占葉勇，朱浙軍，徐江軍，侯斌，李飛燕

(浙江恒逸石化有限公司，浙江 杭州 312000)

PI實時數(shù)據(jù)庫[1-3]是流程工業(yè)智能工廠體系結(jié)構(gòu)中的一個重要組成部分，作為面向工業(yè)過程的軟件平臺，該數(shù)據(jù)庫不僅承擔(dān)著過程數(shù)據(jù)的集成任務(wù)，而且還支持控制層和過程監(jiān)控層的許多應(yīng)用[4]。

本文將從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的建立、系統(tǒng)范圍、接口及系統(tǒng)集成、功能模塊、系統(tǒng)安全策略、數(shù)據(jù)處理6個方面全面介紹某公司在文萊項目中PI實時數(shù)據(jù)庫項目的建設(shè)。

1 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

目前，石化企業(yè)一般都會建立生產(chǎn)控制網(wǎng)和辦公信息網(wǎng)，但是兩個網(wǎng)絡(luò)之間是相互獨立的，如果想真正實現(xiàn)智能工廠，則必須打通這兩個網(wǎng)絡(luò)。所以首先需要建立一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)該功能，該公司在文萊項目的智能工廠數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，建立全廠裝置的實時數(shù)據(jù)采集平臺[5]，采集點7萬多點，流程圖1.5×103張，報表20張，以客戶機與服務(wù)器架構(gòu)(C/S)和瀏覽器與服務(wù)器架構(gòu)(B/S)方式顯示各生產(chǎn)裝置、罐區(qū)、公用工程和熱電等生產(chǎn)運行參數(shù)。該項目全廠裝置控制系統(tǒng)采用橫河CENTIUM CS系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供的DCS接口包括： OPC,L2/L3交換機。

2 接口及系統(tǒng)集成

PI實時數(shù)據(jù)庫提供了豐富的接口，包括OPC，Modbus，WEBservice，API等[6-8]，該項目根據(jù)DCS的OPC服務(wù)器的數(shù)量和性能，在數(shù)據(jù)采集機上運行采集接口軟件，將采集的實時數(shù)據(jù)存入到實時數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)集成方式如圖2所示，以O(shè)PC服務(wù)器為界，OPC服務(wù)器以下歸儀控部負(fù)責(zé)，OPC以上歸信息部負(fù)責(zé)。

圖1 全廠數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成示意

PI實時數(shù)據(jù)庫通過OPC接口集成了分散控制系統(tǒng)(DCS)，安全儀表系統(tǒng)(SIS)，火災(zāi)報警系統(tǒng)(FGS)，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)，通過ODBC接口向下集成實驗室化驗系統(tǒng)(LIMS)。數(shù)據(jù)采集周期為5 s，這些數(shù)據(jù)存儲后再通過API接口提供給制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，儀表管理系統(tǒng)(AMS)，LIMS，企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(ERP)，一定程度上減弱了智能工廠各個系統(tǒng)間信息孤島效應(yīng)。

3 系統(tǒng)功能模塊

3.1 數(shù)據(jù)存儲模塊

根據(jù)裝置、罐區(qū)和公用工程等生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的位號，集中組態(tài)存儲到實時數(shù)據(jù)庫中，統(tǒng)一管理、訪問和發(fā)布。

3.2 工藝流程畫面開發(fā)模塊

工藝流程畫面的開發(fā)是系統(tǒng)實施過程中的一個要點，畫面的標(biāo)識用中英文。具體包含以下幾方面：

1)裝置總覽圖。在該畫面上集中了全廠各主要的生產(chǎn)裝置及其生產(chǎn)流程，點擊相應(yīng)裝置的關(guān)聯(lián)按鈕，可以快速切換到相應(yīng)裝置的詳細(xì)流程圖畫面，各主要生產(chǎn)裝置間相互鏈接的主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以及時反饋給操作員。

2)計調(diào)部管理畫面。為方便計劃調(diào)度部統(tǒng)一管理全廠生產(chǎn)運行，制作了全廠儲罐監(jiān)控圖、氫氣系統(tǒng)圖、公用工程監(jiān)控圖、蒸汽系統(tǒng)圖、風(fēng)系統(tǒng)總圖、除鹽除氧水總圖、全廠物料總貌圖。

3)裝置細(xì)節(jié)流程圖。參照DCS 畫面進行開發(fā)，但又不完全相同，畫面信息比DCS畫面更豐富，如在畫面增加了流程畫面之間的關(guān)聯(lián)按鈕，相關(guān)裝置間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)計算值等，能夠幫助操作員了解更詳盡的生產(chǎn)信息。

4)電力系統(tǒng)圖。電力系統(tǒng)監(jiān)控圖主要用于展示公司電力進線、汽輪機發(fā)電供往各車間的電力監(jiān)控流程圖，在流程圖上實時顯示各進線的電流、電壓、功率等參數(shù)。

5)生產(chǎn)過程報警管理。根據(jù)所提供的報警位號表，當(dāng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)超出報警上下限時提示報警，幫助用戶及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的異常情況并能追蹤歷史數(shù)據(jù)。

6)設(shè)備與運行監(jiān)控。設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控實現(xiàn)設(shè)備運行狀況實時監(jiān)測、歷史/實時數(shù)據(jù)趨勢顯示、歷史數(shù)據(jù)對比分析等功能。設(shè)備運行監(jiān)控圖實現(xiàn)了全廠關(guān)鍵設(shè)備的開停狀態(tài)顯示，運行參數(shù)的實時監(jiān)控，重要設(shè)備的運行時間累積；并結(jié)合工藝設(shè)備管理規(guī)定，監(jiān)視設(shè)備生產(chǎn)運行的關(guān)聯(lián)參數(shù)和狀態(tài)，輔助發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題。通過對設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置報警條件，實現(xiàn)異常狀態(tài)設(shè)備的報警，提高設(shè)備的運行效率和使用率。

7)環(huán)保安全。環(huán)保監(jiān)控圖用于實施顯示全廠污染源排放監(jiān)控，監(jiān)控內(nèi)容包括各裝置污水排放、熱電裝置氣體排放等。對各排放的參數(shù)進行指標(biāo)配置，超出指標(biāo)能實時報警。

4 系統(tǒng)安全策略

4.1 物理訪問

該系統(tǒng)全部硬件部署于廠區(qū)內(nèi)，廠區(qū)有出入許可制度，外來訪客需在員工陪伴下才可以進入廠區(qū)。

該系統(tǒng)全部服務(wù)器均部署于IT機房內(nèi)，僅有相關(guān)員工及得到授權(quán)的供應(yīng)商才可以進入IT機房操作服務(wù)器。該系統(tǒng)全部接口機均部署于現(xiàn)場機柜或其他專用機柜中，鑰匙由專人掌握，僅有相關(guān)員工及得到授權(quán)的供應(yīng)商才可以接觸到這些計算機。

4.2 環(huán)境安全

該系統(tǒng)全部服務(wù)器、接口機及網(wǎng)絡(luò)硬件均部署于溫濕度合適的環(huán)境中，周圍有適當(dāng)?shù)姆阑鸫胧麄€系統(tǒng)由UPS供電。

4.3 生產(chǎn)系統(tǒng)安全

該系統(tǒng)優(yōu)先使用OPC協(xié)議連接自控系統(tǒng)，采用廠商提供的OPC服務(wù)器并由廠商部署實施[9]。

OPC服務(wù)器為唯一與自控系統(tǒng)連接的服務(wù)器，由設(shè)備廠商配置以確保底層自控系統(tǒng)的安全。OPC服務(wù)器中全部點位配置為只讀，可以確保在任何情況下自控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均不會被上層系統(tǒng)所影響。

4.4 網(wǎng)絡(luò)安全

除使用防火墻隔離生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)以外，在生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)之間也部署防火墻，并且僅開放PI實時數(shù)據(jù)庫相關(guān)端口，以確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的安全運行。

該項目中的其他服務(wù)器如Web服務(wù)器等均設(shè)置于辦公網(wǎng)絡(luò)中，容易受到病毒和各種網(wǎng)絡(luò)攻擊等的影響，通過在操作系統(tǒng)中安裝殺毒軟件和使用軟件防火墻來防范。

4.5 Windows系統(tǒng)安全

該系統(tǒng)全部計算機均安裝廠商技術(shù)支持期之內(nèi)的操作系統(tǒng)，并由IT部門及時安裝各種補??；均安裝專用的殺毒軟件，并定期升級，殺毒軟件的例外規(guī)則由具體的系統(tǒng)軟件指定，并需在設(shè)計文檔中詳細(xì)列出。

針對系統(tǒng)已發(fā)現(xiàn)的重要安全漏洞，在測試環(huán)境進行補丁更新，分別測試在安裝補丁后的運行情況，通過測試后再在生產(chǎn)環(huán)境安裝，以避免系統(tǒng)遭受已發(fā)現(xiàn)安全漏洞的威脅。

4.6 Windows登錄控制

該系統(tǒng)的全部計算機均按照“最低權(quán)限”原則配置訪問權(quán)限，其中，全部服務(wù)器及接口機均只接受指定管理員賬戶的本地登錄及局域網(wǎng)內(nèi)遠(yuǎn)程登錄。

賬戶策略包括口令策略和賬戶鎖定策略，設(shè)置合理的密碼長度、密碼存活期、啟用密碼復(fù)雜度，設(shè)置賬戶的鎖定閾值和鎖定復(fù)位時間。防止用戶設(shè)置弱密碼，以阻止字典攻擊和暴力破解[10]。

4.7 PI實時數(shù)據(jù)庫安全控制

PI實時數(shù)據(jù)庫支持基于角色的用戶權(quán)限管理，用戶只能在相應(yīng)的授權(quán)范圍內(nèi)管理或使用數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并將這些數(shù)據(jù)用于分析、報表和可視化；具有運行管理功能、審計功能和日志功能；具有阻止計算機病毒入侵的嚴(yán)格措施，以及防止因人為因素造成的破壞數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的容錯能力，從而確保PI實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)在全面的審計跟蹤過程中的完整性。

PI實時數(shù)據(jù)庫采用開放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，可支持系統(tǒng)多級熱備冗余，在國內(nèi)及國際均處于領(lǐng)先水平。支持超過450種標(biāo)準(zhǔn)接口保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、可靠和有效。

PI實時數(shù)據(jù)庫不僅能采集各類實時數(shù)據(jù)，還支持標(biāo)準(zhǔn)接口采集事務(wù)/事件性數(shù)據(jù)。事務(wù)數(shù)據(jù)的采集可通過周期方式和事件觸發(fā)方式，其中周期方式的周期可低于1 s，事件觸發(fā)方式可實時響應(yīng)。

5 數(shù)據(jù)處理

PI實時數(shù)據(jù)庫提供了一套強大的數(shù)據(jù)計算的工具，主要分布在以下幾個軟件中： PIDatalink，PIProcessbook及后臺位號組態(tài)工具計算。充分利用PI實時數(shù)據(jù)庫提供的計算工具，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行處理，一定程度上幫助生產(chǎn)人員深入掌握生產(chǎn)狀況。

5.1 罐容系統(tǒng)計算

根據(jù)液位查找油品物理容積，根據(jù)液位和密度計算壓力修正，根據(jù)油品溫度和環(huán)境溫度計算儲罐膨脹系數(shù)[11]，則儲罐儲油量計算公式： 修正體積=(油品物理容積-壓力修正體積)×膨脹系數(shù)，儲罐儲油量=〔(修正體積-水的體積)×體積修正系數(shù)-浮盤體積〕×(油品密度-0.001 1)×(1-含水率/100)。

5.2 回流比計算

回流比是精餾塔操作的重要參數(shù)，但DCS上只有回流量的顯示，通過回流比的計算公式： 回流比=回流量/采出量，然后對應(yīng)各自的位號，可算出各精餾塔的回流比。

5.3 泵閥使用效率

泵閥使用效率=泵閥的啟動時間/總時間，泵閥啟動時，其啟停信號為1；關(guān)閉時，啟停信號為零。通過累計這些信號，就可準(zhǔn)確地計算出泵閥的使用效率，給泵閥的檢維修提供可靠的依據(jù)。

6 結(jié)束語

建立了一個集中的實時數(shù)據(jù)庫(RTDB)系統(tǒng)，通過與石化生產(chǎn)裝置、罐區(qū)、電廠等DCS，PLC等的集成，實現(xiàn)生產(chǎn)過程實時監(jiān)控、報警、運行參數(shù)分析等功能，為企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度以及生產(chǎn)決策帶來了便利，提高了企業(yè)的工作效率，必將給企業(yè)創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。