1. 應(yīng)用背景

根據(jù)企業(yè)信息化建設(shè)的一般性的總體設(shè)想，生產(chǎn)信息化的核心目標(biāo)是建立面向生產(chǎn)執(zhí)行過程的信息化系統(tǒng)，為了實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)指揮中心根據(jù)生產(chǎn)過程的實時信息快速生成管理決策，通過對廠級過程數(shù)據(jù)的集成，使生產(chǎn)過程信息資源能夠連續(xù)、自動地與企業(yè)管理系統(tǒng)共享，從而不斷地提高生產(chǎn)流程的OEE（Overall Equipment Effectiveness 全面設(shè)備效率）和關(guān)鍵績效指標(biāo)KPI（Key Performance Indicator）。生產(chǎn)管理決策的數(shù)據(jù)不僅僅來源于單一生產(chǎn)裝置，而是來自于整條生產(chǎn)線的、全企業(yè)級的甚至是跨地域、跨時區(qū)的協(xié)作制造平臺。 由于生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)規(guī)模大小不一（單一控制系統(tǒng)從幾十個I/O到幾千個I/O）、控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、與管理網(wǎng)絡(luò)的接口各有不同（軟件的接口和硬件的接口）。使得利用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫全面地、實時地集成廠級生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)非常困難。

iHistorian實時歷史數(shù)據(jù)庫平臺利用標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件接口技術(shù)，快速、高效地從生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中直接取得第一手現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，并且利用先進的實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成海量數(shù)據(jù)的高效壓縮和安全存儲，為建立其他實時生產(chǎn)管理系統(tǒng)（如生產(chǎn)成本動態(tài)跟蹤系統(tǒng)、生產(chǎn)實時調(diào)度系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷、經(jīng)濟運行、產(chǎn)能優(yōu)化、質(zhì)量管理、生產(chǎn)過程可視化等）提供各種在線（如產(chǎn)量、溫度、流量）或離線（配方、質(zhì)量分析、實驗數(shù)據(jù)）的過程數(shù)據(jù)。從而為消除信息孤島、實現(xiàn)資源共享以及MES分布式的應(yīng)用建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺。

2. 應(yīng)用架構(gòu)

2.1 基于iHistorian的生產(chǎn)信息化應(yīng)用平臺

如圖1所示，利用iHistorian構(gòu)建MES的系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)存儲部分、數(shù)據(jù)管理部分和數(shù)據(jù)應(yīng)用部分，具體如下：

構(gòu)建車間的控制室或者生產(chǎn)裝置的局域網(wǎng)，并可以介入到企業(yè)的骨干網(wǎng) 構(gòu)建基礎(chǔ)生產(chǎn)過程或者控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集接口（PC-BASED接口站、HMI、SCADA軟件、OPC接口）iHistorian實時歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及歸檔文件

針對iHistorian的遠端維護：Web-Based或者Windows-Based遠程管理和維護

生產(chǎn)應(yīng)用：如生產(chǎn)過程可視化應(yīng)用，統(tǒng)計計量應(yīng)用，批次管理應(yīng)用，Web發(fā)布應(yīng)用等與企業(yè)管理系統(tǒng)的接口，如面向SAP的ODA、格式文件、面向關(guān)系型數(shù)據(jù)庫訪問的OLE DB等等

3. iHistorian體系結(jié)構(gòu)

3.1 存儲的數(shù)據(jù)對象

普通的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和應(yīng)用主要是面對離散的，非連續(xù)的，不帶有時間標(biāo)識的數(shù)據(jù)對象，并通過二維表的方式來表現(xiàn)和建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，例如訂單信息、人事信息、銷售數(shù)據(jù)。

作為實時歷史數(shù)據(jù)庫主要的存儲對象生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，它有以下主要特點：連續(xù)性、帶時標(biāo)，例如現(xiàn)場的溫度、壓力等模擬量 基于時間的連續(xù)的事件記錄，例如閥門開關(guān)、電機起停等開關(guān)量 離線手工數(shù)據(jù)，例如批次信息，條碼、試驗報告 這種復(fù)雜特性的存儲對象的決定了iHistorian具有與關(guān)系型數(shù)據(jù)完全不同的體系結(jié)構(gòu)。iHistorian具備良好接口，直接采集自于各個不同的控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)

如果利用關(guān)系型數(shù)據(jù)采集過程數(shù)據(jù)，首先要預(yù)設(shè)大量的表，可能包括：數(shù)據(jù)點的定義表、訪問權(quán)限級別分類表、訪問者權(quán)限分配表、原始數(shù)據(jù)記錄表、更新數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)類型定義表、系統(tǒng)消息表等等，如圖2顯示了一個利用MS SQL數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)設(shè)計。

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且對開發(fā)和集成人員而言要編寫大量的腳本存儲進程做大量的開發(fā)工作，由于來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)都是實時刷新的，海量的，所以這種復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致在數(shù)據(jù)存儲和回取使用的效率較低，從而影響整個廠級信息化應(yīng)用的效率。

iHistorian采用了分布式的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)和二級壓縮的存儲結(jié)構(gòu)（如圖3）： 在前端控制系統(tǒng)的上位機安裝采集器Collector，該采集可以實時捕捉當(dāng)?shù)豐CADA、HMI節(jié)點、OPC服務(wù)器或者手工錄入的實時數(shù)據(jù)，在壓縮之后發(fā)送送給iHistorian服務(wù)器。這種采集器可以分布安裝在不同控系統(tǒng)的接口站上。

這種采集架構(gòu)的好處就在于前端分布很多采集器時，不會因為iHistorian服務(wù)器的無法響應(yīng)或者網(wǎng)絡(luò)鏈路中斷而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。采集器可以自動將過程數(shù)據(jù)緩存在本地緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)iHistorian服務(wù)器響應(yīng)采集器請求或者物理鏈路恢復(fù)后，采集的數(shù)據(jù)可以自動恢復(fù)到iHistorian中。這個特性充分保障的數(shù)據(jù)的完整性。

由于來自于不同的控制系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)之間可能有時間上的相關(guān)性，所以iHistorian可以對來自不同采集器的數(shù)據(jù)進行自動的時鐘補償，以保障數(shù)據(jù)分析的有效性。

iHistorian提供采集死區(qū)壓縮和歸檔存儲壓縮兩種手段壓縮記錄過程數(shù)據(jù)。

采集死區(qū)壓縮是指在接口站端，采集器將所采集的的過程數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)定義的死區(qū)過濾后發(fā)送給iHistorian，如果該死區(qū)定義為0，則表示如果該標(biāo)簽的當(dāng)前值與前一個值不同，則把當(dāng)前值發(fā)送給iHistorian，如果完全一致的化，該值被過濾掉。

歸檔存儲壓縮采用基于變化率的矢量壓縮，原理如圖4： iHistorian判斷來自于采集器的數(shù)據(jù)如果數(shù)據(jù)點C落在A和B點的直線上或者在斜率的變化的死區(qū)范圍內(nèi)，則B點數(shù)據(jù)不被記錄到數(shù)據(jù)文件，在采集到E點數(shù)據(jù)時，直線DE的斜率相對于CD斜率的變化已經(jīng)超過了死區(qū)的限制，所以D點數(shù)據(jù)被記錄到數(shù)據(jù)文件。同理G點數(shù)據(jù)被記錄到數(shù)據(jù)文件。在圖4中B、C、E、F、H、I點的數(shù)據(jù)都被壓縮處理而沒有記錄，但是通過插值的算法可以回取到這部分?jǐn)?shù)據(jù)。 在歸檔存儲壓縮中，斜率的變化率是可以由用戶針對不同的I/O點的具體情況單獨定義的。如果定義為0%，意味著過程數(shù)據(jù)一旦脫離原有斜率就將被記錄，此時數(shù)據(jù)的存儲是無損的。

通過以上的壓縮方式，可以極大地提高經(jīng)濟存儲的性能，經(jīng)過測試，每秒紀(jì)錄500個浮點數(shù)， iHistorian和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲空間比較如下（存儲空間和數(shù)據(jù)變化率不同而有所不同）：

可以記錄一筆線性的過程數(shù)據(jù)，而不論紀(jì)錄多長時間。

3.3 系統(tǒng)性能

3.3.1 數(shù)據(jù)的采集

iHistorian可以以20000次/秒處理數(shù)據(jù)讀寫事件、數(shù)據(jù)記錄毫秒級的時間分辨率、采集器可以提供100ms的數(shù)據(jù)采集速度、單臺服務(wù)器10萬個標(biāo)簽點記錄能力、數(shù)據(jù)計算采集器提供直接針對過程數(shù)據(jù)的計算引擎和腳本開發(fā)工具，可以直接將計算結(jié)果存儲到iHistorian。

3.3.2 系統(tǒng)管理和維護

iHistorian提供存瘦客戶端的系統(tǒng)維護能力，即通過IE瀏覽器，在遠端就可以完成對iHistorian的全功能免編程維護，包括系統(tǒng)狀態(tài)跟蹤、標(biāo)簽點的增刪、壓縮比修改、用戶權(quán)限管理、采集器的起停、歸檔文件的備份等。例外iHistorian提供的電子簽名的功能可以提供更為強大的安全管理的能力，甚至可以指定不同用戶針對不同的的標(biāo)簽點的操作能力，并將這些操作過程也記錄到歷史數(shù)據(jù)庫中，用于操作跟蹤，由于該功能符合并通過21CFR Part11的認證，所以可以直接用于醫(yī)藥行業(yè)。

3.3.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用 iHistorian提供多種數(shù)據(jù)接口，通過OLE DB、可以使用標(biāo)準(zhǔn)的SQL語句查詢iHistorian中的歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)消息、標(biāo)簽點等，如下語句：

Select Timestamp, Value From ihRawData where Tagname = Temp1 ；

And Timestamp >Today ；

And IntervalMilliseconds = 1Hour ；

And CalculationMode = Average ；

該語句實現(xiàn)了針對當(dāng)天Temp1每間隔1個小時的平均值，返回結(jié)果如下：

如果利用MS SQL記錄歷史數(shù)據(jù)，要完成諸如基于時間的平均值、插值等查詢一定要編寫大量的復(fù)雜的代碼和存儲過程，針對原始數(shù)據(jù)建立索引和排序也有很大性能上的犧牲，而且回取效率很低。

另外還iHistorian提供EXCEL Addin報表工具、iClient客戶端、infoAgent智能化數(shù)值分析工具、API SDK 接口工具，這些接口的效率極高，例如在iClient的同一個趨勢圖中同時查詢10筆一年前的兩個月周期的歷史趨勢，刷新可以在3秒以內(nèi)完成。

4. 總結(jié)

綜上，基于iHistorian的解決方案（如圖5）同時解決了生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的實時采集、經(jīng)濟存儲、安全應(yīng)用等幾個方面的問題，所以完全可以作為生產(chǎn)信息化建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺來應(yīng)用，從而：

·實現(xiàn)生產(chǎn)指揮中心對各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的生產(chǎn)和設(shè)備的過程可視化監(jiān)視；

·實現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時/歷史趨勢記錄，并對生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)進行自動統(tǒng)計、分析、處理，通過對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的智能化分析報表和報告應(yīng)用，為高層管理人員生產(chǎn)經(jīng)營決策提供及時可靠支持；

·實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場和各子系統(tǒng)模塊之間進行數(shù)據(jù)交換，把全公司的信息上下左右貫通起來、建立生產(chǎn)管理和生產(chǎn)控制承上啟下的通路，實現(xiàn)廠級信息的集成和共享；

·隔離企業(yè)管理系統(tǒng)和底層控制系統(tǒng)，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，不影響現(xiàn)場的生產(chǎn)。

利用實時歷史數(shù)據(jù)庫，可以保護企業(yè)在IT或者ERP上的投資，使企業(yè)的管理系統(tǒng)運行在實時生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期、提高全面裝備效率、提高人工效率、提高企業(yè)信息化建設(shè)的滿意度。