CN105956118A - 一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布全局数据库的方法，公开一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，基于DCS***，采用多层分级、合作自治的结构形式，实现集中管理和分散控制，以分布式工程对象主数据库为基础，采用多进程与多线程设计模式，通过实时高速工业以太网作为操作站主数据库与控制站之间信息通讯的桥梁，使各个控制站和工程之间的物理分散；采用层级存储池管理机制，在保证流程工业海量实时数据实时性要求的前提下，通过质量戳标识数据实时值的质量状况。采用本发明能够动态地增添存储节点以实现存储容量的线性扩展；分布式数据库必须及时响应大规模用户的读/写请求；能够实现对数据的冗余备份，保证数据可靠性。

Description

一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法

技术领域

本发明涉及分布全局数据库的方法，尤其涉及一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法。

背景技术

一直以来DCS的重点在于控制，它以“分散”作为关键字。但现代发展更着重于全***信息综合管理，今后“综合”又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性、高度自动化的管系的综合自动化方向发展，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产控一体化***。随着工业自动化的飞速发展，工业过程瞬时信息量日益庞大、数据实时性千差万别、数据存储机制各异、数据质量状况瞬息万变，对主数据库的规模、运行效率、存储机制、数据质量辨别等提出了苛刻的要求，任何环节的错误都将影响到整个控制***的安全。对于现代工业企业，如何能使决策者随时查看生产过程数据，以便快速地做出更为灵活的商业决策，是企业信息化建设的关键，在企业MES所关注的各项资源中，生产过程信息依然是重要的资源，如果不能解决生产过程信息实时有效上传的问题，将仍然无法充分利用和保障MES及ERP管理***的投资。在工业自动化行业中，大量使用主数据库***进行控制***监控，***先进控制和优化控制，并为企业的生产管理和调度、数据分析、决策支持及远程在线浏览提供实时数据服务和多种数据管理功能。主数据库已经成为工业自动化行业企业信息化的基础数据平台，可直接实时采集、获取企业运行过程中的各种数据，将其转化为对各类业务有效的公共信息，同时通过对数据库的实时操作直接控制现场，满足工业生产管理、过程监控、经营管理、数据监控和直接控制之间对实时信息完整性、一致性、安全共享的需求，可为工业自动化控制***与管理信息***间建立起信息沟通的桥梁。帮助企业的各专业管理部门利用这些关键的实时信息，提高生产销售的营运效率。主数据库的一个重要特性就是实时性，包括数据实时性和事务实时性。数据实时性是现场IO数据的更新周期，作为主数据库，不能不考虑数据实时性。一般数据的实时性主要受现场设备的制约，特别是对于一些比较老的***而言，情况更是这样。事务实时性是指数据库对其事务处理的速度。它可以是事件触发方式或定时触发方式。事件触发是该事件一旦发生可以立刻获得调度，这类事件可以得到立即处理，但是比较消耗***资源；而定时触发是在一定时间范围内获得调度权。作为一个完整的主数据库，从***的稳定性和实时性而言，必须同时提供两种调度方式。对于工业自动化***来说，下位机的数据主要来源于DCS控制***，数据库成为了沟通下位机和操作站的桥梁。随着工业自动化的不断发展，集散控制***广泛应用于各种场合，包括火电、化工、制药、炼油、钢铁、能源、环保等。针对自动化行业数据测试点数多、存储量大、时效性强等特点，这就势必给主数据库各方面的性能要求都带来了各种挑战。

发明内容

本发明针对现有技术中数据实时性受现场设备制约严重的缺点，提供一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法。

一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，基于DCS***，采用多层分级、合作自治的结构形式，实现集中管理和分散控制，以分布式工程对象主数据库为基础，采用多进程与多线程设计模式，包括如下步骤：

(1)通过实时工业以太网作为操作站实现主数据库与控制站之间信息通讯的桥梁，使各个控制站和工程之间的物理分散；

(2)以通讯的方式把过程控制层集合到工厂信息层，把多个物理分散的数据存储单元连接起来组成逻辑上统一的分布式数据库，用于提供存取手段来操纵这些结点上的子数据库；

(3)采用层级存储池管理机制，通过质量戳标识数据实时值的质量状况；

(4)质量戳与实时值被打包存储于历史数据库，质量戳以图形的方式表示各自所代表的含义，图标显示在限定的模块内；

(5)在数据采集时，封装数据当前值与数据质量戳的原始数据，对输入信号进行断偶、断阻、断线及信号检测；

(6)在控制数据输出时采用信号回采、偏差比较方法，形成实时数据质量戳状况。

作为优选，步骤(3)中通过质量戳标识数据实时值是在保证流程工业海量实时数据实时性要求的前提下进行。

作为优选，步骤(5)至步骤(6)中通过控制***对输入输出过程中的质量戳显示信息，信息包括通道序号、工作状态和异常跳变。

作为优选，通道序号分别为通道离线、信号不一致、采用偏差、故障诊断，蓝色为正常显示，红色代表信号不一致，绿色代表网络故障，用于通道诊断；工作状态有正常、断线、断偶、断阻、上溢出、下溢出，工作状态由实际硬件检测得到；异常跳变为数字量通道设定，分为无设定、低值异常、高值异常、变化异常，关于模拟量可以设定异常跳变数值，模件对应的值上下范围超出异常跳变值后出现异常跳变质量戳。

作为优选，步骤(1)中主数据库定义了各站点的变量信息，包括各站的组成设备及属性，各点的数据采集与转换、报警、历史记录和安全区属性，让***数据的统一接口与全局一致。

作为优选，步骤(5)至步骤(6)中还包括主数据库编辑器，包括网络离线显示质量戳和报警信息质量戳，对选中记录点可以进行报警信息的编辑，当记录点的实时值相对于设定值产生报警时，通过查看观察窗口看到工程的网络、版本信息和对应的质量戳含义。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：本发明提出一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，满足对大量数据的实时信息处理。集散控制***即分散控制***，采用控制分散、操作好管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式，以集中管理和分散控制为主要特点。分布式数据库***适合于单位分散的部门，允许各个部门将其常用的数据存储在本地，实施就地存放本地使用，从而提高响应速度，降低通信费用。分布式数据库***与集中式数据库***相比具有可扩展性，通过增加适当的数据冗余，提高***的可靠性。分布式数据库具有灵活的体系结构；适应分布式的管理和控制机构；经济性能优越；***的可靠性高、可用性好；局部应用的响应速度快；可扩展性好，易于集成现有***。

附图说明

图1是本发明的框架示意图。

图2是图1中质量戳框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，基于DCS***，采用多层分级、合作自治的结构形式，实现集中管理和分散控制，以分布式工程对象主数据库为基础，采用多进程与多线程设计模式，包括如下步骤：

(1)通过实时高速工业以太网作为操作站实现主数据库与控制站之间信息通讯的桥梁，使各个控制站和工程之间的物理分散；

(2)以通讯的方式把过程控制层集合到工厂信息层，把多个物理分散的数据存储单元连接起来组成逻辑上统一的分布式数据库，用于提供存取手段来操纵这些结点上的子数据库；

(3)采用层级存储池管理机制，在保证流程工业海量实时数据(200,000点规模)实时性(1ms～1s)要求的前提下，通过质量戳标识数据实时值的质量状况；

(4)质量戳与实时值被打包存储于历史数据库，质量戳以图形的方式表示各自所代表的含义，图标显示在限定的模块内；

(5)在数据采集时，封装数据当前值与数据质量戳的原始数据，对输入信号进行断偶、断阻、断线及信号检测；

(6)在控制数据输出时采用信号回采、偏差比较等方法，形成实时数据质量戳状况。

步骤(5)至步骤(6)中通过控制***对输入输出过程中的质量戳显示信息，信息包括通道序号、工作状态和异常跳变。

通道序号分别为通道离线、信号不一致、采用偏差、故障诊断，蓝色为正常显示，红色代表信号不一致，绿色代表网络故障，用于通道诊断；工作状态有正常、断线、断偶、断阻、上溢出、下溢出等，工作状态由实际硬件检测得到；异常跳变为数字量通道设定，分为无设定、低值异常、高值异常、变化异常等四种方式，关于模拟量可以设定异常跳变数值，模件对应的值上下范围超出异常跳变值后出现异常跳变质量戳。

步骤(1)中主数据库定义了各站点的变量信息，包括各站的组成设备及属性，各点的数据采集与转换、报警、历史记录和安全区属性，让***数据的统一接口与全局一致。

步骤(5)至步骤(6)中还包括主数据库编辑器，包括网络离线显示质量戳和报警信息质量戳，对选中记录点可以进行报警信息的编辑，当记录点的实时值相对于设定值产生报警时，通过查看观察窗口看到工程的网络、版本信息和对应的质量戳含义。

采用实时信息质量戳分布全局数据库的方法具有高可扩展性：分布式数据库必须具有高可扩展性，能够动态地增添存储节点以实现存储容量的线性扩展；高并发性：分布式数据库必须及时响应大规模用户的读/写请求，能对海量数据进行随机读/写；高可用性：分布式数据库必须提供容错机制，能够实现对数据的冗余备份，保证数据和服务的高度可靠性。

本发明提出的分布式主数据库在保证流程工业海量实时数据(200000点规模)实时性(1ms～1s)要求的前提下，提出了质量戳概念，标识数据的质量状况。针对工业控制现场信号多变，干扰源多等特点，对监测数据进行有效性、死数、越限、跳变、状态异常等有效处理尤其重要。为提高控制***对现场信号的故障检测能力，I/O模件通道实现点点隔离、点点互隔，同时具备实时检测断阻、断偶、断线、上下溢出等故障状态。新增I/O数字量模件通道值异常跳变设置功能，结合记录点质量戳，进一步完善I/O通道的故障检测能力，满足紧急停车等高可靠安全领域需求。

结合自动控制行业集散控制***的应用领域，本发明提出的主数据库兼具以下几个基本特点：

测点数量多：集散控制***广泛应用于石化、化工、钢材等特大型企业，需要处理的测点数超过了10000点，这些测点的变化周期通常在1秒钟之内，也就是说，需要将超过10000点的数据在1秒钟之内保存到数据库中。

存储量大：由于成年累月的数据将占据大量的硬盘空间，主数据库实现了对大量的实时信息进行完美处理。例如对于1万点的***，每1秒钟存储一次，每次单点占用8个字节，那么保存10年的数据量将有10000*8*10*365*86400＝25228800000000字节，也就是23TGB。若用80GB的硬盘存放，需要存放293块硬盘。

时效性强：每个需要处理的测点的值都与时间相关，一秒钟之后的数据与一秒钟之前的数据可能就不一样了，因此，在保存测点值的同时，必须通过某种方法将其对应的时间也记录起来。

本发明针对集散控制***测点多、容量大和时效性强的特点，设计了带有质量戳的分布式主数据库，实现操作站与集散控制***控制器之间的实时通讯和监视控制。

本发明采用层级存储池管理机制，在保证流程工业海量实时数据(200,000点规模)实时性(1ms～1s)要求的前提下，通过质量戳标识数据实时值的质量状况。实时数据质量戳涵盖通道故障、采样偏差、量程超限、网络状态等质量信息，不仅包含表示自身真实性、完备性等的绝对质量，而且包含使用和存储过程中表示使用质量、存储质量和传输质量等的过程质量，保证了数据的可靠性与可用性，提高了数据引用的安全性。质量戳紧随实时值，有极高的时效性(500ms)。质量戳与实时值被打包存储于历史数据库，便于对现场数据的分析。质量戳可以以图形的方式表示各自所代表的含义，但这些图标只会显示在限定的模块内。当用户需要查看质量戳信息，但是又没有权限进入这些模块时，用户可以在人机界面中通过引用质量戳来查看诊断信息。在实际应用中，如果用户需要查看记录点的报警状态，那么可以在人机界面中引用记录点的报警状态信息，用户可以以此来判断该记录点是否产生报警。

采用本发明方法的数据库支持实时和历史数据200000点规模，支持趋势图、统计表、数据分析组件等；采用多进程与多线程设计模式，数据库、设备驱动、网络通信、人机界面等程序进程独立运行，并可任意组合运行在相同或者不同的机器上，如将重要的控制运算功能放到更为安全的机器上，可以合理的分配机器负荷；实时数据、历史数据、过程报警、操作事件等作为整个***的共有资源可共享；支持丰富的设备封装库和简洁的图库管理功能；支持本地在线组态、在线下装、在线监视，通过TCP/IP协议实现远程***的在线监控、诊断和操作；支持RS485、CAN、Ethernet、Modbus、Modbus/TCP等多种现场总线与工业以太网络的通讯形式或设备接口，使得***具有较强的开放性。实现Modbus、Profibus DP等网络驱动模块，通过开放规范的OPC客户端与服务器接口，采用透明网络管理技术实现与第三方设备的数据通讯，构建分布式工程对象全局主数据库，实现***数据与外部设备数据的全局一致与统一接口，满足工业数据多实时性、多语义性、多时空性、多尺度性的信息集成与接口开放要求；支持多样的信息导入导出，工程竣工图、通道表、实时数据表、实时报警表、报表等都能随心所欲地以Excel表格形式导入导出。

本发明针对集散控制***测点多、容量大和时效性强的特点，设计了带有质量戳的分布式主数据库，实现操作站与集散控制***控制器之间的实时通讯和监视控制。分布式主数据库是指利用高速计算机网络将物理上分散的多个数据存储单元连接起来组成一个逻辑上统一的数据库。一个应用程序通过网络的连接可以访问分布在不同地理位置的数据库。它的分布性表现在数据库中的数据不是存储在同一场地。更确切地讲，不存储在同一计算机的存储设备上。从用户的角度看，一个分布式数据库***在逻辑上和集中式数据库***一样，用户可以在任何一个场地执行全局应用。就好像那些数据是存储在同一台计算机上，有单个数据库管理***(DBMS)管理一样，用户并没有什么感觉不一样。基本思想是将原来集中式数据库中的数据分散存储到多个通过网络连接的数据存储节点上，以获取更大的存储容量和更高的并发访问量。

本发明的主数据库软件模块采用层级存储池管理机制，以全局统一的分布式工程对象主数据库为基础，采用多进程与多线程设计模式，数据库、设备驱动、网络通信、人机界面等程序进程独立运行，并可任意组合运行在相同或者不同的机器上，如将重要的控制运算功能放到更为安全的机器上，可以合理分配机器负荷。实时数据质量戳标识数据的质量状况，结合硬件冗余状态，涵盖通道故障、采样偏差、量程超限、网络状态等信息，保证实时数据的可靠性和可用性，提高了数据引用的安全性；同时支持质量戳与实时值的历史记录与追忆分析。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，基于DCS***，采用多层分级、合作自治的结构形式，实现集中管理和分散控制，以分布式工程对象主数据库为基础，采用多进程与多线程设计模式，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过实时工业以太网作为操作站主数据库与控制站之间信息通讯的桥梁，使各个控制站和工程之间的物理分散；

(2)以通讯的方式把过程控制层集合到工厂信息层，把多个物理分散的数据存储单元连接起来组成逻辑上统一的分布式数据库，用于提供存取手段来操纵这些结点上的子数据库；

(3)采用层级存储池管理机制，通过质量戳标识数据实时值的质量状况；

(4)质量戳与实时值被打包存储于历史数据库，质量戳以图形的方式表示各自所代表的含义，图标显示在限定的模块内；

(5)在数据采集时，封装数据当前值与数据质量戳的原始数据，对输入信号进行断偶、断阻、断线及信号检测；

(6)在控制数据输出时采用信号回采、偏差比较方法，形成实时数据质量戳状况。

2.根据权利要求1所述的一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，其特征在于：步骤(3)中通过质量戳标识数据实时值是在保证流程工业海量实时数据实时性要求的前提下进行。

3.根据权利要求1所述的一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，其特征在于：步骤(5)至步骤(6)中通过控制***对输入输出过程中的质量戳显示信息，信息包括通道序号、工作状态和异常跳变。

4.根据权利要求3所述的一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，其特征在于：通道序号分别为通道离线、信号不一致、采用偏差、故障诊断，蓝色为正常显示，红色代表信号不一致，绿色代表网络故障，用于通道诊断；工作状态包括正常、断线、断偶、断阻、上溢出、下溢出，工作状态由实际硬件检测得到；异常跳变为数字量通道设定，分为无设定、低值异常、高值异常、变化异常，关于模拟量可以设定异常跳变数值，模件对应的值上下范围超出异常跳变值后出现异常跳变质量戳。

5.根据权利要求1所述的一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，其特征在于：步骤(1)中主数据库定义了各站点的变量信息，包括各站的组成设备及属性，各点的数据采集与转换、报警、历史记录和安全区属性，让***数据的统一接口与全局一致。

6.根据权利要求1所述的一种实现实时信息质量戳分布全局数据库的方法，其特征在于：步骤(5)至步骤(6)中还包括主数据库编辑器，包括网络离线显示质量戳和报警信息质量戳，对选中记录点可以进行报警信息的编辑，当记录点的实时值相对于设定值产生报警时，通过查看观察窗口看到工程的网络、版本信息和对应的质量戳含义。