实时数据库平台实施技术综述_实时数据采集_OPC

实时数据库平台实施技术综述

2006/10/24 9:08:00

引言众所周知，由于技术发展的原因，企业生产过程监控采用着来自众多厂商的不同种类的监控系统。这些系统都是面向装置或设备的，每个系统只能采集或管理相应装置或设备在运行过程中产生的部分实时数据。就企业整体而言，缺乏一个统一的、完整的、企业级实时数据管理平台，以支持多装置/设备协调优化控制和生产管理实时决策优化。由于生产过程产生的数据有效期短，而且数据量大，传统的集散式控制系统(DCS)和关系数据库技术并不能完全解决问题。DCS数据存储能力有限，同时企业中异构的DCS无法进行有效的数据共享；而流行的关系数据库数据处理速度低，关系数据模型无法对生产过程数据进行高效的存储。由此，人们将实时数据处理技术与数据库技术结合，开发出了实时数据库系统，为企业信息化提供统一而完整的企业级实时数据库服务平台，使企业经营管理决策层能够对生产过程进行实时动态监控与分析，随时掌握企业运行状况，及时发现问题并进行处理，从而降低生产成本，提高产品质量。在此基础上，实现实时网络和管理网络、实时数据库和管理数据库的无缝集成，加强数据采集、整合、集成和应用，建立企业成本控制体系，可以为ERP系统提供实时、可靠、准确、唯一性的经营和成本数据，全面提高企业经济效益和市场竞争能力。 2004年在中国海洋石油总公司的天然气下游专业公司--中海石油化学有限公司（以下简称化学公司），实施霍尼韦尔公司的Uniformance实时数据库平台，本文作者作为主要技术人员，全程主持了该项目的技术工作，现对实施过程中涉及到的相关技术要点、实施技术难点及注意事项作一个综述，希望能对同行有所启示。 1 实时数据库实时数据库系统是其数据和事务都具有时间属性，或显式的时间约束的数据库系统。在实时数据库系统中，事务处理的正确性不仅依赖于逻辑结果的正确性，而且依赖于逻辑结果产生的时间是否满足相应的时间约束。实时数据库系统中的数据对象都有一个有效时间间隔，表示它在这个时间段内足够真实地反映了物理环境的当前状态。因此，任何与该数据对象有关的事务处理必须在有效的时间间隔内完成。也就是说，实时数据库系统中的事务处理时间具有可预测性。霍尼韦尔公司Uniformance是工厂服务的信息数据库及历史化模件。它采集、集成、保持长时间的历史数据，包括连续和离散的生产数据、过程性能以及过程相关数据。 Uniformance提供实时数据库以及历史数据库功能，它具有如下的优点： 1)系统的分布式多级结构增加了数据安全、降低了系统和网络负荷。 2)具备很强的信息处理功能，能将采集的原始数据经过处理变成最终用户需要的信息。 3)提供多个客户端工具软件，以便管理人员访问更多及更高精度的历史信息以实现过程分析、故障查找、过程改善、事故分析及跟踪和生成各种报表等多项任务 4)实现了实时数据库PHD与Oracle关系数据库的一体化管理，用户在关系数据库中直接通过位号即可调用生产实时数据。 5)基于Web Server的生产管理信息浏览方案。 6)提供多种实时数据接口RDI，全部为产品化接口，可靠性高。 7)对采集的实时数据点数没有数量限制，具备较高的性价比。 8)丰富的上层应用模件和开放的数据库接口，为今后的ERP等应用打下基础。 9)国内多家石化、化工企业成功的实施案例。 2 数据采集接口实施实时数据平台的关键技术是如何采集各个控制系统的生产实时数据，即数据采集接口技术。通过多年的技术发展，数据采集技术由最初的RS232、RS485、Modbus、DDE，发展到目前最新的OPC2.0接口规范。 OPC（OLE for Process Control）是一个工业标准，它由一些世界上占领先地位的自动化系统和硬件、软件公司与微软（Microsoft）紧密合作而建立的。这个标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC 的客户机之间交换自动化实时数据的方法。管理这个标准国际组织是OPC基金会，OPC基金会现有会员已超过220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。OPC已被确定为全球事实性的工业标准。OPC基于微软的OLE (现在的Active X)、COM (部件对象模型)和DCOM (分布式部件对象模型)技术。OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。Active X/COM技术定义各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据。不论过程中采用什么软件或设备，OPC为多种多样的过程控制设备之间进行通信提供了公用的接口。简言之，应用OPC接口实现数据采集，对于监控系统厂商而言，需要其依据OPC规范开发出各自的OPC　Server，而对于实时数据库厂商而言，只需要一套满足OPC标准的OPC　Client软件，即可实现对所有监控系统的数据采集工作。我们在项目实施前就明确要求使用OPC标准接口，保证系统的先进性。化学公司实施前的主要监控系统及接口情况如表1所示：

表1　　实施前的主要监控系统及接口情况下面详细叙述各个接口的实施情况： 1）一期主装置DCS为CENTUM　CS，版本为R2.08.00，该版本不支持安装OPC接口软件。我们通过DCS系统升级，版本升为R2.12.00，在DCS的V网上增加一个节点，将横河公司提供的EXAOPC接口软件安装在该节点上，实现数据上传。但在实施接口安装时，意外地发现了该DCS系统在网络结构上存在异常，导致数据传送出现问题，具体情况如下：

图1 原一期主装置DCS网络结构图(部分) 如图1所示，由于ACG和E-NET不连接造成OPC站需要的数据无法传递。这是因为OPC站需要指定参照数据库的IP和HOSTNAME。而且OPC站在EWS的系统构成表里是不允许设定V-NET的IP，那么OPC站在第一次安装和系统下装后，需要通过ACG跟控制站进行系统等值化，由于无法连接ACG，无法完成TAGLIST的等值化，造成现在OPC站能看见工位名，而没有数据的情况发生。经过技术分析，我们对以上网络实施了结构改造。改造后的网络结构如图2：

图2 改造后一期主装置DCS网络结构图(部分) 改造后OPC节点可以顺利读取控制站的现场生产数据，再在OPC节点安装一块网卡与工控网相连，通过OPC Client机器实现数据采集功能。对于DCS的事件报警信息的采集，由于EXAOPC比较规范，本身即带有OPC E&A 控件，我们按照OPC规范编写E&A Client控件即实现了事件报警的采集。 2）一期脱盐水装置DCS系统是霍尼韦尔早期的产品MicroTDC3000，该系统相对封闭，无法安装数据接口，加上该系统在顺控程序上存在缺陷，因此决定对其实施系统改造。通过综合性价比较，特别是横河公司的CENTUM　CS1000系统具有离线调试功能，可以在PC机上即完成顺控程序的调试，无需等到现场停车时再进行，如此可最大限度地缩短现场调试时间、保证工程质量。因此我们采用CS1000，在改造的同时加入接口单元，安装EXAOPC软件，实现了数据上传。图3是CENTUM　CS及CS1000系统数据采集结构图，两系统不同之处在于考虑装置规模不同，在CS系统中将PHD Buffer Server和ExaOPC安装在两台PC机上，通过网络互连，而在CS1000系统上则将两软件安装在同一台PC机上。

3）表中第3和第6项是一、二期主装置的机组诊断系统，它使用了本特利公司的DM2000系统，需要将系统升级到SYSTEM　1，然后增加一台PC机，安装OPC接口软件，实现数据上传，具体结构图如图4所示。经过与本特利的技术交流，由于SYSTEM　1系统本身即具有较强的分布网络功能和设备管理功能，最终我们没有将其数据纳入到Uniformance系统之中。

4）二期主装置DCS是霍尼韦尔的TPS系统，本身带有DDE接口，但DDE由于其技术局限，具有数据传输速率低、通讯不稳定等缺点，不符合我们项目建设的要求。根据需要，在DCS系统的UCN网上增加APP节点，在其上安装APP TO PHD RDI接口，实现数据上传。对于DCS的事件报警信息，则是使用了霍尼韦尔开发的专门用于采集TPS事件的软件—EVENT JOURNAL COLLECTION，直接从DCS的HM模块中提取事件信息。图5为TPS系统数据采集结构图。

图5　TPS系统数据采集结构图 5）二期净水厂控制系统是SMAR公司的SYSTEM 302总线系统，它本身已经配备了标准OPC接口，所做的工作就是增加一台PC机，采用双网卡，一块挂到总线网络上，另一块挂到工控网上，通过OPC　Client软件将生产数据采集到PC机，再通过Uniformance的PHD TO PHD接口将数据上传到主PHD服务器。 6）二期总变控制系统ESD2000和甲醛厂控制系统JX300均支持OPC，通过购买各自的OPC软件，在其工程师站运行OPC　Server软件，再增加一台PC机，运行OPC　Clientl软件及PHD TO PHD接口软件将数据上传到主PHD服务器。 SYSTEM302、ESD2000及JX300系统数据采集结构图如图6所示。