长庆石化PHD系统的功能实现及应用

0 引言

    长庆石化公司十分重视工业信息化系统的生产数据处理分析，早在2005年就通过与北京中海迅通科技发展有限公司合作，搭建了一套在.NET环境下基于J2EE架构开发的一个生产管理信息系统（简称MIS），它由生产管理、装置操作、油品运行、化验查询、系统管理五个部分组成。通过各生产岗位人员手工将生产重要数据录入系统来实现数据处理分析，生成报表，为管理层和技术人员分析生产情况提供支持。然而该系统未建立与DCS、PLC系统的接口，因此存在无法自动采集实时生产数据，对生产情况的分析无法做到及时全面准确。

    2009年5月，中国石油炼油与化工运行系统（简称MES）将长庆石化做为第二批推广单位开始实施。该系统采用了霍尼韦尔公司的MES（Manufacture Execute System）作为工厂信息化的基础结构，将生产过程数据、物料数据等各种数据采集、存储并处理加工成新的信息资源，通过网上生产实时系统提供给管理、销售、技术等各层次人员，解决了各个部门信息不一致的问题，帮助他们做出及时有效的决策。建立MES系统，首先就是要建立实时数据。霍尼韦尔过程历史数据库PHD（Plant History Database）做为MES系统的一个子模块，也称作实时数据库，是生产信息化工作的基础，确保了其他信息系统模块能够发挥作用。PHD将工厂装置的温度、压力、液位、流量等实时信号值传输并保存到实时数据库，通过内置的与其他模块的接口，完全保证了数据采集的及时和准确性，技术人员和管理层可以及时地掌握生产现状及以前的生产过程，更好地组织、指挥生产，提高绩效，这对长庆石化公司的生产运行产生了积极的作用和重要的影响。

1 系统功能实现

    PHD系统是MES系统的底层模块，主要用于存储和管理生产实时数据和历史数据，为MES的上层模块提供准确和完整的基础数据，主要由数据采集、数据存储与处理和桌面信息展示 3 部分构成。PHD技术架构图如图1所示。

图1 PHD技术架构图

1.1 网络架构设计

    要建立PHD数据库系统，首先应该搭建好一个基础网络平台，经过前期的调研，长庆石化公司生产过程控制系统共有催化原料预处理、常减压、催化裂化、加氢裂化、制氢、重整PSA、二联合装置、硫磺回收、连续重整等9套DCS系统，轻质岗、原油岗、液化气站等3套外围小型PLC系统及15万方罐区1套总线系统需要接入实时数据库进行数据采集。

    我们根据数采实际需求搭建生产网络，DCS、PLC系统交换机、Buffer数采机、生产网汇聚层交换机、核心交换机、专网防火墙等硬件设备通过生产网将采集数据上传至位于办公网络的PHD服务器，PHD服务器又作为MES的服务器群中的一台将生产数据传送给其他应用服务器进行数据分析，最后通过WPKS服务器提供给终端用户，根据装置实际分布情况我们设计铺设了4条冗余生产链路到相关装置的机柜间，建立了三级交换的MES生产网。

    由于生产网络安全性极高，数据采集后要传送至办公网络的PHD服务器存储处理，因此，考虑到系统可能感染病毒等不安全因素，我们在Buffer机上做了数据采集设定，只允许从DCS、PLC系统中单向取数，不允许往DCS、PLC系统中写数。另外在网络设备方面，我们采用了一台Juniper Netscreen 50网络防火墙，设置单向数据传送，开放PHD服务器与Buffer机之间的固定通讯端口，包括Oracle的1521端口和RDI的专用端口542**，开放Buffer机与OPC通过135端口等等安全策略，保证生产网络的安全。

1.2 数据采集实现方式

    1.2.1 PHD服务器和Buffer机搭建

    PHD数据库最重要的功能就是实现数据的采集，数据采集主要的设备是PHD服务器和Buffer机。根据网络设计要求我们在办公网MES服务器群中搭建了一台PHD服务器，在13套装置的现场机柜间搭建了Buffer数采机。其中Buffer机作为数据缓冲区，承担了从DCS、PLC系统将数据传送给PHD服务器的任务，是数据采集重要的中间环节，Buffer机采用了双网卡设计。

    1.2.2 Buffer机与DCS通讯配置

    长庆石化公司过程控制主要采用ABB AC800F DCS系统、ABB AC460 DCS系统、西门子S7-300 PLC系统、Modicon PLC系统、Bristol Babock PLC系统及SAAB总线系统。各套系统基本支持标准的OPC 2.0接口对外通讯，因此我们采用OPC底层通讯方式。将Buffer机作为DCS、PLC的一个终端操作站，并在上面安装相应系统厂家的OPC Server软件或者使用第三方厂家的OPC Server软件如Matrikon公司的OPC通信软件MatrikonOPCSimulation。但长庆石化公司的ABB Freelance 2000 DCS系统比较特殊，需在DCS的工程师站上进行组态配置，作为专门的OPC Server站，然后安装F2K OPC Server软件。

    此外，虽然长庆石化公司Buffer机软件和OPC Server软件都安装在一台终端电脑上，但是为了实现Buffer机与OPC Server的本机通讯还得进行DCOM配置（分布式组件对象模型）。配置完成后进行连接测试，在连接的时候需要在Server Node一栏填入DCS操作站的IP,刷新清单（Refresh List）查找DCS提供的OPC服务，成功搜到服务，连接可得到动态数据（与在DCS操作相同），说明测试成功，Tag列表所显示的Value应该和DCS画面上一致。

    1.2.3 数据采集传输方式

    根据PHD技术架构图，Buffer机作为数据缓冲区，将DCS、PLC采集的数据存储在自己的数据库中，然后将数据传输到与它连接的PHD服务器。

    霍尼韦尔的Uniformance PHD作为一体化应用平台提供了连接多种系统的产品化接口RDI（Realtime Date Interface），RDI是PHD系统采集传输实时数据的通道，也是Buffer机与PHD服务器之间交换数据的通道。长庆石化公司实时数据库采用了PHD-PHD的数据采集传输模式：首先将PHD服务器配置成Shadow PHD服务器，即主PHD服务器；然后在各装置现场的Buffer机上配置Buffer PHD，作为远程PHD，两台PHD采用相同的安装配置，它们使用相同的关系数据库；然后通过RDI接口配置文件分别给远程PHD和主PHD服务器配置相关联的IP地址和RDI端口，这样Shadow RDI与Buffer RDI建立传输通道，RDI接口需要用到固定的偶数端口来实现数据通讯，该偶数端口不能重复且不能与系统常用端口冲突，必须根据RDI接口数量合理的规划，长庆石化公司的RDI端口从54200开始依次往上增至54224。远程 PHD通过本机的Buffer RDI实现与本机的OPCServer的通信，数据被采集并保存到 Buffer PHD中，Shadow PHD通过Shadow RDI取得 Buffer PHD中的数据，完成了数据PHD-PHD模式的传送，也完成了PHD的实施流程。数据传输流程图如图2所示。

图2 数据传输流程图

1.3 数据模版及流程图定制

    在完成了Buffer机和PHD服务器之间的数据通讯功能后，需要进行监控位号的数据库录入和流程图的绘制、数据链接工作，以便于终端用户查看实时数据。在此过程中，需要导入大量的监控位号配置信息，如果完全依靠手工方式添加，必定耗费大量的时间和精力。Honeywell提供了集成在 PHD Configuration Tool 中的批量导入位号配置信息的工具 Tag Loader。该工具可以批量导入CSV格式的位号配置文件。我们只需要将装置监控位号的相关参数输入设计好的PHD数据模板即CSV格式的位号配置文件，就可以一次性完整导入数据库。PHD数据模板包含Tagname、SRC_TAGNAME 等 7 个 字 段，Tagname代表PHD系统的位号名，最重要的是SRC_TAGNAME 字段，表示数据源位号（一般为OPC），PHD根据该位号周期性读取数据，需要特别注意的是只有符合格式要求的CSV文件才能顺利导入PHD数据库中。各个监控位号的参数如果日后发生变动，也可通过单独更改CSV文件中该位号的参数信息覆盖导入或者通过数据库管理工具Uniformance单独更改该位号的参数信息。

    为了将采集的实时数据显示在流程图上便于查看，我们还需要使用Honeywell的HMIWeb Display Builder软件绘制流程图，可以通过制作模版将不同装置的同类设备都可以抽象成统一的模板从而绘制出流程图。最后将监控位号链接到流程图上的显示位置即可。

2 PHD系统在桌面平台的具体应用

    PHD系统中实时数据库采集到的数据通过应用服务器的处理后，通过WPKS服务器在网页中显示出来，用户可以通过 B/S方式看到各种应用结果，如各装置流程图的实时数据、历史趋势，各种工艺参数的考核指标等等，为工艺技术人员和管理层提供可靠的数据支撑。

2.1 工艺流程图及趋势查看

    流程图是PHD模块最直观的应用，可以将DCS、PLC系统中的生产实时数据通过链接到MES平台中进行点击浏览，显示在模拟流程图中，让各个装置相关工艺技术员和负责人在办公室就能详细了解到装置目前的运行状况，为生产管理提供了参考。功能上，除了能查看实时变化的数据外，还能查看具体某个位号的简单趋势图。如果想进一步观察该位号或多个位号的趋势走向，可以打开复杂趋势功能图。在该功能图上可以查看某个位号在一段时间内的趋势，该时间跨度可由用户自由设定。还可以标记某个位号趋势图上数据点及相应数值，将多个位号同时显示在趋势图中以作对比，利用游标功能，可以在趋势线上滑动以观测位号数值的变化，勾选“3D”功能按钮还可以查看3D效果的趋势图。

2.2 电子工艺台账

    工艺台帐由管理人员根据事先设定好的台帐内容为模版，设定完成后，除非更改参与计算的工艺指标，否则以后无需进行重新设定。工艺台帐可以根据时间生成，以满足生产管理的需要，工艺台帐生成后，可以导出Excel文件保存。

2.3 平稳率设定

    根据采集上来的实时数据我们可以设定某一个位号的数值上限和数值下限，监控某个位号是否超出规定的上先限值，从而达到考察装置在某个班组的运行情况。该功能类似于石油化工行业中常用的“工艺卡片”功能，可以将“工艺卡片”电子化，提升生产管理效率。利用该功能可以很清楚的看出某一时刻，装置哪些位号发生了偏差，哪些位号曾经发生了偏差。只要曾经发生过偏差，当发生偏差时，可以查看该位号简单走势图，直观地了解偏差发生时的具体情况。

3 应用的实际效果

    首先，作为DCS的辅助查看工具，PHD数据库系统方便了技术人员和管理层在办公室实时了解生产操作状态，PHD将DCS数据按照2分钟一次的频率采集到服务器，技术人员在办公室查就能看到工艺流程图上每个位号的最新生产数据。

    其次，由于通过PHD数据库，系统将采集的数据存储，并进行校正、补偿，剔除跳变值、死值，确保数据的高可靠性，可作为生产分析的依据。因此，技术人员可使用电子工艺台账根据设定时间导出工艺参数报表，制作周报月报，进行数据统计分析和上报。另外可使用平稳率设定功能作为考核操作工对装置生产工艺操作的依据，极大的提高了生产调控的管理。

    最后，PHD系统完善了数据的历史记录，在DCS中由于数据量很大，单单通过DCS控制器的缓存和上位机的硬盘存储，很快就会空间不足，因此长庆石化公司的DCS系统只能记录最近15天的历史数据。这对于技术人员和管理层往往需要查看某个位号的1个月甚至更长的历史数据和趋势是远远不够的，而霍尼韦尔的实时数据库软件可以将数据进行压缩，并且PHD服务器将数据存储在大容量的服务器磁盘阵列上，然后按照调度计划设定存储在了HPMSL6000磁带机内，保证了数据查询最长可以达到3个月，有利于技术人员和管理层对一段时间数据的分析和制定生产决策。

4 结束语

    总的来说，PHD系统作为MES的一个子模块，发挥了承上启下的作用。在13套装置投用后，数据通讯可靠，未出现影响相关软件取数的情况，整套系统实现了应有的数据采集、存储及桌面应用等功能，同时可以很好地和LIMS系统、物料平衡、运行管理、物料移动等模块兼容和数据交换，达到了预期效果，很好地为生产操作服务。 

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