信息数据采集接口的分析与应用
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摘要：通过对实时数据库软件PHD340中各类型DCS接口的研究与分析，详细阐述了数据采集过程中数据接口的配置与通讯原理，特别是生产装置中主流的DCS系统对数据采集技术的要求与特性，进一步优化了实时数据采集的稳定性、时效性、准确性与安全性。通过对数据的采集频率、存储性能、读取速度、降低负荷等针对性部署与优化，有效提高了对企业智能工厂、生产指挥、质量优化、日效益、日优化等关键信息系统的数据支撑作用，同时在数字化智能化时代，进一步加强数据的使用与集成工作，努力消除数据孤岛，建立统一标准的数据链。
数据采集系统是一个较为成熟的技术，被广泛应用于石油、化工、钢铁、制药等行业。国际较为知名的数据采集系统产品有：PI（PlantInformationSystem）、PHD（ProcessHistoryDatabase）、IP.21（InfoPlus.21）。本文所研究系统为PHD实时数据库系统，是企业一体化解决方案（UMS，UnifiedManufacturingSolution）。
1实时数据库PHD340的总体结构
1.1数据采集接口通讯原理
根据装置监控系统接口多样性的特点，数采站上运行的数据采集软件针对不同的监控系统接口类型，根据数据采集服务器的数据请求，从监控系统读取生产实时数据，并返回给实时数据库。数据采集站具有本地缓存功能，使系统在接口服务器与数据采集服务器之间的网络中断时，数据采集不中断。本文所研究的数据采集模块是利用数采PHD缓存服务器将装置控制系统中的数据采集并转发至实时数据库，根据装置DCS/PLC接口多样性的特点，数采PHD缓存服务器上运行不同的实时数据接口（RDI）。RDI是PHD从控制系统、数据库中获取数据的接口软件，RDI与PHD应用工具相结合使用，具有诊断、恢复、配置管理功能。具体数采协议采用Honeywell的OPCtoRDI，OPC-RDI是Honeywell针对OPC协议开发的通用数据接口，OPC（OLEforProcessControl，用于过程控制的OLE）是一个工业通讯协议标准，基于微软的OLE、COM（部件对象模型）和DCOM（分布式部件对象模型）技术。OPC包括一整套的接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统，该通讯协议适用于通过网络把最下层的控制设备的原始数据提供给作为数据使用者的HMI（硬件监督接口）/SCADA（监督控制与数据采集）、批处理等自动化程序。
1.2数据存储与管理
数据存储与管理系统由实时数据存储与管理及关系数据的存储与管理两大部分组成。实时数据存储与管理基于实时数据库，实时数据库是数据采集系统的实时数据存储中心，存储从各装置采集到的生产实时数据，并向应用系统提供数据服务。企业所用PHD340为全企业范围内的数据采集、存储和管理建立了一整套统一、开放，集成的一体化应用平台，开放型的数据库系统集成所有工厂的过程数据并支持相关应用。它存储与工艺流程相关的几万至十几万位号点的数据，其他应用程序可从这些数据中提取出符合自身需要的信息，并对MES、计量管理系统、生产优化系统等应用系统提供数据接口。这些信息可以用来指导工艺改进，降低物耗，增加产量。实时数据库管理具有以下主要功能：实时数据管理、历史数据管理、标签定义管理、数据备份与恢复等功能。
2数据接口的研究与分析
2.1各类型DCS的数采接口配置与应用
2.1.1中控ECS-700系统
确定中控ECSV700系统的软硬件配置情况，包括操作员站、工程师站节点的IP地址、冗余交换机的网络环境、VF软件的具体版本等基础信息。首先，在组态服务器端打开监控启动软件，下一步进入VF的系统结构组态软件，管理员admin的权限下，在操作域组态处新增操作节点，此操作节点的控制A/B网和信息网IP地址即为服务器指定的数采客户端。OPCServer机器根据系统步骤安装好中控VF软件，配置好指定生成的IP地址后连通与工程师站的控制A、B网与信息网通讯，接下来是启动系统监控软件，选择对应的作用域，根据提示进行当前操作域的全部更新工作，即可完成DCS组态数据的下装工作。接下来需要根据PHD的用户权限来配置本机的DCOM，主要是SUPCON.SCRTCore和OPCEnum的多用户权限，指定通讯账户和标识用户账户，将装置实时数据接入OPCServer[1]。接下来配置虚拟buffer机，并接入网络，网卡一与OPCServer站对接，网卡二接数采专网，在buffer机上创建与OPC服务器统一的通讯账户后，并配置数采RDI采集接口，建立与OPCServer的访问通道，并做好本地缓存机制，通过TPI工具完成buffer机与PHD服务器的SHADOW接口，并配置采集点与父节点。启动PHD服务器端与Buffer端的RDI接口，接口状态正常后即可将装置实时位号值采集至实时数据库服务器端。
2.1.2霍尼韦尔TPS系统
数采站上的数据采集软件响应PHD实时数据库服务器的数据请求，通过APP节点机APISERVER采集系统的生产实时数据，并上传到PHD实时数据库。同时，数采站具有本地缓存功能，在与PHD服务器之间网络通信中断时缓存数据到本地，等网络通信恢复正常后可将数据转发到PHD数据库服务器。HoneywellTPS系统的接口工作包括确定工作站APP节点机和LCN缆的网络状态，OPCServer硬件机器首先安装配置好LCNP客户端，再由LCNP专用板卡接口接入LAN缆来汇入DCS的通讯网络，网卡二接入数采VLAN专网。在buffer机上配置数据RDI采集接口，建立与OPCServer机器的访问通道，做好本地缓存机制。同时，在buffer机器上完成与PHD服务器的Shadow接口通道，根据采集到的数据属性和类型完成数据父节点的配置。
2.1.3横河VP系统
横河VP的DCS通过内部网络配备一台专门用于数据采集的OPCServer机器，其相当于一台只有查询数据没有组态功能的工程师站，通过本机OPC与上层buffer机器的RDI接口协议实现数据采集功能，其主要是通过HISUtility来实现对外的数据发布，其中的权限需要添加ENGUSER、OFFUSER、ONUSER这3个用户[2]。在本机的EXAopcOPC接口上的OPCtab上面确定需要连接的账户名称。完成OPCServer机器的数据发布后，一般采用RemoteRdi通道来完成同PHDBuffer机器的数据传输。RemoteRDI接口的原理为调用实时数据库RDIServer的远程接口方式，实现数据的远程采集。首先，在下层数据所在机器上注册RemoteRdi的服务，远程通道的端口号配置54200，在桌面服务中选择UniformanceRemoteRdi自动运行，登陆账户为本地系统默认账户，同时允许服务与桌面进行数据交互。其内部机制是通过rditcpip.dll和rdiutils.dll的动态链接库为依托，实现与上层RDI接口的数据通讯。
2.1.4霍尼韦尔PKS系统
首先，确定HoneywellPKS系统的软件版本与硬件配置情况，主要是冗余交换机和工程师站的内网地址，确定DCS系统目前数据所在的ServerA/B服务器，在系统各项配置安全的前提下，做好OPCServer机器与DCS服务器的数据通讯[2]。在OPC接口的协议下，使用管理员权限的用户名密码与服务器端保持一致。接下来需要配置DCOM权限来保证数据的正常通讯，具体情况与上文涉及到的DCOM一致。完成后须重启电脑，使用PsOPCClient这个枚举工具来查询到组态服务器上的HWHsc.OPCServer，接着可以add一个group组，选中数据查询其实时值且属性为good。到此表明数据已经成功从DCS服务器接入数采系统中，后续则通过RDIServer来接入上层服务器。
2.1.5浙江中控ECS-100系统
通常来说，中控的OPCServer包括了OPCDA标准和OPCAE标准的OPC服务器，可以向客户端提供实时数据[2]，同时也提供仿真数据供离线进行调试。OPCServer综合版通过广播模式可以和多个客户端程序进行连接，每个连接可同时进行多个动态数据的交换，同时支持以诊断位号实时值的方式，对外提供控制器、通讯模块、I/O模块的诊断项的故障状态[1]。通常数采现场需要配备一台微型工作站和中控软件专用加密锁（即软件狗）认证作为OPCServer。首先，需要安装HASPUser驱动程序来正确识别中控OPC软件狗，在中控JXserver的客户端的系统信息中保证软件狗的正确识别；在中控软件配置正确完毕后，在创建同一个I/O接口下，OPC服务器将采集到的数据转换为OPCDA数据和OPCAE数据，并通过OPC通信专网将这些数据传送到对应的OPCDA/OPCAE客户端，到这里即顺利完成OPCServer的配置工作。接下来在保证用户名和密码的上下级一致后，由实时数据库的UniformancePHDRDIServer服务来完成与OPCServer的数据对接工作。
3实时数据对各信息系统的支持作用
3.1实时数据本地优化技术的体现
实时数据库作为收集全厂工艺数据、设备数据、报警数据、环保数据等多类型数据的第一线，通过上述数据接口技术，保证数据稳定、可靠、时效地传输至实时数据库数据存储系统中。在服务器层面最大限度地利用了实时数据库内部数据的OPC映射传输原理，分布式地实施配置了多台“影子”数据服务器，供上层50余个信息系统使用，取得了保持高并发量且长期稳定运行的良好效果。在实时数据管理与优化的层面上，通常意义上的时标型数据并非仅仅指时间戳、值和可信度，还有一个很重要的属性，那就是及时性。及时性有两重含义，一重是采样间隔和数据的新鲜度。时标型数据的价值随新鲜度降低而递减，而得到数据的新鲜程度往往取决于采样频率。目前，实时数据库从上代的180秒/次提升到了30秒/次，同时在DCS负荷安全允许的许可下，对报警数据、环保数据等特殊生产数据的采集频率进一步提高至5秒/次。采样的频率快慢与否还进一步决定了实时数据库保存信息的丰富程度。
3.2对智能工厂各功能模块的对接
智能工厂系统作为企业信息化水平的综合体现，一定程度上代表着企业的信息化建设程度的高低。目前，实时数据库对智能工厂的设备健康管理与预警和工艺大数据两大组成模块有着举足轻重的支持力。在对装置DCS的重要运行状态的预警监控子模块上，实时数据通过安全数据接口技术采集到控制器的状态、负荷余量，机柜电源状态、UPS电源状态、网络通讯状态、重要机组设备报警、特种阀门报警等一系列的现场设备数据。同时根据智能工厂系统对数据并发量的个性化定制需求，做好实时数据库影子服务器对外接口的优化工作，在保证高并发量稳定传输的同时进一步减小采集间隔，提高数据使用率与数据的新鲜度，使系统界面能够更迅速地自动刷新实时数据。在工艺大参数模块中，实时数据根据系统整体的设计思路需要和算法要求，进一步提升对此模块需求的个性化定制水平。特别是重要生产装置关乎产品质量的在线分析仪数据的采集工作，实时数据库针对以上特性，对包含有在线分析仪数据的装置接口，在安全稳定的前提下需要适当提高数据的采集频率，同时通过接口参数的微调进一步提高接口传输的稳定性。
3.3对装置自控平稳提升及报警操作监控的支持
在装置自控平稳提升及报警操作监控项目上，主要是对装置的自控率、平稳率、报警、操作、控制系统进行监控，实施全流程自动和“黑屏操作”。对此实时数据同样给以巨大的支持，在自控率及平稳率的相关数据采集上，根据P.I.D数据不同的数据类型，数采RDI服务通过各装置DCS的OPCServerDA接口采集到对应的过程数据，由Nginx程序通过80端口转发经硬件防火墙至上层报警操作服务器端，通过汇总分析与后台计算，将各装置回路的自控率与平稳率进行统计、评比、展示与历史查询。同样，DCS报警信息由事件数据采集接口OPCA&E采集到，以只读取不写入的方式读取时间数据，数据采集接口采用订阅的方式获取报警操作数据，订阅式方法为监听接口数据动态。当数据产生时，数据源主动将数据发送到监听端，而非高频率主动访问，不会对数据源产生任何负载。其主要采集的目标为装置运行的过程报警、系统报警、生产操作等事件数据，部署在数采buffer机器上的Nginx程序接收到DCS服务器端得到的事务数据再转发至上层报警操作监控服务器，经过系统后台运算，即可在WEB平台对装置的DCS报警进行实时监视、历史查询、报警KPI考核等一系列的模块与功能。
3.4对企业日优化与日效益平台的大数据支持
目前，日优化管理通过建立一体化的计划-调度-技术-装置优化模型体系，构建一体化全流程优化平台，实现在线全流程的PDCA（计划-实行-检查-调整）计划管理，提供效益测算和最优生产计划。从调度预测开始，实时数据采集到当天的原油调和订单数据以及油品性质分析等相关数据，以及现场的调和头的阀位和储罐的液位，为多套常减压的进料量配比提供数据支持。在产品后续的二次加工计划优化上，目前实时数据库对装置出口产品在线分析仪的数据采集覆盖率已经达到了96%以上，而人工4h～8h间隔的产品化验结果数据已经满足不了调度的指令频率，通过实时数据库接口上来的在线分析仪产品质量数据可以在30s内通讯到日优化平台的多个优化计算模块和进行长期跟踪比对。日效益平台为企业决策层提供多方面、多层次的经营管理成本分析数据，实现对企业各个装置效益的实时监控，推动各生产装置持续优化日效益。通过采集装置的能耗、物料平衡、公用工程计量数据等所需实时数据，经过系统后台优化计算，得出吨油效益、当日效益、总产出、产品产出等实时效益数据，同时强化不同加工量、不同价格体系下的盈利能力分析，不折不扣地抓好原油加工、产品结构、销售策略等优化测算，努力为企业实现效益最大化。
4结论
（1）实时数据库作为生产企业MES、计量管理、生产优化、先进报警、环保监控等系统的重要组成模块，对实时决策、指标考核、节能降耗、稳定生产等起到了积极的作用，有效提高了企业的应变能力和管理水平，让生产过程信息触手可及，消除了“信息孤岛”，拉近生产装置和管理层的距离，弥合了生产车间过程和企业计划层控制系统之间的间隙，实现了底层生产信息的集成。通过对工艺历史数据趋势的分析对比，以及关键性能指标变化趋势分析，可以迅速找到一些工艺疑难杂症的问题所在。通过对实时数据库设备状态长周期的研究，设备工程师可以分析设备的运行状况，提供设备检修计划，最大限度地发挥设备潜力与及保障设备的安全运行。
（2）实时数据库系统集成了数据库与实时系统的功能特性，即支持大量数据的共享，维持其完整性与一致性，又支持数据和事务的时序一致性。PHD实时数据库及其衍生功能还需要进一步的研究、探索和尝试，同时与先进控制APC的交互还可以继续加强，与LIMS系统的配合还需更深入地融合。实时数据库系统是企业信息化建设的核心环节，是智能工厂与生产大数据时代的基石，是过程优化控制和MES、计量管理系统等应用的前提和支撑，企业实时数据库建设已成为流程工业企业信息化建设的一项重要工作。
作者:王寿震 单位:金陵石化 信息化与计量中心
