數(shù)據(jù)采集接口的分析與應(yīng)用

王壽震

（金陵石化 信息化與計量中心，南京 210033）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個較為成熟的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵、制藥等行業(yè)。國際較為知名的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品有：PI（Plant Information System）、PHD（Process History Database）、IP.21（InfoPlus.21）。本文所研究系統(tǒng)為PHD 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是企業(yè)一體化解決方案（UMS，Unified Manufacturing Solution）。

1 實時數(shù)據(jù)庫PHD340的總體結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集接口通訊原理

根據(jù)裝置監(jiān)控系統(tǒng)接口多樣性的特點(diǎn)，數(shù)采站上運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集軟件針對不同的監(jiān)控系統(tǒng)接口類型，根據(jù)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)請求，從監(jiān)控系統(tǒng)讀取生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，并返回給實時數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集站具有本地緩存功能，使系統(tǒng)在接口服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)中斷時，數(shù)據(jù)采集不中斷。本文所研究的數(shù)據(jù)采集模塊是利用數(shù)采PHD 緩存服務(wù)器將裝置控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)發(fā)至實時數(shù)據(jù)庫，根據(jù)裝置DCS/PLC 接口多樣性的特點(diǎn)，數(shù)采PHD 緩存服務(wù)器上運(yùn)行不同的實時數(shù)據(jù)接口（RDI）。RDI是PHD 從控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)的接口軟件，RDI與PHD 應(yīng)用工具相結(jié)合使用，具有診斷、恢復(fù)、配置管理功能。

具體數(shù)采協(xié)議采用Honeywell 的OPC to RDI，OPC-RDI是Honeywell 針對OPC 協(xié)議開發(fā)的通用數(shù)據(jù)接口，OPC（OLE for Process Control，用于過程控制的OLE）是一個工業(yè)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，基于微軟的OLE、COM（部件對象模型）和DCOM（分布式部件對象模型）技術(shù)。OPC 包括一整套的接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)，該通訊協(xié)議適用于通過網(wǎng)絡(luò)把最下層的控制設(shè)備的原始數(shù)據(jù)提供給作為數(shù)據(jù)使用者的HMI（硬件監(jiān)督接口）/SCADA（監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集）、批處理等自動化程序。

圖1 中控ECS-700網(wǎng)絡(luò)通訊圖Fig.1 The network communication diagram of ECS-700

1.2 數(shù)據(jù)存儲與管理

數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)由實時數(shù)據(jù)存儲與管理及關(guān)系數(shù)據(jù)的存儲與管理兩大部分組成。實時數(shù)據(jù)存儲與管理基于實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)存儲中心，存儲從各裝置采集到的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，并向應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。企業(yè)所用PHD340 為全企業(yè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、存儲和管理建立了一整套統(tǒng)一、開放，集成的一體化應(yīng)用平臺，開放型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集成所有工廠的過程數(shù)據(jù)并支持相關(guān)應(yīng)用。它存儲與工藝流程相關(guān)的幾萬至十幾萬位號點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其他應(yīng)用程序可從這些數(shù)據(jù)中提取出符合自身需要的信息，并對MES、計量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)優(yōu)化系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。這些信息可以用來指導(dǎo)工藝改進(jìn)，降低物耗，增加產(chǎn)量。實時數(shù)據(jù)庫管理具有以下主要功能：實時數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)管理、標(biāo)簽定義管理、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)等功能。

2 數(shù)據(jù)接口的研究與分析

2.1 各類型DCS的數(shù)采接口配置與應(yīng)用

2.1.1 中控ECS-700系統(tǒng)

確定中控ECS V700 系統(tǒng)的軟硬件配置情況，包括操作員站、工程師站節(jié)點(diǎn)的IP 地址、冗余交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、VF 軟件的具體版本等基礎(chǔ)信息。首先，在組態(tài)服務(wù)器端打開監(jiān)控啟動軟件，下一步進(jìn)入VF 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)軟件，管理員admin 的權(quán)限下，在操作域組態(tài)處新增操作節(jié)點(diǎn)，此操作節(jié)點(diǎn)的控制A/B 網(wǎng)和信息網(wǎng)IP 地址即為服務(wù)器指定的數(shù)采客戶端。

OPC Server 機(jī)器根據(jù)系統(tǒng)步驟安裝好中控VF 軟件，配置好指定生成的IP 地址后連通與工程師站的控制A、B 網(wǎng)與信息網(wǎng)通訊，接下來是啟動系統(tǒng)監(jiān)控軟件，選擇對應(yīng)的作用域，根據(jù)提示進(jìn)行當(dāng)前操作域的全部更新工作，即可完成DCS 組態(tài)數(shù)據(jù)的下裝工作。接下來需要根據(jù)PHD 的用戶權(quán)限來配置本機(jī)的DCOM，主要是SUPCON.SCRT Core和OPC Enum 的多用戶權(quán)限，指定通訊賬戶和標(biāo)識用戶賬戶，將裝置實時數(shù)據(jù)接入OPC Server[1]。接下來配置虛擬buffer 機(jī)，并接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)卡一與OPC Server 站對接，網(wǎng)卡二接數(shù)采專網(wǎng)，在buffer 機(jī)上創(chuàng)建與OPC 服務(wù)器統(tǒng)一的通訊賬戶后，并配置數(shù)采RDI 采集接口，建立與OPC Server的訪問通道，并做好本地緩存機(jī)制，通過TPI 工具完成buffer 機(jī)與PHD 服務(wù)器的SHADOW 接口，并配置采集點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)。啟動PHD 服務(wù)器端與Buffer 端的RDI 接口，接口狀態(tài)正常后即可將裝置實時位號值采集至實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端。

2.1.2 霍尼韋爾TPS系統(tǒng)

數(shù)采站上的數(shù)據(jù)采集軟件響應(yīng)PHD 實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)請求，通過APP 節(jié)點(diǎn)機(jī)APISERVER 采集系統(tǒng)的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，并上傳到PHD 實時數(shù)據(jù)庫。同時，數(shù)采站具有本地緩存功能，在與PHD 服務(wù)器之間網(wǎng)絡(luò)通信中斷時緩存數(shù)據(jù)到本地，等網(wǎng)絡(luò)通信恢復(fù)正常后可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到PHD 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。Honeywell TPS 系統(tǒng)的接口工作包括確定工作站APP 節(jié)點(diǎn)機(jī)和LCN 纜的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，OPC Server 硬件機(jī)器首先安裝配置好LCNP 客戶端，再由LCNP 專用板卡接口接入LAN 纜來匯入DCS 的通訊網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)卡二接入數(shù)采VLAN 專網(wǎng)。在buffer 機(jī)上配置數(shù)據(jù)RDI 采集接口，建立與OPC Server 機(jī)器的訪問通道，做好本地緩存機(jī)制。同時，在buffer 機(jī)器上完成與PHD 服務(wù)器的Shadow 接口通道，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)屬性和類型完成數(shù)據(jù)父節(jié)點(diǎn)的配置。

2.1.3 橫河VP系統(tǒng)

橫河VP 的DCS 通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)配備一臺專門用于數(shù)據(jù)采集的OPC Server 機(jī)器，其相當(dāng)于一臺只有查詢數(shù)據(jù)沒有組態(tài)功能的工程師站，通過本機(jī)OPC 與上層buffer 機(jī)器的RDI 接口協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，其主要是通過HIS Utility來實現(xiàn)對外的數(shù)據(jù)發(fā)布，其中的權(quán)限需要添加ENGUSER、OFFUSER、ONUSER 這3 個用戶[2]。在本機(jī)的EXAopc OPC 接口上的OPC tab 上面確定需要連接的賬戶名稱。完成OPC Server 機(jī)器的數(shù)據(jù)發(fā)布后，一般采用Remote Rdi 通道來完成同PHD Buffer 機(jī)器的數(shù)據(jù)傳輸。

Remote RDI 接口的原理為調(diào)用實時數(shù)據(jù)庫RDI Server的遠(yuǎn)程接口方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。首先，在下層數(shù)據(jù)所在機(jī)器上注冊Remote Rdi 的服務(wù)，遠(yuǎn)程通道的端口號配置54200，在桌面服務(wù)中選擇Uniformance Remote Rdi自動運(yùn)行，登陸賬戶為本地系統(tǒng)默認(rèn)賬戶，同時允許服務(wù)與桌面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其內(nèi)部機(jī)制是通過rditcpip.dll 和rdiutils.dll 的動態(tài)鏈接庫為依托，實現(xiàn)與上層RDI 接口的數(shù)據(jù)通訊。

2.1.4 霍尼韋爾PKS系統(tǒng)

首先，確定Honeywell PKS 系統(tǒng)的軟件版本與硬件配置情況，主要是冗余交換機(jī)和工程師站的內(nèi)網(wǎng)地址，確定DCS 系統(tǒng)目前數(shù)據(jù)所在的Server A/B 服務(wù)器，在系統(tǒng)各項配置安全的前提下，做好OPC Server 機(jī)器與DCS 服務(wù)器的數(shù)據(jù)通訊[2]。在OPC 接口的協(xié)議下，使用管理員權(quán)限的用戶名密碼與服務(wù)器端保持一致。接下來需要配置DCOM權(quán)限來保證數(shù)據(jù)的正常通訊，具體情況與上文涉及到的DCOM 一致。完成后須重啟電腦，使用PsOPCClient 這個枚舉工具來查詢到組態(tài)服務(wù)器上的HWHsc.OPC Server，接著可以add 一個group 組，選中數(shù)據(jù)查詢其實時值且屬性為good。到此表明數(shù)據(jù)已經(jīng)成功從DCS 服務(wù)器接入數(shù)采系統(tǒng)中，后續(xù)則通過RDI Server 來接入上層服務(wù)器。

2.1.5 浙江中控ECS-100系統(tǒng)

通常來說，中控的OPC Server 包括了OPC DA 標(biāo)準(zhǔn)和OPC AE 標(biāo)準(zhǔn)的OPC 服務(wù)器，可以向客戶端提供實時數(shù)據(jù)[2]，同時也提供仿真數(shù)據(jù)供離線進(jìn)行調(diào)試。OPC Server 綜合版通過廣播模式可以和多個客戶端程序進(jìn)行連接，每個連接可同時進(jìn)行多個動態(tài)數(shù)據(jù)的交換，同時支持以診斷位號實時值的方式，對外提供控制器、通訊模塊、I/O 模塊的診斷項的故障狀態(tài)[1]。

通常數(shù)采現(xiàn)場需要配備一臺微型工作站和中控軟件專用加密鎖（即軟件狗）認(rèn)證作為OPC Server。首先，需要安裝HASPUser 驅(qū)動程序來正確識別中控OPC 軟件狗，在中控JXserver 的客戶端的系統(tǒng)信息中保證軟件狗的正確識別；在中控軟件配置正確完畢后，在創(chuàng)建同一個I/O 接口下，OPC 服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OPC DA 數(shù)據(jù)和OPC AE 數(shù)據(jù)，并通過OPC 通信專網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)傳送到對應(yīng)的OPC DA/OPC AE 客戶端，到這里即順利完成OPC Server 的配置工作。接下來在保證用戶名和密碼的上下級一致后，由實時數(shù)據(jù)庫的Uniformance PHD RDI Server 服務(wù)來完成與OPC Server 的數(shù)據(jù)對接工作。

3 實時數(shù)據(jù)對各信息系統(tǒng)的支持作用

3.1 實時數(shù)據(jù)本地優(yōu)化技術(shù)的體現(xiàn)

實時數(shù)據(jù)庫作為收集全廠工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、環(huán)保數(shù)據(jù)等多類型數(shù)據(jù)的第一線，通過上述數(shù)據(jù)接口技術(shù)，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠、時效地傳輸至實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中。在服務(wù)器層面最大限度地利用了實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)部數(shù)據(jù)的OPC 映射傳輸原理，分布式地實施配置了多臺“影子”數(shù)據(jù)服務(wù)器，供上層50 余個信息系統(tǒng)使用，取得了保持高并發(fā)量且長期穩(wěn)定運(yùn)行的良好效果。

在實時數(shù)據(jù)管理與優(yōu)化的層面上，通常意義上的時標(biāo)型數(shù)據(jù)并非僅僅指時間戳、值和可信度，還有一個很重要的屬性，那就是及時性。及時性有兩重含義，一重是采樣間隔和數(shù)據(jù)的新鮮度。時標(biāo)型數(shù)據(jù)的價值隨新鮮度降低而遞減，而得到數(shù)據(jù)的新鮮程度往往取決于采樣頻率。目前，實時數(shù)據(jù)庫從上代的180 秒/次提升到了30 秒/次，同時在DCS 負(fù)荷安全允許的許可下，對報警數(shù)據(jù)、環(huán)保數(shù)據(jù)等特殊生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集頻率進(jìn)一步提高至5 秒/次。采樣的頻率快慢與否還進(jìn)一步?jīng)Q定了實時數(shù)據(jù)庫保存信息的豐富程度。

3.2 對智能工廠各功能模塊的對接

智能工廠系統(tǒng)作為企業(yè)信息化水平的綜合體現(xiàn)，一定程度上代表著企業(yè)的信息化建設(shè)程度的高低。目前，實時數(shù)據(jù)庫對智能工廠的設(shè)備健康管理與預(yù)警和工藝大數(shù)據(jù)兩大組成模塊有著舉足輕重的支持力。

在對裝置DCS 的重要運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)警監(jiān)控子模塊上，實時數(shù)據(jù)通過安全數(shù)據(jù)接口技術(shù)采集到控制器的狀態(tài)、負(fù)荷余量，機(jī)柜電源狀態(tài)、UPS 電源狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)、重要機(jī)組設(shè)備報警、特種閥門報警等一系列的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)。同時根據(jù)智能工廠系統(tǒng)對數(shù)據(jù)并發(fā)量的個性化定制需求，做好實時數(shù)據(jù)庫影子服務(wù)器對外接口的優(yōu)化工作，在保證高并發(fā)量穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r進(jìn)一步減小采集間隔，提高數(shù)據(jù)使用率與數(shù)據(jù)的新鮮度，使系統(tǒng)界面能夠更迅速地自動刷新實時數(shù)據(jù)。

在工藝大參數(shù)模塊中，實時數(shù)據(jù)根據(jù)系統(tǒng)整體的設(shè)計思路需要和算法要求，進(jìn)一步提升對此模塊需求的個性化定制水平。特別是重要生產(chǎn)裝置關(guān)乎產(chǎn)品質(zhì)量的在線分析儀數(shù)據(jù)的采集工作，實時數(shù)據(jù)庫針對以上特性，對包含有在線分析儀數(shù)據(jù)的裝置接口，在安全穩(wěn)定的前提下需要適當(dāng)提高數(shù)據(jù)的采集頻率，同時通過接口參數(shù)的微調(diào)進(jìn)一步提高接口傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3.3 對裝置自控平穩(wěn)提升及報警操作監(jiān)控的支持

在裝置自控平穩(wěn)提升及報警操作監(jiān)控項目上，主要是對裝置的自控率、平穩(wěn)率、報警、操作、控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，實施全流程自動和“黑屏操作”。對此實時數(shù)據(jù)同樣給以巨大的支持，在自控率及平穩(wěn)率的相關(guān)數(shù)據(jù)采集上，根據(jù)P.I.D 數(shù)據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，數(shù)采RDI 服務(wù)通過各裝置DCS 的OPC Server DA 接口采集到對應(yīng)的過程數(shù)據(jù)，由Nginx 程序通過80 端口轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)硬件防火墻至上層報警操作服務(wù)器端，通過匯總分析與后臺計算，將各裝置回路的自控率與平穩(wěn)率進(jìn)行統(tǒng)計、評比、展示與歷史查詢。

同樣，DCS 報警信息由事件數(shù)據(jù)采集接口OPC A&E 采集到，以只讀取不寫入的方式讀取時間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集接口采用訂閱的方式獲取報警操作數(shù)據(jù)，訂閱式方法為監(jiān)聽接口數(shù)據(jù)動態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，數(shù)據(jù)源主動將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)聽端，而非高頻率主動訪問，不會對數(shù)據(jù)源產(chǎn)生任何負(fù)載。其主要采集的目標(biāo)為裝置運(yùn)行的過程報警、系統(tǒng)報警、生產(chǎn)操作等事件數(shù)據(jù)，部署在數(shù)采buffer 機(jī)器上的Nginx 程序接收到DCS 服務(wù)器端得到的事務(wù)數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)至上層報警操作監(jiān)控服務(wù)器，經(jīng)過系統(tǒng)后臺運(yùn)算，即可在WEB 平臺對裝置的DCS 報警進(jìn)行實時監(jiān)視、歷史查詢、報警KPI 考核等一系列的模塊與功能。

3.4 對企業(yè)日優(yōu)化與日效益平臺的大數(shù)據(jù)支持

目前，日優(yōu)化管理通過建立一體化的計劃-調(diào)度-技術(shù)-裝置優(yōu)化模型體系，構(gòu)建一體化全流程優(yōu)化平臺，實現(xiàn)在線全流程的PDCA（計劃-實行-檢查-調(diào)整）計劃管理，提供效益測算和最優(yōu)生產(chǎn)計劃。從調(diào)度預(yù)測開始，實時數(shù)據(jù)采集到當(dāng)天的原油調(diào)和訂單數(shù)據(jù)以及油品性質(zhì)分析等相關(guān)數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)場的調(diào)和頭的閥位和儲罐的液位，為多套常減壓的進(jìn)料量配比提供數(shù)據(jù)支持。在產(chǎn)品后續(xù)的二次加工計劃優(yōu)化上，目前實時數(shù)據(jù)庫對裝置出口產(chǎn)品在線分析儀的數(shù)據(jù)采集覆蓋率已經(jīng)達(dá)到了96%以上，而人工4h～8h 間隔的產(chǎn)品化驗結(jié)果數(shù)據(jù)已經(jīng)滿足不了調(diào)度的指令頻率，通過實時數(shù)據(jù)庫接口上來的在線分析儀產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)可以在30s 內(nèi)通訊到日優(yōu)化平臺的多個優(yōu)化計算模塊和進(jìn)行長期跟蹤比對。

日效益平臺為企業(yè)決策層提供多方面、多層次的經(jīng)營管理成本分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對企業(yè)各個裝置效益的實時監(jiān)控，推動各生產(chǎn)裝置持續(xù)優(yōu)化日效益。通過采集裝置的能耗、物料平衡、公用工程計量數(shù)據(jù)等所需實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)后臺優(yōu)化計算，得出噸油效益、當(dāng)日效益、總產(chǎn)出、產(chǎn)品產(chǎn)出等實時效益數(shù)據(jù)，同時強(qiáng)化不同加工量、不同價格體系下的盈利能力分析，不折不扣地抓好原油加工、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、銷售策略等優(yōu)化測算，努力為企業(yè)實現(xiàn)效益最大化。

4 結(jié)論

1）實時數(shù)據(jù)庫作為生產(chǎn)企業(yè)MES、計量管理、生產(chǎn)優(yōu)化、先進(jìn)報警、環(huán)保監(jiān)控等系統(tǒng)的重要組成模塊，對實時決策、指標(biāo)考核、節(jié)能降耗、穩(wěn)定生產(chǎn)等起到了積極的作用，有效提高了企業(yè)的應(yīng)變能力和管理水平，讓生產(chǎn)過程信息觸手可及，消除了“信息孤島”，拉近生產(chǎn)裝置和管理層的距離，彌合了生產(chǎn)車間過程和企業(yè)計劃層控制系統(tǒng)之間的間隙，實現(xiàn)了底層生產(chǎn)信息的集成。通過對工藝歷史數(shù)據(jù)趨勢的分析對比，以及關(guān)鍵性能指標(biāo)變化趨勢分析，可以迅速找到一些工藝疑難雜癥的問題所在。通過對實時數(shù)據(jù)庫設(shè)備狀態(tài)長周期的研究，設(shè)備工程師可以分析設(shè)備的運(yùn)行狀況，提供設(shè)備檢修計劃，最大限度地發(fā)揮設(shè)備潛力與及保障設(shè)備的安全運(yùn)行。

2）實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)庫與實時系統(tǒng)的功能特性，即支持大量數(shù)據(jù)的共享，維持其完整性與一致性，又支持?jǐn)?shù)據(jù)和事務(wù)的時序一致性。PHD 實時數(shù)據(jù)庫及其衍生功能還需要進(jìn)一步的研究、探索和嘗試，同時與先進(jìn)控制APC 的交互還可以繼續(xù)加強(qiáng)，與LIMS 系統(tǒng)的配合還需更深入地融合。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是企業(yè)信息化建設(shè)的核心環(huán)節(jié)，是智能工廠與生產(chǎn)大數(shù)據(jù)時代的基石，是過程優(yōu)化控制和MES、計量管理系統(tǒng)等應(yīng)用的前提和支撐，企業(yè)實時數(shù)據(jù)庫建設(shè)已成為流程工業(yè)企業(yè)信息化建設(shè)的一項重要工作。