Архитектура производственной базы данных реального времени

Современный инженер автоматизированных систем управления имеет в своем распоряжении такие вычислительные возможности, какие еще лет десять назад невозможно было себе представить.
архитектура производственной информационной системы

Рисунок. Основная архитектура производственной информационной системы, созданной на основе производственной базы данных компании, Web-сервера и системы сбора производственных данных

B 1988 году я руководил проектной группой, которая разрабатывала одну из первых производственных информационных систем, использовавших реляционную базу данных. В ней сохранялась информация о параметрах технологического процесса производства нейлоновых катушек компании DuPont. В основе архитектуры лежал обмен данными между контроллером Allen-Bradley PLC 2/30 и кластером DEC MicroVax. И хотя нам были известны все необходимые данные, но аппаратному и программному обеспечению не хватало производительности для регистрации и передачи требуемой подробной информации. К 1998 г. стали доступны стандартные блоки для создания надежной производственной информационной системы.

В течение последних пяти лет потребности сфер производства и реализации продукции в подробной информации о производственных процессах привели к тому, что при разработке производственных информационных систем предпочтение было отдано структурному и модульному подходу, с особым акцентом на реляционные базы данных.

При эксплуатации установленных производственных информационных систем имеют место такие же результаты работы, что и при использовании программных систем управления процессами. Таким образом, собственный персонал, контролирующий системы управления процессами, должен понимать, самостоятельно обнаруживать и устранять неполадки в производственной информационной системе без специалиста по информационным технологиям.

Основными требованиями при разработке производственной информационной системы являются следующие: документированность кода, надежность в эксплуатации на производстве, полная управляемость пользователем, открытость интерфейса базы данных, а также оценка старения продукта в будущем. На основе указанных критериев можно выделить три основных составных блока этой архитектуры: сервер производственной базы данных, систему сбора производственных данных и систему формирования отчетов на базе Web-технологий.

 

Сервер производственных данных

Как показано на схеме справа, сервер производственных данных включает сервер базы данных и Web-сервер Интернет/интранет. Сервер производственных данных может быть установлен в помещении администратора системы или в удаленном доступе через Интернет-соединение по безопасному https-протоколу. Требования к объему оперативной памяти и жесткого диска для большинства случаев составляют 512 Мб и 40 Гб соответственно. Система должна архивировать данные со сроком хранения более 6 месяцев.

Удовлетворение потребностей в производственной информации и успешное создание производственной базы данных требует гораздо более тесного, по сравнению с обычным, уровня взаимодействия и сотрудничества между отделом информационных технологий и инженерами по технике автоматизированного управления. Причина этого заключается в том, что навыки работы с компьютером и программным обеспечением, которые требуются для создания производственной базы данных, аналогичны тем же навыкам, которые необходимы администратору баз данных при проектировании и создании финансовой или инвентаризационной базы данных, или базы данных контактов. Если сравнить разработку производственной базы данных с проектами по разработке баз данных других типов, то различия появляются уже на этапе формирования концепции и проектирования архитектуры. Именно здесь требуется участие инженера по технике автоматизированного управления для того, чтобы определить источники и единицы измерения данных, а также определить способ оценки количества продукции так, чтобы они были понятны персоналу, обеспечивающему выпуск продукции.

Контроллеры, расположенные в цехе, автоматически передают данные в производственную базу данных. Это можно реализовать с помощью прямой линии связи с программируемым логическим контроллером (PLC) или с контроллером в распределенной вычислительной системе (DCS). В традиционных системах или в микропроцессорных контроллерах (с компилируемым кодом) альтернативой является установка датчиков на ключевых участках для передачи производственных данных в базу через промышленную локальную сеть. Разработка производственной базы данных может способствовать расширению рынка сбыта, если эта информация будет использоваться и в целях коммерческой деятельности. Для успешной разработки базы данных необходимо понимать принципы заполнения таблиц, то есть знать, где необходимо собрать данные и как написать процедуры их сохранения. Если от момента запроса на формирование отчета до его появления на экране пройдет несколько секунд, то такой запрос будет восприниматься как достаточно медленный и потребует исправления проекта.

Инженеры по технике автоматизированного управления должны играть существенную роль в определении минимального набора основных параметров для оценки скорости и качества передачи данных. Например, для процесса гомогенизации запись о процессе, сохраненная в производственной базе данных, должна содержать только максимальное, минимальное и среднее значения температуры, зарегистрированные на заданном временном интервале. Инженер по технике автоматизированного управления должен написать соответствующий код для PLC, чтобы эти данные могли быть переданы в систему сбора производственных данных.

 

Система сбора производственных данных

Если сервер базы данных может быть спроектирован и разработан персоналом отдела информационных технологий, то сама система сбора данных размещается непосредственно в цехе и поэтому обычно находится в зоне ответственности инженера по технике автоматизированного управления.

Система сбора данных – это место получения всех производственных данных. Ее основной функцией является сбор данных с производственных контроллеров, хранение данных в „упрощенной“ версии производственной базы данных и обеспечение операций для передачи записей на сервер производственных данных.

Информация сохраняется в производственной базе системы сбора данных в режиме реального времени в той же табличной структуре и в том же формате, что и на сервере производственных данных. Инженер по технике автоматизированного управления может нести ответственность за данные, получаемые в системе сбора данных, а администратор базы данных – за данные, сохраняемые на сервере производственных данных. Таким образом, поддержка производственной базы данных становится общей задачей для отдела информационных технологий и для инженеров по технике автоматизированного управления для обеспечения потребности в производственной информации.

Сервер может быть промышленным компьютером, расположенным поблизости от производственной линии. В этом случае рекомендуется специальный защитный корпус NEMA 4/12. „Серый ящик“ системы сбора данных имеет три соединения: Ethernet (с сервером и другими заводскими компьютерами), высокоскоростной интерфейс производственной сети (Modbus, DeviceNet и т.д.) и провод питания. На рынке имеется ряд очень хороших драйверов, предназначенных для обеспечения передачи данных в режиме реального времени с контроллеров PLC непосредственно в базу данных системы сбора производственных данных.

Используя Web-сервер, такой как Microsoft IIS (Internet Information Services) Server, для диагностики и получения основных отчетов, инженер по технике автоматизированного управления сможет обеспечить целостность данных при их передаче между сервером производственных данных и системой сбора данных.

Если сетевое соединение между системой сбора данных и сервером данных потеряно или заблокировано, транзакции данных запоминаются в системе сбора данных и восстанавливаются (путем повтора транзакций) на сервере данных сразу после восстановления соединения. Обычно система сбора производственных данных конфигурируется таким образом, чтобы сохранять данные, получаемые в течение трех рабочих смен.

 

Web-технологии создания отчетов

Конечными пользователями производственной информации обычно являются руководители предприятий, персонал по контролю качества и контролеры продукции. Было установлено, что чаще всего от производственной базы данных требуются отчеты об итоговых результатах и о продукции, подлежащей доставке. Ниже приводится несколько примеров отчетов, которые может предоставить данная архитектура:

  • Данные о качестве;
  • Отчеты о простоях;
  • Отчеты о соответствии техническим условиям для поставок;
  • Система нарядов, связанная с программной системой управления временем;
  • Отчеты об использовании компонентов;
  • Посменные отчеты о выпуске продукции.

Отчеты предоставляются через Интернет-браузер.Когда руководитель предприятия вызывает Web-браузер на сервере производственных данных, ему открывается доступ в информационный портал.

Отчет можно представить как отдельную запись в производственной базе данных, обеспечивающую информационную выборку таких параметров, как смена, партия или наряд на работу.

На сервере производственных данных, где имеется программное обеспечение и конфигурация для создания отчетов, Web-сервер запускает активные серверные страницы (ASP), а скрипты Visual Basic часто запускают процедуры, хранимые в базе данных, для получения нужной информации.

Спроектированная таким образом система формирования отчетов на основе Web-технологий не требует установки приложений на рабочий стол (или приобретения дополнительных лицензий) – информация становится доступной через сеть интранет или через безопасное Интернет-соединение.

 

Базы данных реального времени позволяют организовать обратную связь в реальном времени

Сбор и анализ производственных данных в режиме реального времени играет решающую роль в удовлетворении потребностей рынка в качественном продукте и в сокращении времени прохождения продукта от производителя к рынку. Передавая производственные данные в систему управления, управляющие базы данных реального времени по существу являются «системами поддержки принятия решений» на предприятии. Многие клиенты используют управляющую обратную связь в режиме реального времени, чтобы обеспечить замкнутый цикл контроля качества. Например, правительственные постановления требуют, чтобы производители пневмоподушек регистрировали и проверяли информацию о качестве на каждом этапе процесса конвейерной сборки. При этом система управления (обычно программируемый логический контроллер PLC от производителей отдельных компонентов) передает коды продуктов и информацию об их качестве в базу данных, где они запоминаются, и характеристики пневмоподушки проверяются на удовлетворение соответствующим критериям. Та же самая транзакция передает информацию обратно, в систему управления: «Да, данные о продукте запротоколированы, и качество хорошее», или «Да, данные о продукте запротоколированы, но качество плохое». При необходимости, эта обратная связь может запустить операцию удаления бракованной детали с конвейера.

Производители объединяют сети, интеллектуальные программируемые контроллеры, основанные на данных, OPC-серверы и надежные процессоры транзакций, чтобы обеспечить связь баз данных реального времени с системами управления. Эти продукты помогают создать транспортную архитектуру для передачи данных в систему управления и обратно. Базы данных реального времени для систем управления требуют быстродействующих, надежных систем. Чтобы производители могли запустить процессы (ручные или автоматизированные) для устранения сбоев в качестве, они должны иметь возможность быстро и надежно передавать данные из цеха в базу данных и обратно.

Тогда почему бы производителям не обеспечить в своей архитектуре хранение данных ближе к цеху? Современные коммерческие базы данных гарантируют длительный срок безотказной работы. В течение многих лет Microsoft, Oracle и IBM сосредотачивали свои усилия на архитектурах. Обеспечивающих высокую доступность. Чем ближе к цеху хранится информация, тем труднее производителям получить к ней доступ. Хранение данных в управляющих базах данных реального времени обеспечивает надежный и открытый способ доступа к данным для многих пользователей.

Существует множество решений для клиентов, которым необходимо управление в реальном времени на основе данных — управления базами данных или другими процессами. Производители могут выбрать сохранение своей логической системы коммерческой деятельности или системы качества в базе данных, так как управляющие базы данных реального времени позволяют легко передавать данные с уровня производства на уровень руководства. Поскольку управляющие базы данных реального времени никогда не смогут заменить по безопасности хранение всех данных на уровне PLC, благодаря, в частности, надежности и хорошей статистике безотказной работы, то пользователи могут также предпочесть гибридное решение, загружая все спецификации качества в контроллер через программу управляющей базы данных реального времени и сравнивая данные программируемого контроллера с реальными данными о качестве продукта непосредственно на конвейере.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *