隨著社會發(fā)展及市場經(jīng)濟的進一步推進，石化行業(yè)的競爭日益激烈，石化行業(yè)認識到只有根據(jù)市場的變化和要求，及時組織和調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營過程的整體優(yōu)化，才能在市場競爭中取得更好的經(jīng)濟效益。
ERP是企業(yè)經(jīng)營層面的管理系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)是用于企業(yè)的生產(chǎn)監(jiān)控，企業(yè)僅僅依靠ERP和現(xiàn)場自動化系統(tǒng)無法在短時間內(nèi)快速響應市場變化，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)運行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)作為ERP與過程控制層之間的“橋梁”，起到承上啟下的作用。它在提高企業(yè)生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)損耗等方面具有重要的作用。
構(gòu)建一個MES系統(tǒng)用以全面支撐計劃與調(diào)度、工廠優(yōu)化、運行管理、生產(chǎn)統(tǒng)計、條件監(jiān)控等業(yè)務，其前提與基礎(chǔ)是建立一個企業(yè)級的數(shù)據(jù)中心。該數(shù)據(jù)中心需要與控制系統(tǒng)集成以獲取實時的過程數(shù)據(jù)，能存儲大量的、實時的和歷史的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)分析工具支持數(shù)據(jù)的分析，支持標準的接口等功能。
1 PHD實時數(shù)據(jù)庫
霍尼韋爾公司的實時數(shù)據(jù)庫（Plant History Database，PHD），在結(jié)構(gòu)上集成了關(guān)系數(shù)據(jù)庫（Oracle），解決了關(guān)系型數(shù)據(jù)的存儲，提高了應用軟件的集成度。它的工廠參考模型將連續(xù)的實時數(shù)據(jù)，以及連續(xù)的實時數(shù)據(jù)和生產(chǎn)操作處理時間集成起來，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成有意義的企業(yè)管理信息。另外PHD豐富的數(shù)據(jù)接口滿足了企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務不斷發(fā)展對數(shù)據(jù)集成的性能要求和擴展性要求。
PHD有三種基本的結(jié)構(gòu)形式：對等結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)以及對等層次混合結(jié)構(gòu)。對等結(jié)構(gòu)部署較為復雜，所需設(shè)備數(shù)量較多，在數(shù)據(jù)庫、軟件、硬件及網(wǎng)絡(luò)維護方面會帶來較大的工作量。層次結(jié)構(gòu)只需部署一臺PHD主服務器和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，便于日后系統(tǒng)升級；與對等結(jié)構(gòu)相比，用戶及各類應用程序可直接訪問，而不需知道信息在哪個系統(tǒng)中；同時在數(shù)據(jù)庫、軟件、硬件方面維護壓力相對較低�；旌辖Y(jié)構(gòu)既有對等結(jié)構(gòu)又有層次結(jié)構(gòu)的特點，適用存取要求有限制的場合。
2 PHD接口方案設(shè)計
2.1 結(jié)構(gòu)選擇
在PHD實時數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)選擇中，最終采用什么樣的結(jié)構(gòu)方式，需要有以下因數(shù)決定：
1）系統(tǒng)的功能和使用情況；2）安全性；3）可靠性和系統(tǒng)的健壯性；4）系統(tǒng)的性能和響應時間；5）網(wǎng)絡(luò)的負荷；6）安裝時間和復雜程度；7）技術(shù)支持和復雜程度；8）技術(shù)升級和復雜程序。
在PHD三種結(jié)構(gòu)中，層次結(jié)構(gòu)中所需硬件數(shù)量較少，只需要PHD實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫兩臺服務器。相對簡單的部署結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)的硬件維護，數(shù)據(jù)庫管理及技術(shù)支持和系統(tǒng)升級。
2.2 OPC接口
PHD實時數(shù)據(jù)庫需要集成控制系統(tǒng)中大量的過程數(shù)據(jù)。對控制系統(tǒng)與智能儀表與信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互方面，為避免由于現(xiàn)場的控制系統(tǒng)( DCS/PLC/FCS) 以及各種智能儀器設(shè)備通信方式不統(tǒng)一, 導致現(xiàn)場設(shè)備和實時數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)互操作性差、通信不穩(wěn)定等問題，可采用開放、標準的OPC技術(shù)進行數(shù)據(jù)源的訪問，提高企業(yè)級數(shù)據(jù)中心的可拓展性，滿足企業(yè)不斷發(fā)展的業(yè)務要求。
OPC 全稱為OLE for Process Control, 是在Microsoft 的領(lǐng)導下由OPC 基金會組織倡導的, 由全世界范圍內(nèi)自動化領(lǐng)域中處于領(lǐng)導地位的廠商協(xié)作制定的自動化領(lǐng)域軟件的接口標準。OPC標準是具有廣泛的代表性，通過OPC技術(shù)的應用，不同系統(tǒng)間的集成變得非常容易。
2.3 雙BUFFER機策略
BUFFER機是負責和控制系統(tǒng)通訊，用于數(shù)據(jù)的采集與緩沖，它將采集到的數(shù)據(jù)直接傳送到PHD服務器中。Buffer機與PHD服務器的連接有兩種方式：1、單BUFFER連接PHD服務器；2、雙BUFFER連接PHD服務器。
雙Buffer連接PHD服務器，在實際應用中，可以較好地保證實時數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。在一些業(yè)務管理中，對實時數(shù)據(jù)的要求是7*24小時，這種連接方式能夠有效地確保關(guān)鍵性業(yè)務不會因為數(shù)據(jù)采集異常而導致業(yè)務應用的癱瘓。
2.4 多數(shù)據(jù)通道策略
數(shù)據(jù)通道是對PHD實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)接口進行分類管理。在PHD實時數(shù)據(jù)庫應用中，一般采用單數(shù)據(jù)通道，但它會隨著數(shù)據(jù)接口的不斷增加會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定，接口易掉線等問題，嚴重影響到基于實時數(shù)據(jù)庫的各類業(yè)務應用。為避免此類情況下的數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定，可將數(shù)據(jù)接口服務由單通道改為多通道，使數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性大幅度提升。
2.5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.5.1 網(wǎng)絡(luò)安全
隨著自動化技術(shù)與IT技術(shù)的不斷融合，SCADA、DCS、PLC 等工業(yè)過程控制系統(tǒng)也日益變得開放和標準化，通過現(xiàn)場總線，OPC等技術(shù)的應用工業(yè)設(shè)備接口越來越開放，工業(yè)過程控制系統(tǒng)逐漸從封閉走向互聯(lián)，與此同時企業(yè)信息化進程也使得工業(yè)控制系統(tǒng)不再與外界隔離。
MES作為信息管理系統(tǒng)，它與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，即信息網(wǎng)與控制網(wǎng)的融合，為建立企業(yè)數(shù)據(jù)中心提出了新的安全要求，既不能將信息網(wǎng)與控制網(wǎng)分割開，又要從信息安全、網(wǎng)絡(luò)安全的角度，全面考慮兩網(wǎng)融合后的安全需求。
2.5.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀
DCS系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)或環(huán)網(wǎng)）是由控制器廠商設(shè)計并架設(shè)，其設(shè)備類型為一般集線器，但集線器不具備任何網(wǎng)絡(luò)分割和安全防護功能。一旦DCS系統(tǒng)中一臺主機受到感染，立刻會波及至整個DCS系統(tǒng)。
DCS控制系統(tǒng)的操作站與上位機在防病毒安全性方面，普遍存在防病毒軟件補丁更新的延遲。各類DCS系統(tǒng)都有其所支持的防病毒軟件，并不是現(xiàn)行通用的防病毒軟件都能使用。對其支持運行的防病毒軟件，病毒補丁程序需要進行大量的工業(yè)測試才能進行補丁安裝。
2.5.3 網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計
基于信息網(wǎng)與控制網(wǎng)融合的前提條件，針對控制網(wǎng)目前的安全現(xiàn)狀，在建立企業(yè)級數(shù)據(jù)中心的同時，需要有一個高可靠性、高性能、安全穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。PHD實時數(shù)據(jù)庫在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中，對生產(chǎn)監(jiān)控、指揮起著至關(guān)重要的作用，實時數(shù)據(jù)庫運行中的Buffer機與服務器對網(wǎng)絡(luò)的要求是：一、必須足夠健壯，能夠應對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備宕機等突發(fā)事故。二、具有較高的安全性，能有效抵御企業(yè)外部與內(nèi)部的病毒攻擊。三、具備高帶寬、高性能、低延時的特點。
為確保企業(yè)數(shù)據(jù)中心與控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的應用要求，需要設(shè)計建立一條生產(chǎn)網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)中僅部署B(yǎng)uffer機與實時數(shù)據(jù)庫相關(guān)服務器，使與控制系統(tǒng)有關(guān)的Buffer PHD通過專用鏈路且只與實時數(shù)據(jù)庫進行通訊。在用戶數(shù)據(jù)訪問中，生產(chǎn)網(wǎng)與目前的辦公網(wǎng)絡(luò)在物理鏈路完全隔離，辦公網(wǎng)需通過防火墻才能對生產(chǎn)網(wǎng)中的WEB服務器進行數(shù)據(jù)訪問。
3 系統(tǒng)應用案例
蘭州石化于2006年開始MES項目實施，采用層次式結(jié)構(gòu)、多數(shù)據(jù)通道、OPC通訊、雙Buffer連接PHD的接口設(shè)計方案，完成了80余套裝置、5種DCS品牌、十余種型號DCS的生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成，并通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫集成了儲運管理、班組核算等相關(guān)信息系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)，建立起了統(tǒng)一的企業(yè)數(shù)據(jù)平臺，達到最優(yōu)化的數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)一接口維護目標。圖1為接口設(shè)計方案示意圖。
圖1 接口設(shè)計方案示意圖
在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)安全要求，建立一個生產(chǎn)專網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分布式的三層架構(gòu)，將生產(chǎn)網(wǎng)劃分為核心、匯聚及接入三層。在接入層設(shè)備中根據(jù)業(yè)務管理歸屬，對設(shè)備進行VLAN劃分，這樣可以在爆發(fā)廣播風暴時將其控制在最小的范圍之內(nèi)。
1) 核心層連接用千兆以太網(wǎng)技術(shù)，使用光纖進行連接。為了保證核心層的可靠和穩(wěn)定，使用雙線路分別上聯(lián)兩臺核心的方式來構(gòu)造核心層。兩臺核心層交換機之間、核心交換機和數(shù)據(jù)中心交換機之間采用千兆連接，核心層交換機到匯聚層交換機之間采用千兆連接。核心層的主要目的是為了高速、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)核心層配置了高性能的支持分布式轉(zhuǎn)發(fā)功能的千兆以太網(wǎng)光纖交換板卡和千兆以太網(wǎng)板卡，解放引擎壓力，提高核心層網(wǎng)絡(luò)性能。
2) 在保證局域網(wǎng)匯聚層性能、冗余可靠性的情況下，配置高端口密度匯聚層交換機以擴展匯聚層節(jié)點數(shù)量，采用千兆光纖鏈路上聯(lián)核心設(shè)備，加強網(wǎng)絡(luò)可靠性。匯聚層交換機與所有接入層交換機千兆單模光纖連接，保證接入交換機系統(tǒng)在連接至匯聚設(shè)備后，能夠順利訪問核心層的相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)，或者訪問不同接入節(jié)點的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)共享資源。
3) 接入層網(wǎng)絡(luò)通過交換機，采用單模光纖與匯聚層交換機互聯(lián)。
4) 生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)之間部署防火墻，實現(xiàn)由生產(chǎn)網(wǎng)至辦公網(wǎng)的單向訪問。防火墻配置相應安全策略，允許PHD服務器、BUF-FER機訪問一部分辦公網(wǎng)資源，如防病毒和補丁程序網(wǎng)站等。
4 結(jié)論
該文通過對比PHD系統(tǒng)在不同的接口設(shè)計方案中的穩(wěn)定性及可擴展性等問題，設(shè)計了基于OPC技術(shù)、層次結(jié)構(gòu)、多數(shù)據(jù)通道的實時數(shù)據(jù)庫接口方案。該方案具有優(yōu)化的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，較高的可擴展性及穩(wěn)定性，在企業(yè)信息化建設(shè)中，對以集成、整合為目標的全域信息化工程有著廣泛和深遠的工程實際意義。
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