大庆金桥“实时数据库”助力石化行业信息化

        20世纪80年代后期，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，流程工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉；同时，信号处理技术、计算机技术、通信技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理和经营于一体的综合自动化新模式。

         20世纪90年代，随着计算机技术的日新月异，计算机集成生产系统的研究已成为自动化领域的一个前沿课题。大型流程工业企业，特别是石油化工、电力、钢铁等传统流程行业十分重视信息集成技术的应用，纷纷以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统。通过计算机网络向上下游、产供销一体化或集成化方向发展，以数据模型为核心的工厂信息集成系统方案，信息采集从底层到上层，从供应链的源头到尽头，而计算结果和指令则从上层一直传递到底层。它以面向数据（而非面向应用）的模型为核心系统，对生产过程进行过程监视、控制和诊断、环境监测、单元整合、模拟和优化。并在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、排产、企业资源计划、离线在线模拟与优化等。


企业信息化的层次

        从流程行业的整个企业的生产管理过程来看企业的生产管理可以分成三个级别：过程监控级、生产管理调度、决策管理层。不同的层次对数据的时效性的要求也不一样，下图描述了企业的生产信息化三个层次的区别。





         过程监控级在装置、车间一级对生产设备和过程进行监控处理，按预先定义的过程操控生产装置，发现生产当中的异常情况并及时处理。在这一级，主要是各类DCS、PLC、智能仪表等现场监控设备，对数据的时效性有很高的要求，要求数据采集在秒级，毫秒甚至更高的速度。

        生产管理调度层是公司的技术、调度人员对生产管理监控。在这一级别对数据实时性的要求比较低，主要是通过分析历史数据分析历史生产过程并指导或改进生产。要求有一个完整的企业历史数据平台。

        在企业的决策管理层面，往往需要综合市场、财务、安全等多方面的因素考虑生产情况，公司领导更关注的是产量、库存、成本等，在这一层面要求数据的准确性。


为什么需要实时数据库

       在企业中，对监控一级基本上实施了计算机控制，在管理层也有很多企业实施了信息化，但是对于企业一线的生产数据其数据流程如下图所示：





生产数据流程



         从上图我们可以看出，在企业里往往是通过手工记录并且通过人工录入或以纸质媒介的方式进行数据的交流和存档。在这种模式中，主要存在以下几方面的不足：信息不能及时传递：因为要经过几个相关的环节，并且每个环节都要进行相应的处理，决策层不能及时了解生产情况；数据的有效性难以得到保障：由于工作的疏忽或其它原因，所存贮数据和真实数据的误差在所难免；信息的查询、检索、共享和进一步的分析不方便；增加了劳动强度和管理成本。

        因此，对于企业来说，一个能整合各种生产信息数据的技术平台是十分必要的。这个信息平台能实时从过程监控一级读取数据，并加以存贮，同时还可以为企业的其它的信息化平台提供数据。实时数据库技术正好满足了企业的这种需要，通过智能接口从过程监控一级自动读取数据，并且把实时数据存贮起来，通过各种开放接口为用户的其它系统平台提供数据。


实时数据库产品现状和特征

        由于实时数据库技术是一个涉及多学科的综合技术平台，具有很高的技术含量因此现在能产品化的实时数据库平台还很少。国外商品化的软件有PI和InfoPlus等产品，国内目前商品化的软件有紫金桥实时数据库。紫金桥实时数据库从1993年开始研发，两次承担国家863计划，多次承担国家、省部级重点项目，而且已经在大庆石化、燕山石化、格尔木炼油厂等大型化工企业有过应用，而且产品已经出口到哈萨克斯坦、苏丹等大型化工企业。下面我们将以紫金桥实时数据库为例介绍实时数据库各部分功能。

        实时数据库具备两个特征：一是数据库，即能处理海量数据，紫金桥实时数据库测试最大案例是20万点，实际运行为5万多点，完全符合大型流程行业的应用。

        第二个特征是其实时性，能保证数据的实时存贮，并对实时数据进行压缩存贮。实时数据库与传统的关系数据库不同，关系数据库是面向事务处理的，强调的更多的是数据的相互关联、完整性等特征，其数据来源主要是人工录入或操作。而实时数据库则是面向流程行业的，其数据主要是强调其实时性，其数据来源是从各种生产装置中自动获取。两者也有一定的相似性，都是对海量数据进行管理和存贮。

        在提到实时数据库的实时性时往往容易想到实时控制系统。实时控制系统是在过程监控级的控制系统，它对实时性的要求更高，要求系统在毫秒甚至微秒级对数据进行处理。这种实时系统，需要在硬件和操作系统进行配合，这种实时控制系统也叫硬实时控制系统。而实时数据库系统的实时性是相对关系数据库而言的，它运行在Windows NT或Windows 2000等非实时性操作系统上，是软实时系统。

实时数据库作用和组成

        实时数据库和关系数据库一样，实时数据库的核心功能是数据的存贮和管理，并为其它系统提供实时和历史数据。在工厂中的作用可以用下图表示：





实时数据库工作图



         从上图可以看到实时数据库的是整个工厂生产管理的核心，它消灭了以前各个控制系统的信息孤岛。通过实时数据库，各个控制系统的信息共享成为了现实，而且可以把以前各个系统在实时数据库平台上有机统一起来。根据实时数据库的功能，可以把实时数据库分成三部分：外部接口、实时数据库内核和功能组件。

紫金桥实时数据库提供了多种外部接口以满足和不同系统的接口需要，如下图示：





         实时数据库可以和关系数据库进行双向通讯，两者的数据可以通过接口共享，因此实时数据库可以为基于关系数据库开发的管理系统提供实时数据。通过API、控件、OPC、DDE等接口可以实现优化控制、在线调度、OFFICE集成办公系统等生产管理系统。紫金桥实时数据库的流程图、趋势等组件通过内部接口和实时数据库高效通讯。通过IO接口可以把各类控制系统的数据接入到实时数据库。

实时数据库的核心是进行实时数据的采集和历史数据的管理。其内部关系图如下：





         从上我们可以看到，实时数据库把实时数据采集到计算机后先进行数据的初步处理，然后对实时数据进行进一步的处理，如报警、事件记录、历史存贮、统计分析等等。

        实时数据库主要功能是对历史数据进行压缩存贮管理，紫金桥软件通过10多年的研究在实时数据压缩算法上取得重大突破，针对实时数据的特点，在数据处理、压缩算法和磁盘存贮上都作了相应的优化，既满足实时数据的高压缩比的性能需求，又能提供数据的快速检索能力。在紫金桥实时数据库中，典型情况下一万点的实时数据存贮一年的空间不超过10G，从10年的历史数据定点查询一个点某一时刻的数值所须需的时间在毫秒级。

         实时数据库的安全性同样很重要，紫金桥的数据通过分级分区管理，实现用户对数据的授权访问。通过对数据的加密存贮和检验算法，可以防止数据外泄和病毒感染，确保敏感数据的安全性。

紫金桥实时数据库提供了一系列集成的管理工具方便用户使用。由于组件数量很多，以下将介绍主要组件：

流程图组态工具：通过流程图组态工具可以完成流程行业的工业流程图的制作，紫金桥流程图组态工具提供了基本图形对象和丰富的功能组件，通过预定义的动画效果和脚本可以十分方便地画出流程图。

流程图显示：对流程图组态的结果进行解释并动态执行，动态显示工厂生产实况。