全廠實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的技術改造

劉志韜，常思聰

（1.大化集團大連碳化工有限公司，遼寧 大連 116610；2.大連大化工程設計有限公司，遼寧 大連 116023）

1 改造前系統(tǒng)狀況

我廠于2006年從美國Honeywell公司購買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)上升級而成，是第一個將整個工廠的商業(yè)信息系統(tǒng)與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)統(tǒng)一在一個平臺上的自動化系統(tǒng)。特點為：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)庫技術等，TPS提供唯一的人機接口，即GUS，GUS是基于 Windows界面，并且TPS采用安全的工業(yè)網(wǎng)絡。

圖1 TPS系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

我廠的TPS系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)庫存在問題：

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)庫過小，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)庫滿足不了生產(chǎn)要求（尤其對變化迅速的壓力、流量、位移、振動等參數(shù)），這樣對生產(chǎn)過程及工藝指標的分析尤其是故障及事故原因分析帶來了不利。

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)的孤立應用層面上，管理層的數(shù)據(jù)來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，采集所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并且要求數(shù)據(jù)要有較強的實時性，實現(xiàn)信息集成與決策。

2 搭建全廠實時數(shù)據(jù)庫系統(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)營管理系統(tǒng)之間的“數(shù)字鴻溝”。為企業(yè)提供實時和歷史的數(shù)據(jù)管理，以便發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，及時指導生產(chǎn)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)、管理一體化。

2.2 硬件的組成

搭建實時數(shù)據(jù)庫所需材料如下：

1）工業(yè)用超5類網(wǎng)線800m。

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

3）EI服務器一臺，包含2臺主機，分別為主機1和主機2，主機1負責采集DCS數(shù)據(jù)，主機2負責上傳由主機1所采集的數(shù)據(jù)，2臺主機之間由一個物理網(wǎng)閘連接，由于主機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，嚴格控制數(shù)據(jù)的流向。

5）EI數(shù)據(jù)庫軟件一份。

我們用網(wǎng)線把TPS系統(tǒng)的GUS站與實時數(shù)據(jù)服務器的主機1連接，并且用網(wǎng)線把主機2與單位的辦公局域網(wǎng)連接，通過辦公局域網(wǎng)來訪問主機2上的數(shù)據(jù)，用一個管控單向物理隔離網(wǎng)閘，連接主機1和主機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)采安全防護網(wǎng)關，以下簡稱網(wǎng)關機，工作原理如下：

數(shù)采安全防護網(wǎng)關內(nèi)置兩臺主機之間，從主機1到主機2是絕對單向物理隔離電路，從物理層進行了隔離，信息只能從主機1單向傳輸?shù)街鳈C2，從根本上杜絕了病毒和惡意攻擊。該設備具體工作流程如下：主機1的一個以太網(wǎng)口連接DCS系統(tǒng)，主機1運行OPC2Safety程序，OPC2Safety通過OPC協(xié)議從DCS系統(tǒng)獲取的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到絕對單向物理隔離電路上，如果DCS系統(tǒng)沒有OPC Server軟件，則可以在主機1上安裝一套該DCS系統(tǒng)的OPC Server軟件，主機1和DCS系統(tǒng)之間可以通過TCP／IP進行通訊，主機2的一個以太網(wǎng)口連接實時數(shù)據(jù)庫服務器，主機2運行OPC4Safety程序，OPC4Safety從絕對單向物理隔離電路上接收到從主機1發(fā)送過來的DCS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，包裝成OPC Server，將OPC4Safety中的實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸，并且寫入實時數(shù)據(jù)庫服務器中。

2.3 軟件介紹及調(diào)試

實時數(shù)據(jù)庫軟件包EI中2個基本模塊：數(shù)據(jù)采集接口軟件模塊IO MANAGE和實時數(shù)據(jù)應用軟件模塊Package，主要功能如下：

1）生產(chǎn)實時監(jiān)控：橫向集成工廠的開放控制系統(tǒng)（DCS／PLC／SCADA），瀏覽及監(jiān)控整個流程過程中的實時數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控生產(chǎn)情況和設備運行情況。通過C／S和B／S分別實現(xiàn)了實時、動態(tài)、立體流程圖的組態(tài)和瀏覽；方便快捷地查詢實時數(shù)據(jù)；可在同一幅畫面內(nèi)畫出幾個任意位好的歷史數(shù)據(jù)變化趨勢曲線；提示并顯示實時報警，可查詢歷史報警。

圖2 數(shù)采安全防護網(wǎng)關工作原理

2）歷史數(shù)據(jù)存儲：可以存儲數(shù)據(jù)庫可接受的任何類型的實際數(shù)據(jù)，并使用先進的儲存算法，對數(shù)據(jù)進行二次壓縮處理，大大節(jié)省了存儲空間。

3）歷史數(shù)據(jù)檢索：使用獨特的數(shù)據(jù)結構，系統(tǒng)在很短時間內(nèi)完成訪問一年乃至幾年的數(shù)據(jù)。

4）實時數(shù)據(jù)采集：從生產(chǎn)現(xiàn)場自動采集控制系統(tǒng)（DCS／PLC／SCADA）的實時數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸并存儲到實時數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)采集接口軟件模塊IO MANAGE是針對各種實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（PI、IP21等）和DCS、PLC等數(shù)據(jù)源之間的進行實時數(shù)據(jù)通訊的工具。IO主要包含IO Server服務器和IO Client客戶端兩個部分。

圖3 實時數(shù)據(jù)采集

IO Server運行在實時數(shù)據(jù)庫服務器上，主要功能是把數(shù)據(jù)庫的位號信息和數(shù)據(jù)請求傳遞給IO Client，并把IO Client發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。IO Client的主要功能是根據(jù)需求取得實時數(shù)據(jù)，它主要由以下三個程序組成：

Collecter——DCS等數(shù)據(jù)源進行通訊取得實時數(shù)據(jù)；

Router——發(fā)送實時數(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、斷點續(xù)傳。

IO Monitor主要功能是監(jiān)視數(shù)據(jù)采集通訊的運行情況，可運行在和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，運行在DCS上，比如工業(yè)標準通訊接口OPCServer等。在向DCS讀取數(shù)據(jù)方面，我們要求采用多重冗余結構，就是說服務器先從一臺指定的GUS站上讀取數(shù)據(jù)，如果這臺GUS站掉電或者特殊情況無法讀取數(shù)據(jù)時，軟件自動跳到相鄰的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)庫安全測試

在數(shù)據(jù)庫建立起來之后，安全性是首要進行測試的，在數(shù)據(jù)庫正常采集數(shù)據(jù)的同時，對DCS系統(tǒng)有沒有干擾是我們尤為關注的，也就是對管控單向物理網(wǎng)閘的可靠性測試，經(jīng)過長達半年歷經(jīng)數(shù)次開車后，管控單向物理網(wǎng)閘很好完成了作用，對DCS系統(tǒng)毫無影響。

3.2 與數(shù)據(jù)庫建立前對比

數(shù)據(jù)庫建立好后與TPS系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)庫做比較：12WI0101在20min的時間段里面有2次擾動，一次是14：25，一次是14：40，這是在 TPS自帶數(shù)據(jù)庫采樣出來的，采樣周期為1min，而EI系統(tǒng)該點的歷史趨勢，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)中無法看到，第二在數(shù)值上，TPS的數(shù)據(jù)庫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)庫采集周期過長導致，根本沒有采集到12WI0101點跳變到20后，又回落到11的過程。12WI0101在14：40擾動的EI數(shù)據(jù)庫截圖，能明顯能看出，在14：40附近有2次擾動，但TPS自帶數(shù)據(jù)庫只采集到一次，并且曲線輪廓細節(jié)也差很多。

在經(jīng)過半年后看了下數(shù)據(jù)儲存空間的大小，我們的數(shù)據(jù)存儲盤為500GB，按照當時存儲空間推算，我們7000點的數(shù)據(jù)量至少能存儲1年半以上，如果想更長時間存儲更多的數(shù)據(jù)量可以選擇更大容量的硬盤，擴展非常方便。

3.3 實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)在我公司的應用

對我公司而言，其直接應用效益體現(xiàn)在：

1）解決DCS數(shù)據(jù)庫過小的缺陷。集散控制系統(tǒng)自帶的歷史數(shù)據(jù)庫過小，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)庫長期保存全部實時數(shù)據(jù)非常困難。使用EI系統(tǒng)后，保存數(shù)據(jù)的頻率最快可以達到秒級，保證最大程度上反映現(xiàn)場實際工況變化情況。

2）通過對工藝歷史數(shù)據(jù)的分析對比，以及關鍵性能指標變化趨勢分析，工藝員以及設備員可以對生產(chǎn)情況進行分析，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)裝置的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)都已經(jīng)實現(xiàn)上網(wǎng)，通過信息集成，調(diào)度部門能及時得到生產(chǎn)過程的狀態(tài)反饋信息，使生產(chǎn)調(diào)度擺脫過去通過電話和操作記錄來指揮生產(chǎn)的管理方式，可以隨時監(jiān)視生產(chǎn)過程，即時發(fā)出調(diào)度指令，從而對生產(chǎn)做出調(diào)整，降低生產(chǎn)成本、降低物耗。

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

3.4 不足及展望

在我公司信息化過程中，EI實時數(shù)據(jù)庫以及對EI數(shù)據(jù)庫的二次開發(fā)還存在如下的一些問題需要進一步的研究、探討和嘗試：

EI系統(tǒng)的二次開發(fā)功能需要進一步完善，先進控制和PID參數(shù)自動優(yōu)化等功能需要建立，使系統(tǒng)能夠實時調(diào)整工藝參數(shù)，使生產(chǎn)過程處于優(yōu)化狀態(tài)。

數(shù)據(jù)服務器的負荷還需進一步降低。

［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)設計與應用實例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004