信息數(shù)據(jù)采集接口的分析與應用

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摘要：通過對實時數(shù)據(jù)庫軟件PHD340中各類型DCS接口的研究與分析，詳細闡述了數(shù)據(jù)采集過程中數(shù)據(jù)接口的配置與通訊原理，特別是生產(chǎn)裝置中主流的DCS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集技術的要求與特性，進一步優(yōu)化了實時數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性、時效性、準確性與安全性。通過對數(shù)據(jù)的采集頻率、存儲性能、讀取速度、降低負荷等針對性部署與優(yōu)化，有效提高了對企業(yè)智能工廠、生產(chǎn)指揮、質(zhì)量優(yōu)化、日效益、日優(yōu)化等關鍵信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐作用，同時在數(shù)字化智能化時代，進一步加強數(shù)據(jù)的使用與集成工作，努力消除數(shù)據(jù)孤島，建立統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)鏈。

關鍵詞：數(shù)據(jù)采集接口；分析；信息系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個較為成熟的技術，被廣泛應用于石油、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（PlantInformationSystem）、PHD（ProcessHistoryDatabase）、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，UnifiedManufacturingSolution）。

1實時數(shù)據(jù)庫PHD340的總體結構

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，數(shù)采站上運行的數(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)在接口服務器與數(shù)據(jù)采集服務器之間的網(wǎng)絡中斷時，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緩存服務器將裝置控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集并轉發(fā)至實時數(shù)據(jù)庫，根據(jù)裝置DCS/PLC接口多樣性的特點，數(shù)采PHD緩存服務器上運行不同的實時數(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應用工具相結合使用，具有診斷、恢復、配置管理功能。具體數(shù)采協(xié)議采用Honeywell的OPCtoRDI，OPC-RDI是Honeywell針對OPC協(xié)議開發(fā)的通用數(shù)據(jù)接口，OPC（OLEforProcessControl，用于過程控制的OLE）是一個工業(yè)通訊協(xié)議標準，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。OPC包括一整套的接口、屬性和方法的標準集，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)絡把最下層的控制設備的原始數(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。

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)，并向應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務。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)并支持相關應用。它存儲與工藝流程相關的幾萬至十幾萬位號點的數(shù)據(jù)，其他應用程序可從這些數(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)等應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。這些信息可以用來指導工藝改進，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、標簽定義管理、數(shù)據(jù)備份與恢復等功能。

2數(shù)據(jù)接口的研究與分析

2.1各類型DCS的數(shù)采接口配置與應用

2.1.1中控ECS-700系統(tǒng)

確定中控ECSV700系統(tǒng)的軟硬件配置情況，包括操作員站、工程師站節(jié)點的IP地址、冗余交換機的網(wǎng)絡環(huán)境、VF軟件的具體版本等基礎信息。首先，在組態(tài)服務器端打開監(jiān)控啟動軟件，下一步進入VF的系統(tǒng)結構組態(tài)軟件，管理員admin的權限下，在操作域組態(tài)處新增操作節(jié)點，此操作節(jié)點的控制A/B網(wǎng)和信息網(wǎng)IP地址即為服務器指定的數(shù)采客戶端。OPCServer機器根據(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，選擇對應的作用域，根據(jù)提示進行當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的用戶權限來配置本機的DCOM，主要是SUPCON.SCRTCore和OPCEnum的多用戶權限，指定通訊賬戶和標識用戶賬戶，將裝置實時數(shù)據(jù)接入OPCServer[1]。接下來配置虛擬buffer機，并接入網(wǎng)絡，網(wǎng)卡一與OPCServer站對接，網(wǎng)卡二接數(shù)采專網(wǎng)，在buffer機上創(chuàng)建與OPC服務器統(tǒng)一的通訊賬戶后，并配置數(shù)采RDI采集接口，建立與OPCServer的訪問通道，并做好本地緩存機制，通過TPI工具完成buffer機與PHD服務器的SHADOW接口，并配置采集點與父節(jié)點。啟動PHD服務器端與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PHD實時數(shù)據(jù)庫服務器的數(shù)據(jù)請求，通過APP節(jié)點機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服務器之間網(wǎng)絡通信中斷時緩存數(shù)據(jù)到本地，等網(wǎng)絡通信恢復正常后可將數(shù)據(jù)轉發(fā)到PHD數(shù)據(jù)庫服務器。HoneywellTPS系統(tǒng)的接口工作包括確定工作站APP節(jié)點機和LCN纜的網(wǎng)絡狀態(tài)，OPCServer硬件機器首先安裝配置好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，網(wǎng)卡二接入數(shù)采VLAN專網(wǎng)。在buffer機上配置數(shù)據(jù)RDI采集接口，建立與OPCServer機器的訪問通道，做好本地緩存機制。同時，在buffer機器上完成與PHD服務器的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)絡配備一臺專門用于數(shù)據(jù)采集的OPCServer機器，其相當于一臺只有查詢數(shù)據(jù)沒有組態(tài)功能的工程師站，通過本機OPC與上層buffer機器的RDI接口協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，其主要是通過HISUtility來實現(xiàn)對外的數(shù)據(jù)發(fā)布，其中的權限需要添加ENGUSER、OFFUSER、ONUSER這3個用戶[2]。在本機的EXAopcOPC接口上的OPCtab上面確定需要連接的賬戶名稱。完成OPCServer機器的數(shù)據(jù)發(fā)布后，一般采用RemoteRdi通道來完成同PHDBuffer機器的數(shù)據(jù)傳輸。RemoteRDI接口的原理為調(diào)用實時數(shù)據(jù)庫RDIServer的遠程接口方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集。首先，在下層數(shù)據(jù)所在機器上注冊RemoteRdi的服務，遠程通道的端口號配置54200，在桌面服務中選擇UniformanceRemoteRdi自動運行，登陸賬戶為本地系統(tǒng)默認賬戶，同時允許服務與桌面進行數(shù)據(jù)交互。其內(nèi)部機制是通過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HoneywellPKS系統(tǒng)的軟件版本與硬件配置情況，主要是冗余交換機和工程師站的內(nèi)網(wǎng)地址，確定DCS系統(tǒng)目前數(shù)據(jù)所在的ServerA/B服務器，在系統(tǒng)各項配置安全的前提下，做好OPCServer機器與DCS服務器的數(shù)據(jù)通訊[2]。在OPC接口的協(xié)議下，使用管理員權限的用戶名密碼與服務器端保持一致。接下來需要配置DCOM權限來保證數(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)服務器上的HWHsc.OPCServer，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服務器接入數(shù)采系統(tǒng)中，后續(xù)則通過RDIServer來接入上層服務器。

2.1.5浙江中控ECS-100系統(tǒng)

通常來說，中控的OPCServer包括了OPCDA標準和OPCAE標準的OPC服務器，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)供離線進行調(diào)試。OPCServer綜合版通過廣播模式可以和多個客戶端程序進行連接，每個連接可同時進行多個動態(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）認證作為OPCServer。首先，需要安裝HASPUser驅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服務器將采集到的數(shù)據(jù)轉換為OPCDA數(shù)據(jù)和OPCAE數(shù)據(jù)，并通過OPC通信專網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)傳送到對應的OPCDA/OPCAE客戶端，到這里即順利完成OPCServer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UniformancePHDRDIServer服務來完成與OPCServer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)化技術的體現(xiàn)

實時數(shù)據(jù)庫作為收集全廠工藝數(shù)據(jù)、設備數(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，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)的采集頻率進一步提高至5秒/次。采樣的頻率快慢與否還進一步?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)的信息化建設程度的高低。目前，實時數(shù)據(jù)庫對智能工廠的設備健康管理與預警和工藝大數(shù)據(jù)兩大組成模塊有著舉足輕重的支持力。在對裝置DCS的重要運行狀態(tài)的預警監(jiān)控子模塊上，實時數(shù)據(jù)通過安全數(shù)據(jù)接口技術采集到控制器的狀態(tài)、負荷余量，機柜電源狀態(tài)、UPS電源狀態(tài)、網(wǎng)絡通訊狀態(tài)、重要機組設備報警、特種閥門報警等一系列的現(xiàn)場設備數(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)整體的設計思路需要和算法要求，進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服務通過各裝置DCS的OPCServerDA接口采集到對應的過程數(shù)據(jù)，由Nginx程序通過80端口轉發(fā)經(jīng)硬件防火墻至上層報警操作服務器端，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OPCA&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)生任何負載。其主要采集的目標為裝置運行的過程報警、系統(tǒng)報警、生產(chǎn)操作等事件數(shù)據(jù)，部署在數(shù)采buffer機器上的Nginx程序接收到DCS服務器端得到的事務數(shù)據(jù)再轉發(fā)至上層報警操作監(jiān)控服務器，經(jīng)過系統(tǒng)后臺運算，即可在WEB平臺對裝置的DCS報警進行實時監(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-裝置優(yōu)化模型體系，構建一體化全流程優(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)度預測開始，實時數(shù)據(jù)采集到當天的原油調(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)達到了96%以上，而人工4h～8h間隔的產(chǎn)品化驗結果數(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)品結構、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，以及關鍵性能指標變化趨勢分析，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)庫設備狀態(tài)長周期的研究，設備工程師可以分析設備的運行狀況，提供設備檢修計劃，最大限度地發(fā)揮設備潛力與及保障設備的安全運行。

（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，又支持數(shù)據(jù)和事務的時序一致性。PHD實時數(shù)據(jù)庫及其衍生功能還需要進一步的研究、探索和嘗試，同時與先進控制APC的交互還可以繼續(xù)加強，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)等應用的前提和支撐，企業(yè)實時數(shù)據(jù)庫建設已成為流程工業(yè)企業(yè)信息化建設的一項重要工作。

作者:王壽震 單位:金陵石化 信息化與計量中心