怎樣構建實時信息系統(tǒng)

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

在流程型工業(yè)企業(yè)中，有一類與生產密切相關的信息系統(tǒng)，它們實時獲取DCS、SCADA等生產系統(tǒng)中的現場數據，幫助管理者及時調度、指揮地理位置分散但又密切相關的現代化生產，這就是實時信息系統(tǒng)(Real Time Information System，RTIS)。

與一般信息系統(tǒng)相區(qū)別，實時信息系統(tǒng)最大的特點是系統(tǒng)的實時性。由于有實時數據庫的支撐，實時信息系統(tǒng)可以實時地查詢到企業(yè)各生產現場的生產實時數據，這對于企業(yè)實時掌握生產情況，正確調度和指揮生產，以及及時處理生產中出現的問題具有十分重要的意義。

本專題將道德從技術上分析實時信息系統(tǒng)的構建，即介紹從實時數據庫到實時信息系統(tǒng)的開發(fā)過程，隨后還將介紹實時信息系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的集成及應用情況。在實時數據庫的平臺上開發(fā)實時信息系統(tǒng)我們稱為實時信息系統(tǒng)的構建，與一般的信息系統(tǒng)開發(fā)不同的是，由于實時信息系統(tǒng)的實時信息要從企業(yè)的生產現場自動采集得來，所以實時信息系統(tǒng)的開發(fā)不只是純軟件的工作，還有生產現場數據實時采集、數據網絡實時通信等大量現場工作。這里重點將討論實時數據庫與現場的關系。

從20世紀70年代開始，國內大量引進DCS技術和產品，隨著DCS系統(tǒng)的大量應用，企業(yè)的生產規(guī)模越來越大，企業(yè)的管理層就有了生產數據集中的需求，即對實時信息系統(tǒng)的需求。90年代初，在引進國外實時數據庫的同時，國內已經有不少單位開始研究實時數據庫的理論并付諸實踐。10多年過去了，據筆者不完全了解，國內實時數據庫和實時信息系統(tǒng)的應用有了較大發(fā)展。但是由于從實時數據庫到實時信息系統(tǒng)的構建有相當的技術難度，而且運行和維護好一個實時信息系統(tǒng)決非易事，真正成功的高水平實例不多。因為要構建好并且應用好一個高水平的實時信息系統(tǒng)，其難度不亞于構建一個高水平的erp系統(tǒng)。

目前在理論上對實時數據、實時數據庫、實時數據庫的結構等基本方面還沒有統(tǒng)一的定義和處理方法，實時數據庫要達到關系數據庫那樣理論和系統(tǒng)的統(tǒng)一尚需時日。不同開發(fā)商的實時數據庫系統(tǒng)對于實時數據的定義、理解和處理不盡一致，對于實時數據庫的功能和性能的要求也不盡一致，實時數據庫能達到的實際性能與功能也是參差不齊，對實時數據庫的訪問也沒有類似SQL語言那樣的標準。

實時數據與實時數據庫

在流程型工業(yè)中實時數據原本是指存在于生產現場的生產參數如溫度、流量、壓力、物（液）位等，在現代化生產中這些實時數據已經被變送器采集并轉換為數字量而存于DCS或SCADA系統(tǒng)的局部實時數據庫中，本文的實時數據將從這個基礎討論起。按數據的類型分，實時數據可分為模擬量、累計量和開關量。模擬量可以是溫度、壓力、瞬時流量、物位、產品度量、產品質量等，模擬量的特點是僅與時刻有關; 累計量可以是累計流量、產品產量、原料消耗量、庫（罐）存量等，累計量的特點是不但與時刻有關而且與時間段的起始與結束時刻有關; 開關量如電力開關的位置、閥門的開閉、設備的在線與備用、生產控制中的操作條件等，開關量的特點是二位式數據。實時數據的最大特點是時效性，實時數據在模擬系統(tǒng)中僅僅在某一時刻有效，在數字系統(tǒng)（目前都是數字系統(tǒng)）中由于實時數據存在時間上非連續(xù)的模數轉換，實時數據只在本采樣周期內有效，過了有效期的數據便失效。

實時數據庫即存儲實時數據的數據庫。由于實時數據的時效性，實時數據庫中存儲的實時數據應該能盡量跟上現場實時數據的變化，否則實時數據庫中存儲的是無效數據。事實上，數字系統(tǒng)不可能像模擬系統(tǒng)那樣幾乎沒有滯后地跟隨現場的變化，數字系統(tǒng)的滯后主要取決于DCS（或SCADA系統(tǒng)）的數據采集的采集周期，數據采集周期的選擇又與數據載體參數的變化速率（載體的時間常數）有關。一般的數據采樣周期數量級在0.1秒至1秒左右，用于閉環(huán)控制的采集周期可能小些，僅用于測量的采集周期可能大些。從方便觀察的角度說，數據的變化周期又不可太快，在DCS或SCADA系統(tǒng)的人機畫面上，實時數據的刷新周期在1～2秒。如果實時數據庫能以2秒的周期跟上實時數據的變化，則用于流程型工業(yè)的企業(yè)級實時數據庫的實時性能就可以得到保證。而據不完全統(tǒng)計: 國內已經在現場運行的實時數據庫系統(tǒng)包括使用進口實時數據庫的系統(tǒng)只有個別系統(tǒng)能達到這一指標，其中原因下文將做分析。

實時數據庫之與非實時數據庫的根本區(qū)別在于實時數據庫能“實時”地跟隨生產現場的變化。為了能夠跟上實時數據的變化，實時數據庫通常會在物理上定義一個常駐計算機內存區(qū)的數據結構，這樣存放其中的實時數據能快速數據刷新，而且計算機開銷極小。剩下的重要問題就是將實時數據以盡快的速度和最小的周期送往實時數據庫以刷新舊的實時數據，這可能是構建優(yōu)良性能的實時信息系統(tǒng)的技術難點。

實時數據庫的一個重要功能是對實時數據的數據處理，包括對數據合理性的判斷、數據濾波、對累計量的處理如流量積分，消耗量和產量的計算等。數據處理是計算機的“強項”，該功能將不是本文討論的重點。

相對于磁存儲介質（磁盤），計算機內存的容量是有限的，因而作為實時數據庫的核心，它能存儲的實時數據也是有限的。另一方面實時數據必須定期存入磁盤保存，以備后用。存入磁盤的數據我們稱為歷史數據，歷史數據已是屬于非實時數據的范疇了。但由于歷史數據真實地記錄了過去某一時刻或時段的生產數據，也是實時數據庫的重要組成部分。早期的實時數據庫使用封閉的文件系統(tǒng)，目前先進的實時數據庫系統(tǒng)直接使用開放的關系數據庫如Oracle或SQL Server等存儲歷史數據，這樣實時數據庫就可以直接融入上層應用信息系統(tǒng)。

實時數據庫的結構

目前國內外的實時數據庫產品對實時數據和實時數據庫本身的結構基本上沒有太多的考慮，有的實時數據庫系統(tǒng)是從DCS系統(tǒng)或SCADA系統(tǒng)改造而來，有的實時數據庫系統(tǒng)是從實時仿真系統(tǒng)改造而來，它們的實時數據庫或多或少帶有原來系統(tǒng)的烙印，尤其是引進的實時數據庫，其結構并不完全符合中國流程企業(yè)的實時數據的實際情況，如不適應中國流程企業(yè)中的實際組織結構。

如前所述，國內流程企業(yè)中生產數據的實際結構是很復雜的，生產裝置的數據、分析實驗室的數據、儲運系統(tǒng)的數據、動力系統(tǒng)的數據、電力系統(tǒng)的數據等。要將一個企業(yè)的生產實時數據映射到實時數據庫，只是簡單地用一個位號，即使用一維數據結構的數據庫恐怕是難以勝任的。要方便地存儲、刷新和檢索實時數據，實時數據庫的結構應該是適應國內流程企業(yè)實際情況的多維結構。我們提出多維實時數據庫的概念，并且在實踐中使用于證明是可行和正確的。多維實時數據庫不但符合中國企業(yè)的實際情況，也為分布式實時數據庫系統(tǒng)、多級實時數據庫系統(tǒng)的發(fā)展展示了前景（下文中要介紹的NSIS實時數據庫系統(tǒng)就是多維實時數據庫的成功范例）。

構建實時信息系統(tǒng)

構建實時信息系統(tǒng)，首先要有實時數據庫平臺。目前常見的有國外引進的OSI 公司的PI、Aspen公司的Infoplus及Honeywell 公司的Uniformance(Phd)，國內有雙碩公司的NSIS及浙大中控的ESP-iSYS等實時數據庫等平臺。與構建一般的信息系統(tǒng)類似，有一個好的關系數據庫，還要有一個好的二次開發(fā)才能構建一個好的信息系統(tǒng)。

實時信息系統(tǒng)除了實時數據庫外，還必須有配套的系統(tǒng)，如“數據采集子系統(tǒng)”、“圖形組態(tài)子系統(tǒng)”、“實時數據檢索子系統(tǒng)”、“客戶端實時界面子系統(tǒng)”等，才能構成一個完整的實時信息系統(tǒng)。其中最重要的子系統(tǒng)是數據采集子系統(tǒng)，這是本文要重點討論的構建實時信息系統(tǒng)的特點和難點。數據采集子系統(tǒng)的兩大任務是實時數據的自動采集和實時數據的實時傳送。

1．實時數據自動采集

實時數據自動采集是實時數據庫系統(tǒng)在數據來源方面區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的根本所在（一般信息系統(tǒng)的數據來源主要是人工錄入或其他數據庫），它正是構建實時數據庫系統(tǒng)的重點與難點。其困難在于流程工業(yè)企業(yè)的現場非常復雜。

流程工業(yè)企業(yè)的生產控制層有多種生產裝置，各有或共有DCS控制系統(tǒng)，DCS控制系統(tǒng)又有各種廠家、不同型號、不同操作系統(tǒng)。要從DCS獲取數據，DCS系統(tǒng)必須開放，好在目前新型的DCS都是開放的，而且開放標準逐漸統(tǒng)一為OPC 基金會制訂的OPC (OLE for Process Control)標準。以橫河CS系列為例，其OPC接口能以1000ms的刷新周期和500數據／秒的通過量提供實時數據，這一指標完全可滿足大部分實時信息系統(tǒng)的要求。但是目前流程工業(yè)企業(yè)運行的其他實時監(jiān)控系統(tǒng)并不都具有OPC開放接口的。流程工業(yè)企業(yè)還有儲運系統(tǒng)，以石化企業(yè)為例，企業(yè)有數以百計的物料罐（油罐），罐中的儲量是相當重要的數據?，F代大型企業(yè)的物料罐一般都安裝了物位儀以及配套的SCADA系統(tǒng)，用以測量物位并以此計算儲量。由于物位儀來自不同廠家、不同型號，因而從物位儀中讀取實時數據是一件煩雜的工作。要從現場讀取數據，工程師們必須了解各種DCS、了解現場各種設備，從軟件編程語言上至少必須精通微軟的VC++、VB以及Unix C++，甚至匯編; 在編程接口方面必須精通OLE、OPC、DDE及各種API軟件接口。只有使用上述方法，具體說，就是只有從DCS系統(tǒng)或SCADA系統(tǒng)的實時數據庫的緩沖區(qū)內存中，才能讀取當前最新版本的實時數據。如果DCS沒有實時接口或由于其他原因無法使用實時接口，被迫從DCS系統(tǒng)的歷史數據庫中讀取數據，這樣的數據實時性就較差了，嚴格說只能稱為歷史數據。

2．網絡實時通信協(xié)議

目前眾多的網絡通信標準如Web、HTTP、FTP等協(xié)議均為TCP/IP的應用層協(xié)議，ODBC(Open Data Base Connection)協(xié)議是用于不同關系數據庫的通信協(xié)議，由于它們都不是實時通信協(xié)議，因而它們都不適用于網絡實時通信。構建實時數據庫系統(tǒng)首先需要一個規(guī)范和高效的網絡實時通信協(xié)議用以完成實時數據庫的刷新和實時數據庫的實時檢索。網絡實時通信是實時數據庫的命脈，對于實時數據庫起著關鍵的作用。網絡實時通信要在數毫秒內將數百字節(jié)的數據從一個計算機的內存送至另一個計算機的內存，這種網絡實時通信在10M的以太網上通過TCP/IP協(xié)議是不難實現的，關鍵是要制定網絡實時通信協(xié)議。由于國際上沒有通用的適合實時數據庫的網絡實時通信協(xié)議，為了構建自己的實時數據庫，國家電網公司電力自動化研究所通過多年的研究與工程實踐，制定了一套可行和高效的網絡實時通信協(xié)議——NSIS協(xié)議。

NSIS協(xié)議是為NSIS實時數據庫制定的一套基于TCP/IP會話層上的表示層和應用層協(xié)議，NSIS協(xié)議僅與TCP/IP協(xié)議有關，因而可以跨操作系統(tǒng)運行。

3．實時數據的實時傳送

采集到實時數據還必須將實時數據實時地送往實時數據庫，實時數據的實時傳送是構建實時數據庫的另一項關鍵技術，它涉及到使用的硬件通道和上面提到的網絡實時通信協(xié)議。使用什么硬件通道取決于現場的設備，使用各種可行的方法進行實時數據的實時傳送。工程師們必須精通RS485、RS232、TCP/IP等設備和虛擬設備的計算機實時通信技術。

實時數據的傳送最好是數據編組傳送，所謂編組即幾十或幾百個數據編成一組，即編成一個通信報文一次完成，以避免一個一個的傳送，數據的格式盡量采用二進制以提高數據的精度與傳送效率。所用通信協(xié)議盡量使用底層協(xié)議，所謂底層協(xié)議即指進程間內存到內存的通信，例如上面提到的基于TCP/IP的會話層協(xié)議的NSIS協(xié)議。目前企業(yè)網的速度多在1000M至少也是100M，經測試，一個2K字節(jié)長的報文的傳送在10M的以太網上數毫秒就完成了，中間不需要任何中轉計算機通信服務器。順便指出，使用基于文件的上層協(xié)議，如文件到文件、文件到內存以及內存到文件的通信，都不適合于實時系統(tǒng)的通信。

4．實時數據向DCS系統(tǒng)回送

如果DCS、實時數據庫、實時優(yōu)化系統(tǒng)形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，就存在實時數據向DCS系統(tǒng)回送的問題，另外從實驗室來的質量數據也有回送的需求。這從技術上說與從DCS取數據是一樣的，OLE/COM/OPC、DDE等技術本來就是雙向的。只是數據的回送一定要小心，避免出錯，這種錯誤有時是災難性的。

5．DCS系統(tǒng)的安全問題

在應用DCS系統(tǒng)的數據采集接口時，DCS系統(tǒng)的安全是構建實時數據庫系統(tǒng)首先考慮的問題。DCS系統(tǒng)的安全主要有兩個方面: 運行于DCS系統(tǒng)內的數據采集程序不管是作為Server還是作為Client，其開銷即占用DCS計算機系統(tǒng)的資源要盡量小; 另一個是DCS的聯(lián)網必須將計算機病毒絕對排除在外，否則會帶來不堪設想的后果。以前常采用以太網卡和TCP/IP協(xié)議與DCS工程師站或操作站直接聯(lián)網，現在這樣做可能就不行了，一種方案是用其他協(xié)議如TCP/IP協(xié)議轉換為RS232協(xié)議與DCS工程師站或操作站間接聯(lián)網。根據計算機技術的發(fā)展或計算機技術出現的情況，及時調整DCS聯(lián)網方案是構建實時數據庫系統(tǒng)的工程師必須要考慮的問題。

6．實時信息系統(tǒng)的架構

實時信息系統(tǒng)當然是C/S結構的，在網絡實時通信協(xié)議的支持下，Server端與Client端交換實時信息。實時數據庫具有實時檢索功能，根據客戶端的需求向客戶端提供實時數據，這種實時檢索也在數毫秒完成。實時流程圖是實時信息系統(tǒng)的典型用戶界面，圖中的數據應該與DCS系統(tǒng)同步刷新; 實時過程動態(tài)曲線是實時信息系統(tǒng)的又一重要界面，它可以實時動態(tài)地將對象的變化表現出來; 實時信息系統(tǒng)也有非實時的功能，如查詢歷史數據、描繪對象的靜態(tài)變化趨勢等。

由于目前用戶對B/S系統(tǒng)情有獨鐘，使用IE瀏覽器希望能看到他們所希望看到的一切。但是眾所周知，IE瀏覽器執(zhí)行HTTP協(xié)議，用于實時系統(tǒng)有兩大缺陷: 實時性和作圖（不是貼圖）功能較差。要使網頁也具備實時功能，方法之一是使用微軟ActiveX技術,將原有Client端的實時功能及作圖功能集成到實時控件中，再由IE瀏覽器從Web服務器自動下載實時控件，以構成實時網頁。目前該項領先技術已在中國石油撫順石油化工公司現場運行，并且已經被集成到撫順石油化工公司的OA系統(tǒng)。如果授權，從互聯(lián)網國內任何地方，使用IE瀏覽器可以直接登錄撫順石油化工公司實時數據庫，可以看到與生產現場同步變化的畫面。

7．其他問題

實時數據庫的功能是將企業(yè)的實時數據集中，如果現場的數據不準甚至沒有，再好的實時數據庫系統(tǒng)也無能為力。不幸的是現場的數據不準或根本沒有，正是國內流程工業(yè)企業(yè)碰到的共同問題，其中最大的問題在于計量不準。計量問題不解決，實時數據庫和所有企業(yè)的上層應用包括MES和ERP都將不是完美的系統(tǒng)。

綜上所述，構建一個性能優(yōu)良的實時信息系統(tǒng)，除了選擇優(yōu)秀的實時數據庫軟件平臺以外，還要選擇一個優(yōu)秀二次開發(fā)的工程技術隊伍，這個隊伍能夠使用DCS的開放接口，由實時數據采集程序得到最新版本的實時數據。同時建立DCS到實時數據庫核心內存的高速數據通道。作為商業(yè)化的實時數據庫軟件平臺，其實時數據庫的實時通信協(xié)議應該開放，而且盡量使用網絡低層協(xié)議，以提高系統(tǒng)的實時性能。實時數據庫能否達到預想的品質和效果是綜合實力的結果。實時數據庫軟件平臺、二次開發(fā)和現場三方，其中任一方出了問題或質量不高，其他環(huán)節(jié)水平再高也是無濟于事的。

本專題將首先從技術上分析實時信息系統(tǒng)的構建，即介紹從實時數據庫到實時信息系統(tǒng)的開發(fā)過程，隨后還將介紹實時信息系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的集成及應用情況。

鏈接

1． SCADA SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統(tǒng)。它對現場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節(jié)以及各類信號報警等各項功能。SCADA系統(tǒng)的應用領域很廣，它可以應用于電力、石油、化工等領域的數據采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域。

2． DCS DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），在國內又稱之為集散控制系統(tǒng)。DCS是計算機技術、控制技術和網絡技術高度結合的產物。DCS通常用若干個控制器對一個生產過程中的眾多控制點進行控制和PID閉環(huán)調節(jié)，各控制器間通過網絡連接并可進行數據交換。

3． PLC PLC（Program Logic Control ,可編程邏輯控制器）的前身是繼電器順序控制器，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，引入了微計算機技術，所處理的對象從開關量到模擬量。高級的PLC還有PID閉環(huán)調節(jié)功能，并且配有人機對話界面，PLC的功能正在逐漸向DCS靠攏。PLC在機械制造業(yè)中使用較多。

4． OPC OPC是OLE for Process Control的縮寫，它是微軟公司的對象鏈接和嵌入技術在過程控制方面的應用。OPC基金會制定了OPC標準，OPC以OLE/COM/DCOM技術為基礎，采用客戶/服務器模式，為工業(yè)自動化軟件面向對象的開發(fā)提供了統(tǒng)一的標準，這個標準定義了應用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機之間交換自動化實時數據的方法。生產現場的DCS、 PLC等設備采用OPC標準以后，為上層應用系統(tǒng)獲取現場實時數據提供了方便而統(tǒng)一的接口。 (CCW)