長慶石化PHD系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

0 引言

    長慶石化公司十分重視工業(yè)信息化系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理分析，早在2005年就通過與北京中海迅通科技發(fā)展有限公司合作，搭建了一套在.NET環(huán)境下基于J2EE架構(gòu)開發(fā)的一個(gè)生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（簡稱MIS），它由生產(chǎn)管理、裝置操作、油品運(yùn)行、化驗(yàn)查詢、系統(tǒng)管理五個(gè)部分組成。通過各生產(chǎn)崗位人員手工將生產(chǎn)重要數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析，生成報(bào)表，為管理層和技術(shù)人員分析生產(chǎn)情況提供支持。然而該系統(tǒng)未建立與DCS、PLC系統(tǒng)的接口，因此存在無法自動(dòng)采集實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)情況的分析無法做到及時(shí)全面準(zhǔn)確。

    2009年5月，中國石油煉油與化工運(yùn)行系統(tǒng)（簡稱MES）將長慶石化做為第二批推廣單位開始實(shí)施。該系統(tǒng)采用了霍尼韋爾公司的MES（Manufacture Execute System）作為工廠信息化的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)等各種數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)并處理加工成新的信息資源，通過網(wǎng)上生產(chǎn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供給管理、銷售、技術(shù)等各層次人員，解決了各個(gè)部門信息不一致的問題，幫助他們做出及時(shí)有效的決策。建立MES系統(tǒng)，首先就是要建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。霍尼韋爾過程歷史數(shù)據(jù)庫PHD（Plant History Database）做為MES系統(tǒng)的一個(gè)子模塊，也稱作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，是生產(chǎn)信息化工作的基礎(chǔ)，確保了其他信息系統(tǒng)模塊能夠發(fā)揮作用。PHD將工廠裝置的溫度、壓力、液位、流量等實(shí)時(shí)信號(hào)值傳輸并保存到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，通過內(nèi)置的與其他模塊的接口，完全保證了數(shù)據(jù)采集的及時(shí)和準(zhǔn)確性，技術(shù)人員和管理層可以及時(shí)地掌握生產(chǎn)現(xiàn)狀及以前的生產(chǎn)過程，更好地組織、指揮生產(chǎn)，提高績效，這對(duì)長慶石化公司的生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生了積極的作用和重要的影響。

1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

    PHD系統(tǒng)是MES系統(tǒng)的底層模塊，主要用于存儲(chǔ)和管理生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，為MES的上層模塊提供準(zhǔn)確和完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理和桌面信息展示 3 部分構(gòu)成。PHD技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 PHD技術(shù)架構(gòu)圖

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

    要建立PHD數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，首先應(yīng)該搭建好一個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，經(jīng)過前期的調(diào)研，長慶石化公司生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)共有催化原料預(yù)處理、常減壓、催化裂化、加氫裂化、制氫、重整PSA、二聯(lián)合裝置、硫磺回收、連續(xù)重整等9套DCS系統(tǒng)，輕質(zhì)崗、原油崗、液化氣站等3套外圍小型PLC系統(tǒng)及15萬方罐區(qū)1套總線系統(tǒng)需要接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

    我們根據(jù)數(shù)采實(shí)際需求搭建生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，DCS、PLC系統(tǒng)交換機(jī)、Buffer數(shù)采機(jī)、生產(chǎn)網(wǎng)匯聚層交換機(jī)、核心交換機(jī)、專網(wǎng)防火墻等硬件設(shè)備通過生產(chǎn)網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)上傳至位于辦公網(wǎng)絡(luò)的PHD服務(wù)器，PHD服務(wù)器又作為MES的服務(wù)器群中的一臺(tái)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳送給其他應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最后通過WPKS服務(wù)器提供給終端用戶，根據(jù)裝置實(shí)際分布情況我們?cè)O(shè)計(jì)鋪設(shè)了4條冗余生產(chǎn)鏈路到相關(guān)裝置的機(jī)柜間，建立了三級(jí)交換的MES生產(chǎn)網(wǎng)。

    由于生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)安全性極高，數(shù)據(jù)采集后要傳送至辦公網(wǎng)絡(luò)的PHD服務(wù)器存儲(chǔ)處理，因此，考慮到系統(tǒng)可能感染病毒等不安全因素，我們?cè)贐uffer機(jī)上做了數(shù)據(jù)采集設(shè)定，只允許從DCS、PLC系統(tǒng)中單向取數(shù)，不允許往DCS、PLC系統(tǒng)中寫數(shù)。另外在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面，我們采用了一臺(tái)Juniper Netscreen 50網(wǎng)絡(luò)防火墻，設(shè)置單向數(shù)據(jù)傳送，開放PHD服務(wù)器與Buffer機(jī)之間的固定通訊端口，包括Oracle的1521端口和RDI的專用端口542**，開放Buffer機(jī)與OPC通過135端口等等安全策略，保證生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的安全。

1.2 數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)方式

    1.2.1 PHD服務(wù)器和Buffer機(jī)搭建

    PHD數(shù)據(jù)庫最重要的功能就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集主要的設(shè)備是PHD服務(wù)器和Buffer機(jī)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求我們?cè)谵k公網(wǎng)MES服務(wù)器群中搭建了一臺(tái)PHD服務(wù)器，在13套裝置的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間搭建了Buffer數(shù)采機(jī)。其中Buffer機(jī)作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，承擔(dān)了從DCS、PLC系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送給PHD服務(wù)器的任務(wù)，是數(shù)據(jù)采集重要的中間環(huán)節(jié)，Buffer機(jī)采用了雙網(wǎng)卡設(shè)計(jì)。

    1.2.2 Buffer機(jī)與DCS通訊配置

    長慶石化公司過程控制主要采用ABB AC800F DCS系統(tǒng)、ABB AC460 DCS系統(tǒng)、西門子S7-300 PLC系統(tǒng)、Modicon PLC系統(tǒng)、Bristol Babock PLC系統(tǒng)及SAAB總線系統(tǒng)。各套系統(tǒng)基本支持標(biāo)準(zhǔn)的OPC 2.0接口對(duì)外通訊，因此我們采用OPC底層通訊方式。將Buffer機(jī)作為DCS、PLC的一個(gè)終端操作站，并在上面安裝相應(yīng)系統(tǒng)廠家的OPC Server軟件或者使用第三方廠家的OPC Server軟件如Matrikon公司的OPC通信軟件MatrikonOPCSimulation。但長慶石化公司的ABB Freelance 2000 DCS系統(tǒng)比較特殊，需在DCS的工程師站上進(jìn)行組態(tài)配置，作為專門的OPC Server站，然后安裝F2K OPC Server軟件。

    此外，雖然長慶石化公司Buffer機(jī)軟件和OPC Server軟件都安裝在一臺(tái)終端電腦上，但是為了實(shí)現(xiàn)Buffer機(jī)與OPC Server的本機(jī)通訊還得進(jìn)行DCOM配置（分布式組件對(duì)象模型）。配置完成后進(jìn)行連接測(cè)試，在連接的時(shí)候需要在Server Node一欄填入DCS操作站的IP,刷新清單（Refresh List）查找DCS提供的OPC服務(wù)，成功搜到服務(wù)，連接可得到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（與在DCS操作相同），說明測(cè)試成功，Tag列表所顯示的Value應(yīng)該和DCS畫面上一致。

    1.2.3 數(shù)據(jù)采集傳輸方式

    根據(jù)PHD技術(shù)架構(gòu)圖，Buffer機(jī)作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，將DCS、PLC采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自己的數(shù)據(jù)庫中，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c它連接的PHD服務(wù)器。

    霍尼韋爾的Uniformance PHD作為一體化應(yīng)用平臺(tái)提供了連接多種系統(tǒng)的產(chǎn)品化接口RDI（Realtime Date Interface），RDI是PHD系統(tǒng)采集傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通道，也是Buffer機(jī)與PHD服務(wù)器之間交換數(shù)據(jù)的通道。長慶石化公司實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫采用了PHD-PHD的數(shù)據(jù)采集傳輸模式：首先將PHD服務(wù)器配置成Shadow PHD服務(wù)器，即主PHD服務(wù)器；然后在各裝置現(xiàn)場(chǎng)的Buffer機(jī)上配置Buffer PHD，作為遠(yuǎn)程PHD，兩臺(tái)PHD采用相同的安裝配置，它們使用相同的關(guān)系數(shù)據(jù)庫；然后通過RDI接口配置文件分別給遠(yuǎn)程PHD和主PHD服務(wù)器配置相關(guān)聯(lián)的IP地址和RDI端口，這樣Shadow RDI與Buffer RDI建立傳輸通道，RDI接口需要用到固定的偶數(shù)端口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，該偶數(shù)端口不能重復(fù)且不能與系統(tǒng)常用端口沖突，必須根據(jù)RDI接口數(shù)量合理的規(guī)劃，長慶石化公司的RDI端口從54200開始依次往上增至54224。遠(yuǎn)程 PHD通過本機(jī)的Buffer RDI實(shí)現(xiàn)與本機(jī)的OPCServer的通信，數(shù)據(jù)被采集并保存到 Buffer PHD中，Shadow PHD通過Shadow RDI取得 Buffer PHD中的數(shù)據(jù)，完成了數(shù)據(jù)PHD-PHD模式的傳送，也完成了PHD的實(shí)施流程。數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

1.3 數(shù)據(jù)模版及流程圖定制

    在完成了Buffer機(jī)和PHD服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通訊功能后，需要進(jìn)行監(jiān)控位號(hào)的數(shù)據(jù)庫錄入和流程圖的繪制、數(shù)據(jù)鏈接工作，以便于終端用戶查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在此過程中，需要導(dǎo)入大量的監(jiān)控位號(hào)配置信息，如果完全依靠手工方式添加，必定耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。Honeywell提供了集成在 PHD Configuration Tool 中的批量導(dǎo)入位號(hào)配置信息的工具 Tag Loader。該工具可以批量導(dǎo)入CSV格式的位號(hào)配置文件。我們只需要將裝置監(jiān)控位號(hào)的相關(guān)參數(shù)輸入設(shè)計(jì)好的PHD數(shù)據(jù)模板即CSV格式的位號(hào)配置文件，就可以一次性完整導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。PHD數(shù)據(jù)模板包含Tagname、SRC_TAGNAME 等 7 個(gè) 字 段，Tagname代表PHD系統(tǒng)的位號(hào)名，最重要的是SRC_TAGNAME 字段，表示數(shù)據(jù)源位號(hào)（一般為OPC），PHD根據(jù)該位號(hào)周期性讀取數(shù)據(jù)，需要特別注意的是只有符合格式要求的CSV文件才能順利導(dǎo)入PHD數(shù)據(jù)庫中。各個(gè)監(jiān)控位號(hào)的參數(shù)如果日后發(fā)生變動(dòng)，也可通過單獨(dú)更改CSV文件中該位號(hào)的參數(shù)信息覆蓋導(dǎo)入或者通過數(shù)據(jù)庫管理工具Uniformance單獨(dú)更改該位號(hào)的參數(shù)信息。

    為了將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在流程圖上便于查看，我們還需要使用Honeywell的HMIWeb Display Builder軟件繪制流程圖，可以通過制作模版將不同裝置的同類設(shè)備都可以抽象成統(tǒng)一的模板從而繪制出流程圖。最后將監(jiān)控位號(hào)鏈接到流程圖上的顯示位置即可。

2 PHD系統(tǒng)在桌面平臺(tái)的具體應(yīng)用

    PHD系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫采集到的數(shù)據(jù)通過應(yīng)用服務(wù)器的處理后，通過WPKS服務(wù)器在網(wǎng)頁中顯示出來，用戶可以通過 B/S方式看到各種應(yīng)用結(jié)果，如各裝置流程圖的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史趨勢(shì)，各種工藝參數(shù)的考核指標(biāo)等等，為工藝技術(shù)人員和管理層提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2.1 工藝流程圖及趨勢(shì)查看

    流程圖是PHD模塊最直觀的應(yīng)用，可以將DCS、PLC系統(tǒng)中的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過鏈接到MES平臺(tái)中進(jìn)行點(diǎn)擊瀏覽，顯示在模擬流程圖中，讓各個(gè)裝置相關(guān)工藝技術(shù)員和負(fù)責(zé)人在辦公室就能詳細(xì)了解到裝置目前的運(yùn)行狀況，為生產(chǎn)管理提供了參考。功能上，除了能查看實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)外，還能查看具體某個(gè)位號(hào)的簡單趨勢(shì)圖。如果想進(jìn)一步觀察該位號(hào)或多個(gè)位號(hào)的趨勢(shì)走向，可以打開復(fù)雜趨勢(shì)功能圖。在該功能圖上可以查看某個(gè)位號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)的趨勢(shì)，該時(shí)間跨度可由用戶自由設(shè)定。還可以標(biāo)記某個(gè)位號(hào)趨勢(shì)圖上數(shù)據(jù)點(diǎn)及相應(yīng)數(shù)值，將多個(gè)位號(hào)同時(shí)顯示在趨勢(shì)圖中以作對(duì)比，利用游標(biāo)功能，可以在趨勢(shì)線上滑動(dòng)以觀測(cè)位號(hào)數(shù)值的變化，勾選“3D”功能按鈕還可以查看3D效果的趨勢(shì)圖。

2.2 電子工藝臺(tái)賬

    工藝臺(tái)帳由管理人員根據(jù)事先設(shè)定好的臺(tái)帳內(nèi)容為模版，設(shè)定完成后，除非更改參與計(jì)算的工藝指標(biāo)，否則以后無需進(jìn)行重新設(shè)定。工藝臺(tái)帳可以根據(jù)時(shí)間生成，以滿足生產(chǎn)管理的需要，工藝臺(tái)帳生成后，可以導(dǎo)出Excel文件保存。

2.3 平穩(wěn)率設(shè)定

    根據(jù)采集上來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)我們可以設(shè)定某一個(gè)位號(hào)的數(shù)值上限和數(shù)值下限，監(jiān)控某個(gè)位號(hào)是否超出規(guī)定的上先限值，從而達(dá)到考察裝置在某個(gè)班組的運(yùn)行情況。該功能類似于石油化工行業(yè)中常用的“工藝卡片”功能，可以將“工藝卡片”電子化，提升生產(chǎn)管理效率。利用該功能可以很清楚的看出某一時(shí)刻，裝置哪些位號(hào)發(fā)生了偏差，哪些位號(hào)曾經(jīng)發(fā)生了偏差。只要曾經(jīng)發(fā)生過偏差，當(dāng)發(fā)生偏差時(shí)，可以查看該位號(hào)簡單走勢(shì)圖，直觀地了解偏差發(fā)生時(shí)的具體情況。

3 應(yīng)用的實(shí)際效果

    首先，作為DCS的輔助查看工具，PHD數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)方便了技術(shù)人員和管理層在辦公室實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)操作狀態(tài)，PHD將DCS數(shù)據(jù)按照2分鐘一次的頻率采集到服務(wù)器，技術(shù)人員在辦公室查就能看到工藝流程圖上每個(gè)位號(hào)的最新生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

    其次，由于通過PHD數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并進(jìn)行校正、補(bǔ)償，剔除跳變值、死值，確保數(shù)據(jù)的高可靠性，可作為生產(chǎn)分析的依據(jù)。因此，技術(shù)人員可使用電子工藝臺(tái)賬根據(jù)設(shè)定時(shí)間導(dǎo)出工藝參數(shù)報(bào)表，制作周報(bào)月報(bào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和上報(bào)。另外可使用平穩(wěn)率設(shè)定功能作為考核操作工對(duì)裝置生產(chǎn)工藝操作的依據(jù)，極大的提高了生產(chǎn)調(diào)控的管理。

    最后，PHD系統(tǒng)完善了數(shù)據(jù)的歷史記錄，在DCS中由于數(shù)據(jù)量很大，單單通過DCS控制器的緩存和上位機(jī)的硬盤存儲(chǔ)，很快就會(huì)空間不足，因此長慶石化公司的DCS系統(tǒng)只能記錄最近15天的歷史數(shù)據(jù)。這對(duì)于技術(shù)人員和管理層往往需要查看某個(gè)位號(hào)的1個(gè)月甚至更長的歷史數(shù)據(jù)和趨勢(shì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而霍尼韋爾的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并且PHD服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量的服務(wù)器磁盤陣列上，然后按照調(diào)度計(jì)劃設(shè)定存儲(chǔ)在了HPMSL6000磁帶機(jī)內(nèi)，保證了數(shù)據(jù)查詢最長可以達(dá)到3個(gè)月，有利于技術(shù)人員和管理層對(duì)一段時(shí)間數(shù)據(jù)的分析和制定生產(chǎn)決策。

4 結(jié)束語

    總的來說，PHD系統(tǒng)作為MES的一個(gè)子模塊，發(fā)揮了承上啟下的作用。在13套裝置投用后，數(shù)據(jù)通訊可靠，未出現(xiàn)影響相關(guān)軟件取數(shù)的情況，整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)有的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及桌面應(yīng)用等功能，同時(shí)可以很好地和LIMS系統(tǒng)、物料平衡、運(yùn)行管理、物料移動(dòng)等模塊兼容和數(shù)據(jù)交換，達(dá)到了預(yù)期效果，很好地為生產(chǎn)操作服務(wù)。 

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