基于PI System的生產(chǎn)實時大數(shù)據(jù)中心的建設研究

李桂蘭

(國能寧煤集團信息技術中心，寧夏 銀川 750000)

1 引言

隨著煤制油化工企業(yè)規(guī)模的不斷擴大和信息系統(tǒng)的不斷擴展 ,數(shù)據(jù)種類越來越多,數(shù)據(jù)量越來越大。生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與編碼不統(tǒng)一,數(shù)據(jù)量龐大 ,而且缺乏統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)平臺,導致各系統(tǒng)間接口繁多,甚至出現(xiàn)了信息孤島,眾多頗有價值的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)不能得到有效整合和充分利用,數(shù)據(jù)共享和集成應用等問題日益突出。因此,需要建立套符合企業(yè)實際需要的實時數(shù)據(jù)中心系統(tǒng),以有效地整合數(shù)據(jù),實現(xiàn)信息一體化和應用協(xié)同,滿足生產(chǎn)管理、經(jīng)營管理對實時信息準確性、完整性、一致性、安全共享的需求。 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采集并存儲與生產(chǎn)裝置相關的實時工藝數(shù)據(jù)，并對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行處理和分析。是銜接企業(yè)生產(chǎn)控制層和管理層的中間橋梁，是企業(yè)信息化建設承上啟下、不可或缺的重要組成部分。和其他同類技術相比，PI實時數(shù)據(jù)庫除了在性能指標上遙遙領先，其最大的優(yōu)勢是打破了一直以來實時數(shù)據(jù)庫類產(chǎn)品以單個采集點為單位的數(shù)據(jù)管理模式，而采用面向?qū)ο蟮姆绞剑猛ㄓ觅Y產(chǎn)模型整合采集點，構(gòu)建了以資產(chǎn)為核心的數(shù)據(jù)管理模式，使企業(yè)實時資產(chǎn)管理成為現(xiàn)實。

本文簡要介紹了PI系統(tǒng)的特點，闡述了基于PI System的煤制油化工板塊生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)架構(gòu)、功能設計及應用情況。

2 PI System特點

PI(Plant Information System)是由美國OSIsoft公司開發(fā)的一套基于Client/Server結(jié)構(gòu)的商品化軟件應用平臺，是過程工業(yè)全廠信息集成的必然選擇。作為工廠底層控制網(wǎng)絡與上層管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡連接的橋梁，PI在工廠信息集成中扮演著特殊和重要的角色。

PI System是一個實時數(shù)據(jù)基礎架構(gòu)，它能夠支撐企業(yè)的任務關鍵型應用程序并提供整個企業(yè)都能分享關鍵業(yè)務信息的協(xié)助工具。PI System在全球 107 個國家/地區(qū)均有部署，目前已廣泛應用于制造、能源、公用設施、生命科學、數(shù)據(jù)中心、設備及加工行業(yè)。OSIsoft PI System 對于數(shù)據(jù)的完善保護，以及在企業(yè)范圍內(nèi)對運行、制造和業(yè)務數(shù)據(jù)的完美呈現(xiàn)。PI System 可幫助用戶更好地管理資產(chǎn)、降低風險、遵從法規(guī)、改善流程、推動創(chuàng)新、實時制定業(yè)務決策，并發(fā)掘有價值的業(yè)務和市場機遇。目前，國內(nèi)比較有實力的生產(chǎn)制造企業(yè)已選擇使用PI System來提升企業(yè)管理數(shù)據(jù)能力，效果顯著。

和其他同類技術相比，PI實時數(shù)據(jù)庫除了在性能指標上遙遙領先，其最大的優(yōu)勢是打破了一直以來實時數(shù)據(jù)庫類產(chǎn)品以單個采集點為單位的數(shù)據(jù)管理模式，而采用面向?qū)ο蟮姆绞?，用通用資產(chǎn)模型整合采集點，構(gòu)建了以資產(chǎn)為核心的數(shù)據(jù)管理模式，使企業(yè)實時資產(chǎn)管理成為現(xiàn)實。PI系統(tǒng)為管理層打開一扇虛擬的窗口，幫助其洞察生產(chǎn)過程或運行流程，使得在大量基于實際運行數(shù)據(jù)/信息基礎上，實現(xiàn)對整個業(yè)務運作流程的控制與管理。PI系統(tǒng)可為系統(tǒng)提供在線存儲達數(shù)十年，并隨時隨地連續(xù)不斷地為運行單元級、成套設施級、整個企業(yè)或管理機構(gòu)級，提供實時數(shù)據(jù)與信息支持。

基于以上技術特點 ,本系統(tǒng)采用 PI 作為基礎平臺建設生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)中心。

3 生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)中心設計

3.1 系統(tǒng)物理架構(gòu)

切合生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況和項目建設要求，系統(tǒng)涉及到的主要硬件包括Web應用服務器、實時數(shù)據(jù)庫服務器、AF服務器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口機、隔離網(wǎng)閘等硬件設備。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)物理架構(gòu)圖

3.2 網(wǎng)絡連接

如圖2所示，煤制油化工板塊PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設共涉及兩個廠區(qū)：煤化工廠區(qū)和煤制油廠區(qū)，兩廠區(qū)有光纜互通，煤化工廠區(qū)已經(jīng)建成并運行PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(雙機)，新建的PI實時數(shù)據(jù)庫位于煤制油廠區(qū)，其網(wǎng)絡分為主干網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡兩部分。

核心交換機、防火墻和各服務器之間均采用千兆以太網(wǎng)技術，構(gòu)成系統(tǒng)核心。主干網(wǎng)主要致力于網(wǎng)絡流量的盡快傳輸和交換。主干網(wǎng)與接入子網(wǎng)之間的連接介質(zhì)為光纖，網(wǎng)絡帶寬為千兆。

主干網(wǎng)絡包括：防火墻，生產(chǎn)網(wǎng)核心交換機，均位于中心機房，如上圖所示，連接方式如下所述。

由于本項目AF服務器、Web服務器部署在煤化工廠區(qū)，故煤制油PI服務器通過生產(chǎn)網(wǎng)核心交換機上連出口防火墻與AF服務器和Web服務器互通。

在控制系統(tǒng)各匯聚節(jié)點分別部署1個網(wǎng)閘，上連生產(chǎn)網(wǎng)核心交換機，下連接入交換機或接口機，網(wǎng)閘只允許控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)單向上傳至PI服務器。

PI數(shù)據(jù)庫服務器通過以太網(wǎng)連接煤制油生產(chǎn)網(wǎng)核心交換機。

AF服務器通過以太網(wǎng)連接煤制油生產(chǎn)網(wǎng)核心交換機。

Web服務器通過以太網(wǎng)連接煤制油管理網(wǎng)核心交換機。

兩廠之間網(wǎng)絡通過防火墻進行隔離。

接入網(wǎng)絡共分為5個網(wǎng)絡，匯聚點分別為熱電綜合樓、煤制油中控樓、烯烴二期中控樓、煤儲運樓、330KV變電站。

在熱電綜合樓、煤制油中控樓、烯烴二期中控樓各部署一臺接入交換機，上連網(wǎng)閘，下連接口機；而330KV變電站由于只有1臺接口機，則可以直接上連網(wǎng)閘，并通過光纖收發(fā)器接入到生產(chǎn)網(wǎng)核心交換機。

3.3 系統(tǒng)功能設計

實時數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)以數(shù)據(jù)集成平臺為基礎，是整個實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的技術支撐和應用基礎，以核心數(shù)據(jù)庫建立工廠模型和業(yè)務模型。

數(shù)據(jù)服務功能，向上支撐ERP系統(tǒng)，橫向集成生產(chǎn)裝置流程畫面監(jiān)視、關鍵設備、機泵的運行監(jiān)控系統(tǒng)、趨勢圖、批量數(shù)據(jù)分析、報警記錄查詢、工藝參數(shù)分析、統(tǒng)計質(zhì)量控制分析、班組成本考核、KPI考核報表、生產(chǎn)報表等系統(tǒng)功能模塊，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)外圍信息系統(tǒng)的集成與支撐。煤制油化工板塊實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

3.3.2.1 數(shù)據(jù)接口管理功能

系統(tǒng)應提供常用設備的數(shù)據(jù)接口，包括DCS、PLC、智能計量儀表等；提供接口軟件的開發(fā)工具，以便為特殊設備開發(fā)接口；數(shù)據(jù)接口能夠方便地進行數(shù)據(jù)定義和配置。本項目提供的數(shù)據(jù)接口軟件包括PI-OPC接口、跨越單向物理隔離器的PI-CNI接口,原煤化工實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時對接至本系統(tǒng)的PI-PI接口。

3.3.2.2 生產(chǎn)流程監(jiān)控模塊

具體功能包括各生產(chǎn)車間生產(chǎn)流程實時數(shù)據(jù)監(jiān)視、裝置設備狀態(tài)監(jiān)控、工藝參數(shù)管理等。用戶通過設置事故記錄條件，當條件滿足后，系統(tǒng)即可記錄事故信息，當需要追憶時只需輸入事故名稱或起始時間即可將整個事故現(xiàn)象重演，方便生產(chǎn)管理人員進行事故分析。對主要生產(chǎn)信息進行查詢，查詢條件用戶可以自己定義。針對發(fā)布到Web頁面上的組態(tài)畫面，也可通過點擊畫面中的位號顯示該位號的趨勢圖，分為實時曲線、對比曲線等。

3.3.2.3 生產(chǎn)報表統(tǒng)計和分析模塊

具體功能包括在線分析生產(chǎn)運行情況，在線生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計分析采用趨勢、表格、柱狀圖、餅圖方式。包含生產(chǎn)日報、火災報警、可燃有毒氣體、聯(lián)鎖自控投用率、KPI關鍵績效指標、盤庫報表、設備監(jiān)控信息等，涉及的范圍包括生產(chǎn)監(jiān)控、能源、安全、環(huán)保、績效等各項指標，為高層決策提供真實可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3.3.2.4 生產(chǎn)KPI模塊

主要功能包括煤制油化工板塊的關鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、能源統(tǒng)計、開停工統(tǒng)計、庫存管理、產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計、安全環(huán)保生產(chǎn)統(tǒng)計等其他全廠類統(tǒng)計。

3.3.2.5 資產(chǎn)監(jiān)控模塊

主要功能包括以不同維度展示設備資產(chǎn)信息，可以進行長周期數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計設備的運行效率和設計值的差異，可對大機組的運行狀態(tài)實時監(jiān)控，橫向?qū)Ρ雀髟O備運行情況，支持對轉(zhuǎn)動設備平穩(wěn)率進行統(tǒng)計，可為設備管理人員進行設備的運檢維護計劃提供及時判斷依據(jù)，對罐區(qū)儲罐進行液位、溫度等動態(tài)信息監(jiān)控，并根據(jù)儲罐實時液位、罐容和儲罐設計上限、下限進行庫存的計算，并對廠里儲罐內(nèi)產(chǎn)品進行分區(qū)域分種類統(tǒng)計。

3.3.2.6 IT 設備監(jiān)控

實時監(jiān)控服務器、交換機等 IT 設備運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)吞吐量、負載情況等信 息，為 IT 設備管理人員提供實時的設備監(jiān)控，減少 IT 維護人員設備巡檢次數(shù)。

3.3.2.7 應用整合

煤化工和煤制油板塊開發(fā)及部署統(tǒng)一的生產(chǎn)監(jiān)控集成平臺，該平臺以實時數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫為核心，實現(xiàn)整個系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)的存儲。數(shù)據(jù)集成平臺為各業(yè)務模塊提供實時數(shù)據(jù)訪問服務和質(zhì)量數(shù)據(jù)訪問服務，面向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集成接口；維護統(tǒng)一的工廠模型；建立統(tǒng)一的組態(tài)工具實現(xiàn)各業(yè)務模塊運行環(huán)境組態(tài)；維護統(tǒng)一的用戶權(quán)限信息；提供用戶權(quán)限驗證服務，建立集中統(tǒng)一訪問控制；并提供日志服務。

4 應用情況

煤制油化工板塊生產(chǎn)實時信息管理平臺建立后，已在神寧集團煤制油化工板塊全面應用，實現(xiàn)了對400萬t/a煤炭間接液化項目、煤化工副產(chǎn)品深加工綜合利用項目及原煤化工(包括50萬t/a烯烴、60萬t/a甲醇、25萬t/a甲醇、6萬t/a聚甲醛、甲醇制烯烴項目和6萬噸/年聚甲醛項目)全園區(qū)37萬點生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成、應用，彌補了各分廠信息斷層，將分散、透明的信息資源集成起來，尤其是將管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的信息有機地結(jié)合起來，形成了真正意義上的全廠實時生產(chǎn)信息系統(tǒng)集成。集團領導、分公司領導和各級管理人員、技術人員、操作工都可以隨時察看生產(chǎn)現(xiàn)場的重要參數(shù)，對生產(chǎn)過程實時監(jiān)控并及時做好各項物料平衡和工藝優(yōu)化工作，實現(xiàn)高效透明的生產(chǎn)監(jiān)控，支撐裝置的平穩(wěn)運行，從而提高生產(chǎn)運行管理水平，顯著提高了企業(yè)的安全生產(chǎn)可靠程度和經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

煤制油化工板塊的生產(chǎn)實時信息管理系統(tǒng)解決了企業(yè)管理信息與過程信息不對稱的問題，通過實時數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的集成，建立一套高效的全廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足全公司數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析利用的需要，為公司可持續(xù)性發(fā)展提供堅實、可靠的數(shù)據(jù)支撐。對生產(chǎn)環(huán)節(jié)過程和流程、工藝及產(chǎn)品質(zhì)量的管控。

該系統(tǒng)集成了煤制油化工板塊新建煤制油和烯烴二期實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及升級后的原煤化工實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過統(tǒng)一訪問控制技術實現(xiàn)用戶訪問權(quán)限認證、安全認證、單點登錄驗證，實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的集成及數(shù)據(jù)支撐服務，實現(xiàn)整個靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)的存儲與交換，以及與外部數(shù)據(jù)的存儲與交換。

該系統(tǒng)同時滿足日常生產(chǎn)運行監(jiān)視以及管理功能，具備生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的自動采集功能和數(shù)據(jù)分析功能，指導生產(chǎn)，確保生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷、高效地運行，同時具備生產(chǎn)信息分析、統(tǒng)計分析以及各種自定義查詢功能，實現(xiàn)生產(chǎn)各要素環(huán)節(jié)可控，進而實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成即從分散管理向集中管理的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)從粗獷管理向精細化管理的轉(zhuǎn)變，最終實現(xiàn)管理水平的全面提升。