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紫金桥实时数据库在电厂中的应用
  • 概述

大庆龙凤热电厂隶属于大庆石油管理局电力集团,始建于上世纪60年代末期,担负着6台111MW发电机组发电和向大庆石化炼油厂、石油公司、大庆第三制药厂工业供热的生产任务,同时还承担着龙凤区冬季120万平方米居民采暖供热任务。

工厂早期是燃油锅炉发电,为了节约资源、提高效益,工厂从2000年到2003年陆续完成了6台燃油锅炉改造为燃煤旋风炉的工作。同时实现了从给煤到发电的全部生产过程计算机监控。

随着计算机技术的普及应用和龙凤热电厂现场设备的升级改造,大庆龙凤热电厂为了全厂安全、经济运行和提高电厂整体效益,在全厂范围内实施了生产管理信息化。

 

  • 实施方案

龙凤热电厂实施的生产管理信息化简单从系统架构上讲,主要由实时数据采集、实时/历史数据库和高级应用子系统构成。

实时数据采集部分就是把工厂的各个部分的计算机监控系统中的实时生产数据采集出来,为整个系统提供生产数据来源,这是整个项目的基础;实时/历史数据库是整个项目的核心和技术关键,起到承上启下的作用,为上层管理软件提供实时、历史数据,完成工艺流程图和生产数据的WEB发布等功能;高级应用就是在实时数据库的基础上完成工厂的生产管理、计算功能,这其中包括班组成本核算,能耗、物耗计算,机组性能计算和经济运行分析等。下面分别进行详细介绍。

 

1、实时数据采集:

实时数据采集是实时数据库的重要组成部分,它负责将现场数据实时传送给数据库,是数据库服务器与生产控制系统连接的桥梁。紫金桥实时数据库具有丰富的I/O接口,能够与各种DCS,PLC,智能仪表通讯,支持的通讯介质可以是以太网、串口、专用通讯卡等。

数据采集

在大庆龙凤热电厂项目中除电气分厂的计算机监控系统不具备通讯接口能力外,其它计算机监控系统都具备OPC、DDE通讯接口,这样利用紫金桥实时数据库提供的通讯驱动软件很容易地与这些计算机监控系统建立通讯连接,实时采集出生产数据。

对于不具备通讯接口能力的电气分厂的计算机监控系统经过联系厂家,按照厂家提供的数据文件的结构,以读文件的形式将实时数据读出,通过紫金桥定制开发的专用接口,将实时生产数据上传到实时数据库。

具体做法是在每一套DCS工程师站附近安装一台前置数据采集计算机,每个数采计算机内安装一套紫金桥接口软件,就地就近通过新安装的网卡采集生产数据。如图所示。

 

 

系统安全

为了在生产数据采集的同时,保证DCS系统得绝对安全,不受计算机病毒的侵害,防止病毒传播到DCS系统造成DCS系统性能下降甚至瘫痪,系统安全非常关键。为了保证DCS不感染病毒,首先要保证每一个前置数采机的安全,只有前置数采机的不感染病毒才能保证DCS的安全。

目前病毒传播是局域网普遍存在的隐患,为了杜绝前置数据采集计算机感染网络病毒,在本项目中每个前置数据采集计算机与计算机监控系统通过单独的专用网络连接,而每个前置数据采集计算机与实时数据库通过计算机串行通讯口连接,通讯介质选用光纤,软件利用紫金桥串口服务器功能,最大通讯速率可以达到56K,完全能够满足速度要求。由于用户对计算机串行通讯口具有绝对的控制能力,不具备任何感染病毒的能力,这样设置使数采机将局域网的计算机与DCS工控机隔离。只要保障数采机不被病毒感染,DCS工控机也将不会被局域网中的病毒感染。

要避免系统中的计算机被病毒感染,首先了解计算机病毒的传播途径。计算机病毒主要是通过移动介质(软盘、光盘、闪存等)以及通过网络共享文件夹、文件传输、浏览网页接收邮件以及操作系统漏洞等进行传播的,在本项目实施过程中和今后的维护过程中要采取下列措施就可以有效地避免病毒。

  • 数采机不配备显示器、键盘和鼠标。
  • 不安装任何与数采系统无关的软件。
  • 除管理员以外,其他人不得使用移动介质复制、访问文件。
  • 不共享文件夹。
  • 不配置浏览器和电子邮件。
  • 关闭或删除系统中不需要的服务。如存在着安全漏洞的 FTP和 Web 服务等。
  • 关闭不使用的TCP、UDP、IP端口, 只保留数采系统所需端口。
  • 使用复杂的系统用户密码,防止暴力破解。

 

2、实时/历史数据库

紫金桥实时数据库是国家“九五”攻关计划和国家“863”计划资助完成的、具有完全自主知识产权的实时数据平台,是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强的跨网络、跨操作系统的开放式实时数据软件开发环境。它统一管理来自过程设备、应用程序、用户界面、管理系统等的各种数据,可灵活地适应控制、优化、管理等不同层次的需要。紫金桥实时数据库的结构示意图如下:

主要性能指标

服务器处理速度:每秒钟处理200,000次实时数据请求。

单机容量:200,000万点。

历史检索速度:检索任意一天历史数据(抽样100,000记录)不超过1秒。

历史存储精度:最小分辨率1毫秒。

并发客户数:服务器可同时处理256个客户端请求。

 

紫金桥实时数据库内核

紫金桥实时数据库内部结构如下图所示:

 

 

    • 输入输出处理:负责对现场来的原始数据进行各种输入处理,如量程变换、开方、分段线性化、滤波等;对于输出到现场的数据,要进行输出限制和灵敏度检查。
    • 报警检查:对转化后的数据进行各种报警检查,如限值、变化率、偏差、异常值检查,支持延时报警。
    • 历史存储:将快速变化的实时数据、手工录入数据、运算结果都可以进行高效压缩,形成历史挡案。
    • 统计记录:对实时数据的变化规律,如最大/小值、平均值,方差等进行统计,形成统计记录;
    • 事故追忆:实时检测用户关心的事件,当事件产生时,执行用户规定的动作;也可以对事件相关点近期数据进行翔实记录,以便更精确的故障诊断;
    • 虚拟位号(基于位号的计算功能):这种基于服务器的计算功能对需要计算的报表和班组核算非常有效,因为桌面进行的计算结果不能被所有应用和用户共享,容易产生数据的差异性,虚拟位号可以保证计算结果的一致性,并可以作历史存储。
    • 脚本:执行用户脚本,包括一次性、周期性脚本,数据触发脚本、条件脚本等,以便完成用户定制的逻辑或运算。
    • 与关系数据库通信:可以将实时数据库中组态内容,实时数据,统计数据,报警,事件,操作等信息以记录形式保存到关系数据库中,可以自由地定义记录的触发条件,记录的类型(一次性或连续记录)等。
    • 安全审核:只有满足权限的用户才能访问数据库中实时数据、历史数据,并可以指定对重要数据的访问或组态操作进行记录。
    • 双机热备:即可以指定一台机器为主数据库,另一台作为热备数据库。热备数据库内容与主数据库内容实时同步,包括实时数据、历史数据、统计数据、操作事件,报警记录等内容同步。热备数据库实时监视主数据库状态,一旦发现主数据库停止响应,便接管控制。
    • 互连性:数据库中的点除了可以与I/O设备进行连接外,点与点之间也可以进行内部连接,甚至可以与其他数据库中的点进行连接,我们称之为外部连接。通过外部连接,分布在不同主机上的数据库,可以相互通讯。数据库的客户端也可以同时访问多个数据库。
    • 时钟同步:可以指定某个数据库为主数据库,其他数据库与之进行时间同步。
    • 开放接口:实时数据库不但可以通过DDE/OPC协议与第三方,实时数据库提供了DDE服务器,OPC服务器,OLE接口和控件,API接口等各种开放协议和接口。其它第三方程序通过这些接口和协议与紫金桥实时数据库进行通信,也可以嵌入ActiveX控件实时访问或浏览实时数据库中的数据。
    • 网络支持:实时数据库网络通信通讯程序,可以通过以太网、串口、拨号网络等将分布在不同机器上的实时数据库,设备驱动服务器,客户端程序连接到一起,形成分布式体系结构。

 

在本项目中主要用到了紫金桥实时数据库如下功能:

  • 实时数据存储

实时数据库对各种来源、各种类型的数据进行合理组织,以标准化的数据结构存储于实时数据库中,既保证数据的完整性、一致性,又能够方便数据查询和应用.

  • 历史数据管理

实时数据库将重要的生产参数的瞬时值、统计值长期保存。实时数据库软件具有数据压缩能力,能够利用有限的计算机存储空间存储更长时间的历史数据,并能保证快速历史存储与检索。

  • 流程图显示

人机界面是实时数据库的重要组成部分。它通过各种可视化的构件方便的搭建复杂的图形画面,所有DCS上的监控画面都可以通过人机界面进行组态,并能运行显示。同时还可以通过人机界面观察实时趋势、历史趋势、过程报警、过程数据汇总,历史报表等。

  • WEB浏览

紫金桥实时数据库服务器和WEB服务器是合二为一的,也就是说紫金桥的实时数据库自身在完成数据收集、压缩处理等一系列功能的同时,同时负责网上发布的功能,服务器可同时处理256个并发客户请求。通过Web发布,可以在Internet上授权访问,授权操作。这样即便是出差在外,也可以通过互联网直接查看生成数据。

  • 与关系型数据库集成

实时数据库可与关系数据库进行通信,可将高级管理软件需要的实时数据、统计数据、历史数据等传送到关系数据库中,为生产工艺平台使用。

 

此外紫金桥实时数据库还提供了许多实用管理工具,以便用户对实时数据进行显示、统计、分析、报告。如:过程趋势和统计分析工具、查询工具、EXCEL插件、调度监视台、事故追忆、质量监视、SPC过程统计分析、虚拟点、自由格式报表、设备运行状态监视等。这里不一一赘述。

 

3、高级应用

龙凤热电厂运行每天有大量的运行日报、成本核算、效率计算等管理方法,根据电厂的实际情况,这部分功能放在关系数据库中实现,而所有的这些计算的实时、历史数据都源自于实时数据库。

基于关系数据库的计算和应用,可以根据用户繁多的需求进行定制开发,算法模型易于建立、修改和保存历史,还可以方便地进行检索和查询,通用性明显优于实时数据库。在本项目中主要为龙凤热电厂开发的应用模块有:

各分厂运行日报、月报、年报

班组成本计算

关键设备效率计算等

 

  • 应用效果

大庆龙凤热电厂实施的生产管理信息化是从2005年开始调研、规划,在前期规划期间参考了SIS系统概念,借鉴了其它电厂在实施信息化过程中的成功经验和失败教训,真正做到了整体规划、分布实施,首先实现了全厂生产系统的计算机监控,然后再实现全厂数据采集联网,在上层高级应用上也是本着先局部后整体、先易后难的原则逐步增加,目前这部分功能还在不断增加。

2006年实时数据库系统实施完毕,至今已近稳定运行1年多的时间。通过一年多的实际运行达到了以下目标:

  • 厂级的实时监控和生产过程管理指导。管理人员可以利用系统提供的清晰、精确的过程画面和实时、历史趋势,随时了解生产装置运行状况的动态信息,及时准确掌握生产的动态,对生产过程中出现的问题及时做出相应,使各个生产单元始终处于最佳运行状态、降低能耗,提高机组运行可靠性、安全性和经济性
  • Web浏览。无论何时何地,只要有互联网,就可以随时查看各装置的实时生产数据,历史趋势,统计报表等。
  • 长期历史存储。由于实时数据库具有高效的存储策略,再加上廉价的大容量的存储介质,可以将重要的生产参数长期保存,为工艺生产计算提供完整、真实的生产数据。
  • 提供数据深加工的平台。实时数据库做为基础数据平台可以为企业提供完整的实时、历史数据,企业可以在其上开发各种应用系统,满足精细化管理需要,实施量化考核,同时为决策层提供真实、可靠、科学、快捷的第一手数据。
  • 结论

大庆龙凤热电厂成功实施了企业生产管理信息化,大大提升了企业管理水平和竞争能力,使各项日常管理工作和管理目标有据可依,各级管理人员都以生产为中心、更加重视工厂的生产平稳,消除了各类生产隐患,降低了各种生产事故发生,提高了全厂安全生产的平稳率,真正实现了企业信息化提升企业管理水平的目的

紫金桥实时数据库在大庆龙凤热电厂的成功应用,表明紫金桥实时数据库完全能够满足发电厂这个行业需求,尤其是紫金桥实时数据库具有的事故追忆、虚拟点、设备运行状态监视等功能,对于发电厂非常适用。今后在电厂信息化建设有广阔的应用前景。