基于PI接口軟件的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

趙洪娣

（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305）

唐山三友氯堿有限責(zé)任公司擁有20萬t/a燒堿和20萬t/a聚氯乙烯產(chǎn)能，不同廠家的DCS、PLC控制系統(tǒng)已在各工藝車間得到廣泛應(yīng)用。隨著企業(yè)信息化應(yīng)用要求的逐步提高，迫切需要采用一套實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來建立全公司統(tǒng)一的生產(chǎn)信息集成平臺。通過實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與全公司各生產(chǎn)車間DCS裝置控制系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)管理層與控制層的集成，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，建立一個覆蓋全廠各部門，功能齊全的管控一體化計算機集成生產(chǎn)系統(tǒng)。

1 設(shè)計目標(biāo)

系統(tǒng)采用分層分布式開放系統(tǒng)的設(shè)計思想，采用了Cluster（集群）技術(shù)、三層體系結(jié)構(gòu)及組件技術(shù)、Internet/Intranet及Web瀏覽器等一系列計算機技術(shù)，能夠在最大限度上滿足生產(chǎn)不斷增長和變化的業(yè)務(wù)需求。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在生產(chǎn)控制系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)之間起著一個橋梁的作用。通過已建立的一套獨立的生產(chǎn)專用網(wǎng)絡(luò)，通過PI接口軟件采集生產(chǎn)裝置DCS控制系統(tǒng)以及PLC控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，對各生產(chǎn)流程進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)視和查詢。對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理以形成全廠生產(chǎn)報表，建立全廠的實時和歷史數(shù)據(jù)庫，滿足應(yīng)用開發(fā)和各相關(guān)部門快速、高效地對現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和處理的要求，同時開發(fā)企業(yè)的裝置/班組成本核算模型，對裝置/班組生產(chǎn)成本進(jìn)行及時統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)事前預(yù)測、事中控制、事后分析、事后考核的職能，達(dá)到精細(xì)化管理目標(biāo)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為今后便于管理和維護，PI實時數(shù)據(jù)庫采用分布式結(jié)構(gòu)，采用WEB Servers分層和C/S相結(jié)合的體系架構(gòu)。PI實時數(shù)據(jù)庫是連接控制網(wǎng)與管理網(wǎng)的一個管控一體化橋梁，直接與現(xiàn)場控制系統(tǒng)相連，并且管理網(wǎng)需要從生產(chǎn)運行調(diào)度指揮系統(tǒng)中獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。因此，為了確保DCS控制系統(tǒng)和PI系統(tǒng)主服務(wù)器以及PI接口機的安全，要求建立獨立的生產(chǎn)控制專用網(wǎng)絡(luò)和MIS管理信息網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)布線和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求獨立建設(shè)，不共用設(shè)備，這樣才能有效地阻止來自MIS網(wǎng)的惡意攻擊。基于這一安全原則，在生產(chǎn)控制網(wǎng)和MIS管理信息網(wǎng)之間采取防火墻進(jìn)行隔離。PI服務(wù)器采用2臺IBM X3650 M2服務(wù)器構(gòu)成雙機熱備系統(tǒng)服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲生產(chǎn)裝置控制系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，接口機與服務(wù)器放置在同一個機柜里，與對應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

通過PI實時數(shù)據(jù)庫來了解現(xiàn)場裝置的生產(chǎn)情況，在與局域網(wǎng)相連的每個用戶的PC機上安裝PI客戶端軟件來瀏覽PI服務(wù)器中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。管理層每個辦公室的電腦上就可以看到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與DCS系統(tǒng)保持同步，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 與生產(chǎn)控制系統(tǒng)接口設(shè)計

PI接口軟件采用C語言編寫，軟件的運行效率、可靠性和靈活性都很高，可以長年安全穩(wěn)定地運行。接口軟件的數(shù)據(jù)通訊速率和數(shù)據(jù)容量只與DCS通訊接口軟硬件有關(guān)。PI數(shù)據(jù)的采集頻率可以在線調(diào)整，這樣對不同特性的數(shù)據(jù)可以采用不同的采集頻率，以便獲得最佳的信息量和達(dá)到系統(tǒng)資源最合理地利用，數(shù)據(jù)的采集率可以達(dá)到100%。生產(chǎn)運行調(diào)度指揮系統(tǒng)中位號屬性值的變化、位號的增加、刪除和修改，接口軟件能自動接收這些變化了的信息，并且無需重新啟動接口程序就可執(zhí)行這些改變。PI系統(tǒng)管理員做這些修改只需在PI服務(wù)器上完成，無需到DCS現(xiàn)場。

目前該公司單體車間和聚合車間共4套日本橫河CS3000 DCS系統(tǒng)，燒堿車間2套ABB DCS系統(tǒng)，水汽車間和利時DCS系統(tǒng)一套，將DCS系統(tǒng)與生產(chǎn)運行調(diào)度系統(tǒng)之間通過OPC方式進(jìn)行通訊。每套DCS系統(tǒng)中在一臺裝有OPC Server軟件的操作站上加裝一塊以太網(wǎng)卡，然后分別為這套DCS控制系統(tǒng)配置一臺帶有雙網(wǎng)卡的PC機作為接口機，接口機其中一塊網(wǎng)卡與裝有OPC Server軟件的操作站所添加的網(wǎng)卡相連，另一塊網(wǎng)卡與控制網(wǎng)相連，在接口機上安裝OPC Client軟件即可將DCS控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)要求，PI主服務(wù)器采用2臺IBM X3650M2構(gòu)成雙機互為熱備的高可用系統(tǒng)，2個服務(wù)器的節(jié)點相互連接，構(gòu)成了一個提供服務(wù)的整體。當(dāng)客戶端提出訪問請求的時候，這個請求可以被集群響應(yīng)。當(dāng)集群中的一個節(jié)點失效，另外一個可以通過“失效切換”的過程接替失效節(jié)點上運行的應(yīng)用程序。同時，由于應(yīng)用程序和客戶端所需要的數(shù)據(jù)是存儲在共享的存儲設(shè)備中的，在“失效切換”的過程中共享存儲的訪問控制權(quán)也由失效節(jié)點切換至運行節(jié)點上，客戶端和應(yīng)用程序可以通過共享存儲設(shè)備繼續(xù)訪問必要的數(shù)據(jù)。這樣，通過集群，可以實現(xiàn)在一個服務(wù)器節(jié)點失效的情況下，仍然可以提供數(shù)據(jù)訪問和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的正常運行，保證了客戶的關(guān)鍵業(yè)務(wù)的運行，集群工作示意圖見圖2。

圖2 集群工作示意圖

這種集群方式的實現(xiàn)，是通過2臺服務(wù)器共享一個外部的磁盤存儲設(shè)備，所以要求PI系統(tǒng)其數(shù)據(jù)存儲在共享的設(shè)備中，2臺服務(wù)器分別對磁盤存儲設(shè)備有訪問權(quán)。當(dāng)一個服務(wù)器發(fā)生失效的時候，另外一個服務(wù)器仍然可以對共享存儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，客戶端網(wǎng)絡(luò)的訪問，可以由這臺服務(wù)器繼續(xù)維持。

圖2中的2臺服務(wù)器分別具有一個本地盤用于安裝Windows 2003 Enterprise Server操作系統(tǒng)。服務(wù)器中分別安裝有2塊網(wǎng)卡，其中一組網(wǎng)卡用于局域網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的提供，另一組網(wǎng)卡通過一條心跳網(wǎng)線構(gòu)成了一個內(nèi)部互連的高速網(wǎng)絡(luò)，這個高速網(wǎng)絡(luò)用于2臺服務(wù)器之間的信息傳遞。在服務(wù)器中分別安裝一個HBA控制卡，通過HBA可以實現(xiàn)服務(wù)器的內(nèi)部和外部的陣列，同時通過該控制卡連接共享的存儲設(shè)備。要求PI系統(tǒng)安裝在共享的存儲設(shè)備中，這也是該方案的關(guān)鍵部分?；陔p機方案，可以支持節(jié)點級和資源級的保護。在任何時候，如果一個服務(wù)器失效，在這個服務(wù)器上運行的所有應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)都會在另外一臺服務(wù)器上重新啟動，共享存儲設(shè)備的控制權(quán)從失效的服務(wù)器上轉(zhuǎn)移到運行的服務(wù)器。運行的服務(wù)器可以繼續(xù)支持群集的虛擬服務(wù)器，通過群集的虛擬服務(wù)器，用戶的網(wǎng)絡(luò)訪問可以繼續(xù)進(jìn)行。從而實現(xiàn)節(jié)點的保護。

在圖2中，如果在第一臺服務(wù)器上，PI Server應(yīng)用程序失效或者服務(wù)器系統(tǒng)發(fā)生失效，這時候通過群集監(jiān)視器和群集服務(wù)，PI失效進(jìn)程會自動地在群集中另外一個服務(wù)器上被啟動，PI服務(wù)進(jìn)程運行在第二臺服務(wù)器上，這樣PI Server服務(wù)通過群集可以繼續(xù)向外提供信息。當(dāng)?shù)谝慌_服務(wù)器修復(fù)后，PI服務(wù)進(jìn)程會自動回到第一臺服務(wù)器上運行。所有在群集中運行的服務(wù)都不會受到影響。通過這種方式，群集保證服務(wù)器不僅可以避免由于單機的內(nèi)部故障造成的意外停機，還可以避免由于服務(wù)器中某個進(jìn)程的錯誤導(dǎo)致的服務(wù)中斷。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

通過采集2套單體系統(tǒng)、2套聚合系統(tǒng)、2套燒堿系統(tǒng)以及一套水汽控制系統(tǒng)的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對各生產(chǎn)流程進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)視和查詢。對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理以形成全廠生產(chǎn)報表。同時建立全廠實時和歷史數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上開發(fā)裝置及班組成本核算功能模塊，滿足各相關(guān)管理部門快速、高效地對現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和處理的要求，也可為將來將數(shù)據(jù)發(fā)送到集團總部提供基礎(chǔ)，實現(xiàn)集團總部和分廠信息共享。

通過生產(chǎn)運行調(diào)度指揮系統(tǒng)提供的客戶端工具PI-Processbook可以根據(jù)用戶的需要自由組態(tài)各種中文流程圖畫面、棒圖、參數(shù)圖、趨勢圖等，實時顯示各種類型的數(shù)據(jù)、PI實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與接口機之間的通訊狀態(tài)。利用PI-Processbook工具可以通過流程圖、趨勢圖和數(shù)據(jù)一覽表的方式隨意查詢實時和歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對各生產(chǎn)流程進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)視和查詢。PI-Processbook支持插入對象，諸如Microsoft PowerPoint、Microsoft viso drawing、Microsoft Word、Microsoft Excel等連接對象，可方便的根據(jù)用戶的需要生成各種圖文并茂的報表。可以根據(jù)用戶的需要打印各種報表、圖形和報警值。畫面刷新周期可由用戶自己定義。畫面支持漢字系統(tǒng)。

3 結(jié)語

生產(chǎn)運行調(diào)度指揮系統(tǒng)提供多種方式訪問PI數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，用戶可以通過PI客戶端工具軟件訪問PI系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，也可以在EXCEL中通過PI-Datalink訪問PI系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成其它文件方式保存。生產(chǎn)運行調(diào)度指揮系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)、功能和規(guī)?？蓴U展性的系統(tǒng)。今后隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，可以根據(jù)實際情況增加功能模塊。