石化企业信息化过程中的数据源建设.docx
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石化企业信息化过程中的数据源建设
石化企业信息化过程中的数据源建设
李实
中国石油抚顺石化分公司石油二厂副总工程师、高级工程师。
随着科学技术的迅猛发展，石化企业越来越广泛地采用信息技术来改造传统产业，具体包括动态生产调度、优化计划排产、实施电子商务、提升管理水平等，使其成为挖潜增效、赢得市场竞争胜利的重要途径。
在石化企业信息化开发实践过程中，最重要的基础工作是数据源的建设。
一石化企业信息化
石油化工以原油和天然气为主要原料，生产出燃料、润滑油、石蜡等产品，满足社会的需要，同时谋求企业的最大经济效益。
石油化工流程是连续生产，规模大，由许多复杂、内部关联的单元操作模块组成，单元模块之间由物料流、能量流及设备的相互连接而组成不同的石油化工过程流程。
石化企业仪表自动化程度较高，技术进步速度很快，信息化工作起步也较早，近几年的应用概括起来主要包括：
信息网络和数据库等基础设施建设、生产装置先进控制和生产过程优化、计算机辅助设计（CAD）、生产流程模拟、办公自动化（OA）、管理信息系统（MIS）、计算机集成制造系统（CIMS）、企业资源计划（ERP）等。
随着加入WTO，我国石油化工行业面临巨大挑战，为实现原油配置优化、资源调度优化、提高炼油负荷率、增加轻油收率、提高资本回收率、降低销售成本等目标，加快端到端全面信息化势在必行。
石化企业信息化的目的是采用信息技术改造传统产业，信息化带动工业化。
越来越多企业决策者和IT业者都认识到，上述林林总总的应用，都离不开方方面面数据的支持。
可想而知，没有完整、准确、有效的数据，信息化便成为无源之水、无米之炊。
有了丰富的数据平台，才能实现各种应用。
从国内石化企业信息化建设的实践来看，也令人信服地证实了这一点。
哪个企业抓住了数据源的建设，即使在初期花费了较大投资、占用了稍长时间，但后劲足，不返工，做得有水平，有深度，有效益，最终的信息化进程还是快的。
二数据源总体分类
所谓数据源，即数据的源头，它是在数据产生的当时当地直接获取数据的实体。
数据牵涉面广，种类繁多，可从数据的来源、时间、特点、用途、表现形式等对其进行分类，宏观上包括原始数据和加工数据、专用数据和共享数据、静态数据和动态数据、实时数据和历史数据、内部数据和外部数据等，构成企业的业务流、信息流、资金流和物流。
对石化这一具体的行业来说，其数据源总体上应该包括以下内容。
1.工艺流程数据
生产装置的连续运行是石化企业的流程特点，而工艺流程数据直接、实时、准确地反映了生产装置运行状况。
所谓工艺流程数据，指的是生产装置各单元测线的温度、压力、流量、液位、在线分析仪器数据、重要阀门开度和自保联锁状态等。
显而言之，这些包括由原料、产品、操作参数、能耗和剂耗等在内的生产装置综合数据，是现场工艺人员调整操作的依据，也是上层生产调度人员掌握生产装置运行状况的手段，进而指挥和平衡生产。
同时，工艺流程数据也是先进控制和优化控制实施的基础，反过来又能通过工艺流程数据来检查和评价其控制效果。
2.油品质量数据
石化企业的操作者和管理者需要可靠、实时的产品质量数据，以便及时调节生产，使流程的每个环节都能够迅速响应条件的改变，用合理的质量来获取有效利润。
油品质量数据项多繁杂，如密度、黏度、比色、闪点、倾点、浊点、冰点、燃点、蒸汽压、凝固点、冷滤点、含氧量、辛烷值、烃组成和其他色谱数据，以及馏出口组分和出厂产品的合格率等。
质量数据的采样周期由生产流程的需要而定，根据不同质量数据安排为1h、2h、4h；在开车和生产非正常期间，则根据需求随时采样，进行化验分析。
质量是企业的生命，石化企业对油品质量数据的管理是十分严格的，实验室信息化管理系统（LaboratoryInformationManagementSystems,LIMS）就是为解决这一课题应运而生的，它在国外相当流行，应引起我们足够的重视。
3.油品罐存数据
储罐是石化企业原料、半成品和成品的集散仓库，直接关系着物料平衡、油品调合和生产过程的调度，构成了举足轻重的储运系统。
油品罐存数据主要包括油罐液位、油罐当前状态（进油、出油、循环、封罐）、油温、介质密度、液位超限报警、可燃气体报警、阀门开关状态，以及机泵启停状态、管道油品流向等。
储运系统数据实时性的要求远不如生产流程，一般是分钟、甚至是小时级。
储运系统自动化，不仅从安全上能够避免跑油、窜油、冒罐等事故的发生，而且在提高油品调和质量、充分利用储罐空间和节能降耗等方面发挥重要作用。
4.公用工程数据
公用工程是石化企业生产的基本保证，相关数据包括水、电、汽、油、液化气、瓦斯、风、氮气、氢气等。
对液体和气体计量仪表的选型，主要应依据3方面考虑：
（1）被计量介质的类型要求；
（2）被计量介质的工况要求，如组分、流量、压力、温度、黏度等；（3）被计量介质的精确度要求。
如原油进厂和产品出厂、动力外购和供外、进装置原料和出装置产品、生产系统成本核算、生产过程控制系统、辅助单位用能等；供电系统要实现对变电所各母线电流、电压、电功率、电度量等数据和断路器、继电保护信号综合采集，完成对供电日、月、年负荷及生产装置负荷的统计，并具有越限报警和事故追忆等多种功能；考虑到瓦斯系统运行状况对石化企业生产过程的影响举足轻重，对以下现场数据的收集是不可缺少的：
高压与低压瓦斯、气柜系统（气柜高度、压缩机运行状态）、火炬系统（放空瓦斯量、蒸汽使用量、火炬点火时间）、关键阀门开度、重要部位压力和加热炉烧瓦斯火嘴数目等。
5.设备管理数据
一个石化企业，有成千上万台各种类型的设备。
这些设备状态正常与否，是生产装置安稳长满优运行的关键。
设备的静态和动态数据科学地决定了工厂维护和检修计划的制定和实施。
描述和反映设备状况的数据，包括设备型号、规格参数、生产厂家、安装时间、附属设备、检修记录、更换配件等档案数据以及腐蚀、密封、偏差、完好等现场数据。
特别要提出的是，对石化企业来说，在线实时监测大机组运行状态，如转速、轴温、振动和轴位移等参数，并经计算机处理后提供当前和历史趋势图、轴心轨迹/时基图、频谱/全频谱图、系统事件列表、报警列表等，是十分重要的。
为了进一步提高大机组的维护水平，尤其是能在故障发生前做出正确判断并采取相应措施，防患于未然，还可考虑采用专家系统，进行故障的诊断和预测。
6.经营管理数据
相对低层的生产管理数据来说，经营管理数据属企业的上层决策范畴。
具有行业特色的ERP系统，正是在如财务（成本、资金、利润、损益、负债）、计划（排产、平衡、盘点、达标）、销售（计划、合同、市场、运输）、供应（采购、合同、库存、商情）、技改（计划、评估、进度、投资）、人事（档案、考核、调配、工资）等数据完整性和准确性的基础上，通过业务流程清晰的描述和定义，在企业内部建立一套集成的管理信息系统，以支持日常操作和高级管理，最终实现企业运作的优化。
显而易见，它对企业管理的规范化和领导决策的科学化，最终提高经济效益和市场竞争力，起到了至关重要的作用。
7.办公自动化数据
根据现代办公的业务需要，办公自动化的定位应包括：
（1）完善的文字处理功能。
文字处理要求能准确、迅速处理各类文件、报告，并具备文字的编辑、修改、存储、排版、打印和复制等功能，为用户提供易学易用的汉字输入方式。
（2）较强的数据处理功能。
数据处理是办公自动化的基本业务，通过计算机的软硬件，准确地对数据进行登录、分类、存储、统计、查询和制表。
（3）语音处理和图像处理。
多媒体技术的出现，使办公自动化领域面目一新，给用户带来极大方便，同时也提高了办公信息的应用范围和应用价值。
办公自动化数据大多属超文本范畴，主要包括：
（1）企业的收发文；
（2）数据共享的“部门信息”；（3）上报或下传的请示、批复、指示、汇报、报告、通知、通报、调查报告、工作计划、工作方案、工作总结；（4）网上公共信息；（5）电子邮件；（6）个人文档资料管理等。
LotusDomino/Notes技术的推出，在很大程度上消除了制约办公自动化实施的瓶颈，确立了在这一领域事实上标准平台的地位。
三数据源的集成和管理
1.数据的采集
（1）人工采集
人工采集数据，一般指操作人员利用石化企业生产过程中由测量仪器仪表所获取并显示出的各种流程、动力、储运等数据，以及在石化企业经营过程中产生的各种凭证、账单、报表等数据，通过键盘输入到信息管理系统，记录到系统所定义的载体或介质上。
（2）自动采集
石化企业已普及地采用了智能化仪表、PLC、微机监控、DCS和现场总线，不仅能实时、准确和完整地获取生产和经营数据，而且可在接口的支持下，无须人工干预通过网络上传到企业的信息管理系统。
这就是数据自动采集的工作方式。
（3）人工和自动相结合的采集
为满足信息管理系统的总体需求，在目前还无法做到完全自动采集数据的情况下，采用人工和自动相结合的数据采集方式是可行的，也是必然的。
因为对管理层和决策层来说，他们所关心的是所需企业生产经营数据的及时、完整和准确，而并不苛求这些数据的来源。
人工和自动相结合的数据采集方式，只是暂时和过渡的过程，应尽快创造条件，最终实现数据的自动采集。
2.实时数据库
炼油厂过程层的数据，包括工艺、储运、设备运行和公用工程等，其中实时数据反映了当前生产状况，历史数据记载了以前的生产过程，这些大量复杂数据的收集、存储、处理和查询，采用传统文件管理或关系数据库，是很难完成的。
实时数据库技术，从根本上解决了流程工厂过程数据的自动采集、加工处理和指导生产的瓶颈。
实时数据库中的每个数据对象，都由当前值、采样时刻和有效期3要素来描述。
实时数据库具有和传统数据库基本相同的体系结构，其不同点主要表现在数据与时间的相关性，从而使其既能支持对大量数据的共享，维护数据的完整和一致，又能满足对数据进行实时处理的要求。
实时数据库用于过程数据的自动采集、存储和监视，其范围相当广泛，主要表现在：
（1）能与各种底层控制设备（如DCS、PLC、智能仪表、罐区检测单元、实验室管理系统等）相连，实现多种数据源的自动采集；
（2）监控现场过程正发生的实时数据，及时指导生产，调整流程操作；（3）记录现场过程的历史数据，供历史数据查询、事故分析和流程模拟使用；（4）生产装置先进控制和优化控制的数据平台，其目标的实施可提高装置处理能力、产品收率、产品质量，获取可观的经济效益；（5）和关系型数据库相结合，构建分布式应用系统，为石化企业管控一体化提供完整的数据源和功能强大的作业管理。
目前较为流行的实时数据库有3种：
（1）InfoPlus。
美国ASPEN公司的产品，其核心是一个实时数据库，外层有多个能满足不同需求的层次化产品，为现场实时数据的采集和应用、历史数据的管理、整体的先进控制和优化，提供了有效的支持环境和开发平台。
InfoPlus能与几乎所有的底层设备相连，如盘装仪表、DCS、PLC、罐区检测系统等数据源。
InfoPlus把生产装置操作信息、流程数据、实验室数据和业务管理数据有机地结合在一起，具有监测显示、生产管理、先进控制等功能，填补了管理与控制的“夹缝”，为管控一体化提供了支持平台。
（2）PI（PlantInformationsystem）。
美国OSISoftware公司开发的一套基于C/S的商品化软件应用平台，分布式结构，在多种系统配置下运行，支持的客户个数无限制，可使用多个数据服务器。
因其采用旋转门压缩专利技术和独到的二次过滤技术，使进入到PI数据库的数据经过有效的压缩，极大地节省了硬盘空间，能够处理超大量信息（数十万点），可以数据原型存储，具有很高的可靠性和很快的执行速度，能提供强大的数据分析软件、简捷的报表生成工具和完美的Web浏览，为生产信息和管理信息提供了十分友好的集成环境。
（3）Uniformance。
美国HoneywellHi-spec公司推出的工厂一体化解决方案中的一个软件产品。
Uniformance数据库是该软件的基础，它是一个综合性的工厂信息管理系统。
Uniformance由3部分组成：
（a）工厂历史数据库（PHD），用来收集、存储和重现连续的过程数据、物料移动数据、操作事件、质量数据等，实现了实时数据库和关系数据库的无缝连接；（b）工厂参考模型（PlantRefeerenceModel），用来存放工厂的参考数据和组态数据，它是工厂历史数据库的基础，其信息存储在关系数据库中；（c）桌面应用，提供用来对工厂数据进行显示、分析和打印报表的实用工具。
3.关系型数据库
石化企业的生产和经营管理部门的职能，是把反馈上来的生产和经营数据，经过分析判断，下达指令指挥生产和进行经营决策。
在生产和经营管理信息系统中，构造一个统一的分布式关系型数据库，由一个统一的DBMS来进行管理，某一节点所要存取的数据可能物理地存放在其他节点上，甚至该节点所提交的任务也是在另外某个节点上完成，但该用户完全感觉不到这种物理上的分布，实现节点透明性是十分必要和重要的。
目前有两种关系型数据库较为流行：
（1）Oracle。
Oracle是目前世界上最大的数据库供应商。
Oracle体系结构在本质上是多进程的，通过SQL*Net支持工业标准操作系统中的全部工业标准网络协议，具有良好的开放性，能运行于多种硬件平台和多种操作系统上，使异种网络能共处于一个同构的DBMS下，实现了数据的趋同化和统一化。
Oracle8i的问世，改变了信息管理和访问的方式，成为一个面向Web信息管理的数据库。
石化企业采用Oracle数据库十分普及，实践证明了对这种面向管理的分布式数据库的选择和实施非常成功，它已成为行业中事实上的主流数据库。
（2）Sybase。
Sybase公司于1987年推出面向网络的数据库产品，是当今数据库后来居上的佼佼者。
Sybase的起点是直接针对网络平台，在核心层真正实现了C/S体系结构的分布式RDBMS产品。
Sybase采用的多线索技术是对数据库发展的一个重大贡献。
其开放性主要体现在对应用集成化的思想，不仅提供对Oracle和Informix等RDBMS进行有效访问的控制，而且能对文件系统提供异构集成支持。
Sybase通过对C/S、3层和多层体系结构的不断升级，已显示了在联机事务处理（OLTP）和决策支持系统（DSS）中其体系结构的坚固性、强大性，以及卓越的性能。
4.异种数据库互联
如上所述，石化企业信息化建设过程中对数据源的管理，既有关系数据库，又有实时数据库，而一个企业的信息管理系统由于各种原因往往又会采用多种产品的数据库。
因此，它们之间的互联访问，已成为用户在客户端访问不同服务器的技术瓶颈。
目前，解决异种数据库互联的技术方案，一般采用ODBC（OpenDataBaseConnectivity）。
ODBC是微软提出的SQL存取组执行的层面接口标准，它为用户提供简单、标准的数据库连接的公共编程接口，根据该标准开发的底层驱动程序对用户是透明的，并允许针对不同DBMS采用不同技术进行优化。
无论前台使用哪种应用软件，也无论后台使用哪种数据库，用户只要安装不同ODBC驱动程序，就可自如地存取不同数据库产品。
对石化企业来说，管理层和过程层数据库之间的交互是数据流的主体，除了通过ODBC来实现外，还有DDE和OPC两种选择。
DDE客户程序启动DDE会话，向服务器请求并从服务器接收数据，同时还可向服务器发送数据、命令、宏，改变服务器的状态并控制服务器的运行，从而完成数据的请求、应答和传输。
OPC具有高速的数据传输能力、分布式的安全管理机制、较低的开发成本、高度柔性和高可靠性功能，已成为事实上的工业标准。
5.数据仓库
对石化企业来说，一个完善的管控一体化信息系统，在以实时数据库为核心的实时控制软件平台和以关系型数据库为核心的管理信息集成软件平台上，还应构造功能十分强大的数据仓库。
数据仓库是数据库技术的一种新应用，面向企业领导层，提供决策支持系统所需的数据。
数据仓库对分散在实时数据库和关系型数据库中的数据进行面向决策的重组，归纳整理后转换成集中的按“主题”组织的可随时调用的深层信息。
数据仓库中的一条记录，有可能是基础数据中若干个表中若干条记录的归纳和汇总。
与关系型数据库不同，它更偏向于工程，因而在技术上可根据其工作过程分为数据的抽取、数据存储和管理、数据的表现和数据仓库设计的技术咨询4方面。
至于创建数据仓库的方法，一般都由数据开始，在分析的基础上，对所需数据进行集成，生成各个主题域，确定从源数据到数据仓库的数据转化/综合模型，为终端用户提供查询工具。
在这一IT产业的前沿领域，Microsoft、IBM、Oracle、Sybase、Informix等都推出了具有不同特点的数据仓库解决方案。
数据仓库的建设是一项复杂和长期的工程，虽然投资较大，但它的成功将给企业创造巨大的经济和社会效益，使企业具有更强的市场竞争能力。
四数据源的上层应用
信息化过程中获取的大量规范化的数据是企业最宝贵的资源，如何充分挖掘和利用这些宝贵资源已成为人们的共识。
1.动态生产调度
生产调度是生产管理信息系统的核心，它承担着组织企业生产活动的重要角色，是完成企业计划目标的具体保证。
所谓动态生产调度，总体上说包括两个不同的层次：
（1）自动采集和生产相关的现场实时数据，通过覆盖全厂的“高速信息公路”及时传送上来，经过信息系统的加工处理，把反映生产状况的如原油加工量、产品产量、产品收率、产品质量、油品罐存和能耗等生产数据，以图形或图表的形式直观地显示出来，管理人员据此并结合本人的经验和知识，及时作出符合实际的判断，下达正确指令指挥生产。
（2）在此基础上建立“桌面炼油厂”，即全厂流程模拟优化系统。
它可以是离线或在线的，也可以是部分在线、部分离线的。
根据现场提供的实时数据，在“桌面炼油厂”，把Process、PROⅡ、AspenPlus等流程模拟软件应用于模拟装置新产品开发中的工艺条件、装置设备生产能力的标定和制定合理的改造方案、装置非正常运行的模拟诊断、优化工况指导生产装置的工艺操作，从而把生产装置的工艺技术管理提到一个新水平。
2.先进控制和过程优化
随着DCS的广泛应用，生产过程控制水平有了很大的提高。
但是，多数DCS仍然使用的是常规的控制方法（PID），没有充分发挥其功能。
为消除这一生产瓶颈，在完整数据源的基础上，借助充分的计算能力，先进过程控制和在线实时优化已成为石化企业挖潜增效的重要技术手段。
目前，先进控制已广泛应用于常减压、催化裂化、催化重整、延迟焦化、烷基化、润滑油精制、乙烯裂解、芳烃等生产装置。
过程优化主要是针对与经济指标直接有关系的目标函数而言的，如产品的质量和数量的提高，原料和能量消耗的降低等，因此可获取可观的经济和社会效益。
过程优化一般又分为离线和在线优化。
3.动态物料平衡
物料平衡和能量平衡是大型炼油厂生产管理基本和主要的执行环节，大体上包括：
（1）罐区的成品油和半成品油，依据交库量、前日库存量、当日库存量、出厂量，与加工装置生产能力间的平衡；
（2）罐区交付给装置的原料和装置收到来自罐区的原料，以及装置生产产品回送给罐区和罐区收到装置生产产品间量的平衡；（3）全厂供能、产能和用能间量的平衡。
由于数据采集系统和实时数据库的建立，水、电、汽、油、瓦斯等计量数据能实时上网，再构造一套优化的数学模型，适时作出符合企业生产实际的原油、蜡油、渣油、瓦斯、液化气和蒸汽平衡，使实现全厂动态的物料平衡和能量平衡成为可能。
通过动态的物料平衡和能量平衡，提供准确可靠的库存数据、产品收率、油罐组分跟踪、能量消耗和加工损失，进而辅助生产管理者作出符合生产实际的决策。
为保证成品油的质量，同时又避免质量过剩，有效的方法是合理地调合现有油品组分，即根据调合信息生成的线性规划模型，给出组分油的性质、数量和成品的要求，通过优化计算，实现成本最小或利润最大的控制目标。
4.动态能量平衡
一般来说，能源费用是石化企业最大的操作成本，也是其挖潜增效、获得巨大效益的潜力所在。
过去，石化企业的计量大都采用人工抄表，表多人少，一天一次，甚至几天一次，对数据的整理和统计只是每月做一次，远远不能满足生产和管理的要求。
通过计量数据源的成功建设，有了完整、准确的能耗数据，就可完成对企业水、电、汽、油、液化气、瓦斯、风、氮气、氢气等能耗的平衡推算，实现企业整体的动态能量平衡，使管理者能及时了解能耗动态，分析问题，研究瓶颈，以及采取改进措施，从而保证了生产的平稳运行，减少了不必要的经济损失；同时，通过网络，还能使车间及时了解生产和能耗状况，为车间的成本核算提供数据依据。
根据统计数据，动态能量平衡实现后，综合起来可降低企业（3～5）%的能源成本，为企业创造可观的经济效益。
5.流程模拟
有了完整、准确的现场实时数据，使流程模拟的实施成为可能。
石油化工系统规模宏大，由许多复杂内部关联的单元操作模块组成，单元模块之间由物料流、能量流及设备的相互连接而组成不同石油化工过程流程。
所谓流程模拟是借助于计算机技术建立描述和求解整个生产过程的数学模型，获得该过程性能的数据信息，集成为一体的石油化工流程模拟的过程，包括单元操作模块的模拟，全过程物料、能量的平衡计算，以及各种迭代收敛和相关计算。
流程模拟主要有4部分组成：
模型、算法、软件和用户接口。
从1958年凯洛格公司开发出第一个流程模拟系统开始，随着计算机技术的迅猛发展，流程模拟技术越来越广泛地应用于工艺集成分析、设备检修改造、开工停工决策、过程优化研究和控制系统评估等。
流程模拟技术已不仅仅是设计部门关注和必需的工具，同时也成为石化企业消除瓶颈、节能降耗、改进操作、提高产品产量和质量的强有力手段，使企业获得显著的经济效益。
国内石化企业的流程模拟工作从上世纪70年代后期开始，20多年来得到了越来越广泛的重视和应用，较为流行的流程模拟软件有AspenPlus、PRO/Ⅱ、HYSIM和HYSIS等。
6.计划优化（PIMS）
石化企业的经营目标是通过对原料的加工，生产出各种石化产品，同时谋求企业的最大经济效益。
为了实现这一总目标，需要企业的计划、生产、调度、储运、销售、财务、供应等职能部门进行有效的经济活动。
围绕这些活动的中心是制定生产经营计划和实施这一计划。
在掌握了大量真实数据的基础上，采用线性规划的数学方法，通过正确描述排产过程的数学模型，就能在较短的时间内，自动编制出最优的生产计划方案。
所谓PIMS，就是过程工业采用线性规划（LinearProgramming,LP）技术，进行企业经营计划优化的管理系统。
PIMS不仅可用于企业长期战略规划的制定，也可用于计划部门月、季、年计划的编制，甚至用于调度部门每天对装置生产和油品储运的安排。
7.真正意义上的成本核算和控制
石化企业的成本管理体制，大都实行的是公司（总厂）和分厂两级核算，公司（总厂）、分厂和车间3级管理，其总体费用可分解为生产成本（直接材料费、直接人工费、制造费用）、期间费用（管理费、财务费、销售费）和工程费用（技改、技措、大中修等）。
传统的成本核算过程，是车间按科目发生的费用每月上报一次，由财务部门汇总和统计，实际上为“先生产后算账”，管理滞后，企业很难实现对成本的控制。
然而，在数据源基础上建立起来的企业管理信息系统，车间依据财务部门下达的生产成本控制指标，层层分解到班组和个人，并充分利用实时数据库和关系数据库中所提供的能耗、物耗、质量、收率和流程等数据，严格进行量化考核。
其结果，不仅强化了管理，实现了真正意义上的成本核算和控制，而且还增强了生产管理的灵敏度和柔性，提高了生产操作的平稳度和产品质量，最终确保生产装置的安稳长满优的运行。
8.CIMS
CIMS（ComputerIntergratedManufacturingSystem）直译应为“计算机集成制造系统”，对石油化工流程行业来说，其CIMS目前还没有一个明确的定义，一般可理解为管控一体化。
就其功能结构来说，可划分为5层：
控制层、监控层、调度层、管理层、决策层。
在石化业的CIMS中，将这5层结构
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