MES系统中物料平衡的设计与实现.
MES 系统中物料平衡的设计与实现
石油炼制企业在不断的发展壮大,对信息技术和综合自动化系统的需求也在持续变化。本文通过以制造执行系统 (Manufacturing Execution System , MES 技术为代表的信息化整合优化集成,企业可以显著降低成本、提高竞争力和增强抗风险能力,因此, MES 技术的研究与应用成了整个流程工业综合自动化技术发展的关键之一。本文内容涵盖了物料平衡模块的各个关键技术点,主要包括物料平衡数据的归并与审核、平衡数据的校正,为全公司 MES 系统的实施奠定了坚实的基础。
1 绪论
目前, 以信息集成为核心的企业综合自动化系统在国内外的许多企业已经投用, 并且取得良好的使用效果。实践表明它能够将先进的、科学的管理方法更好地应用于化工企业, 将生产管理的经验和领域专家的知识结合起来, 协调并参与实时生产管理过程, 再结合产品的市场行情,搞好市场分析,形成最佳的生产结构,从而创造更大的经济效益。 20世纪 90年代,我国化工企业基础自动化建设与改造基本完成,部分企业还实施了 ERP(Enterpdse Resource Planning , 企业资源规划 , 但因缺乏将ERP 和控制系统集成连接在一起的中间层, ERP 的实施效果受到了极大的限制,信息化建设进程一度陷入窘境。
MES(Manufacturing Execution System,生产执行系统是支撑企业生产管理层业务运行和管理的信息系统,恰好能填补这一空白。 MES 是处于计划层和现场自动化系统之间的执行层, 主要负责车间生产管理和调度执行。一个设计良好的 MES 系统可以在统一平台中集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能,使用统一的数据库和通过网络联接可以同时为生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。系统通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产, 协助企业建立一体化和实时化的 ERP /MES /SFC 信息体系。 MES 直到 1990年, 才由美国的 AMR(Advanced Manufaeturing Research提出并使用。 20世纪 90年代初,工业界开始认识到需要一个可以将业务系统和控制系统集成在一起的中间层。制造执行系统 (MES从一开
始就是一个特定集合的总称, 用来表示一些特定功能的集合以及实现这些特定功能。美国的咨询调查公司倡导制造业用三层模型 (3rd layer modd 表示信息化。将位于计划层和控制层中间位置的执行层叫做 MES , 并说明了各层的功能和重要
性。在中国, 生产和制造两词有时混用或等同。 MES 处于企业信息系统 ERP
/SCM 和过程控制系统 DCS /PLC 的中间位置。 ERP 作为业务管理系统, DCS /PLC 作为控制系统,而 MES 则作为生产执行系统。 MES 与上层 ERP 等业务系统和底层DCS 等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统, 把业务计划指令传达到生产现场的同时, 将生产现场的信息及时收集、上传和处理。 MES 不单是面向生产现场
的系统,而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统, 是连结现场层和经营层, 改善生产经营效益的前沿系统。 MES 也不是一个特定行业的概念,而且应用于各
种制造业的重要信息系统。
到 90年代, MES 发展为 MES(集成 MES 和 MES(Manufacturing ExecutionSolutions。 90年代中期,又提出了 MES 标准化和功能组件化、模块化的
思路。这时许多 MES 软件实现了组件化,也方便了集成和整合,这样用户根据需要
就可以灵活快速地构建自己的 MES 。对于化工企业, 作为填补计划系统和控制系
统狭缝的 MES 的主要功能模块, 一般包括短期生产
计划、作业排产和调度,过程控制和管理,维护管理,技术信息管理,过程优化控制,提高质量管理功能的 LIMS 以及与 ERP 之间的连接。还有化工企业生产的特殊需求,如数据调理和校正、运行数据统计、公用工程平衡管理、设备寿命预测、设备性能计算、罐区管理、罐区平衡、物料平衡等,都作为 MES 的单一功能模块,并集
成到 MES 系统中。
MES是处于计划层和控制层之间的执行层,主要负责生产管理和调度执行。它通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造竞争力,提供了一个统一平台,系统地集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能。企业资源计划 (ERP系统需要实时生产信息的辅助进行经营决策和订单管理。但是来自生产现场的状态信息和生产数据并不能直接反映经营者所关心的产品进度和质量变化等信息。因此, 需要 MES 在企业资源计划和过程控制之间提供
信息的转换。 MES 执行由 ERP 制定的计划,并根据实时生产信息调整生产,做出调度,并将有关资源利用和库存情况的准确信息实时地提供给 ERP 系统。 MES 还能将生产目标及生产规范自动转化为过程设定值,并对应到阀门、泵等控制设备的参数设置。同时, MES 将从 DCS 采集来的生产数据与质量指标进行对比和分析,可以提供闭环的质量控制。 MES 为控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源,提供了一个统一平台, 对提高企业生产效率、提高产品质量、降低消耗起到了重要的作用。尽管不像 ERP 那样为公众所熟知, MES 同样是制造业信息化, 流程工业自动化的核心技术, MES 在企业计划管理和车间生产控制之间架起了一座信息沟通和管理的桥梁, 使企业将更容易建立一个快速反映、有弹性、精细化、统一的信息化制造环境, 帮助企业提高了产品质量和环境, 降低了材料和人力等资源的消耗。炼油化工属于典型的流程生产行业, 其生产工艺流程及生产组织方式具有鲜明的特点,在炼油化工行业中, MES 对于信息系统集成化、标准化, 了解监督、管理并优化生产运行,提高经济效益,发挥着重要作用。通过 MES 的实施,石化企业可快速应对经济环境和内部生产的各种变数, 改变工厂的角色, 进行业务和生产上的多级优化; 对生产过程和运行数据进行采集、整合和充分利用; 改善生产执行层的信息交流以及工作效率,支持各个业务领域运行和优化。 MES 的应用正在逐渐成为石化企业信息建设的重要组成部分。形象的说明了在整个石化企业中 MES 系统与 ERP 以及 PLC 、 DCS 之间的关系。 1.1 MES系统
生产运行系统的英文全称是 Manufacturing Execution System ,简称 MES ,是美国管理界上世纪九十年代提出的新概念。 MES(MES国际联合会对 MES 的定义是:MES 能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理, 同时还能通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。
MES的产生源自工厂的内部需求,传统的 MES 就是从 70年代的零星车间级应用发展起来的。 20世纪 80年代后期,‘随着计算机技术和网络技术的迅速发展,流程工业控制中出现了多学科闫的相互渗透与交叉;同时, 信号处理技术、计算机技术、通信技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤
岛模式, 出现了集控制、优化、调度、管理和经营于一体的综合自动化新模式。MES 就是这种新模式下的一项重要技术和应用。
MES强调控制和协调,是使计划系统能落实到实处的执行系统,所以在石化企业经济效益控制中有很高的应用价值。
MES面向生产执行过程,连接实时数据库和关系数据库,对生产过程进行过程监视、控制和诊断、单元整合、模拟和优化,并进行物料平衡、生产计划、调度、排产等操作管理。 MES 是连接控制层与管理层的一个中间纽带, 完成从生产命令下
达到生产统计的整个过程的管理, 并实时地将生产过程信息反馈给 ERP 及其它信
息系统, 从而将生产活动信息与管理活动信息有效集成。因而,在企业信息化系统中, MES 起着承上启下的作用。
MES 系统国内外发展状况
MES作为生产形态变革的产物, 其起源大多源自工厂的内部需求。 80年代, 美国就有了 MES 系统。传统的 MES 大致可分为两大类:(1专用的 MES 系统。它主要是针对某个特定的领域问题而开发的系统, 如车间维护、生产监控、有限能力调度或是 SCADA 等; (2集成的 MES 系统。该类系统起初是针对一个特定的、规范化
的环境而设计的,目前已拓展到许多领域,如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业,在功能上它己实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。虽然专用的MES 能够为某一特定环境提供最好的性能, 却常常难以与其它应用集成。集成的MES 与专用的 MES 相比,迈进了一大步,具有一些优点,如单一的逻辑数据库、系
统内部具有良好的集成性、统一的数据模型等等, 但其整个系统重构性能弱, 很难
随业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。目前, 国内还没有自主开发的很成熟的且得到广泛应用的 MES 软件。即使有所谓的车间层控制 SFC(Shop Floor Control,大多数也是收集相关资料,再通过批处理方式录入,其功能十分有限。
在国外已经形成了一批 MES 软件产品和解决方案, 出现了一批以 MES 为核心产品的工业企业管理应用软件公司,而且企业信息技术应用的焦点已经由 ERP 转向MES ,然而 MES 的标准化仍有大量工作要做。
从国内的发展趋势看, CIMS 、 MES 、 ERP 等概念都进入中国较早,但只以DCS 为代表的底层自动化和以 ERP 为代表的管理系统普及速度较快, 因此, 中国工业企业的信息孤岛和缺损环链现象比国外更为突出。也就是对 MES 层的认识相对落后, 但是, 确实有一些公司在加快开发中国式的 MES 产品或应用国外的 MES 产品, 而且势头较好, 同时, 在认识观念上由关注 ERP 到关注 MES 的转变也已开始。从技术角度看 MES 的功能正在向控制层和计划层渗透, 三层结构的分工可能更模糊。 MES 功能中的计划排产与执行调度模块越发突出和推广普及。单一功能的 MES 产品正在向集成的 MES 和整体解决方案发展。信息技术领域的分布对象技术 CORBA 、 DCOM 等标准日臻成熟是 MES 发展和集成的基础, DCS 和 ERP 的普及和提高进一步推动了 MES 的发展和推广。
MES在石油化工领域的应用
石油化工生产属于连续性生产,生产线一级自动化程度较高。 DCS 、 PLC 和IPC 系统已成为石油化工企业的主要控制手段。另外, 石油化工行业的生产是一个多投入、多产出的过
程, 每套装置的产出同时包含着各种不同的半成品或成品, 其中半成品进入下一套装置又会产生各种不同的产品,同时还存在着物料回流的现象。
我国石油化工企业的管理模式主要是集中式和分布式两种管理模式。集中式管理模式指与生产管理相关的职能部门及管理工作不下设到工厂, 集中在地区公司一级进行。分布式生产管理模式则指工厂下设相关职能部门, 其生产管理分散在各工厂内部进行, 地区公司仅负责协调监督工作。
随着信息技术的发展和普及, 国外大型流程工业企业, 特别是石油化工企业十分重视信息集成技术的应用, 以极大的热情和精力, 构架工厂级、公司级甚至跨国集团公司级的信息集成系统。 MES 以面向数据的模型为核心系统,连接实时数据库和关系数据库,对生产过程进行过程监视、控制和诊断、环境监测、单元整合、模拟和优化,并进行物料平衡、生产计划、调度、离线或在线模拟与优化等操作管理。这样,就使流程工业综合自动化系统中原来难以处理的具有生产与管理双重性
质的信息问题得到了解决。目前, MES 已成为西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论和产品的主流框架。 MES 的建设在我国石油化工行业中还处于初级阶段。虽然做了很多相关工作, 如计划调度、实时数据库系统等, 但都比较零散, 缺乏系统性。
MES的体系构成
MES体系结构以数据集成平台为核心,以物料平衡为主线,全面支持罐区管理、仓储管理、进出厂管理、公用工程管理、化工辅料管理等关键业务。 (1以数据平台为核心。基于石化企业的核心数据模型建立统一的数据集成平台。核心数据模型包括工厂数据模型和业务数据模型。其中工厂数据模型描述了企业生产工厂所涉及的工艺流程、加工装置、管道与拓扑连接关系、原料物性产品质量等生产过程所涉及的对象, 而业务数据模型侧重描述生产管理相关的核心业务流程。核心数据模型为 MES 系统提供统一的数据视图。
(2以物料平衡主线。装置数据校正是基于装置的设计参数模型和装置投入产出模型, 综合考虑生产加工方案, 按照一定的逻辑进行数据校正, 实现装置级的物料平衡。装置数据校正的主要数据来源是生产实时数据采集系统、手工录入和其他系统。数据校正的结果, 作为全厂油品平衡和全厂物料平衡的装置数据基础,提供装置投入产出统一数据源。
(3调度平衡。依据油品移动的节点模型, 综合考虑装置校正数据, 采用油品平衡算法, 实现全厂油品平衡。全厂油品平衡抓住企业物料数据的主要因素 (油品、忽略炼油企业物料数据的次要因素 (气体、固体等 ,根据油罐与油罐之间、生产装置与罐区之间、生产装置与生产装置之间的油品移动关系, 建立油品移动模型, 从油品组分、油品数量多个视角实现油品平衡。全厂油品平衡充分考虑生产调度部门日常数据处理逻辑, 以罐区存量数据的相对准确性, 对生产装置投入产出数据进行进一步的校正。全厂油品平衡的结果, 主要满足生产调度部门的数据需求,并作为全厂统计平衡的数据基础。
(4统计平衡。依据全厂物料逻辑模型,在全厂油品平衡的基础上,全面综合考虑气体和固体等数据, 通过平衡推量, 实现全厂物料统计平衡。全厂物料统计平衡的结果满足生产统计部门的业务需求,为 ERP 系统提供生产绩效数据支撑。
简言之, MES 系统以核心数据模型 (厂数据模型 +业务数据模型为基础,对生产统计、生产调度、装置运行、生产成本等进行实时监测与管理, 强调通过实现生产全过程的物流跟踪来发现生产过程中存在的问题, 强调通过实现调度平衡、统计平衡来保证生产过程数据的准确性,通过生产计划与调度优化实现生产管理的动态优化。
实施 MES 系统的目的
(1为 ERP 提供数据支撑。为 ERP 的生产计划、物料管理、销售分销等模块提供数据, 主要包括物料数据和公用工程数据:
(2实现公司的生产数据和应用集成。实现企业的数据集成,实现应用系统集成并提供一致、共享的信息;
(3为公司生产管理提供信息化管理工具。为生产管理 (计划、调度、统计提供一致、唯一和共享的数据源; 实现罐区的自动化管理和装置数据的自动校正; 为生产调度提供实时的物料移动跟踪和油品平衡工具; 为生产统计部门提供自动实现物料日平衡的工具; 为企业公用工程信息提供平衡管理工具;
(4促进了公司精细化管理,增强了企业竞争力。 MES 的实施将对企业的生产管理流程进行规范和优化;降低管理部门业务人员的重复性劳动,提升创造性劳动;
(5提高了供应链管理效率,优化了生产加工。为整个业务流程提供优化建议;为公司生产加工方案、原油选购、优化排产、产品调和的优化提供了决策支持,为公司的生产降本增效,提高了企业的经济效益。
1.2 企业 MES 系统构架
MES系统由多个软件组成,用于支持工厂生产运行的不同方面的工作。中国石油 MES 系统主要运行于地区公司层面,涉及生产计划与排产、生产执行、生产运
行管理、生产统计等业务领域,主要包括以下模块:工厂基础信息管理、实时数据库、实时数据库应用、实验室信息管理系统、生产计划与排排产、运行管理、物料移动管理、物料平衡、收率计算、生产统计、生产运行信息平台。四个功能层次中最下层的基础应用层包括了三个子系统, 分别是工厂基础信息管理、实时数据库、实验室信息管理系统。这一层面的应用是 MES 其他层面子系统的信息基础, 所有的基础数据和实时数据都来自于这个应用层。自下而上的第二层是执行层, 主要是实时数据库的应用。主要实现生产运行中的实时和历史数据的收集和存储, 并具有对生产执行情况的监控、诊断、跟踪、故障检测和记录等功能。
自下而上的第三层是运行管理层,其包含生产计划与排产、运行管理、物料移动管理、物料平衡、收率计算和生产统计子系统。
最上层的应用是表现层应用, 主要提供地区公司和各分厂生产运行信息查询和分析功能的最终用户应用服务。这一层面的应用主要用于综台报告并发布其它各子系统的信息, 全面体现生产运行的状况,便于管理者进行及时有效的决策。
管理工厂配置信息定义,包括工厂所有组件, 如结构、装置和资产信息,存储工厂生产流程图以及各个结点的联接关系。通过建立清晰、集成的工厂静态基础信息, 统一的数据查询界面,使各部门、各岗位的人员能够在统一的平台下, 根据需要查询工厂基本信息, 及时了解工厂基础信息,并便于未来这些信息的统一维护、更新和管理。
实时数据库
实时数据库作为数据集成平台, 能存储大量的、实时的和历史的生产过程数据, 并提供分析工具,能够支持对这些数据的分析,为其它的应用提供数据支持。实时数据库可以和 DCS , PLC 及其它数采系统进行连接,能够提供方便的过程监控和浏览功能。
实时数据库应用
提供实时监控 KPI 的工具, 及时发现生产中的问题; 实时计算装置考核指标:实时计算需要的工艺参数;提供分析历史数据工具,为生产过程平稳控制服务。
实验室信息管理系统
可以提供质量检验的最终结果数据,可直接将化验仪器的数据输入 LIMS 数据库,也支持样品分析结果手工输入 LIMS 数据库,并可与产品的质量指标对比。建立统一的数据源, 以查询实时数据的方式查询实验室数据,支持数据以趋势图的方式查询。 LIMS 数据可以与其它系统共享,实现实验室数据与应用集成。
生产计划与排产
与生产计划优化系统集成, 从月计划中产生短期的生产排产计划; 基于生产装置和生产能力的配置信息, 建立一个调度与排产模型, 用于调度系统优化排产的需要; 提供原油调度、装置调度、罐区调度功能; 能够模拟不同情况下装置工厂调度的改变情况, 使调度人员能在事件还没有发生的情况下, 对生产情况的改变能有一个清楚的预测, 以便事前就能采取行动, 制定合理的优化的调度方案。
运行管理
(1监控管理
通过设定参数的上下限制等, 规范各种参数值, 实时地对由于偏差造成的损失进行监控; 可以对设备运行效果进行监控并提升流程工艺的性能; 通过过程追踪, 来提供对事件的归档记录,从而提供防止问题再生的措施;对车间绩效进行有效监控。
(2指令管理
通过指令的追踪和比较, 支持交接班操作; 通过电子操作记录从而对于事件和工艺流程操作进行记录。
(3 日志管理
提供电子化的文档详细记录各班组的活动情况, 可以为相关人员准确、及时地得相关信息提供保证:能够自动形成所需要的报表,为数据查询提供方便。
物料移动
对物料移动及库存进行管理,包括:原料进厂、成品出厂、中间产品储运、以及装置间物料移动。及时地将生产计划和排产方案转换为给生产车间和储运车间(油品车间的物料移动指令。调度人员通过此系统,对生产过程中从原料进厂到成品入库的物流进行跟踪。
生产统计
基于物料移动、物料平衡等数据,改进生产报表管理的业务流程,形成生产报表模板, 规范生产报表业务, 及时掌握企业的生产运行、物料移动、生产执行和生产统计等情况;搭建一个生产信息汇总、统计及查询的生产信息平台, 加强各业务层次间的信息集成和数据共享; 提供灵活的生产报表格式定制功能, 使报表功能具有良好的维护性和扩展性。专业分公司能够方便地基于地区公司的生产运行数据进行数据汇总和分析。
物料平衡
通过在系统中配置物料平衡模型, 如建立装置平衡模型、生产平衡模型、统计平衡模型, 满足业务部门的不同需求; 提供多种途径的数据归集方式, 为物料平衡计算提供统一计量单位的基础信息;使生产管理岗位及时全面了解生产现状,及时发现各种不合理的生产损失; 及时反馈生产计划和生产调度的执行情况, 达到快速优化生产、降低生产成本的目标; 为成本核算、技经指标考核和生产统计等应用提供准确可靠的基础数据;有效地进行生产分析, 发现仪表误差等计量问题,改进生产管理手段。物料平衡是炼化企业开展众多业务 (如:生产统计、生产计划优化、财务核算等的基础,是实现精细化管理的重要保障。从我国石化企业的现状来看, 物料平衡的管理仍比较粗放。传统的物料平衡管理主要以月度为周期, 工厂计量自动化
水平低,缺乏及时、准确的物料平衡数据, 成为了生产精细化管理的瓶颈。因此,实施物料平衡系统, 有效跟踪和整合生产数据,实现全厂和装置级的每日物料平衡,已经成为了国内炼化企业的迫切需求。
物料平衡是指导炼油生产的重要手段, 关系到生产企业的投入与产出, 其平衡结果可反映出生产计划是否合理, 工艺技术是否先进, 物耗成本的多少、产品收率和经济效益的高低等。因此,利用物料平衡系统,通过对原料进厂、物料移动、库存容量、产品出厂等过程进行连续的跟踪记录, 可找出并解决此过程中物料不平衡的问题, 准确及时地获得产品的品种和数量、原料库存量、装置和罐区之间物流流量、燃料消耗量等信息。物料平衡模块属于 MES 的上层应用的模块,实时数据库模块为物料平衡提供了所需的流量,温度等实时数据, LIMS 模块也为物料平衡提供了化验数据。物料平衡后,生产统计模块要应用平衡后的数据做报表等,以直观的显示出来。物料平衡模块有如下功能:
(1提供与建立包括装置所有侧线、产品以及体积流量、温度、密度位号关联的维护界面。并可更新修改相关位号的属性信息;
(2系统能够根据已配置好的装置物料计量位号从实时数据库中提取各项原始数值,还提供调整值的录入口,分别计算原始值和调整值的质量信息;
(3系统提供能根据装置产品收率及单耗信息自动进行平衡验证的功能;
(4提供每日及各班次查询多装置或单装置的物料质量计算信息的功能界面;
(5系统能够提供良好的物料路由配置界面,并可以建立多个设备的物流连接,并设置物流的源、目的、出入端口、计量表工位号信息等内容;
(6系统应能将实时数据库中的质量流量位号数值以及库存位号数值以及其它测量数值与油品的移动记录进行集成和对映:
(7系统通过数据校正可以列出在平衡时段内没有流量记录的节点之间的连接线,发现丢失的移动:
(8系统提供整体的目标功能节点平衡统计画面以及每个仪表健康状况的基本测量统计的三个层次诊断界面;
(9系统提供图形化的单装置和储罐的平衡显示界面。根据装置和罐区的配置信息,建立的物料平衡系统模型, 能采集各装置、罐区的计量数据, 并通过模型对这些数据进行分析、错误查找和误差分配;可以根据上述采集到的信息进行天、旬、月的物料平衡计算,并能够对库存情况进行自动监控; 减少平衡业务的工作强度, 将平衡人员从繁琐的数据收集、校对工作中解脱出来; 为提高计量仪表的精度提供仪表的历史误差记录信息; 根据需要能够产生平衡后错误或偏差数据的对比分析报告, 并及时发布给生产管理人员、调度人员和计划人员, 得到最能反映装置实际生产的数据信息。
目前,国外流程行业 MES 的成熟软件产品均涵盖物料平衡系统,国内一些自主研发的 MES 软件也包含了物料平衡的部分。在处理物料平衡的问题时,一般以建立物料平衡模型为基础。在物料平衡模型的下层提供数据支撑模块, 在模型的上层提供数据分析展示模块。一般的物料平衡功能架构图。这样的功能架构主要解决三个问题:首先, 如何获取数据; 其次, 得到数据后怎么处理;最后,处理结果怎样分析展示。
1.4 外围软件
外围软件是国内某自动化院开发的一个产品, 它一方面构成企业管理的完整的解决方案; 另一方面也可以作为单项业务的解决方案, 在企业中独立应用。外围软件解决了远程访问实时数据和历史数据的难题, 进行了针对性的设计和开发了 web 服务器, 可以更好的适应当前企业经济发展的管理要求。远程用户可通过浏览器访问实时数据和历史数据信息。真正的 web 查询系统,使企业能跟上现代化的信息管理。在企业内部局域网上的用户可以通过外围软件的桌面查询系统查看实时数据信息, 但远程用户则可以通过外围软件的 Web 查询系统查
看实时数据和历史数据。用户也可在超文本中插入控件直接访问实时数据和实时数据库, 分别用来查看流程图、实时数据、历史趋势、报警信息、事故追亿和数采监视等。
外围软件实现的主要功能有:数采功能、流程图浏览、实时数据浏览、报警查询、历史曲线、直线报警、事故追忆。
1.5 实时数据库
实时数据库的产生与发展
连续工业生产过程中存在着大量实时数据的处理、存储和集成问题, 仅靠采用集散控制系统 (DCS和关系数据库技术并不能完全解决。开放结构的实时数据库系统 (Real time DataBase 能够提供高速、及时的实时数据服务,能够有效地集成异构
控制系统,提供分布式的数据服务。它在工厂控制层与管理信息系统
MIS(ManagementInformation System 之间建立了实时的数据连接,使企业全生产过程控制和业务管理相结合。同时它也是企业 MES 系统的核心,是流程模拟、先进控制、实时在线优化、生产全过程管理等系统的数据平台。实时数据库是数据和事务都有定时特性或定时限制的数据库, 它和关系数据库一起构成了企业的数据支撑平台, 对企业生产信息集成起着极其重要的作用。它为流程工业企业信息化提供统一和完整的企业级实时数据库服务平台, 使企业经营管理决策层能够对生产过程进行实时动态监控与分析, 随时掌握运行状况, 及时发现问题并进行处理,从而降低生产成本,提高产品质量,最终提高企业的市场竞争力。 1988年发表的 ACM SIGMOD Record实时数据库系统专刊预示了实时数据库研究领域的诞生,到了 90年代中期爱尔兰的 Rhode 大学以及美国麻省理工学院开始重点研究实时 SQL 语言。而被国外理论界认为严格满足实时要求的实时数据库产品有 1994年 DBX 公司发布的
Zip . RTDBMS 和 1995年 Martin Marietta 公司发布的 Eagle SpeedRTDBMS。近年来,随着实时数据库理论的日益成熟和完善,各种商业实时数据库产品层出不穷,其中国际上比较著名的产品包括美国 AspenTech 公司的 Infoplus 系统; 美国 Honeywell 公司的 PHI(Process History Database系统;美国的 OSI 公司的 PlantInformation
System ,简称 PI 。这些产品在石油、化工、钢铁、电力、医药等多个重要的行业得到了较为广泛的应用, 并且提高了企业的生产效率。目前国内也有多家公司从事相关产品的开发, 包括中国大庆金桥信息技术工程有限公司的 ConRTDB 系统, 中国北京三维天地计算机技术开发有限公司的 SuperInfo 系统,中国北京石林电脑公司的SLRS 系统。尽管这些产品和国外的同类产品相比, 不论从功能上、性能上还是在体系结构设计上都还存在着一定的差距,但是它们也有各自的优势所在,例如地缘优势、成本优势、服务优势等。加上各公司在功能和性能上的不断改进, 近年来这些产品在国内的实时数据库市场上也占有越来越高的地位。这些实时数据库产品在工业生产和企业信息化建设上发挥着巨大的作用。但现阶段实时数据库的理论和技术还处于发展阶段, 还需要科研人员进一步地去完善, 使其能应用于各种新的领域,并满足各种不断提高的工程应用需求。
实时数据库技术的研究现状
从上世纪 80年代后期开始,有关实时数据库的论文陆续发表。 90年代中期,爱尔兰的 Rhode 大学以及美国麻省理工学院则是进行实时数据库研究的前沿, 并开创了实时数据库研究的新领域。我国科教界也开始了实时数据库理论的研究, 其中比较知名者有华中理工大学刘云生教授,曾经发表多篇研究实时事务的并发控制和调度的论文,并指导研制了取名为 ARTS 型实时数据库系统的雏形。与此同时,国内外的实时数据库及相关产品的生产商也相继推出了各种实时数据库系统, 主要有 PI 系统 (适用于流程工业、 InfoPlus(主要在石油化工方面 ,力控系统 (主要用于控制领域 , SuperInfo(主要用与电力调度、石油、化工等领域等等。这些产品仅仅局限于某一领域的应用,尚未建立统一的通用型商业平刽。
随着实时数据库应用领域的不断扩大, 实时数据库领域又提出了两个新的课题:分布式实时数据库和安全实时数据库。实时数据库与分布式数据库相结合产生了分布式实时数据库, 其数据和事务分布在不同的结点上, 并由分布式实时数据库管理系统来统一管理、调度执行。分布式数据库的理论己经成熟, 但技术并不完善。安全实时数据库在保证时间限制的同时还要保证安全限制, 目的在于提供对信息和数据的安全存取的服务, 即在向授权用户提供可靠的信息和数据服务的同时, 又要
拒绝非授权的对数据的存取访问请求。保证数据库管理下的数据的可用性、完整性和一致性,进而保护数据库所有者和使用者的合法权益。
实时数据库系统近年来大量应用于工程实践当中, 形成了应用和研究开发相互促进的局面。但实时数据库还处于发展阶段,理论和技术尚未成熟,其产品也尚无统一的行业标准。这需要科研人员做大量的多方面的工作。在数据库理论中, 实时数据库系统就是其事务和数据都可以具有定时特性或显式的定时限制的数据库系统。系统的正确性不仅依赖于逻辑结果, 而且还依赖于逻辑结果产生的。
实时数据库系统中最为典型的问题是利用数据库技术的特点和优点解决实时系统中的数据管理问题, 为数据库系统提供时间调度和资源分配的算法以及实时数据处理的各种方法。时间特性是实时数据库系统不同于其它关系数据库的特点之一。数据、事件、活动都有与之相联系的时间限制。设计实时数据库系统时一定要充分考虑时间特性, 考虑外部环境所施加的时间限制、系统性能所决定的时间限制、数据的时间一致性所要求的时间限制以及其它的时间限制。另外, 由于时间限制的存在, 实时数据库中的数据还存在除数据逻辑一致性和事务逻辑一致性以外的两种一致性约束条件:数据时态一致性、事务时态一致性。
实时数据库系统可以看作是常规数据库管理系统与实时系统的结合体, 必须在实时环境下满足事务提交的时间约束。实时事务要求系统能比较准确地估计和控制或规定事务的运行时间,但对磁盘数据库而言,由于磁盘存取、内外存数据传递、缓冲区管理、排队等待等使得实时事务实际平均执行时间不易控制在一个较短的时间内。而如果将选定数据库的“主拷贝 " 或“工作版本’’常驻内存,形成内存数据库,即活动事务只与实时数据库的内存拷贝打交道,每个事务在执行过程中实现 I
/O 。那么系统就可以将事务的运行时间控制在一个较短的时间内。
实时数据库理论的研究主要集中在如下几个方面:数据和数据库的结构与组织; 事务的截至时间的软硬性; 事务的优先级分派、调度和并发控制的协议与算法;系统资源调度、恢
复、通信的协议与算法；查询处理算法；数据和事务特性的语义及这种语义与一致性、正确性的关系等等。这些问题又彼此高度相关且与应用的性质紧密联系。然而在工程实时数据库系统中，同相关的工程背景结合，又产生了很多需要研究的问题。由于当前的数据库技术的应用正不断迅速地从传统领域向新的现代领域扩展，如 CAD／CAM、CIMS 和工厂自动化、过程控制工程应用；合作与协同计算：数据通信、电力调度、电话交换等网络管理；电子银行事务、证券与股票交易、电子数据交换和电子商务；雷达跟踪、空中交通管制、武器制导；图象处理与模式识别、实时仿真等。这些应用各自有着非常特别的行为特性和数据特性。实时数据库系统的研究中通常要借鉴其它各特种数据库和相关工程知识的理论研究结果。例如时态数据、内存数据库、面向对象数据库、主动数据库、工程数据建模等。实时数据库系统功能设计一个面向石化企业的大型实时数据库系统的功能按照应用层次主要分为如下的三个部分。首先，实时数据库系统要有强大数据集成能力，也就是提供现场各类数据源访问的统一接口，在分布式环境下集成现场各种设备的数据。通常，系统还需要能够以自定义的方式连接特殊的数据源，如自定义文件等。其次，实时数据库管理系统，不仅能够存储管理石化企业所需要的各种数据，包括现场实时数据、历史数据、实验室数据、仿真数据、组态信息、系统运行信息、数据设备运行信息、应用层的报表数据、统计信息、上层应用系统信息等，还要能够对数据采集任务、数据访问任务进行调度和管理，从而保证实时数据库的分布式数据服务。为了支持石化企业众多的应用，在实时数据库数据管理一层还需要加入许多的数据处理功能模块，如实时数据计算模块、批次信息管理模块、历史数据压缩处理模珐、仿真数据处理模块、查询索引管理模块、历史数据引擎模块、关系数据库连接引擎模块、备份恢复处理模块、统计信息管理模块等。在此基础上，系统应当提供多种数据服务方式，以支持更为广泛的应用。第三，实时数据库系统需要有基本的任务管理模块才能满足实时数据库和流程工业企业的基本要求，在此基础上还需提供更多的外部功能组件，从而形成完整的企业实时数据库解决方案。这些功能部件主要包括：组态软件、监视软件、流程图软件、报表软件、数据源通讯侦听软件、试验室数据输入软件、报警信息管理模块等。最后，我们还要考虑软件系统应用的环境。目前，我国流程
工业的规模层次参差不齐，现场控制设备的情况也各不相同，有现场总线、DCS、PLC，各种设备的厂家可能也不相同，数据的采集接口也各不相同，支持各种应用的形式也各有不同。 1.6 数据调理与管理完成数据集成工作之后，每日都将有大量的生产过程数据进入数据平台进行汇总，由此引起两个方面的问题：一方面，所集成的数据来自各个生产单元，纷繁复杂，体现在：数据的单位不一致：有的以质量为单位，有的以体积为单位，有待于统一转换为一致的单位，如：吨；
有的数据需要在化验数据的支持下进行再处理，以得出可以实际操作利用的数据，如部分数据需要进行温压补偿，有的数据如油品数据需要进行含水量的处理等；数据集成多来自现场的仪器仪表，由此造成部分数据为累计量，而事实上企业需要的是当日的日量。由此，需要对集成后的原始数据进行数据调理，以处理成单位统一，形式一致的日量数据为下一步的工作做准备，如数据校正模型的显著误差检测和数据协调计算工作等。另一方面，由于大量数据存储在数据平台中，因而对数据的管理也提出了较高的要求，具体体现为数据属性的定义和数据库的管理维护等。数据属性的定义是指任意一个原始数据都会有如下属性：单位、位号、中文描述、物流性质、采样周期、采样类型和所属单位等等，显然，许多属性不是一成不变的，而是随着企业生产经营活动的变动而变化，因此需要对数据的这些属性进行管理，以符合企业的实际需求。数据库的管理维护是指数据日复一日的在数据库中累计，会造成数据库体积臃肿，增加系统运行负担，查询效率低下和安全性等问题，因此需要采取适当的策略对数据库进行管理。