離區(qū)為監(jiān)測系統(tǒng)WEB 服務(wù)器部署區(qū)域;局域網(wǎng)為辦公內(nèi)網(wǎng),可使用多終端訪問監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)物理架構(gòu)Fig.1 Physical architecture of system

各區(qū)域間有防火墻進行隔離。為了保證DCS的系統(tǒng)安全,在架構(gòu)設(shè)計時,將OPC 服務(wù)器到OPC客戶端、OPC 客戶端到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的鏈接均限制為單向數(shù)據(jù)流,只取出數(shù)據(jù),不回寫數(shù)據(jù),確保監(jiān)測系統(tǒng)的運行不會影響到DCS 系統(tǒng)。根據(jù)企業(yè)安全要求的不同,監(jiān)測系統(tǒng)的WEB 界面可以在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)訪問。

軟件架構(gòu)如圖2所示,4 個區(qū)域與物理架構(gòu)對應(yīng)。監(jiān)測系統(tǒng)主體放在受信區(qū),分為3 層:智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)調(diào)度中心和應(yīng)用模塊。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of system

智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)主要作用是接收DCS 實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、實驗室數(shù)據(jù)庫發(fā)送來的數(shù)據(jù),并發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)存入數(shù)據(jù)庫中。當工廠提供的DCS接口發(fā)生變化或者接入新的數(shù)據(jù)源時,只用修改此部分,系統(tǒng)的其他部分無需做過大的改變即可正常工作。數(shù)據(jù)調(diào)度中心的主要負責數(shù)據(jù)的調(diào)度、共享和下發(fā),在各個子模塊間傳遞數(shù)據(jù)。將DCS 原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)推送給系統(tǒng)的其他部分,并獲取各模塊的返回值。

應(yīng)用模塊根據(jù)需求可能有多個,下面就常見的應(yīng)用模塊進行介紹。

1)數(shù)據(jù)庫服務(wù)。儲存采集到的原始數(shù)據(jù)、用戶的輸入、算法模塊的輸出、過程知識、WEB 服務(wù)相關(guān)的信息。

2)WEB 服務(wù)。放在隔離區(qū),用于提供數(shù)據(jù)的可視化及系統(tǒng)的人機交互界面。

3)算法模塊。負責數(shù)據(jù)的分析與處理。典型的監(jiān)測系統(tǒng)的算法模塊有:儀表軟測量模塊、實驗室采樣軟測量、重要設(shè)備監(jiān)測模塊、故障診斷及原因分析模塊、設(shè)備運行狀態(tài)評價模塊等。

數(shù)據(jù)調(diào)度中心可以通過socket 對外提供API 接口,便于二次開發(fā)、接入其他程序。

2.2 新系統(tǒng)的優(yōu)勢

1)整合了數(shù)據(jù)孤島,改善了數(shù)據(jù)的可訪問性。原有的三層次系統(tǒng),數(shù)據(jù)只能從向往上單向傳遞,無法做到互聯(lián)互通。新的監(jiān)測系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)調(diào)度中心,所有的數(shù)據(jù)源通過智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)連接到調(diào)度中心,提供數(shù)據(jù)。為數(shù)據(jù)的訪問、儲存提供了統(tǒng)一的接口。

2)為企業(yè)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。原有的架構(gòu),沒有統(tǒng)一的接口,新增一套系統(tǒng)就需要單獨進行適配,開發(fā)成本高。智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入點,不同種類的數(shù)據(jù)源均可以接入網(wǎng)關(guān);數(shù)據(jù)調(diào)度中心則定義了數(shù)據(jù)的傳輸、使用規(guī)范,只要實現(xiàn)了與數(shù)據(jù)調(diào)度中心的通訊,即可通過統(tǒng)一的接口訪問各種不同的數(shù)據(jù)源,與不同的功能模塊進行通訊。

3)采用了微服務(wù)架構(gòu),提高了可靠性。原有的架構(gòu)內(nèi)的系統(tǒng),多采用單體大應(yīng)用的形式,應(yīng)用中的某一個服務(wù)出現(xiàn)問題,整個應(yīng)用都出現(xiàn)故障,可靠性低。在軟件實現(xiàn)、部署時,數(shù)據(jù)調(diào)度中心即為微服務(wù)的網(wǎng)關(guān),負責數(shù)據(jù)的收集與分發(fā),并監(jiān)控各個子模塊的狀態(tài);各個功能模塊是一個個的微服務(wù),統(tǒng)一接入調(diào)度中心。當某個微服務(wù)出現(xiàn)故障時不會影響其他微服務(wù),提高了系統(tǒng)的可靠性。

4)結(jié)合數(shù)據(jù)輔助工程師進行智能化決策。原有的DCS 只能提供過程變量的數(shù)據(jù),不能進行進一步的分析。大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以分析DCS 提供的過程數(shù)據(jù),還可以結(jié)合過程知識,對異常偏離進行分析。為工程師的決策提供更多的參考。

3 監(jiān)測系統(tǒng)在石化行業(yè)的應(yīng)用

該系統(tǒng)在某石化有限公司的連續(xù)重整裝置上線投產(chǎn)。連續(xù)重整裝置中的重整進料換熱器是重整工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一[5]。重整進料換熱器的壓降是換熱器運行狀態(tài)的重要指標,需要基于數(shù)據(jù)計算。

3.1 主要功能

為實現(xiàn)對換熱器的實時監(jiān)測,該監(jiān)測系統(tǒng)具有以下功能。

1)整合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)源。從DCS 實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和實驗室測試系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù),并支持工藝工程師輸入數(shù)據(jù)。

2)對重整進料換熱器進行實時監(jiān)測。實現(xiàn)對壓降的趨勢預(yù)測;并在熱端壓差異常上升時發(fā)出報警,對其進行原因分析;

3)輔助決策。結(jié)合對換熱器實時監(jiān)測的分析結(jié)果和壓降變化趨勢的預(yù)測結(jié)果,系統(tǒng)可以為工程師提供換熱器狀態(tài)的更多信息以輔助決策。

3.2 應(yīng)用效果

監(jiān)測系統(tǒng)上線測試,截止投稿,系統(tǒng)運行穩(wěn)定至今2 個月。系統(tǒng)整合了現(xiàn)有的不同數(shù)據(jù)源,工程師可以在界面上通過類似DCS 的界面實時查看換熱器熱端壓差的短期、長期預(yù)測值和實時測量值。如果有壓降異常上升,系統(tǒng)會發(fā)出警報。并用有向無環(huán)圖的形式展示壓降異常變化的原因,指出是哪些變量的變化導(dǎo)致了壓降的變化,為操作人員的調(diào)整提供參考。系統(tǒng)提供了報告導(dǎo)出的功能,便于將某段時間內(nèi)的過程變量批量導(dǎo)出進行分析,可以通過編寫Python 算法模塊的形式,自定義要計算的其他統(tǒng)計變量。監(jiān)測系統(tǒng)的WEB 界面用主流瀏覽器訪問流暢。系統(tǒng)達到設(shè)計要求。

4 結(jié)論

提出的化工過程大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)通過對現(xiàn)有3層架構(gòu)的整合,消除了數(shù)據(jù)孤島、為企業(yè)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施,給后續(xù)進一步的智能化改造打下了基礎(chǔ);監(jiān)測系統(tǒng)采用了微服務(wù)架構(gòu),系統(tǒng)可靠性高,可拓展性強;大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠結(jié)合數(shù)據(jù)輔助工程師進行智能化決策,在工廠智能化中具有重要的意義。在某煉化企業(yè)連續(xù)重整工藝的使用中,大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行至今,上線測試驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。