面向化工智能工廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

李國(guó)濤

（中國(guó)成達(dá)工程有限公司，四川成都 610000）

化工行業(yè)屬于高危行業(yè)，對(duì)安全生產(chǎn)要求非常嚴(yán)格，因此在化工廠內(nèi)通常會(huì)有比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，以確保生活活動(dòng)的安全進(jìn)行。但是隨著化工工藝的進(jìn)步和化工廠規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理體系逐步表現(xiàn)出許多缺陷，尤其是智能化程度低。在智能化技術(shù)不斷成熟的今天，智能工廠的概念開始為人們所熟知。智能工廠在化工生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用，使得化工生產(chǎn)的整個(gè)管理流程更加科學(xué)化和智能化。然而智能工廠的建設(shè)依賴于大量的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為智能工廠實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。為此，本文對(duì)化工智能工廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在電子、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的支撐下發(fā)展起來的，最早的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)中期的美國(guó)，當(dāng)時(shí)主要用于軍事領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代后，成套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始推向市場(chǎng)，但總體性能不佳。直到20世紀(jì)80年代初，才出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)控制為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并且逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化[3]。目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成為更大規(guī)模的智能工廠的一部分，不僅可以完成最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集功能，而且還能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、調(diào)度、控制、經(jīng)營(yíng)、管理、決策等各項(xiàng)功能，成為許多大型企業(yè)不可或缺的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。在化工領(lǐng)域，智能工廠也已經(jīng)開始了初步的探索和應(yīng)用。由于化工廠的特殊性，對(duì)安全性能要求極高，因此智能工廠被人們認(rèn)為是化工廠智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.2 當(dāng)前存在的不足

盡管當(dāng)前的智能化技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但作為智能工廠在實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用仍不成熟，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集要求和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)等方面還沒有形成統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范，智能工廠的作用還未能充分發(fā)揮。在化工領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備種類繁多、數(shù)量龐大，而且供應(yīng)商各不相同，服役年限也有長(zhǎng)有短，這導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)接口千差萬(wàn)別，不同的設(shè)備之間難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。另外，許多化工廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)僅對(duì)生產(chǎn)過程中的用料和參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)視，而對(duì)于環(huán)境等相關(guān)的數(shù)據(jù)則不關(guān)心，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不全面、不準(zhǔn)確，距離真正的智能工廠還有很大的差距。因此，如何規(guī)范地對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，是當(dāng)前化工廠實(shí)現(xiàn)智能化過程中面臨的第一道難關(guān)。

2 化工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

2.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集內(nèi)容的確定

化工廠生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，整個(gè)過程涉及大量的工藝參數(shù)，而這些參數(shù)絕大部分都是可以測(cè)量出來的。從數(shù)據(jù)本身的角度上，化工廠的數(shù)據(jù)可以分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指具有固定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集成，例如模擬量數(shù)據(jù)、數(shù)字量數(shù)據(jù)與報(bào)警和事件信息等；而非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則是沒有固定的結(jié)構(gòu)形式，例如視頻、音頻和圖像數(shù)據(jù)等?？紤]到化工廠的類型多處多樣，而不同的化工產(chǎn)品在生產(chǎn)工藝上有一定的區(qū)別，為了對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)且具體的說明，本文以最常見的煤化工企業(yè)為例展開研究。

典型的煤化工企業(yè)包括煤制烯烴、煤制油與煤制天然氣等類型，按照其生產(chǎn)工藝流程的順序，涉及的設(shè)備主要包括生產(chǎn)裝置、系統(tǒng)管網(wǎng)、罐區(qū)、裝卸棧臺(tái)、倉(cāng)庫(kù)和HSE 等，而這些工藝的每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有相應(yīng)的控制指標(biāo)，需要布設(shè)相應(yīng)的采集裝置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是要確定采集哪些數(shù)據(jù)、用什么設(shè)備來采以及采集哪些內(nèi)容。表1為煤化工企業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的內(nèi)容。

如表1所示，本文根據(jù)煤化工工藝特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)要求，擬定了44個(gè)數(shù)據(jù)的采集方案，這些數(shù)據(jù)可以分為工藝參數(shù)、操作狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、廢物排放、功耗數(shù)據(jù)等大類。其中，工藝參數(shù)包括、溫度、壓力、液位和流量，通過溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器等儀器實(shí)現(xiàn)采集；操作狀態(tài)包括試車、開車、連續(xù)生產(chǎn)、倒?fàn)t、暫停、緊急停車、短期停車、停車，這些數(shù)據(jù)均來源于車間的DCS系統(tǒng)；運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)主要有開始運(yùn)行時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、加工時(shí)間、加工數(shù)量、停機(jī)時(shí)間、轉(zhuǎn)速、軸溫、軸振動(dòng)、軸位移，這些數(shù)據(jù)來源于PLC控制系統(tǒng)；廢物排放數(shù)據(jù)包括氮?dú)狻⒀鯕?、一氧化碳、二氧化碳、水、碳?xì)浠衔?、可燃?xì)怏w、有毒氣體、大氣中的 PM10、大氣中的 SO2、大氣中的 CO、大氣中的 NO、大氣中的 NO2、大氣中的 O3、O2、水質(zhì) COD、水質(zhì) pH、煙氣的 SO2、粉塵，采集儀器包括氣體檢測(cè)儀、水質(zhì)分析儀、煙氣檢測(cè)儀和粉塵檢測(cè)儀；功耗數(shù)據(jù)主要包括電能、電壓、電流和功率，通過能源計(jì)量?jī)x表完成采集。以上數(shù)據(jù)的采集內(nèi)容，基本可以支撐智能工廠的建設(shè)要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集方法

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等方面，每個(gè)方面都是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，但在整體上又是一個(gè)不可分割的數(shù)據(jù)采集體系。

在化工廠的生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)源就是整個(gè)生產(chǎn)流程涉及到的各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和周邊環(huán)境信息，具有點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)的感知就是通過各種傳感器設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。對(duì)于一些特殊的數(shù)據(jù)，可能已經(jīng)在第三方系統(tǒng)中生成，例如PLC控制系統(tǒng)、DCS集散控制系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在功能上等同于一個(gè)數(shù)據(jù)源，只是其產(chǎn)生數(shù)據(jù)類型較多，而且需要通過專用的數(shù)據(jù)接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)傳輸是通過一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)的，多采集總線型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每類傳感器數(shù)據(jù)首先通過自己?jiǎn)为?dú)的線路進(jìn)行采集，然后匯總到數(shù)據(jù)總線。對(duì)于普通傳感器，多采用國(guó)際通用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，例如TCP、RS-485等，而第三方系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的對(duì)接則需要專門的通信協(xié)議，該協(xié)議一般由第三方設(shè)計(jì)并提供。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)則通過數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，不同的數(shù)據(jù)庫(kù)有不同的性能，化工廠應(yīng)根據(jù)企業(yè)規(guī)模來選用。例如大型化工廠可以采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)ORACLE，中小型化工企業(yè)則可以采用輕量級(jí)的MySQL。對(duì)于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，包括視頻、音頻和圖像則無法通過數(shù)據(jù)庫(kù)來直接保存，因而需要用到文件系統(tǒng)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則采用攝像頭、麥克風(fēng)等設(shè)備采集，由專用的視頻/音頻服務(wù)器傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

2.3 采集設(shè)備選型原則

化工廠內(nèi)部環(huán)境比較惡劣，可能存在有毒、腐蝕氣體，而且會(huì)面臨高溫、潮濕等問題，容易導(dǎo)致采集設(shè)備的損壞。因此，化工廠數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)該具有較高的綜合性能。在智能工廠中，數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以分為模擬量?jī)x表、數(shù)字量?jī)x表、分析儀表與其他類儀表設(shè)備等，這些儀器儀表在選型過程中，必須充分考慮其測(cè)量精度、穩(wěn)定性、可靠性和功耗，也要考慮到其安裝位置和固定方式，同時(shí)要具有一定程度的冗余與擴(kuò)展，避免特殊情況下不能及時(shí)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)也要兼顧設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于綜合性能高的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以考慮高性能進(jìn)口設(shè)備，如果無特殊要求，可以優(yōu)先選擇性價(jià)比較高的品牌產(chǎn)品。

2.4 采集技術(shù)要求

數(shù)據(jù)采集是一套完整的功能系統(tǒng)，是智能工廠的一部分，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在技術(shù)要求上一定要具有先進(jìn)性，盡量采集當(dāng)前的最新技術(shù)，保證技術(shù)在未來幾年內(nèi)不會(huì)被淘汰并持續(xù)保持先進(jìn)性。在數(shù)據(jù)有效性方面，按照當(dāng)前智能工廠的技術(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的完整率至少要達(dá)到90%。為減輕數(shù)據(jù)采集的難度和復(fù)雜性，應(yīng)事先確定好每類數(shù)據(jù)和傳感器的采集頻率和數(shù)據(jù)有效位數(shù)。作為具備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南到y(tǒng)，化工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)滿足國(guó)家或行業(yè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在某煤化工企業(yè)進(jìn)行了試運(yùn)行，根據(jù)表1中所擬定的44個(gè)數(shù)據(jù)類型和采集方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全廠工藝參數(shù)、操作狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、廢物排放、功耗數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的采集。運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、及時(shí)，系統(tǒng)維護(hù)和數(shù)據(jù)的使用都比較方便，取得了較好的應(yīng)用效果。因此，無論是從功能上看還是在性能上看，該系統(tǒng)都具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

在信息化技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，智能化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，而化工行業(yè)的生產(chǎn)管理也離不開智能化技術(shù)的支撐。當(dāng)前許多大型化工企業(yè)已經(jīng)將智能工廠作為提升核心競(jìng)爭(zhēng)能力一重要手段?？梢哉J(rèn)為，能否在信息化社會(huì)中搶先實(shí)現(xiàn)智能工廠的應(yīng)用，在很大程度上決定了企業(yè)在未來的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中所具有的地位。鑒于智能工廠的重要性，不難預(yù)見在未來智能工廠中對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求也會(huì)不斷嚴(yán)格化，各國(guó)的參與也將逐步對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定，從而推動(dòng)全行業(yè)的智能化發(fā)展。