企業實時數據庫數據采集系統的設計

王軍

(中石化股份有限公司天津分公司 信息檔案管理中心， 天津 300270)

近些年，中石化股份有限公司天津分公司按照中國石化信息化建設“統一規劃、統一設計、統一標準、統一投資、統一建設、統一管理”的總體要求，積極開展信息化與工業化融合工作，信息應用三層架構即生產控制層、生產管理層、分析決策應用層。但生產管理層(MES及ORION系統)大部分數據不能自動來源于控制系統，基本采用人工抄報、錄入，系統之間未能有效集成。該公司屬于連續的流程企業，工藝復雜、生產條件嚴格，并且是作業部聯合生產、生產設備多、自動化程度比較高，有大量的自動控制設備、DCS，具備為管理層信息系統提供數據的基礎和條件。因此，為了更好地發揮管理層信息系統的作用，減輕人工數據錄入強度，需要建立一套數據采集系統從各種型號的自控設備中讀取數據，實現生產實時數據集中存儲、統一管理，使MES等應用系統能隨時地獲取煉油、化工(聚酯、芳烴)、烯烴、動力、熱電等裝置的生產運行數據。該系統將裝置現場生產實時信息集成在統一的生產信息管理平臺中，使系統的完備性、可靠性與可用性顯著增強，更有利于專業管理人員對現場數據進行監控分析、事故診斷，為公司的生產、運行提供強有力的技術支持平臺。

1 系統需求分析

實時數據庫系統是生產管理層信息系統的基礎數據源，要求在裝置數據采集條件穩定的情況下，盡可能采集所有需要采集的生產裝置實時數據，并將生產實時數據長期保存，按照用戶提出的業務需求采用網上Web方式展示發布。具體需求如下：

1)在原有的生產網絡基礎上，充分利用已有的網絡資源，構建一個相對獨立的生產實時數據采集網絡，能夠安全可靠地滿足裝置安全生產和實時數據采集需要，具有易擴充性。

2)系統要建立安全、規范、通用的實時數據平臺(InfoPlus.21)，實現包括煉油、化工(芳烴、聚酯)、烯烴、動力所屬22套裝置、4個罐區、3個數采系統的實時數據采集。

3)實時數據庫數據系統存儲算法要科學、合理，并對外提供開發的數據通信接口。為滿足數據應用和系統維護的要求，系統具備報警與事件管理等功能，以滿足用戶應用和管理的實際要求。

4)采集數據的展示要以棒圖、數值、曲線等多種形式展示出來,并根據需要生成報表，能夠提供多種數據查詢。

5)實現與生產管理層系統的數據傳遞，為總部、煉油化工生產調度指揮系統提供實時數據支撐。

2 系統設計

2.1 系統拓撲結構

實時數據庫系統由煉油、化工、公用工程、油罐等裝置監控系統的數據通信網絡、數采工作站、實時數據庫、關系數據庫、企業級監視信息系統組成。

數據采集通過網絡鏈接生產裝置DCS/PLC系統、數采工作站、實時數據庫、關系數據庫，實現數據安全快速地傳輸；數采工作站根據系統配置從生產裝置DCS/PLC系統獲取生產實時數據，并具有數據緩存功能；關系數據庫用于存儲基礎數據和管理信息；企業級監視信息系統是該公司生產實時監視和管理中心，將從煉油部、化工部、烯烴部、動力部等主要裝置上采集來的數據以一定的方式展示出來，形成實時過程數據和監視信息。

數采工作站一般物理部署在各生產裝置DCS控制室內，原則是每套裝置要求配置1臺數采工作站，但也可能是幾套相關裝置共用同1臺數采工作站。數采工作站上運行采集接口軟件，實現從不同裝置的DCS中按要求讀取實時數據點的信息，并完成與實時數據庫服務器的交互。

系統應用服務器物理存放在網絡中心機房，它們由實時數據庫服務器、關系數據庫服務器、Web發布服務器組成。實時數據庫服務器運行AspenTech Infoplus.21，是公司實時數據的儲存中心；關系數據庫服務器運行Oracle 9i，存儲系統運行必需的關系型數據和報警事件數據；Web發布服務器運行信息監視系統，發布各工藝流程、生產裝置、儲運系統的監視頁面。

2.2 各子系統主要功能

該項目提供的系統由三大部分組成，即數采接口系統、存儲與管理系統和信息展示系統。

2.2.1數采接口系統

根據裝置監控系統接口多樣性的特點，數采工作站上運行的數據采集軟件針對不同的監控系統接口類型，根據實時數據庫服務器的數據請求，從監控系統讀取生產實時數據，并返回給實時數據庫。數采工作站具有本地緩存功能，使系統在數采工作站與實時數據庫服務器之間的網絡中斷時數據采集不中斷。

1)標準接口模塊。各Windows平臺上的組態軟件一般都提供DDE/OPC通信協議，對于這些標準接口，直接采用AspenTech公司提供的CIM-IO for DDE和CIM-IO for OPC組件實現數據采集。在數采工作站上直接配置Cim-IO Server。

2)專用接口模塊。當監控系統的數據通信協議不是OPC/DDE通信協議時，數采工作站需要專門開發針對該協議的采集模塊。由于不同專用系統支持的數據通信協議不同，開發過程中還需要獲取專用系統的具體數據通信協議和數據格式。例如，對于成品包裝系統，要專門針對SQL Server數據庫表開發數據采集模塊。

2.2.2數據存儲與管理系統

數據存儲與管理系統由實時數據存儲管理和關系數據庫存儲管理兩大部分組成。

實時數據存儲管理主要依托AspenTech InfoPlus.21實時數據庫，實時數據庫是數據采集系統的實時數據存儲中心，存儲各數采接口系統采集的生產實時數據，并向應用系統提供數據服務。

關系數據庫存儲管理主要依托Oracle 9i關系數據庫。關系數據庫儲存數據采集系統運行時必要的關系型數據和報警事件數據，如標簽點信息、企業級/生產裝置等的描述信息、用戶的權限管理和配置信息、實時生成的報警信息。

實時報警與事件信息由報警與事件管理軟件根據用戶設置以一定時間間隔生成，并寫入Oracle數據庫。數據量由用戶設置的報警點和存儲頻率決定。一般來說，報警與事件的存儲頻率應遠低于實時數據；設置的報警點也是用戶所關注的決定裝置生產成本和運行安全以及生產考核的關鍵點。報警與事件的數據量不會很大，存儲在關系數據庫里是合適的，可以不用實時數據庫的記錄點數以減輕實時數據庫負擔。

2.2.3信息展示系統

1)生產實時監測。系統展示發布各煉油、芳烴、聚酯、烯烴、熱電系統的生產運行參數以及原料、中間產品、成品、蒸汽等重要流體的流動狀態。系統共采集35000多個數據點。

2)實時工藝流程展示。系統按生產裝置顯示生產實時運行狀態。為便于用戶全面迅速地了解各套生產裝置的運行狀態，系統分為裝置總圖和工段流程圖，以簡潔、清晰的方式展示。系統提供流程圖約500多幅。

3)歷史趨勢追憶。系統向用戶提供標簽分類結構，使用戶可以方便地選擇多個標簽，根據用戶指定的起止時間在同一幅圖內以曲線的形式進行展示，查看其歷史數據變化趨勢和指定時刻的歷史數據。

4)報警生成及查詢。根據各生產裝置、儲罐的重點監控點實時測量值、計算值和設定的高低限以及報警消除的時間間隔，生成實時報警信息并實現查詢。

5)裝置KPI(Key Process Indication)。根據用戶指定的各裝置KPI監控信息，依照公司、作業部、車間三級關注點，以表格形式實時展示，供用戶查詢。裝置KPI的表格數量大約為50張。

6)生產報表。按照調度臺帳格式，將煉油、化工、烯烴、熱電系統的重要數據實時生成生產報表，以表格的形式匯總指定時刻生產裝置重要的運行狀態參數，供生產管理人員實時查詢，并可以根據實際需要隨時定義。系統生產報表的數量約為200張。

3 系統安全設計

數采工作站采取物理安全措施、訪問控制、身份認證、入侵檢測、病毒預防和數據緩存與恢復等手段作為網絡安全的基本措施，防止各類計算機病毒侵害、人為破壞和實時數據庫數據意外丟失，特別是防止通過接口對DCS的干擾與入侵。具體措施如下：

1)數采工作站配置雙網卡。利用雙網卡的物理特性隔離現場不同的網段，各網卡處于不同子網(Subnet)，系統禁止網卡間的路由，只在應用層進行選擇性的數據傳遞，從物理上把下層控制網絡隔離開來。

2)數采工作站負責從監控系統采集數據，將數據存入實時數據庫。生產網絡在此處設置IP篩選機制，只允許固定IP、固定端口的機器與數采工作站通信，從網絡設置上防止非法程序的入侵。

3)數采工作站安裝防火墻軟件，只打開數據傳輸使用的端口，限制其他網絡通信端口。

4)數采工作站上的數據緩存和恢復功能確保數采工作站與實時數據庫服務器之間的網絡中斷時仍能采集生產實時數據，在網絡恢復后將數據轉存到實時數據庫中。數采工作站的硬件配置將保證系統可緩存7天的生產實時數據。

4 系統效益分析

1)實時數據庫系統的應用能夠及時發現問題、解決問題、優化生產、降低加工損失、提高綜合商品率，降低了企業能耗，提升了公司裝置控制管理水平。實施實時數據庫后，可以大幅縮短生產數據在現場和生產管理部門的傳遞周期，做到實時傳遞，從而為及時、準確地處理生產異常情況贏得了時間，帶來了巨大的經濟效益。

2)系統對影響過程的運行狀態的關鍵參數的監控，使裝置生產狀態保持平穩，減少非計劃停車時間；通過歷史數據可進行事故原因分析，以避免事故的再次發生。

3)系統對影響原材料用量的過程以及公用工程中瓦斯、蒸汽、氫氣用量的監測，減少原材料以及公用工程中能源的消耗，為進行生產過程優化、全廠物料平衡和領導決策提供了科學的依據。

5 結束語

該系統正式運行后，經過不斷的功能提升與深化應用，滿足了生產監控及生產管理需要。在今后的工作中，要進一步圍繞降低生產成本、提高效益開展工作，從能量平衡、裝置考核、成本核算、班組指標競賽等方面進行深層的開發，為提高生產管理水平提供科學的支撐平臺。

參考文獻：

[1]張志檁.實時數據庫原理及應用[M].北京：中國石化出版社，2001.

[2]王艷芬，侯益坤.PLC應用與組態監控技術[M].北京：北京理工大學出版社，2012.

[3]謝彤.DCS控制系統運行與維護[M].北京：北京理工大學出版社，2012.

[4]何衍慶.集散控制系統原理及應用[M].3版.北京：化學工業出版社，2011.

[5]何衍慶.工業生產過程控制[M].2版.北京：化學工業出版社，2010.

[6]劉豹，唐萬生.現代控制理論[M].3版.北京：機械工業出版社，2011.

[7]杜鵑.石油化工自控工程設計及儀表安裝[M].北京：中國石油大學出版社，2010.

[8]肖軍.DCS及現場總線技術[M].北京：清華大學出版社，2011.

[9]馮曉君.數據庫與工程應用[M].北京：化學工業出版社，2012.

[10]張紅強.Oracle數據庫實例教程[M].北京：天津大學出版社，2009.

[11]PAPAZOGLOU M P. WEB服務原理和技術[M].龔玲，張于濤，譯.北京：機械工業出版社，2010.