全厂实时数据库系统的技术改造

刘志韬，常思聪

（1.大化集团大连碳化工有限公司，辽宁 大连 116610；2.大连大化工程设计有限公司，辽宁 大连 116023）

1 改造前系统状况

我厂于2006年从美国Honeywell公司购买TPS一套，TPS全称Totalplant Solution全厂一体化解决方案，是在原有的TDC3000系统上升级而成，是第一个将整个工厂的商业信息系统与生产过程控制系统统一在一个平台上的自动化系统。特点为：它基于MS Windows NT工作站，它拥有NT的更多功能且灵活易使用。TPS将各种技术集成在一起，包括：Windows NT操作系统，OLE公共软件，ODBC公共数据库技术等，TPS提供唯一的人机接口，即GUS，GUS是基于 Windows界面，并且TPS采用安全的工业网络。

图1 TPS系统网络结构

我厂的TPS系统集成的数据库存在问题：

1）数据保存的容量小、数据精度低。

集散控制系统自带的历史数据库过小，并且历史数据不能按照原始数据精度保存。目前的数据库满足不了生产要求（尤其对变化迅速的压力、流量、位移、振动等参数），这样对生产过程及工艺指标的分析尤其是故障及事故原因分析带来了不利。

2）生产和管理数据不能互利互用。

我厂信息化程度还是停留在满足各生产控制系统的孤立应用层面上，管理层的数据来源单一且缺乏足够的数据信息。信息化的客观要求，必须将生产控制系统与企业信息管理系统集成起来，采集所有的生产数据，并且要求数据要有较强的实时性，实现信息集成与决策。

2 搭建全厂实时数据库系统

2.1 El系统介绍

EI能够解决生产控制系统与经营管理系统之间的“数字鸿沟”。为企业提供实时和历史的数据管理，以便发现生产过程中存在的问题，及时指导生产，从而实现生产、管理一体化。

2.2 硬件的组成

搭建实时数据库所需材料如下：

1）工业用超5类网线800m。

2）24口交换机2台，一台是连接EI服务器和DCS数据源，一台是连接局域网客户端。

3）EI服务器一台，包含2台主机，分别为主机1和主机2，主机1负责采集DCS数据，主机2负责上传由主机1所采集的数据，2台主机之间由一个物理网闸连接，由于主机2是连接外部局域网，这样做的好处就是防止外部局域网对分布式控制系统造成的干扰或数据倒流影响操作。

4）单向物理网闸一个，严格控制数据的流向。

5）EI数据库软件一份。

我们用网线把TPS系统的GUS站与实时数据服务器的主机1连接，并且用网线把主机2与单位的办公局域网连接，通过办公局域网来访问主机2上的数据，用一个管控单向物理隔离网闸，连接主机1和主机2。在此处使用单向物理隔离网闸是非常有必要性的。

管控单向物理隔离网闸称数采安全防护网关，以下简称网关机，工作原理如下：

数采安全防护网关内置两台主机之间，从主机1到主机2是绝对单向物理隔离电路，从物理层进行了隔离，信息只能从主机1单向传输到主机2，从根本上杜绝了病毒和恶意攻击。该设备具体工作流程如下：主机1的一个以太网口连接DCS系统，主机1运行OPC2Safety程序，OPC2Safety通过OPC协议从DCS系统获取的实时数据发送到绝对单向物理隔离电路上，如果DCS系统没有OPC Server软件，则可以在主机1上安装一套该DCS系统的OPC Server软件，主机1和DCS系统之间可以通过TCP／IP进行通讯，主机2的一个以太网口连接实时数据库服务器，主机2运行OPC4Safety程序，OPC4Safety从绝对单向物理隔离电路上接收到从主机1发送过来的DCS系统实时数据，包装成OPC Server，将OPC4Safety中的实时数据通过网络传输，并且写入实时数据库服务器中。

2.3 软件介绍及调试

实时数据库软件包EI中2个基本模块：数据采集接口软件模块IO MANAGE和实时数据应用软件模块Package，主要功能如下：

1）生产实时监控：横向集成工厂的开放控制系统（DCS／PLC／SCADA），浏览及监控整个流程过程中的实时数据，实时监控生产情况和设备运行情况。通过C／S和B／S分别实现了实时、动态、立体流程图的组态和浏览；方便快捷地查询实时数据；可在同一幅画面内画出几个任意位好的历史数据变化趋势曲线；提示并显示实时报警，可查询历史报警。

图2 数采安全防护网关工作原理

2）历史数据存储：可以存储数据库可接受的任何类型的实际数据，并使用先进的储存算法，对数据进行二次压缩处理，大大节省了存储空间。

3）历史数据检索：使用独特的数据结构，系统在很短时间内完成访问一年乃至几年的数据。

4）实时数据采集：从生产现场自动采集控制系统（DCS／PLC／SCADA）的实时数据，将数据传输并存储到实时数据库中。

数据采集接口软件模块IO MANAGE是针对各种实时数据库系统（PI、IP21等）和DCS、PLC等数据源之间的进行实时数据通讯的工具。IO主要包含IO Server服务器和IO Client客户端两个部分。

图3 实时数据采集

IO Server运行在实时数据库服务器上，主要功能是把数据库的位号信息和数据请求传递给IO Client，并把IO Client发送的数据写入数据库。IO Client的主要功能是根据需求取得实时数据，它主要由以下三个程序组成：

Collecter——DCS等数据源进行通讯取得实时数据；

Router——发送实时数据和历史数据给IO Server；

Hisaver——在本地保存历史数据，作用是缓存、断点续传。

IO Monitor主要功能是监视数据采集通讯的运行情况，可运行在和IO Server在同一局域网上的任一PC上。Device Driver为控制系统通讯接口，运行在DCS上，比如工业标准通讯接口OPCServer等。在向DCS读取数据方面，我们要求采用多重冗余结构，就是说服务器先从一台指定的GUS站上读取数据，如果这台GUS站掉电或者特殊情况无法读取数据时，软件自动跳到相邻的GUS站上，保证数据源不缺失。

3 效果及展望

3.1 数据库安全测试

在数据库建立起来之后，安全性是首要进行测试的，在数据库正常采集数据的同时，对DCS系统有没有干扰是我们尤为关注的，也就是对管控单向物理网闸的可靠性测试，经过长达半年历经数次开车后，管控单向物理网闸很好完成了作用，对DCS系统毫无影响。

3.2 与数据库建立前对比

数据库建立好后与TPS系统自带的数据库做比较：12WI0101在20min的时间段里面有2次扰动，一次是14：25，一次是14：40，这是在 TPS自带数据库采样出来的，采样周期为1min，而EI系统该点的历史趋势，第一可以曲线形状比较，EI系统采集的数据曲线轮廓分明，有坡度，有跳变，但在TPS自带的系统中无法看到，第二在数值上，TPS的数据库只能捕捉到工艺参数为12，而在EI系统中捕捉到20，这是由于TPS数据库采集周期过长导致，根本没有采集到12WI0101点跳变到20后，又回落到11的过程。12WI0101在14：40扰动的EI数据库截图，能明显能看出，在14：40附近有2次扰动，但TPS自带数据库只采集到一次，并且曲线轮廓细节也差很多。

在经过半年后看了下数据储存空间的大小，我们的数据存储盘为500GB，按照当时存储空间推算，我们7000点的数据量至少能存储1年半以上，如果想更长时间存储更多的数据量可以选择更大容量的硬盘，扩展非常方便。

3.3 实时生产数据在我公司的应用

对我公司而言，其直接应用效益体现在：

1）解决DCS数据库过小的缺陷。集散控制系统自带的历史数据库过小，并且历史数据大都不能按照原始数据精度保存。在实际生产中由于数据量非常大，刷新速度快，在DCS的历史数据库长期保存全部实时数据非常困难。使用EI系统后，保存数据的频率最快可以达到秒级，保证最大程度上反映现场实际工况变化情况。

2）通过对工艺历史数据的分析对比，以及关键性能指标变化趋势分析，工艺员以及设备员可以对生产情况进行分析，找出生产瓶颈，提出解决方案，优化生产，提高效益。

3）由于原料、成品罐区和其他生产装置的实时生产数据都已经实现上网，通过信息集成，调度部门能及时得到生产过程的状态反馈信息，使生产调度摆脱过去通过电话和操作记录来指挥生产的管理方式，可以随时监视生产过程，即时发出调度指令，从而对生产做出调整，降低生产成本、降低物耗。

4）对生产中的数据加以利用，弥补了工厂的信息断层，将分散的信息资源集成起来，数据真实、共享，建立良好的系统监控机制。

3.4 不足及展望

在我公司信息化过程中，EI实时数据库以及对EI数据库的二次开发还存在如下的一些问题需要进一步的研究、探讨和尝试：

EI系统的二次开发功能需要进一步完善，先进控制和PID参数自动优化等功能需要建立，使系统能够实时调整工艺参数，使生产过程处于优化状态。

数据服务器的负荷还需进一步降低。

［1］ Honeywell Inc.Process History Database System Manual USA：Honeywell International Inc.June 2004

［2］ Honeywell Inc.PHD OPC Server User Guide USA：Honeywell International Inc.June 2004

［3］ 王常力，罗安.分布式控制系统设计与应用实例［M］.北京：电子工业出版社，2004