XX厂实时数据库系统设计方案

 

1、系统分析

1．1、项目背景
　　随着企业的发展和规模的扩大，XX厂的信息化建设也得到了同步发展。已建成了企业信息网络，网络主干采用的是光纤通信，网络遍布全厂的主要管理部门。标志着XX厂的计算机应用达到了一个较高的水平。
　　实时数据库系统是生产制造集成系统（CMIS）的核心，它与关系数据库一起构成一个信息集成环境。作为面向过程的软件平台，实时数据库既担负着集成过程数据的责任，同时还担负着连接底层控制网络与上层管理信息网络的责任，并直接支持过程监控层和生产管理层的诸多应用。直接监控企业的生产操作、生产调度、生产管理和生产经营等，并最终提高企业经济效益，增强了企业的核心竞争力。
　　根据XX厂计算机应用以及网络建设现状，我们从投资以及可实施性比较分析，制定了XX厂生产执行系统的设计方案。通过后面具体说明的内容的实施，可以完全满足全厂生产执行系统的建设需求。

1．2、需求分析

1．2．1 总体目标
　　建立实时数据库系统平台，完成业务管理层的管理网络和操作控制层的控制网络的网络互联，开发与DCS数据采集接口，实现与各种数据采集系统的对接，采集和保存覆盖XX厂全部生产装置工艺数据信息，总数据采集点达40000个。并开发基于实时信息的查询分析系统（流程图浏览、实时数据查询、报警查询、历史报警查询、历史数据查询、工艺参数分析、班组考核、生产利润查询等）、调度报表生成器，构造以控制生产成本为主线，以生产过程数据为基础的生产管理信息平台，通过与管理信息数据库的“无缝”连接，构筑XX厂管控一体化信息集成系统。

1．2．2、功能需求概述
　　实时数据库系统应该包括几个部分功能：DCS等现场数据采集、历史数据管理，实时模拟图监测和组态，历史数据分析，灵活报表，以及和ERP、OA等管理系统的集成等。自控系统采集的现场数据自动传递给实时数据库系统。
　　(1)、DCS等与管理网的互连互通和手工数据录入。
　　对DCS、PLC、工业控制机系统等采集的数据进行相关处理，为管理系统和其他系统提供数据信息基础。
　　(2)、实时流程图监测功能和组态。
　　需要以系统模拟流程图的方式监测生产现场所有装置运行的实际情况，实时观测生产现场的各项指标。数据的显示方式包括模拟量的实时数字显示、开关量的实时图形显示，实时数据的实时棒图显示、列表式显示以及实时数据的计算结果显示等；当数据超过规定的限值时，系统可自动产生报警信息，依据设定的策略报警。可以自定义实时数据的刷新速度以及各岗位人员的访问权限，并可随时编辑各系统图的表现形式。
　　(3)、历史数据曲线功能。
　　可以观察某项指标某一天的点值变化曲线及其报警线的显示，可以同时观察多项指标曲线的对比显示，并可自定义常用的曲线组；可以放大曲线的任意区域来查看各取点时间精确的点值信息；可以查看各项指标的报警限值，统计每项指标在给定时间段内的最大值、最小值及其各自的取值时间，浏览超过报警限额运行的时间点及其点值并进行汇总统计等。支持同一指标不同时间段的数据在同一图形框内的对比显示分析。
　　(4)、超限额运行时间统计功能。
　　可以查看任意区间内某项指标超过报警限值运行的时间累计情况，从而使管理者能根据此数据不断调整、优化生产过程，掌握设备运转状态，保障设备的良好、可靠和安全运行。
　　(5)、灵活报表功能。
　　应实现按车间、分（子）公司等不同组织层次的生产班报、日报、月报、年报等报表的组态、形成、查询和统计汇总功能。可根据企业的实际生产情况和管理需要，定制各类生产报表，灵活设置报表的样式。报表的每列数据可以是DCS/PLC/中控质量/罐区检尺数据等的某一项指标，也可以是某几项指标的运算表达式，也可以是相关岗位手工录入的数据，并可在报表内进行计算、汇总等操作，提供方便的报表查询与打印功能；报表相关联的指标数值可以是取值频率为每秒钟或每分钟的平均值，也可以是某时刻的瞬时值。此功能的实现可以为企业的管理者及时、快速的了解生产情况，分析生产过程提供依据。
　　(6)、设备安全运转检测。
　　将压力容器、高温等重要设备的运转参数，通过现有检测点（可增加必要的检测点），引入生产执行系统，检测、记录参数变化情况，并为设备的预测性维修奠定基础。
　　(7)、罐区管理。
　　根据罐区提供的数据建立动态的罐区罐位动态图，用动态流程图的形式直观显示出原油、半成品油、成品油量的动态分布和流动情况，不能自动采集的有关数据可采用人机交互的方式手工录入。
　　(8)、有与ERP等管理系统的集成功能。

1．3、功能设计
　　通过上述需求分析，系统应具有下述功能：
1．3．1、数据库点的规划设计
　　提供数据库点的命名规则、数据库点的命名与仪表位号的关联规则。
1．3．2、数据库点的选择和分类
　　根据上层应用，对来自生产装置和罐区的过程参数、重要计量数据及主要质量数据等进行选择。
1．3．3、实时数据采集接口平台总体解决方案
　　实时数据采集接口平台是实时数据库系统应用中一个重要组成部分，它位于生产过程控制系统与实时数据库之间，实现DCS、PLC、现场总线、智能仪表、各种数据采集系统及其他应用系统与实时数据库的实时数据交换平台。
　　提供一个实时数据采集接口平台总体解决方案，所有的DCS、PLC、现场总线、智能仪表、各种数据采集系统及其他应用系统按照这个解决方案的体系结构来实现数据交换。
1．3．4、数据采集接口软件
　　XX厂底层控制系统和数采系统类型比较多，位置也很分散，具体需要连接的装置型号和采集点，参见附表一。根据附表一，提供需要配置的接口数量和规格要求。
　　(1)接口软件能够接受来自以下系统的数据：
生产过程控制系统的数据；用户界面人工输入的数据；其他软件包经应用程序接口写入的数据。
　　(2)接口软件能为其他系统提供输出数据：
通过I/O接口将数据送至DCS；程序接口送至其他各应用系统。
　　(3)接口软件与实时数据库的连接：
故障自动恢复的功能。
　　(4)提供接口软件的二次开发技术，以满足将来的需求。
1．3．5、组态功能
　　提供批量定义的数据记录组态工具。
　　提供数据记录的在线修改、增加和删除功能。
　　提供方便、易用的流程图绘制工具，具有自定义图形模板和动态数据点的定义功能。
1．3．6、时钟同步
　　实现实时数据库服务器与采集站的时钟同步。
　　在满足系统安全、管理规定的条件下，进一步实现实时数据库服务器、采集站与生产过程控制系统的时钟同步。
1．3．7、实时数据库与关系数据库的数据交换
　　提供实时数据库与关系数据库（ORACLE,Sybase）的数据交换接口技术，实现实时数据库与ERP系统的集成。
　　提供一组工具或组件，用户通过灵活的定义组态，实现实时数据库与关系数据库的数据相互转换。
1．3．8、生产运行监控
　　基于实时数据系统，实现对工厂过程数据的存储、监视和分析，通过对企业生产情况进行历史和现状的对比分析，从而实现工厂级的实时管理；通过对原材料、产成品、物料、能量计量监控和产品质量监控，协调全厂生产运行物料和能量的平衡状态，指导装置优化操作。
　　支持WEB发布方式，提供生产运行监控，做到中文界面、用户友好。
　　提供客户端方式的应用，做到中文界面，用户友好，满足调度等特殊需要。
　　监控系统实现数据的分类显示，同一个装置对于不同的使用人员，呈现不同的数据界面。如企业领导需要的是进料、产品、加工量、收率等，工艺管理员需要的是工艺指标值，设备管理人员关心的是设备状态。
　　生产运行监控内容支持数据导出，如EXCEL，格式文件等。
1．3．9、历史趋势分析
　　通过选择有关联的数据库点，快速、动态的生成任意时间间隔的曲线，方便用户查看、保存。
　　提供工艺参数的历史与当前工况的对比。
1．3．10、报警管理和事故追忆
　　系统发生故障时，系统有自动报警功能。
　　提供设置报警级别、报警限功能。
　　报警信息的记录、维护和管理功能。
　　提供事故追忆功能，当事故发生时，系统产生报警，启动事故记录，记录相关报警、事件、时间及相关的大量信息。
　　提供事故追忆的事故分析功能。
　　提供事故追忆的管理功能，由有权用户进行事故管理的设定、修改、取消等。
1．3．11、 查询、报表功能
　　方便实现客户端查询和各级管理人员的动态WEB查询，查询界面能自动适应各级管理人员的要求，通用性好、灵活性强；
　　为保证今后系统报表功能的正常运行，适应用户机构变化，系统具有报表自定义功能，方便用户自行对报表样式进行修改。
1．3．12、用户管理
　　系统设置用户管理功能，设置权限管理（如：系统管理员、应用开发员、管理人员、一般人员），对不同级别的用户有相应的操作权力。
1．3．13、 系统维护功能
　　提供数据库的在线及自动备份功能，能实现完全及增量备份。
　　提供数据库的数据冗余功能，实现磁盘镜像或磁盘阵列。
　　提供数据库的恢复功能，在实时数据库系统崩溃时，提供紧急恢复功能。
　　提供实时数据库服务器、采集站的集中监控，能远程实现实时数据库服务器、采集站的重配置、启动、停止、切换等管理任务。
　　提供标准化的接口让用户进行二次开发。

2、系统设计
　　本设计中，实时数据库系统可以选用多种通用实时数据库中的一种（如Infoplus.21，PI，力控Pspace2.1， InSQL等）；实时数据库和控制系统的数据接口选用北京三维力控科技有限公司的数据接口SW-RTDB-DA；实时数据上层应用工具选用三维力控公司的数据库客户端流程组态软件（V 2.1）；选用三维力控公司的OdbcBridge用于实时数据库和关系数据库的数据交换和数据共享；同时三维力控公司提供了SDK做为用户在实时数据平台上进行二次开发的工具。系统结构采用C/S结构和B/S结构，数据接口及其管理采用C/S结构；实时数据应用采用C/S结构，同时实时数据及历史数据也可从浏览器（IE或Netscape）中查询。
2．1、系统结构及数据流
　　系统由数据数据源、数据管理、数据集成、数据应用四个层次构成。见下图：

　　如上图，数据源指实时生产数据的来源，主要有DCS和PLC；数据管理指生产数据（实时数据和历史数据）在两种数据库（实时数据库、关系数据库）中的数据保存、数据备份、数据交换和数据共享；数据集成指各种数据基于Web的集成，包括统一的数据管理和数据应用方式等；数据应用指用户在本地或远程对数据库中数据的访问和利用。
2．2、采集点列表

2．3、网络环境及软件环境
　　网络环境如下图所示，服务器端以Windows 2000 Server为操作系统，安装实时数据库系统和接口软件服务器端模块SW-RTDB-DA Server。数据采集机以Windows2000 Professional为操作系统，安装SW-RTDB Client。客户机可安装任意Windows系列操作系统。

2．4、软件结构及模块设计
　　本软件系统自上而下可分为五个层次和两个流向（数据流和管理流）。
　　(1).下层驱动程序：运行于DCS操作站或PLC上位机。
　　(2).数据采集和发送：运行于数据采集机。
　　(3).数据收集：运行于服务器。
　　(4).实时数据库：运行于服务器。
　　(5).上层工具：运行于客户机。

2．5、下层驱动
　　一般下层驱动为DCS端的数据接口程序，基本在DCS建设完成后，就已经具备了。
2．6、DCS数据接口设计
2．6．1 整体设计
　　各个DCS装置的数据刷新频率会因现场通信条件不同而有差异，整个数采系统的数据采集频率根据不同的要求可进行任意设定，每套装置采集数据点为不宜超过3000点，所有控制系统采集数据点不超过50000点。数据采集逻辑联网图如下图所示，每个采集控制系统数据的采集站，除了向实时数据库服务器发送数据之外，还具有显示数据的功能。

2．6．2 采集站的功能
　和控制系统通讯，取得实时数据。
　与实时数据库进行数据交换。
　显示软件运行状况。
　显示实时数据。
　自动恢复连接功能。
　接口软件具备开发的、功能强大的二次开发能力。提供了功能丰富、说明详细的API，还提供了VB和VC的实例。
2．6．3 采集位号的设计安排
　　大的原则是能够自动采集的各装置实时数据，都尽量采集，对不能进行自动采集的，但对以后的上层应用系统有实际需求的，先进行手工录入，待条件成熟后再考虑进行自动采集。
　　一般实时数据库中的数据包括：温度、压力、流量、液位、密度、含量、电流、电压、机泵开关等。但为了后续的应用、可以计划将以后需要应用的数据接入现场SCADA系统中，以便实现自动采集，完善企业信息化所需的基础数据。
2．6．4 其他装置的安排
　　对于目前不具备自动采集的条件，当这些装置经改造后具备采集条件时，需要及时的将其扩充到该实时数据库系统中来。
2．6．5 采集工控机的安排
　　采集工控机主要的目的是采集数据，同时作为网关存在起到隔离作用。在保证系统的稳定运行的基础上，有条件时可以考虑将一台工控机同时作为几套DCS的采集站。后面总设备清单中需要工控机数量是在不考虑“一带多”的方式下作出的。在“一带多”的模式下运行必须具备以下几个条件：同时采集的DCS要求其网络能同时联入采集站；同时采集的位号不能大于5000点
2．6．6 各装置采集方案设计
　　以下分别对不同类型的控制系统的数据采集方法进行说明。
　　(1)ABB的F2000(OPC)
　　原理：
　　OPC是OLE for Process Control的简称，是用于过程控制的OLE（对象链接和嵌入）。OPC定义了一套基于Microsoft OLE/COM或DCOM的接口访问方式，符合或支持OPC协议的应用程序只要基于TCP/IP协议可以互相访问，就可以通过OPC协议交换数据。浙大中控的Supcon JX-300x已经具备OPC通讯模块，采集方案的硬件连接如下图所示，在数据采集工控机上安装两块网卡，其中一块与PLC上位机（或DCS工程师站）相连，其IP地址和PLC上位机在同一网段上；另一块网卡通过交换机连接在厂局域网上，其IP地址和实时数据库服务器在同一网段上。这样，数采工控机就可以同时和PLC上位机和实时数据库服务器进行通讯。
　　在PLC上位机（或DCS工程师站）上配置启动OPC Server，并授权数采工控机的登录用户可以访问，在工控机上安装并启动SW-RTDB-IO Client For OPC，SW-RTDB-IO Client通过OPC和PLC上位机上安装的OPC Server服务通讯，取得实时数据，并通过实时数据库服务器上安装的SW-RTDB-IO Server写实时数据至实时数据库。

　　(2)Emerson的Provax(CHIP)
　　该套装置的DCS是Fisher－Rosemont 公司的PROVOX系统，该系统有上位机VAX-4000工作站，其操作系统为OpenVMS，网络协议为DEC NET。SW-RTDB-IO Client for Fisher PROVOX程序的一部分I/O Driver驻留在VAX小型机上，另外主要的一部分Collect驻留在采集站上，这两部分再通过TCP/IP协议进行通讯，将实时数据采集到采集站，采集站再根据需求将实时数据发送至实时数据库服务器中。
　　驻留在VAX机中的程序接收采集站发来的数据位号组态表，按数据位号组态表读取数据，不断地发往采集站。驻留在采集站上的程序每次启动时先接收SW-RTDB-IO Server程序发来的数据组态表，然后发往VAX， VAX机上的程序接到数据组态表后，按数据组态表读取测点值，每隔4~15秒向采集站传送一次。采集站上的程序每接到一次实时数据，就处理后发往服务器上的SW-RTDB-IO Server程序；采集站上的程序还能显示VAX机发来的原始数据，记录可能的系统故障原因。

　　(3)手工输入
　　对于常压、老催化、罐区、化验、公用工程等不能实现自动采集的，而实际需要生产数据的，都设计为手工输入，输入频率由用户自己设定。
2．7、RTDB-DA SERVER采集平台
　　数据采集站设备接口RTDB-DA主要功能是与DCS、PLC和数据库系统交换数据。RTDB-DA是多功能、多层次、多服务对象的标准设备数据接口，向下可采集数十种DCS、PLC及数采机的数据，向上不仅与 Pspace2.1服务器交换数据，还可与各种实时数据库（如Infoplus.21、PI、PHD、Industry SQL等）进行数据交换，横向可与关系数据库（Oracle、DB2、Sybase、MS SQL Server）和Web服务器等双向交换数据。
　　RTDB-DA分为服务器端(RTDB-Server)和数采机端(RTDB-IO)两部分。RTDB-NETServer主要功能是把实时数据库的数据请求传递给数采机，并把数采机发送来的数据写入数据库。RTDB-IO SERVER的主要功能是根据需求从下层实时设备上取得实时数据，发送实时数据和历史数据给RTDB- Server 并在采集站本地保存四十八小时的历史数据。
　　RTDB通讯服务程序与实时数据库服务器安装在同一台服务器上，RTDB-DA安装在另一台机器上，我们称为数采机。采用此模式采集实时数据，其主要目的是确保对实时数据的采集、操作不影响DCS控制层的安全稳定。因为数采机将企业管理网和DCS控制网隔离开，数据的交换是由接口软件实现的。
　　由于采集站和服务器的时钟肯定时不一样的，所以需要以实时数据库服务器的时间为标准进行数据的采集和记录，从而实现与采集站的时钟同步。RTDB-DA Server就具有这一功能，它自动监测采集站的时钟，当其和服务器的时钟偏差超过一秒后，就自动将采集站的时钟设为服务器的时钟。
　　RTDB-IO数据流图如下所示：

2．8、实时数据库
2．8．1、实时数据库的特性
　用户组态数据结构和流程图
　多种主机系统数据存取
　实时数据和历史数据分析工具
　支持先进控制、生产优化管理
2．8．2、实时数据库服务器的主要作用
　　实时数据库服务器是实时数据库的核心，主要功能是对实时数据和历史数据进行存储管理，与其它模块进行通讯，支持各种应用对数据的访问，设置组态信息和对用户权限进行控制管理。
　　实时数据库服务器接收并管理各DCS采集站采集的实时数据，响应客户端对实时数据和历史数据的查询。 实时数据库服务器的核心部分是对实时数据和历史数据的管理，它将所采集到的数据进行压缩处理后存贮，保证数据的真实性、完整性，提高了磁盘的利用率，而且其先进的压缩技术和数据存取方式保证了对客户端的请求作出快速响应。 实时数据库服务器数据库中的数据不仅可用于生产现场监控、计划调度、工艺改进、事故分析，同时还可以将数据传送至关系型数据库中，为厂领导及相关管理部门服务。在实时数据库服务器的支持下，可实现装置的先进控制、流程模拟、优化、计划、专家系统等。服务器操作系统平台为Windows 2000 Server，在服务器上安装有实时数据库的 实时数据库服务器和RTDB-IO Server两个模块。
2．8．3、服务器位号模板的设计
　　为增强位号的统一性，设计数据库点时要求有统一的命名规则、数据库点的命名与仪表位号进行关联。
2．8．4、服务器组态

2．9、上层应用
　　上层工具的主要功能是对实时数据和历史数据进行查询和分析，几乎所有的工具都支持打印，数据导出到文本或Excel等功能。它包括以下工具：
2．9．1、实时数据查询工具（View）：
　流程图组态（Draw）：绘制平面流程图和立体流程图；
　流程图浏览（View）：实时查看生产流程，可以实现监控系统数据的分层显示，同一个装置对于不同的使用人员，呈现不同的数据界面。如企业领导需要的是进料、产品、加工量、收率等，工艺管理员需要的是工艺指标值，设备管理人员关心的是设备状态；
　实时数据一览（Detail）：以表格方式查询实时数据；
　历史数据曲线（His）：查看历史数据并以曲线方式显示。可以同时查看多个位号信息，把相关的数据放在同一幅曲线图中比较。
　报警查询（Alarm）：当某一位号的生产数据在超出报警上下限时则提示报警，帮助用户及时发现生产中的异常情况。对系统内的所有报警进行浏览和管理，选择特定位号和特定时间，从而对任何时间的历史报警做出方便、快速的查询。
　异常报警查询：某一位号的生产数据在一段时间内一直不变时则提示报警，帮助用户发现生产异常或仪表异常。
　数采状态监视（Monitor）：监视所有数采程序的运行状态，给出相关采集信息，也可以查看各位号的当前值和位号的静态信息。是管理员的好帮手。
2．9．2、实时数据分析工具（Analyse）：
　班组考核（ClassExam）：对班组各重要的工艺指标进行跟踪，并在线进行评测，能计算出各工艺参数的平均值，平稳率、合格率等。对各重要的报警信息进行统计，对简单的物料平衡计算，得出产量，收率。并且能按一定的测算方法计算出班组的操作指数。
　工艺参数分析（Tagwatch）：对每一个控制点做出分析，查看一段时间内的趋势图，求一段时间内的平均值，合格率，平稳率，偏差，最长超标时间，累积超标时间等分析数据。对控制点的数据提取可选择时间间隔。用户可自由定义考核上限、下限、正常值，并可在其趋势图上绘出考核上限线、下限线、正常值线，以便于分析数据。
　事故追忆（Event）：以事故为线索组织实时数据和历史数据，帮助分析事故原因。
　数据转换器（Bridge）：是实时数据库与关系数据库之间进行数据交换的工具。可在各种实时数据库（Pspace、Infoplus.21、PI）与关系数据库（Oracle、DB2、SQL Server、Sybase）之间进行数据转换而无需编程。转换方式支持关系数据库到实时数据库，也可从实时数据库到关系数据库。Bridge为企业多服务器管理模式提供支持。
　报表制作（Report）：Excel电子表格是大家熟悉的报表制作工具，通过DDE服务方式建立起与Excel电子表格的联系，实现在Excel上动态读取、显示、计算实时数据库中的数据，为用户提供了制作统计、分析报表的手段。报表格式一经制定，报表数据将自动生成，方便灵活。
　DDE和NETDDE服务： 可在支持DDE的应用程序（如EXCEL、WORD）中显示实时数据和历史数据。用户可利用此功能方便地把各种数据组织成报表。
2．9．3、支持Web查询
　　本系统中，Pspace WEB支持Web服务器功能，在企业内部Intranet网上的用户可以通过游览器访问实时数据；同时，数据库软件包还提供了用于访问实时数据库的ActiveX控件，用户可在超文本中插入这些控件直接访问实时数据、查看流程图、实时数据一览表、历史趋势、报警信息。
2．9．4、OPC支持
　　SW-RTDB-IO支持OPC协议，可做为OPC的服务端及客户端，与支持OPC的第三方软件进行数据交换。
　　在与DCS和PLC的上位机软件进行通讯时，SW-RTDB-IO做为OPC的客户端。
2．10、总软硬件设备清单