实时数据库系统在氯碱行业中的应用

夏建财，张树江，龚 成，吕 振

（1.青岛海湾化学有限公司 山东 青岛 266409；2.青岛市招生考试院 山东 青岛 266108）

PI（实时数据库Real Time DataBase）系统，通过OPC、MODBUS或IEC101/104规约、RS232/485接口标准或专有协议定制化解析方式将PLC、DCS、智能装备、传感器等底层设备的数据采集到实时数据库内，在实时数据库内对数据进行整合、处理，并将数据传输到关系数据库进行逻辑计算、匹配关联、业务融合，提供到智能工厂各应用系统。同时通过应用总线集成企业已建应用系统内的数据，最终形成企业标准化、规范化的数据统一管控平台。

1 数据库建设背景

1.1 行业背景

氯碱行业主要产品有烧碱、PVC、液氯等。当前氯碱行业面临巨大的挑战，这些挑战主要来自几个方面：（1）行业整体产能较大，PVC生产以高耗能的电石法工艺为主导，低能耗的乙烯法工艺产能较低，产品市场竞争激烈；（2）资源约束大，要素成本攀升，产品价格持续下降；（3）安全环保压力越来越大，厂区分散、自动化程度较低企业面临较大挑战；（4）面临市场化机制、主要要素价格管制、知识产权保护的发展环境，存在跨行业融合发展和并购重组的体制障碍。

中国的氯碱化工在未来发展会面临非常大的挑战。当中也有一些新的机遇，其中产业转型、智能化升级是最大的机遇。

1.2 企业背景

青岛海湾化学有限公司始建于1947年，前身是青岛化工厂、1999年改制成立青岛海晶化工集团有限公司，隶属于青岛海湾集团有限公司。

青岛海湾化学有限公司在青岛海湾集团的领导下，以“技术国际化、装备大型化、环境生态化、管理现代化”的四化理念，致力于建设成为集“规划建设一体化、安全环保一体化、智能管理一体化、公用工程一体化、仓储物流一体化”的“五个一体化”于一身的智能厂区，于2010年启动搬迁建设。项目占地2 100亩，现已建成有45万t/a烧碱、80万t/a VCM、80万t/a PVC、50万t/a苯乙烯及16万t/a偏硅酸钠生产装置，另有年吞吐量260万t的专用液体化工码头。公司是青岛市搬迁样板企业，是绿色化工、高端化工代表企业，实现了绿色、低碳、可持续发展目标，努力做到了传统产业不传统发展。

1.3 实时数据库

海湾化学工业互联网平台建设之初，即制定了以实时数据库、SAPERP为核心，从过程控制、生产管理、经营管理、认知决策等4个层面展开建设，最终创建适合化工生产自动化、智能化的工业互联网创新应用平台的目标。工业互联网信息化总体主架构设计见图1。

图1 海湾集团工业互联网信息化架构

作为数据核心层面的实时数据库系统的建设，不仅要考虑实际业务需求，还应充分考虑将来业务种类增长的可能性。这要求方案从总体入手，规划在先，实施在后，有重点、有突破地建立实用、经济的实时数据库系统。系统遵循如下原则：

（1）先进性

实时数据库系统应采用国际先进的技术体系结构，具有较高的性能，符合当今技术发展的方向；系统生命周期长，确保用户在信息化方面的投资得到有效保护；系统平台采用高效的存储机制和数据压缩算法，能够高效存储超过5年的历史数据。

（2）可靠性

实时数据库系统是公司整个生产运行管理的基础平台，其可靠性非常重要，采用成熟可靠的技术和体系结构，具备完善的备份和恢复机制，能快速、有效的解决意外故障，尽快恢复系统运行、保证数据的完整。

（3）开放性

实时数据库系统应具有良好的开放性，提供开放的应用接口，支持二次开发，以方便与其他厂家的应用系统进行数据交换和集成。

（4）安全性

实时数据库系统提供严密的身份验证、访问控制、读写权限配置等功能。

（5）易维护性

实时数据库系统支持中文，图形化的管理工具，高度模块化，具备详尽完善的技术文档。

（6）数据可追溯性

针对长时间的历史数据，实时数据库系统提供方便的数据追溯手段，可以进行快速的数据查询以及关联信息的追溯。

从技术架构的角度，整个实时数据库平台由下至上划分为7层，即数据采集层、数据处理层、数据存储层、主数据管理层、数据分析层、数据共享层和数据可视化层，平台监控负责整个平台的运维安全管理。

（1）数据采集。将生产现场设备与装置、仪器仪表、控制系统、信息系统等的结构化数据和非结构化数据通过平台采集适配器进行全面采集；

（2）数据处理。负责按照处理规则对采集的底层数据进行汇集、清洗、转换、封装；

（3）数据存储。负责按照数据标准规范将处理后的数据分类存储在数据库中，以满足数据的分析与共享需求；

（4）主数据管理。通过一系列规则、应用和技术，提供来自权威数据源的协调一致的高质量主数据，从而支撑跨部门、跨系统的数据融合应用；

（5）数据分析。平台提供强大的数据分析工具，具有报表、查询、分析等功能，可以满足各种数据分析应用需求；

（6）数据共享。提供包括资源目录生成、数据服务发布、数据服务监控在内的核心场景的应用；

（7）数据可视化。基于对数据和指标的理解，提供自助分析、实时分析、大屏展示、智能看板、统计报表等可视化手段；

（8）平台监控。提供包括工业数据平台的工作任务调度、操作权限管理、数据监控、数据安全管理等平台运维与安全管理服务。

2 数据库建设过程

2.1 建设PI实时数据库系统硬件网络

（1）采用先进的并行计算技术和分布式系统架构，采用容错服务器作为安全二区实时数据库服务器及办公区镜像服务器的硬件平台。部件级冗余的工业标准容错服务器，可靠性设计达到99%以上；CPU、内存、I/O设备、主板和电源等组件均采用冗余设计。

（2）采用DELL小型机架式服务器作为采集机及接口机的硬件平台。采集机用于与DCS控制系统通讯，并将数据发送至物理隔离器的入口侧；接口机用于物理隔离器的出口侧接收数据，并将数据写入实时数据库。

（3）采用物理隔离器划分为4个安全工作区：实时控制区、非控制生产区、生产管理区、管理信息区。安全区Ⅰ为实时监控系统或具有实时监控功能的系统。

（4）打通通讯网络。建设实时数据库与现场各DCS控制系统网络光缆，使现场DCS信号接入实时数据库内网服务器，以便传送实时生产数据。

2.2 建设PI实时数据库系统软件功能

（1）实现DCS系统数据采集。采集各集散控制系统（DCS）、PLC系统、SCADA系统、智能仪表等数据，采集数据的类型包括模拟量、开关量等。对于模拟量以定时扫描的方式获取数据更新，对于开关量或事件，通过事件触发的方式来获取数据更新。数据采集更新周期保持与现场数据刷新时间同步，最小支持毫秒级。

实时数据库在支持多数据库数据采集的基础上，将各个系统之间有关联性的数据进行整合存储并进行统一管理。基于企业生产过程中的各个单元（设备、车间等）进行数据建模。建模模块可引用不同系统之间，不同业务类型的数据，通过自带的函数库，进行多种自定义计算，计算结果可关联至生产单元并进行持久化存储，作为后续数据分析的重要基础。

（2）进行数据界面组态。通过系统提供的组态工具实现界面和数据的重新组态。实时展示PI实时数据库中的实时和历史数据。能够实现从任何一台授权的PC实时查看数据、即时将当前值与历史值进行比较、快速深入发掘以确定问题根源并对关键值和事件作出恰当的响应。

（3）采集并存储生产运行数据，建立公司数据管理档案，提供高速的实时、历史数据服务。

通过实时数据库可集成产品计划、维护管理、专家系统、化验室信息系统、模拟与优化等应用程序，在业务管理和实时生产之间起到桥梁作用。

2.3 实时数据库与其他平台互联互通

（1）建设实验室信息管理系统（LIMS）和先进的仪器分析设施，利用关系型数据库接口与实时数据库进行连接，建立快速高效的质量检测数据共享平台，实现相关部门方便快捷查阅检测质量信息，提高工作效率。

（2）合作开发实施电子巡检管理系统，全面实现了对公司关键设备及控制指标的电子化巡检管理，对巡检人员、时间、地点加强管控，切实提高生产调度的监控和指挥能力，提高紧急故障处理能力和协调水平，提高对事故隐患的预测水平和控制的工作效率。

（3）深入开发SAPERP各项功能及模块，建设以SAPERP、实时数据库为核心的信息化管控平台，与各项智能化建设互联互通，实现海湾化学一体化管控。全面整合生产、采购、销售、质量、成本、库存、运输、人力资源、财务等资源，实现企业资源的规划和流转的最优化、智能化管理。

3 数据库功能开发

依照实时数据库系统架构设计方案，实施实时数据库建设。实时数据库网络拓扑图见图2。

图2 实时数据库网络拓扑图

建设实时数据库项目硬件设备以及网络连接，通过OPC接口实现实时数据库与全厂各个DCS系统的通讯，实时读取DCS系统中的生产运行数据。数据采集具有存储转发功能，网络中断后能暂时保存，网络恢复后数据自动转发。每台采集机采集到的实时数据，汇总存储于容错服务器中，采用了高效的“旋转门”压缩技术，压缩比率可达到62∶1，使得历史数据可以长时间保存。

实时数据库系统是整个企业的生产信息管理平台，是现场控制系统与ERP系统之间的桥梁，其安全性不仅关系上层的数据应用，更关系到控制系统的安全。实时数据库的网络架构中，配置了物理隔离器，分两级部署。一级物理隔离器用于采集机与接口机之间，避免来自非控制生产区至实时控制区的写入，是保护DCS控制系统的第一道防线；二级物理隔离器用于非控制生产区与生产管理区之间，可以避免病毒、非法链接自生产管理区进入非控制生产区。

实时数据库项目的核心是PI系统，其融合了采集接口及配置管理、中间存储、界面组态、设备模型、计算模型的建立、事项存储及管理、WEB数据展示、门户网站、系统维护管理、二次开发支撑等一系列功能。

（1）在项目实施过程中，通过对Web Service的开发、中间表的配合使用，打通了实时数据库与SAP之间的通道，生产运行数据可直接发送到SAP，以满足生产管理层对生产运行数据的需求；

（2）通过基于PIActive控件、WEB发布等方面的开发，可以实现通过IE访问Web Server站点，浏览WEB化的流程画面，满足生产管理层远程监控生产运行过程各项生产指标的需求；

（3）通过RDBMS、SQL Server技术的结合，实现了LIMS检测数据的引入、重大危险源监测数据和能源监管数据的外传，满足了企业、政府等相关单位对重点数据监管的需求；

（4）通过PI系统内嵌的计算函数、DataLink报表工具的使用，实现生产数据二次计算，实现生产统计报表自动、快速生成，使生产管理人员从手工收集数据、制作报表等繁重的工作中解放出来，有更多的精力对数据进行分析，优化生产，提高了生产管理水平和效率；

（5）通过整合全公司用电量，以及蒸汽、天然气、水、氮气等公用工程数据、能源计量数据，制作能源计量分布追踪图，使生产调度能够实时掌握全公司能源用量；

（6）根据各生产装置的实际生产需要及不同生产工艺特点，通过数据采集整合，设计物料日耗及单耗表，并进一步开发绘制物料平衡表，极大的方便了生产装置及调度掌握物料消耗及产出数据；

（7）根据企业实际生产要求，依据现场设备运行状况，划分重要监控设备，通过采集重要监控设备的出入口压力及流量、电流、振动、转速等关键信息，创建设备运行状态监控画面，能够及时根据设备关键参数的变化了解设备运行情况；

（8）通过机柜间内温度计、UPS报警信息、分析小屋报警器、分析信息的数据上传，创建机柜间、分析小屋等核心地点的实时情况监控；通过控制系统的硬件报警信息数据上传，进一步与电子巡检相结合，提高巡检的效率，同时增加巡检的准确度；

（9）打造信息化平台，实现业务与财务一体化建设SAP项目，实现SAP系统与PI系统对接，传送生产运行指标信息，实现应用核心以及数据核心的数据交换，整合了生产过程的每一个环节，使生产、销售统筹协作，极大提升了公司的管理水平。

4 数据库带来的积极影响

实时数据库系统的上线，不仅拓宽了工艺人员了解现场生产的途径，也改变了之前人员手工收集数据、制作报表的方式，加之实时数据库能源计量、重点设备监测、物料平衡等功能的开发利用，给各生产厂日常生产工作提供了巨大的便利及支持。

通过实时数据库，生产厂实时了解生产装置能源消耗及物料消耗，辅之以设备运行情况做进一步分析，主动优化工艺控制，提升产量，优化质量。

目前，海湾化学具有生产工艺检测控制点六万余个，智能仪表设备近万台，各类有毒有害、可燃气体监测仪器1 100余台，火灾报警点位3 500多个，整个厂区全部实现DCS自动化控制，配有SIS安全仪表系统、ESD紧急停车系统，已经实现了无人值守的“黑灯工厂”操作模式。

实时数据库系统的应用，改变了原先老旧的工作模式，优化了人员的配置，提高了工作效率，降低能源消耗，有效实现了节能降耗，提质提量。

通过实时数据库系统，生产调度人员能够在一台电脑上查看全部装置流程画面，了解全厂生产运行状态；通过能源计量及物料消耗可以及时掌握耗能情况，优化全厂公用能源分配，将生产效率最大化。

当前，海湾化学全厂11套生产装置，只需要每班安排2名调度人员即可实现全公司生产调度工作，工作效率明显提高。

通过对历史数据的对比分析和能源消耗的跟踪，进一步优化配方及工艺控制指标，降低能源消耗，提高产品质量。目前，氯乙烯产品的纯度可达到99.99%，苯乙烯产品的纯度可达到99.95%以上、优等品率达100%，聚氯乙烯的吨单体消耗达性能考核值1.002t、优级品率达到94.43%，处于行业领先水平。

5 结语

当前氯碱行业面临巨大的挑战，加快产业转型升级，推进“智能制造”及“工业互联网”建设，推动设备、系统与平台等之间数据互联互通，实现对生产制造过程的实时监控、分析与科学决策，提升生产效率，提高产品质量、资源能源利用率及生产安全水平，实现智能化生产已经是化工行业未来的方向。

实时数据库系统依靠其庞大稳定的数据收集、数据二次开发分析和多平台兼容能力，已经在氯碱行业的智能化应用中扮演起越来越重要的角色。