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    0 引言

    眾所周知，由于技術發展的原因，企業生產過程監控采用著來自眾多廠商的不同種類的監控系統。這些系統都是面向裝置或設備的，每個系統只能采集或管理相應裝置或設備在運行過程中產生的部分實時數據。就企業整體而言，缺乏一個統一的、完整的、企業級實時數據管理平臺，以支持多裝置/設備協調優化控制和生產管理實時決策優化。由于生產過程產生的數據有效期短，而且數據量大，傳統的集散式控制系統(DCS)和關系數據庫技術并不能完全解決問題。DCS數據存儲能力有限，同時企業中異構的DCS無法進行有效的數據共享；而流行的關系數據庫數據處理速度低，關系數據模型無法對生產過程數據進行高效的存儲。由此，人們將實時數據處理技術與數據庫技術結合，開發出了實時數據庫系統，為企業信息化提供統一而完整的企業級實時數據庫服務平臺，使企業經營管理決策層能夠對生產過程進行實時動態監控與分析，隨時掌握企業運行狀況，及時發現問題并進行處理，從而降低生產成本，提高產品質量。在此基礎上，實現實時網絡和管理網絡、實時數據庫和管理數據庫的無縫集成，加強數據采集、整合、集成和應用，建立企業成本控制體系，可以為ERP系統提供實時、可靠、準確、唯一性的經營和成本數據，全面提高企業經濟效益和市場競爭能力。

    2004年在中國海洋石油總公司的天然氣下游專業公司--中海石油化學有限公司（以下簡稱化學公司），實施霍尼韋爾公司的Uniformance實時數據庫平臺，本文作者作為主要技術人員，全程主持了該項目的技術工作，現對實施過程中涉及到的相關技術要點、實施技術難點及注意事項作一個綜述，希望能對同行有所啟示。

    1 實時數據庫

    實時數據庫系統是其數據和事務都具有時間屬性，或顯式的時間約束的數據庫系統。在實時數據庫系統中，事務處理的正確性不僅依賴于邏輯結果的正確性，而且依賴于邏輯結果產生的時間是否滿足相應的時間約束。實時數據庫系統中的數據對象都有一個有效時間間隔，表示它在這個時間段內足夠真實地反映了物理環境的當前狀態。因此，任何與該數據對象有關的事務處理必須在有效的時間間隔內完成。也就是說，實時數據庫系統中的事務處理時間具有可預測性。

    霍尼韋爾公司Uniformance是工廠服務的信息數據庫及歷史化模件。它采集、集成、保持長時間的歷史數據，包括連續和離散的生產數據、過程性能以及過程相關數據。 Uniformance提供實時數據庫以及歷史數據庫功能，它具有如下的優點：

    1) 系統的分布式多級結構增加了數據安全、降低了系統和網絡負荷。
    2) 具備很強的信息處理功能，能將采集的原始數據經過處理變成最終用戶需要的信息。
    3) 提供多個客戶端工具軟件，以便管理人員訪問更多及更高精度的歷史信息以實現過程分析、故障查找、過程改善、事故分析及跟蹤和生成各種報表等多項任務
    4) 實現了實時數據庫PHD與Oracle關系數據庫的一體化管理，用戶在關系數據庫中直接通過位號即可調用生產實時數據。
    5) 基于Web Server的生產管理信息瀏覽方案。
    6) 提供多種實時數據接口RDI，全部為產品化接口，可靠性高。
    7) 對采集的實時數據點數沒有數量限制，具備較高的性價比。
    8) 豐富的上層應用模件和開放的數據庫接口，為今后的ERP等應用打下基礎。
    9) 國內多家石化、化工企業成功的實施案例。

    2 數據采集接口

    實施實時數據平臺的關鍵技術是如何采集各個控制系統的生產實時數據，即數據采集接口技術。通過多年的技術發展，數據采集技術由最初的RS232、RS485、Modbus、DDE，發展到目前最新的OPC　2.0接口規范。

    OPC（OLE for Process Control）是一個工業標準，它由一些世界上占領先地位的自動化系統和硬件、軟件公司與微軟（Microsoft）緊密合作而建立的。這個標準定義了應用Microsoft操作系統在基于PC 的客戶機之間交換自動化實時數據的方法。管理這個標準國際組織是OPC基金會，OPC基金會現有會員已超過220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自動化控制系統、儀器儀表及過程控制系統的公司。OPC已被確定為全球事實性的工業標準。OPC基于微軟的OLE (現在的Active X)、COM (部件對象模型)和DCOM (分布式部件對象模型)技術。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業自動化系統。Active X/COM技術定義各種不同的軟件部件如何交互使用和分享數據。不論過程中采用什么軟件或設備，OPC為多種多樣的過程控制設備之間進行通信提供了公用的接口。簡言之，應用OPC接口實現數據采集，對于監控系統廠商而言，需要其依據OPC規范開發出各自的OPC　Server，而對于實時數據庫廠商而言，只需要一套滿足OPC標準的OPC　Client軟件，即可實現對所有監控系統的數據采集工作。

    我們在項目實施前就明確要求使用OPC標準接口，保證系統的先進性。
    化學公司實施前的主要監控系統及接口情況如表1所示：

               

                          表1　　實施前的主要監控系統及接口情況

    下面詳細敘述各個接口的實施情況：

    1） 一期主裝置DCS為CENTUM　CS，版本為R2.08.00，該版本不支持安裝OPC接口軟件。我們通過DCS系統升級，版本升為R2.12.00，在DCS的V網上增加一個節點，將橫河公司提供的EXAOPC接口軟件安裝在該節點上，實現數據上傳。但在實施接口安裝時，意外地發現了該DCS系統在網絡結構上存在異常，導致數據傳送出現問題，具體情況如下：

               

                            圖1 原一期主裝置DCS網絡結構圖(部分)

    如圖1所示，由于ACG和E-NET不連接造成OPC站需要的數據無法傳遞。這是因為OPC站需要指定參照數據庫的IP和HOSTNAME。而且OPC站在EWS的系統構成表里是不允許設定V-NET的IP，那么OPC站在第一次安裝和系統下裝后，需要通過ACG跟控制站進行系統等值化，由于無法連接ACG，無法完成TAGLIST的等值化，造成現在OPC站能看見工位名，而沒有數據的情況發生。

    經過技術分析，我們對以上網絡實施了結構改造。改造后的網絡結構如圖2：

               

                            圖2 改造后一期主裝置DCS網絡結構圖(部分)

    改造后OPC節點可以順利讀取控制站的現場生產數據，再在OPC節點安裝一塊網卡與工控網相連，通過OPC Client機器實現數據采集功能。

    對于DCS的事件報警信息的采集，由于EXAOPC比較規范，本身即帶有OPC E&A 控件，我們按照OPC規范編寫E&A Client控件即實現了事件報警的采集。

    2） 一期脫鹽水裝置DCS系統是霍尼韋爾較早期的產品Micro TDC3000，該系統相對封閉，無法安裝數據接口，加上該系統在順控程序上存在缺陷，因此決定對其實施系統改造。通過綜合性價比較，特別是橫河公司的CENTUM　CS1000系統具有離線調試功能，可以在PC機上即完成順控程序的調試，無需等到現場停車時再進行，如此可最大限度地縮短現場調試時間、保證工程質量。因此我們采用了CS1000，在改造的同時加入接口單元，安裝EXAOPC軟件，實現了數據上傳。圖3是CENTUM　CS及CS1000系統數據采集結構圖，兩系統不同之處在于考慮裝置規模不同，在CS系統中將PHD Buffer Server和ExaOPC安裝在兩臺PC機上，通過網絡互連，而在CS1000系統上則將兩軟件安裝在同一臺PC機上。

               

    3） 表中第3和第6項是一、二期主裝置的機組診斷系統，它使用了本特利公司的DM2000系統，需要將系統升級到SYSTEM　1，然后增加一臺PC機，安裝OPC接口軟件，實現數據上傳，具體結構圖如圖4所示。經過與本特利的技術交流，由于SYSTEM　1系統本身即具有較強的分布網絡功能和設備管理功能，最終我們沒有將其數據納入到Uniformance系統之中。

                   

    4） 二期主裝置DCS是霍尼韋爾的TPS系統，本身帶有DDE接口，但DDE由于其技術局限，具有數據傳輸速率低、通訊不穩定等缺點，不符合我們項目建設的要求。根據需要，在DCS系統的UCN網上增加APP節點，在其上安裝APP TO PHD RDI接口，實現數據上傳。對于DCS的事件報警信息，則是使用了霍尼韋爾開發的專門用于采集TPS事件的軟件—EVENT JOURNAL COLLECTION，直接從DCS的HM模塊中提取事件信息。圖5為TPS系統數據采集結構圖。

               

                              圖5　TPS系統數據采集結構圖

    5） 二期凈水廠控制系統是SMAR公司的SYSTEM 302總線系統，它本身已經配備了標準OPC接口，所做的工作就是增加一臺PC機，采用雙網卡，一塊掛到總線網絡上，另一塊掛到工控網上，通過OPC　Client軟件將生產數據采集到PC機，再通過Uniformance的PHD TO PHD接口將數據上傳到主PHD服務器。

    6） 二期總變控制系統ESD2000和甲醛廠控制系統JX300均支持OPC，通過購買各自的OPC軟件，在其工程師站運行OPC　Server軟件，再增加一臺PC機，運行OPC　Clientl軟件及PHD TO PHD接口軟件將數據上傳到主PHD服務器。
SYSTEM302、ESD2000及JX300系統數據采集結構圖如圖6所示。

               

    3 系統基本架構

               

     如圖所示為生產管理信息系統的簡單示意圖，目前在數采網上有7臺Buffer服務器，分別采集一、二期合成、尿素主裝置，脫鹽水裝置、甲醛裝置、總變裝置及凈水廠裝置的生產實時數據及報警事件，各裝置的數據通過數采網映射到主PHD。系統用戶分布在管理網中，用戶使用IE瀏覽器，通過WPKS從WEB服務器上對生產數據進行訪問，SQL SERVER是供WPKS使用。為保證生產控制系統的安全，防止受到病毒和黑客的攻擊，在數采網和管理網之間設置了兩道防火墻，杜絕了管理網終端直接進入數采網的通道。

    4 WPKS簡介

    此次實施，我們還采用了霍尼韋爾的WPKS軟件，WPKS是應用最新的Work Center PKS 技術實現基于Web Server的生產管理信息瀏覽方案。WPKS 使用Microsoft.NET技術和HMIWeb技術，應用. Net和XML技術為開發三層結構的Web架構提供框架。具體地說，通過WPKS搭建Web Server，直接定義數據源到系統主PHD Server，使用WPKS自帶的裝置流程圖制作軟件Display Builder可以方便地繪制流程圖，按照WPKS規定的方法掛到Web Server，在公司管理網上的客戶端即可以使用IE瀏覽器實時地監視裝置區情況。而且流程圖的增刪和修改可以隨時進行，方便了系統的維護。圖7是一幅流程圖示例。

               

                                     圖7 流程圖示例

    在實際使用中，我們發現WPKS提供的“多位號趨勢”控件十分有用。它可以將多達20個位號的歷史數據同時顯示出來，還可以進行數據的各種處理，將數據導出到其它程序如EXCEL中。這些功能大大方便了工藝人員進行裝置工況分析。圖8是該控件的一個示例。

               

                                  圖8 多位號趨勢圖示例

    5 系統安全措施

    由于本系統直接連接到各個裝置的監控系統，必須保證系統的實施不能影響到監控系統的正常運行。為此我們采取了如下多種技術手段來保障各監控系統的安全：

    1） 關閉數據采集接口的數據下行功能。標準的OPC接口具備雙向數據傳輸的功能，即可以實現生產實時數據的上傳，同時也可以實現數據下行，滿足上層對生產參數的實時調整功能。但在我們此次實施中，為保證現場監控系統和裝置的安全，暫時不啟用此功能，防止管理層對現場的誤操作。
    2） 設置雙防火墻，如前系統拓樸圖所示，通過配置防火墻，公司管理網客戶端只能訪問Web Server，而Web Server只在系統主PHD上提取實時/歷史數據，主PHD以下的數采網與管理網之間完全隔離，保證了數采網的安全。但是，由于客戶端不能直接訪問主PHD，使Uniformance的一些C/S工具不能使用，如Process Trend 、Visual PHD 、PowerPoint View、Excel Add-In等，損失了部分系統功能，不過這也是迫不得已。
    3） 在數據采集接口PHD Buffer上，或是采用雙網卡與監控系統物理隔離，或是Buffer本身作為一個物理隔離設備，達到數采網與現場監控系統之間的隔離。
    4） Uniformance系統自身的兩級結構能夠做到如下功能：當數采網出現通訊故障，Buffer服務器仍能保存數據；通信恢復后，PHD主服務器利用 Uniformance® 的History Recover功能恢復故障時段的所有數據，保證全體數據不丟失。此功能也可以對數據的安全提供一定的保障。

    6 點組態文件

    Uniformance在進行數據采集時，一個重要的工作就是進行點組態文件的準備。實時數據的采集都是以點為單位進行的。需要注意的是這里的“點”并不是對應現場的一個工位號，而是對應的是某個工位號的一個參數值。例如一個調節回路TIC03013，如果需要采集它的PV值、OP值及SP值，則需要組態三個點：TIC03013.PV、TIC03013.OP及TIC03013.SP。
Uniformance提供了批量建點的功能，能夠快速大批地進行點組態。前提是必須按要求預先準備好點組態文件，文件以CSV（逗號分隔）文件方式保存，格式上根據控制系統的類型略有不同。如表2所示是針對TPS系統的CSV文件格式。

               

                                  表2　TPS系統的CSV文件格式

    表3是針對其它OPC接口的CSV文件格式

               

                               表3　OPC接口的CSV文件格式

    比較表2、表3，可以發現由于TPS與Uniformance同屬霍尼韋爾的產品，接口使用了APP to PHD RDI，在定義數據源時，系統采取了位號、參數、數據類型分別組態的方式。而對于其它廠商的監控系統，則使用OPC to PHD RDI接口，在定義數據源時，數據類型已經被系統自動定義為F4（4字節的浮點數），而位號與參數在SRCTAG字段中一同定義，而且根據監控系統的OPC Server的不同，該字段的形式略有差別。例如對于橫河的EXAOPC，其形式如表3一樣，該形式分為三部分，第一部分FCS0101表示該位號出自DCS的哪個控制站，第二部分FI01004A表示在DCS中的位號，第三部分PV/MV表示參數。

    在橫河DCS系統點組態文件的編制過程中，我們嚴格按照其要求，對每個位號均區分出其在哪個控制站，花費了不少工作量。但在實施過程中，我們偶然發現，實際上EXAOPC并不檢查位號在哪個控制站，即假如將FCS0101!FI01004A.PV寫成了FCS0102!FI01004A.PV，同樣可以采集到數據，而且值是一樣的，原因是一個DCS系統中的位號定義是唯一的，不允許存在多個控制站使用同一個位號的情況。這樣在今后的CSV文件編寫時，可以省去查控制站的工作步驟。

    在參數選定上，根據不同的監控系統，也會存在差異。這需要相關監控系統方面的專業知識。例如DCS輸出值，在TPS中稱為OP，而在CENTUM中稱為MV。另外，在橫河CENTUM系統中，每個位號根據其出自不同的功能塊，所取的參數也會不同。例如：對于功能塊MLD（手操器）和AS－H（高選器），只能取MV值，對于CALCU（運算塊），則只能取CPV值。

    對于數據上、下限的確定，我們的經驗是不必嚴格按照裝置的實際范圍來編寫。那樣的話一是工作量太大，二是一旦現場儀表讀數稍微超出上下限，則Uniformance就會自動將數據可信度降低，反而會與實際不符。其實只需要按最大實際值可能范圍的若干倍去定義上、下限，保證正常情況下的生產實時值不會超限即可。

    總之，CSV文件的編寫準備是實施實時數據庫平臺非常重要的一項工作，應該在系統實施之初就開始盡早進行。同時，它也是一項專業性比較強的工作，需要編寫人員必須具備相應監控系統的專業知識，特別是系統組態方面的知識和技能。該項工作質量的好壞直接影響到整個項目的進度，必須引起高度重視。

    7 生產管理信息系統

    在實施實時數據庫平臺的同時，在此基礎上，通過軟件開發，建設了一套生產管理信息系統，實現了裝置流程圖、班組考核、化驗數據、廠控工藝指標、裝置臺帳、調度日報、KPI月生成指標考核、系統維護八個功能模塊，涵蓋了生產管理的主要內容。

    該系統在2005年2月開始試運行,它為公司各級生產管理人員和操作人員提供了及時、準確、全面的生產信息，把生產管理人員從繁雜的日常數據抄錄及整理工作中解脫出來，將精力更多的放在了如何有效提高生產效益、降低產品能耗、保證裝置長周期運轉的技術層面上，同時也為公司的生產經營決策和優化管理提供了強有力的工具。圖9為生產管理系統主頁畫面。

               

                                   圖9 生產管理系統主頁

    8 與ERP的集成

    在項目建設之初，我們就著手考慮生產實時數據庫與ERP集成的問題，希望通過項目的建設，填補管理層的ERP到基礎自動化層的“鴻溝” ，為生產數據從源頭采集走向企業生產管理到經營管理提供完整的解決方案。使企業最終能夠建立一個覆蓋全廠各部門、功能齊全的管控一體化的全面信息化系統，實現產、供、銷、人、財、物的合理調配，使企業的生產計劃、資源平衡、產品營銷和預測決策良好運行，取得最佳經濟效益。

    通過產品化接口Business Hiway ，生產管理系統可以直接與SAP的PP、PM、QM、MM、SD等諸多模塊進行數據交換，確保生產數據在ERP中的高度集成與共享。同時由于簡化了ERP系統的配置，可以加速ERP系統的推廣；通過降低ERP系統接口的操作成本與維護成本，降低整個項目(ERP系統建設)的成本。

    9 結束語

    本文以Uniformance為主介紹了實施實時數據庫平臺所需的相關技術內容，從技術層面討論了建設實時數據庫平臺的實施過程中可能遇到的相關難點和注意事項。作者借此拋磚引玉，希望涌現更多更好的技術文獻，以促進國內相關技術的應用推廣。由于作者水平所限，錯誤和疏漏之處敬請諒解。