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(guò)程的信息化系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)指揮中心根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)信息快速生成管理決策，通過(guò)對(duì)廠(chǎng)級(jí)過(guò)程數(shù)據(jù)的集成，使生產(chǎn)過(guò)程信息資源能夠連續(xù)、自動(dòng)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(jī)效指標(biāo)KPI（Key Performance Indicator）。生產(chǎn)管理決策的數(shù)據(jù)不僅僅來(lái)源于單一生產(chǎn)裝置，而是來(lái)自于整條生產(chǎn)線(xiàn)的、全企業(yè)級(jí)的甚至是跨地域、跨時(shí)區(qū)的協(xié)作制造平臺(tái)。 由于生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)規(guī)模大小不一（單一控制系統(tǒng)從幾十個(gè)I/O到幾千個(gè)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(kù)全面地、實(shí)時(shí)地集成廠(chǎng)級(jí)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)非常困難。

iHistorian實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)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(xiàn)控制系統(tǒng)中直接取得第一手現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且利用先進(jìn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)完成海量數(shù)據(jù)的高效壓縮和安全存儲(chǔ)，為建立其他實(shí)時(shí)生產(chǎn)管理系統(tǒng)（如生產(chǎn)成本動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)、生產(chǎn)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、產(chǎn)能優(yōu)化、質(zhì)量管理、生產(chǎn)過(guò)程可視化等）提供各種在線(xiàn)（如產(chǎn)量、溫度、流量）或離線(xiàn)（配方、質(zhì)量分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）的過(guò)程數(shù)據(jù)。從而為消除信息孤島、實(shí)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(kù)平臺(tái)。

2. 應(yīng)用架構(gòu)

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

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(chǔ)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(chē)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(guò)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(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及歸檔文件

針對(duì)iHistorian的遠(yuǎn)端維護(hù)：Web-Based或者Windows-Based遠(yuǎn)程管理和維護(hù)

生產(chǎn)應(yīng)用：如生產(chǎn)過(guò)程可視化應(yīng)用，統(tǒng)計(jì)計(jì)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(kù)訪(fǎng)問(wèn)的OLE DB等等

3. iHistorian體系結(jié)構(gòu)

3.1 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)對(duì)象

普通的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用主要是面對(duì)離散的，非連續(xù)的，不帶有時(shí)間標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)象，并通過(guò)二維表的方式來(lái)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(xiāo)售數(shù)據(jù)。

作為實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)主要的存儲(chǔ)對(duì)象生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，它有以下主要特點(diǎn)：連續(xù)性、帶時(shí)標(biāo)，例如現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力等模擬量 基于時(shí)間的連續(xù)的事件記錄，例如閥門(mén)開(kāi)關(guān)、電機(jī)起停等開(kāi)關(guān)量 離線(xiàn)手工數(shù)據(jù)，例如批次信息，條碼、試驗(yàn)報(bào)告 這種復(fù)雜特性的存儲(chǔ)對(duì)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(gè)不同的控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

如果利用關(guān)系型數(shù)據(jù)采集過(guò)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(diǎn)的定義表、訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限級(jí)別分類(lèi)表、訪(fǎng)問(wèn)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(lèi)型定義表、系統(tǒng)消息表等等，如圖2顯示了一個(gè)利用MS SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且對(duì)開(kāi)發(fā)和集成人員而言要編寫(xiě)大量的腳本存儲(chǔ)進(jìn)程做大量的開(kāi)發(fā)工作，由于來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)都是實(shí)時(shí)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(chǔ)和回取使用的效率較低，從而影響整個(gè)廠(chǎng)級(jí)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(jí)壓縮的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（如圖3）： 在前端控制系統(tǒng)的上位機(jī)安裝采集器Collector，該采集可以實(shí)時(shí)捕捉當(dāng)?shù)豐CADA、HMI節(jié)點(diǎn)、OPC服務(wù)器或者手工錄入的實(shí)時(shí)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(shí)，不會(huì)因?yàn)閕Historian服務(wù)器的無(wú)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(dòng)將過(guò)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(qǐng)求或者物理鏈路恢復(fù)后，采集的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)恢復(fù)到iHistorian中。這個(gè)特性充分保障的數(shù)據(jù)的完整性。

由于來(lái)自于不同的控制系統(tǒng)的過(guò)程數(shù)據(jù)之間可能有時(shí)間上的相關(guān)性，所以iHistorian可以對(duì)來(lái)自不同采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)的時(shí)鐘補(bǔ)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(chǔ)壓縮兩種手段壓縮記錄過(guò)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(guò)程數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)定義的死區(qū)過(guò)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(gè)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(guò)濾掉。

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

通過(guò)以上的壓縮方式，可以極大地提高經(jīng)濟(jì)存儲(chǔ)的性能，經(jīng)過(guò)測(cè)試，每秒紀(jì)錄500個(gè)浮點(diǎn)數(shù)， iHistorian和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間比較如下（存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)變化率不同而有所不同）：

可以記錄一筆線(xiàn)性的過(guò)程數(shù)據(jù)，而不論紀(jì)錄多長(zhǎng)時(shí)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(xiě)事件、數(shù)據(jù)記錄毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率、采集器可以提供100ms的數(shù)據(jù)采集速度、單臺(tái)服務(wù)器10萬(wàn)個(gè)標(biāo)簽點(diǎn)記錄能力、數(shù)據(jù)計(jì)算采集器提供直接針對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)的計(jì)算引擎和腳本開(kāi)發(fā)工具，可以直接將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到iHistorian。

3.3.2 系統(tǒng)管理和維護(hù)

iHistorian提供存瘦客戶(hù)端的系統(tǒng)維護(hù)能力，即通過(guò)IE瀏覽器，在遠(yuǎn)端就可以完成對(duì)iHistorian的全功能免編程維護(hù)，包括系統(tǒng)狀態(tài)跟蹤、標(biāo)簽點(diǎn)的增刪、壓縮比修改、用戶(hù)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(qiáng)大的安全管理的能力，甚至可以指定不同用戶(hù)針對(duì)不同的的標(biāo)簽點(diǎn)的操作能力，并將這些操作過(guò)程也記錄到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，用于操作跟蹤，由于該功能符合并通過(guò)21CFR Part11的認(rèn)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(guò)OLE DB、可以使用標(biāo)準(zhǔn)的SQL語(yǔ)句查詢(xún)iHistorian中的歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)消息、標(biāo)簽點(diǎn)等，如下語(yǔ)句：

Select Timestamp, Value From ihRawData where Tagname = Temp1 ；

And Timestamp >Today ；

And IntervalMilliseconds = 1Hour ；

And CalculationMode = Average ；

該語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)了針對(duì)當(dāng)天Temp1每間隔1個(gè)小時(shí)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(shí)間的平均值、插值等查詢(xún)一定要編寫(xiě)大量的復(fù)雜的代碼和存儲(chǔ)過(guò)程，針對(duì)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(bào)表工具、iClient客戶(hù)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(gè)趨勢(shì)圖中同時(shí)查詢(xún)10筆一年前的兩個(gè)月周期的歷史趨勢(shì)，刷新可以在3秒以?xún)?nèi)完成。

4. 總結(jié)

綜上，基于iHistorian的解決方案（如圖5）同時(shí)解決了生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、經(jīng)濟(jì)存儲(chǔ)、安全應(yīng)用等幾個(gè)方面的問(wèn)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(kù)平臺(tái)來(lái)應(yīng)用，從而：

·實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指揮中心對(duì)各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的生產(chǎn)和設(shè)備的過(guò)程可視化監(jiān)視；

·實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)記錄，并對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、分析、處理，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的智能化分析報(bào)表和報(bào)告應(yīng)用，為高層管理人員生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策提供及時(shí)可靠支持；

·實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和各子系統(tǒng)模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，把全公司的信息上下左右貫通起來(lái)、建立生產(chǎn)管理和生產(chǎn)控制承上啟下的通路，實(shí)現(xiàn)廠(chǎng)級(jí)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?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，不影響現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)。

利用實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，可以保護(hù)企業(yè)在IT或者ERP上的投資，使企業(yè)的管理系統(tǒng)運(yùn)行在實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)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(mǎn)意度。