在流程型工业中实时数据原本是指存在于生产现场的生产参数如温度、流量、压力、物(液)位等,在现代化生产中这些实时数据已经被变送器采集并转换为数字量而存于DCS或PLC系统的局部实时数据库中。这些数据,按数据的类型分,实时数据可分为模拟量、累计量和开关量。模拟量可以是温度、压力、瞬时流量、物位、产品度量、产品质量等,模拟量的特点是仅与时刻有关;累计量可以是累计流量、产品产量、原料消耗量、库(罐)存量等,累计量的特点是不但与时刻有关而且与时间段的起始与结束时刻有关;开关量如电力开关的位置、阀门的开闭、设备的在线与备用、生产控制中的操作条件等,开关量的特点是二位式数据。实时数据的最大特点是时效性,实时数据在模拟系统中仅仅在某一时刻有效,在数字系统中由于实时数据存在时间上非连续的模数转换,实时数据只在本采样周期内有效,过了有效期的数据便失效。
实时数据库即存储实时数据的数据库。由于实时数据的时效性,实时数据库中存储的实时数据应该能尽量跟上现场实时数据的变化,否则实时数据库中存储的是无效数据。事实上,数字系统不可能像模拟系统那样几乎没有滞后地跟随现场的变化,数字系统的滞后主要取决于DCS(或PLC系统)的数据采集的采集周期,数据采集周期的选择又与数据载体参数的变化速率(载体的时间常数)有关。一般的数据采样周期数量级在0.1秒至1秒左右,用于闭环控制的采集周期可能小些,仅用于测量的采集周期可能大些。从方便观察的角度说,数据的变化周期又不可太快,在DCS或PLC系统的人机画面上,实时数据的刷新周期在1~2秒。如果实时数据库能以2秒的周期跟上实时数据的变化,则用于流程型工业的企业级实时数据库的实时性能就可以得到保证。但是由于种种原因,现场运行的实时数据库系统包括使用进口实时数据库的系统只有个别系统能达到这一指标,大多数数据都要延迟和滞后。但是这种延迟和滞后除了类似于安全阀起跳这一类情况有影响以外,对其它控制反应并没有多大影响。相反的如果控制反应太敏感了,反到会使生产装置运行不平稳。
我们筛选实时数据中事关安全的数据,对这些数据进行分析和处理,包括对数据合理性的判断、数据滤波等。而数据处理是计算机的“强项”,就看怎样去建立数学模型,怎样去对异常的数据变化,有效的进行适当的反应、报警和处理,这方面应该是在信息管理方面突出安全信息的核心工作。
另外在信息系统中采集上来的有关安全的数据是可以存储在磁盘上的,这些存储在磁盘上的有关安全的历史数据,又是我们在万一发生事故后,分析和处理事故的重要证据之一,有了这些第一手的现场实时数据,何愁事故不好分析,事故原因不好查。
目前在石化企业内采样TCP/IP的应用层协议的Web、HTTP、FTP应用比比皆是,内部网络的速度越来越快,在此基础上我们应该加入视频应用,在一些对保障生产安全至关重要,而人又不能时刻监控到的现场都安上摄像头,和常规的工业电视不一样,这种视频监控点,视频画面不一定要很连续,但要有画面的智能分析。图像智能分析系统可以发现画面的严重异常,例如位移、火灾、泄漏、爆炸等,发现画面异常后可以采样声、光、电报警,还可以使用即时通讯系统,例如QQ、MSN自动通知相关人员,甚至可以自动打电话、发移动短信报警。而建立这种系统,费用又不是很高的,因为网络系统是现成的,就像QQ视频聊天一样,在生产现场安装的摄像头无非就是要求防爆,如果规模采购价格也不会高多少的。
在以上应用的基础上,还可以建立安全专项数据库,至少可以建立一个事故追溯数据库,在这个数据库中不光有事故的记录,还应该有实时数据的分析系统,要集中处理,力求实用,最好能够通过数据库找出事故的临界值来。
3、建立石化企业集中统一的数据采集与监视控制系统SCADA
SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition),数据采集与监视控制系统)是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
其实SCADA系统也不是新鲜东西,它的发展自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。国内电力系统、铁路系统很早就有使用,现在已经广泛使用。石油、石化系统近几年也开始重视SCADA。
在这里不妨看一看SCADA的发展简史:
第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统,开始到70年代。
第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统,在第二代中,广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站,操作系统一般是通用的UNIX操作系统。第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统,并且系统不具有开放性,因而系统维护,升级以及与其它联网构成很大困难。
第三代是90年代按照开放的原则,基于分布式计算机网络以及关系型数据库技术的能够实现大范围联网的SCADA系统。这一阶段是各种最新的计算机技术都汇集进SCADA系统中。
第四代SCADA系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术,继续扩大SCADA系统与其它系统的集成,综合安全经济运行以及商业化运营的需要。
我们目前刚好赶上第四代SCADA系统发展的大好时机。
首先,石化企业各个生产装置的DCS、PLC等已经可以给我们提供大量的实时数据,SCADA系统的建立正好是水到渠成,我们利用这些数据,除了进行安全分析和控制以外还可以进行生产控制、计量控制、调度控制以及扩展到经营管理和控制。集中了这些数据,今后令人头痛的仿真模拟和仿真培训系统也不是无源之水了。
其次,目前石化企业都已经建立了比较完善的计算机网络,信息化方面,企业的办公系统、生产调度、销售、供应、人、财、物等各方面都已经有比较完善的数据库系统,所欠缺的就是都是各自为政,把这些孤岛连接起来,为我所用,是建立集中统一的数据采集与监视控制系统SCADA的主要工作之一。
要把现有的各种实时数据,和其它数据库数据整合到SCADA下面,就要充分利用第四代SCADA的技术,用好面向对象技术(OOT)、Internet技术、神经网络技术及JAVA技术。
面向对象技术(OOT),就是是以认识论为基础,用对象来理解和分析问题空间,并设计和开发出由对象构成的软件系统(解空间)的方法。由于问题空间和解空间都是由对象组成的,这样可以消除由于问题空间和求解空间结构上的不一致带来的问题。简言之,面向对象就是面向事情本身,面向对象的分析过程就是认识客观世界的过程。面向对象方法的主要优点是:符合人们通常的思维方式;从分析到设计再到编码采用一致的模型表示具有高度连续性;软件重用性好。例如,在财务方面,经理、员工、顾客、帐本、打印机,直接作为对象出现的程序中。他们相互通信,完成诸如存取款、会计结算、打印报表等业务。以往的编程技术只用数据结构和算法来模拟要完成的业务,虽然可以得到所需计算,但经不起修改。如果增加某项业务,如代营股票,则程序几乎要重编。而现在只要把增加的业务加到顾客、帐本、员工、打印机这些对象上就可以了。
Internet技术,就是TCP/IP的应用层协议下的Web、HTTP、FTP等应用,一般客户机都不用装其它专门软件,只需要使用浏览器就可以访问数据库,和进行各种操作,目前这些应用已经十分成熟。
神经网络技术,是指一类新的计算模型,它是模仿人脑神经网络的结构和某些工作机制而建立的一种计算模型。这种计算模型的特点是,利用大量的简单计算单元(即神经元)连成网络,来实现大规模并行计算。神经网络计算技术的优势是鲁棒性、适应性和并行性。神经网络计算技术的特点是,利用大量的简单单元进行大规模的并行计算。我们知道,传统计算机的计算原理则是集中在少数处理单元上进行的串行计算,神经网络计算和传统计算有着根本的区别。所以神经网络计算技术的优势也就表现在它的特点上,即表现在两个“大”字上。一是“大”量的简单计算单元,它保证了计算的鲁棒性和适应性,二是网络的“大”规模并行计算,它保证了计算的快速性。
JAVA技术,最大特点就是跨平台,不管是什么操作系统,都可以在虚拟JAVA平台下集成起来,我们可以把不同厂家,不同版本的DCS、PLC以及其它数据利用JAVA语言,统一在一个平台下,最大限度的解决各种接口带来的麻烦。
综合面向对象技术、Internet技术,以及神经网络技术和JAVA技术,我们就可以把复杂的问题简单化,因此掌握和应用好以上技术,开发自己的SCADA系统就不会那么太难,关键就是需要熟知国内外本行业发展动态并且头脑清晰的技术领头人,还需要培养一大批即懂计算机又懂生产流程和具体业务的复合型人才,要逐步建立一个二次开发的工程技术队伍,这只队伍不只是能够干DCS和干石化企业的信息化工程,而是要具备系统的扩展、集成和二次开发能力。要朝着开发石化企业自动化控制和信息工程中间件这个方向努力,将来要实现一般技术人员,利用我们开发的不同的中间件,就可以像搭积木那样,在现场搭建SCADA。