实时数据库系统在上海石化企业中的应用
作者：胡晶
来源：《中国管理信息化》2015年第15期
        [摘 要] 本文首先阐述了Honeywell公司的PHD实时数据库的原理、功能和特征。并以上海石化实时数据库系统的实施为应用案例，以及基于实时数据库系统进行前瞻性研究，对实施过程进行了技术总结，介绍了相关的技术要点、实施技术难点、注意事项及应用效果，并对下一阶段的深化应用工作进行了探讨。
        [关键词] 实时数据库；PHD；RDI；MES；OPC；APC；LIMS；DCS；PLC
        doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2015 . 15. 044
        [中图分类号] F270.7；TP392 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2015）15- 0080- 04
        0 前 言
        随着国家推进企业信息化力度的不断加大，近几年来作为国民经济支柱产业的石油化工行业的信息化建设步伐明显加快。用现代信息技术对传统企业进行技术改造，使之成为企业新的效益增长点，充分发挥投入产出效益的功能，已逐渐成为石化企业决策层的共识。企业信息化建设首先要抓好信息源头的建设工作，只有把源头信息工作做好了，把底层信息建设平台构筑坚实了，才能在这个基础上做好其他深层次应用的推进。
        上海石油化工股份有限公司（以下简称上海石化）共有100多套主要生产装置、单元和辅助装置，有着庞大而又重要的生产数据，建立一个有效、稳定、实用的数据管理平台对企业尤为重要[1]。目前被广泛应用的实时数据库有美国AspenTech公司的InfoPlus.21产品和OSI Software公司的PI产品，以及Honeywell公司的数据库应用案例Uniformance PHD产品。经反复比较筛选和结合上海石化的实际情况，公司实时数据库系统（以下简称PHD）采用的是Honeywell PHD R215，它作为连接生产过程和上层管理的中间层级，是综合信息集成系统的基础，在信息化建设中起着关键作用[2]。同时PHD系统作为MES的数据平台，发挥了承上启下的重要作用，不仅为MES提供数据支撑，同时对全厂的数据进行有效的存储与管理，还能为其他许多上层应用系统提供数据支持。
        目前PHD共设计采集了近百套控制系统的数据，采集的数据点已近6万点，随着其他应用的不断深入开发，采集的点会越来越多，涉及到各方面的过程信息，为此需要对实时数据进行分析，加工，进行合理的组织和处理，才能为上层的系统提供更有效的数据支撑[3]。所以研究实时数据和实时数据应用具有非常深远的意义。
        1 PHD系统结构及关键技术
        1.1 PHD系统功能结构
        PHD系统是一个生产信息集成平台，为流程工业提供了一个用于生产管理的统一的信息化数据库。它将生产过程数据、物料移动数据、设备状态、产品质量指标等各种数据采集、存储并加工成新的信息资源，提供给管理、生产、技术、设备、操作等各层次人员，从而解决了企业各个部门信息不一致的问题，帮助他们及时做出决策。上海石化PHD系统总体功能结构如图1所示。
        1.2 关键技术
        1.2.1 数据采集
        数据采集是实时数据库运行的基础，PHD可提供毫秒级采集频率。PHD具有一套可以与绝大部分型号、多种平台的生产集散控制系统（以下简称DCS）、可编程逻辑控制器（以下简称PLC）和标准OPC进行连接的产品化实时数据接口（以下简称RDI），实现与DCS和PLC的通讯连接[4]。上海石化控制系统种类繁多，主要有Honeywell、YoKogawa、Foxboro、艾默生、ABB、西门子、Omron、MODICON等多家国外DCS和PLC产品，以及国内浙大中控的DCS产品。RDI是PHD系统采集实时数据的通道，也是PHD与PHD之间交换数据的通道。
        在实施过程中，大部分DCS和PLC等控制系统配备有各厂家的OPC Sever，或者第三方的OPC，如MATRICON公司的OPC通信软件，所以PHD数据采集的主要方式就是通过RDI与OPC通信，实现实时数据的平稳采集[5]。
        1.2.2 数据的存储和处理
        PHD用来存放来自DCS、PLC及其他自动化设备的实时数据，还可以保存修正后的数据。每个采集点在PHD中以标签的方式存放每个数据，在PHD中存放了标签名、DCS系统中的数据类型、PHD中的数据类型、采集周期、报警值、量程、单位、采集时间、数据值和可
信度等信息。PHD对每个从DCS中采集的值进行相应的处理，比如对每个采集值都计算对应的可靠性因子、过失误差检查、数据的平滑处理、丢失数据的补偿。
        PHD对各种来源、各种类型的数据进行合理组织，以标准化的数据结构存储于PHD中。PHD具有非常强的数据压缩能力，可以实现大量数据的长期存储。理论上只要硬盘空间允许，PHD的数据存储容量无上限，目前配置可保存8年的历史数据。
        1.2.3 PHD数据的访问
        目前PHD Server主要提供有API、OPC、ODBC和ActiveX控件4种方式的数据访问，用户可以有多种开发语言选择，可以开发基于C/S、B/S的程序。
        在MES和其他的应用系统中，就是通过API函数的方式从PHD中采集数据。PHD API函数库是用于开发用户应用程序的接口，是所有客户化开发的基础。API函数有丰富的功能，它支持C，VB等多种高级语言编程读取实时数据，使用者需熟悉编程语言和PHD的API函数库，所以日后用户的维护有一定的难度[6]。
        在PHD系统的信息发布中是通过API函数和ActiveX控件两种方式从PHD中采集数据的，
发布平台使用的是Honeywell公司成熟和先进的WPKS模块和微软IIS来实现的，数据查询页面利用C#和ASP.NET来开发。对于生产报表则借助于微软的Excel和OWC控件，在Excel中利用VBA读取PHD中的数据，结果返回到Excel表中形成用户需要的各类报表。
        可以说这4种数据访问方式都可以为其他系统提供数据支持，提升企业数据管理与应用的灵活性、稳定性和安全性。
        1.2.4 PHD网络安全设计
        上海石化的企业网络采用星型结构，数据交换设备以Cisco产品为主。在实施数据采集系统时充分利用已有的网络资源，在充分考虑数据采集系统应用需求和安全后，对现场与DCS通讯的所有数据采集缓冲服务器（以下简称BUFFER机）采用了VLAN技术设置了独立的专用网段，利用核心路由器的安全引擎对该网段内的数据通信制定了安全策略，使其只能与固定的几台服务器保持数据交换。在BUFFER机上配置了双网卡，一块网卡与控制网相连，一块与管理网相连，而且两块网卡处于不同网段，并对BUFFER机与DCS的通讯也进行了安全策略的配置，除了数据采集通讯用到的端口号，其余无用端口全部禁用。网络通讯与BUFFER机的多重安全防护，保障了PHD主服务器与BUFFER机之间的数据安全传输，也确
保了控制网的安全。
        2 PHD系统功能设计及实现
        生产实时数据的一个基本应用是信息监视。它是全厂生产实时监视和管理的中心，将从控制系统采集上来的数据以灵活多样的方式展示出来，厂级管理人员通过信息监视系统可以随时了解生产装置的运行状况。由于上海石化的生产装置多、工艺流程长、各职能部门的需求不一致，在展示生产信息时，遵循由粗到细、由全局到局部的原则，而不是照搬DCS的组态画面。
        2.1 装置生产过程监控
        基于平台展示发布各炼油装置、化工装置、油品储运系统的生产工艺图和生产运行参数，生产运行参数的展示形式具有灵活多样性，如数值、棒图、曲线等，系统按生产装置展示生产运行状态。为便于用户全面迅速了解各套生产装置的运行状态，系统分为装置总貌图和工段流程图，以简洁、清晰的方式进行展示。
        装置总貌图是以简洁、清晰的画面反映全套生产装置的工艺流程和生产状况，使用户对
该套装置的生产过程和生产状况有一个总体的、全面的、实时的把握。装置工段流程图是对总图简化处理的补充，比较详尽地展示各工段的物料流动状态和设备的运行状态。工艺流程简洁、清晰，便于用户了解实时生产状况。
        2.2 物料和产品库存监控
        此功能以比较形象化的方式实时展示当前全厂罐区资源存储状况，如原油罐的液位、温度、库存量，产品罐的液位、温度、库存量等。也能展示全公司的资源分布总貌，包括原料资源分布、成品资源分布。
        2.3 投入产出展示
        投入产出展示功能是实时显示炼油装置、化工装置等系统的物料流程，使公司领导、生产管理人员、生产计划人员和生产调度人员对全公司生产运行状态进行全面、实时地了解与把握，便于执行生产决策、生产计划及全公司的生产调度。
        2.4 企业公用工程展示
        企业公用工程展示功能以比较形象化的方式实时展示当前全厂水、蒸汽等运行状况，使公司领导、生产管理部门对全公司公用工程运行状态进行全面、实时地了解与把握，便于执行生产决策、生产计划及全公司的生产调度。
        2.5 历史数据查询
        数据查询功能给用户提供了一个灵活的实时和历史数据查询接口，用户通过该模块可以查询到关键工艺参数的当前值、历史值、最大值、最小值、平均值，并且可以将查询结果导出到Excel中，便于用户借助Excel功能对数据进行深入的分析和应用。
        2.6 趋势查询
        系统向用户以曲线的形式展示标签的实时历史数据，用户通过该功能可以方便地查看关键生产参数的历史数据变化趋势和指定时刻的历史数据。可对于趋势进行长期分析、分组对比，是对过程生产状况回溯、查问题，挖掘生产潜力的有效手段。系统还提供了多参数在同一个图中显示曲线的功能，用于参数分组对比。
        2.7 生产报表
        通过定制开发，将炼油、化工等装置的重要数据自动生成各类报表，以表格的形式汇总指定时刻生产装置重要的运行参数，供生产管理人员查询，如装置工艺台账、工艺抽查和平稳率考核、装置投料、氢气管网、火炬气系统考核、能源消耗统计报表等。

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