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作者：鄭衡 安徽中煙工業(yè)公司蕪湖卷煙廠技改辦
應(yīng)用背景
為打造自動(dòng)化生產(chǎn)、集中式監(jiān)控和信息化管理的新型卷煙生產(chǎn)線，蕪湖卷煙廠制絲線通過“十五”技改實(shí)施了功能較為完善的車間級(jí)生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝質(zhì)量參數(shù)的過程監(jiān)視與遠(yuǎn)程設(shè)定、對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視與遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)故障報(bào)警與事件消息，設(shè)備、工藝、質(zhì)量等生產(chǎn)相關(guān)信息的遠(yuǎn)程集中管理，為生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支持。
信息的獲取、傳遞、處理、展示是生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的內(nèi)在運(yùn)行方式和主要任務(wù)，而數(shù)據(jù)作為信息的載體是系統(tǒng)的首要對(duì)象，生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)從數(shù)據(jù)層面描述可以認(rèn)為是以實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫為核心建立的一個(gè)數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)流通過特定的系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了典型的“三層三網(wǎng)”架構(gòu)，即最底層設(shè)備控制網(wǎng)、中間層集中監(jiān)控網(wǎng)、最高層信息管理網(wǎng)。各種生產(chǎn)相關(guān)的過程數(shù)據(jù)作為生產(chǎn)信息的載體，由集中監(jiān)控層的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過采集器從底層上位采集，并傳送到信息管理層。實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫扮演著關(guān)鍵的信息傳遞樞紐角色，必須保證底層數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性和可靠性，同時(shí)確保給信息管理層一個(gè)穩(wěn)定的、便捷的數(shù)據(jù)接口。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)了實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫平臺(tái)的選擇。
系統(tǒng)需求
實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫平臺(tái)以標(biāo)簽點(diǎn)的形式實(shí)時(shí)分布采集、存儲(chǔ)底層控制帶有時(shí)間序列性質(zhì)的過程數(shù)據(jù)、消息和報(bào)警或者其他外部應(yīng)用數(shù)據(jù)，并針對(duì)這些數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)管理和應(yīng)用能力。實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)配置、軟件編制，必須保證生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集過程的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)也必須滿足軟件平臺(tái)、硬件平臺(tái)的兼容要求，保證系統(tǒng)整體的可靠性，還需要保證系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)的安全。此外，實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫平應(yīng)具有開放性和擴(kuò)展性，以滿足企業(yè)不斷發(fā)展對(duì)信息綜合應(yīng)用的要求。
具體說必須滿足以下性能要求：
千位以上I/O 點(diǎn)采集能力；
毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)采集速度；
嚴(yán)格的時(shí)間精度；
強(qiáng)大的數(shù)據(jù)回溯能力；
開放的歸檔訪問接口；
簡便的組態(tài)和嚴(yán)格的安全管理；
良好的容錯(cuò)結(jié)構(gòu)；
在保證性能的前提下，盡可能減少硬件開銷，做到經(jīng)濟(jì)存儲(chǔ)。
解決方案
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的本質(zhì)區(qū)別就在于其事務(wù)處理有定時(shí)限制。通常，普通的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫例如Microsoft SQL Server系列數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理的串行化，限制了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的事務(wù)執(zhí)行的并發(fā)度，無法滿足數(shù)據(jù)采集大吞吐量的時(shí)間精度要求。起初的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇使用與底層S7 系列PLC 同品牌的WinCC 作為HMI組態(tài)軟件并利用OPC 服務(wù)采集底層數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器上的Oracle 數(shù)據(jù)庫。
這一方案在功能上基本可以滿足需要，但隨著系統(tǒng)投入使用后，Microsoft SQL Server作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，一個(gè)突出的缺陷暴露出來：數(shù)據(jù)壓縮能力不足。制絲線每天大批量連續(xù)生產(chǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)歸檔大量增加，系統(tǒng)投入使用半年后，大量的數(shù)據(jù)記錄開始導(dǎo)致磁盤空間不足并影響了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為此，在增大磁盤空間的同時(shí)，需要定期對(duì)數(shù)據(jù)庫做維護(hù)，且維護(hù)間隔越來越短但花費(fèi)時(shí)間卻越來越長。為不影響生產(chǎn)，這類維護(hù)往往又需要在停產(chǎn)期間進(jìn)行，這又與卷煙制造連續(xù)化生產(chǎn)的要求不適應(yīng)。
為徹底解決上述問題，經(jīng)過對(duì)諸多實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的比較，最終選擇了GE Proficy Histrian實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫。在兩臺(tái)WinCC 服務(wù)器上均安裝Historian OPC Collector，負(fù)責(zé)高速采集來自生產(chǎn)現(xiàn)場和中控系統(tǒng)的所以生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，一方面在實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)以供歷史趨勢分析，另一方面完成對(duì)企業(yè)服務(wù)器中設(shè)置的生產(chǎn)事件模型進(jìn)行觸發(fā)。
Histrian具有超效的數(shù)據(jù)壓縮能力，采集器可進(jìn)行第一級(jí)數(shù)據(jù)壓縮(死區(qū)/例外更新)再加上歸檔采用斜率算法，實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)壓縮。Historian將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)壓縮到只占磁盤極小空間，平均每個(gè)數(shù)據(jù)值只占3個(gè)字節(jié)。
Historian每秒超過20000事件的高速持續(xù)存儲(chǔ)和檢索，Historian能夠?yàn)樾畔⒉杉⒋鎯?chǔ)和檢索提供強(qiáng)大性能。
Historian通過時(shí)間標(biāo)簽使所有的采集器自動(dòng)與服務(wù)器保持時(shí)間同步，保證了精確的時(shí)間標(biāo)簽分辨率。因此，既使各PC機(jī)時(shí)間不同，仍能非常方便快捷地創(chuàng)建基于事件時(shí)序的分析報(bào)告。采集器的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能，可對(duì)已配置的采集點(diǎn)自動(dòng)采集，同時(shí)通過自動(dòng)重新連接的方式保證與服務(wù)器的連接，從而確保數(shù)據(jù)的完整。
Historian 簡化了數(shù)據(jù)標(biāo)簽的創(chuàng)建和組態(tài)，允許用戶瀏覽數(shù)據(jù)服務(wù)器，并在Historian中自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)標(biāo)簽。這樣無需輸入任何數(shù)據(jù)就可以組態(tài)大量的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，避免發(fā)生輸入錯(cuò)誤，并可以在幾小時(shí)內(nèi)完成從應(yīng)用程序的安裝到成千上萬數(shù)據(jù)采集配置。
Historian 支持豐富的數(shù)據(jù)類型，包括數(shù)字、字符串和二進(jìn)制對(duì)象（例如文檔、圖像和其它文件）。Historian 為所有數(shù)據(jù)點(diǎn)建立索引，并可通過產(chǎn)品代碼和其它數(shù)據(jù)值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢索，大大簡化生產(chǎn)過程中或不同生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)的比較和分析。同時(shí)，可以存儲(chǔ)和檢索包括插入值、平均值、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)偏差在內(nèi)的計(jì)算值。Historian 還能夠?qū)θ魏蜲PC 報(bào)警和事件服務(wù)器進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)通過Microsoft SQL Server 加上過程數(shù)據(jù)標(biāo)簽，無需進(jìn)行任何配置。采集的報(bào)警和事件數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在單一的安全數(shù)據(jù)庫中，也可通過數(shù)據(jù)庫管理器同時(shí)對(duì)其進(jìn)行管理。
Historian 具有開放的應(yīng)用接口，提供兩種標(biāo)準(zhǔn)接口，OLE DB 以及一個(gè)軟件開發(fā)套件(SDK)，并提供多種選配客戶端工具和應(yīng)用程序。用戶可將Historian 集成到OLE DB 兼容的應(yīng)用程序中，如 Microsoft Excel、Microsoft SQL Server，可嵌入Excel 報(bào)表，也可以用標(biāo)準(zhǔn)SQL 指令查詢數(shù)據(jù)、報(bào)警、事件信息。
受益之處
GE Proficy Historian以卓越的吞吐量和實(shí)時(shí)性表現(xiàn)為信息決策系統(tǒng)提供了豐富、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算工具，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)換。通過對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，收集、處理生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以支持生產(chǎn)計(jì)劃的優(yōu)化分解，生成與生產(chǎn)調(diào)度相關(guān)的各類資源計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)集中調(diào)度的管理模式。通過“實(shí)時(shí)”過程和生產(chǎn)信息與歷史值的比較，可快速改善企業(yè)整體生產(chǎn)過程。借助Historian，上位的應(yīng)用開發(fā)都能夠得到數(shù)據(jù)支持。信息管理系統(tǒng)統(tǒng)對(duì)從Historian獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、統(tǒng)計(jì)，并以可定制圖文報(bào)表的形式展示發(fā)布，為提高產(chǎn)品質(zhì)量及管理決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)管理水平。
參考建議
類似的系統(tǒng)可以考慮將Historian 企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器結(jié)合Proficy iFIX SCADA系統(tǒng)，利用高級(jí)數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品如iFIX 或Historian Excel 加載宏分析數(shù)據(jù)，通過ProficyPortal 可視化數(shù)據(jù)，再配合Proficy Plant Application 等Proficy 運(yùn)營管理工具，即充分利用Proficy 平臺(tái)化效能，盡可能將業(yè)務(wù)應(yīng)變需求從技術(shù)瓶頸中解放出來，最大程度地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的靈活性。
關(guān)于GE 智能平臺(tái)
GE 智能平臺(tái)是一個(gè)提供高新技術(shù)的企業(yè)，它為世界各地的用戶提供用于自動(dòng)化控制的軟件、硬件和技術(shù)服務(wù)以及嵌入式計(jì)算。我們?yōu)橛脩籼峁┮粋�(gè)獨(dú)特的，靈活的，超可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，使得他們?cè)诎茉�、水處理、消費(fèi)品、國防和防御，以及通訊等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域獲得持續(xù)的優(yōu)勢。GE 智能平臺(tái)是一家總部設(shè)在美國弗吉尼亞州的夏洛茨維爾的全球性企業(yè)，是GE 企業(yè)解決方案集團(tuán)公司的一員。想獲取更多信息，請(qǐng)?jiān)L問：www.ge-ip.com。
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