信息化與CIO(doc9)(1)VIP

1、信息化與CIO在流程型工業(yè)企業(yè)中，有一類與生產(chǎn)密切相關(guān)的信息系統(tǒng)，它們實時獲取DCS、SCADA等生產(chǎn)系統(tǒng)中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，幫助管理者及時調(diào)度、指揮地理位置分散但又密切相關(guān)的現(xiàn)代化生產(chǎn)，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(shù)據(jù)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(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，這對于企業(yè)實時掌握生產(chǎn)情況，正確調(diào)度和指揮生產(chǎn)，以及及時處理生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題具有十分重要的意義。 本專題將道德從技術(shù)上分析實時信息系統(tǒng)的構(gòu)建，即介紹從實時數(shù)據(jù)庫到實時信息系統(tǒng)的開發(fā)過程

2、，隨后還將介紹實時信息系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的集成及應(yīng)用情況。在實時數(shù)據(jù)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(gòu)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(chǎn)現(xiàn)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(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時通信等大量現(xiàn)場工作。這里重點將討論實時數(shù)據(jù)庫與現(xiàn)場的關(guān)系。 從20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)大量引進(jìn)DCS技術(shù)和產(chǎn)品，隨著DCS系統(tǒng)的大量應(yīng)用，企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，企業(yè)的管理層就有了生產(chǎn)數(shù)據(jù)集中的需求，即對實時信息系統(tǒng)的需求。90年代初，在引進(jìn)國外實時數(shù)據(jù)庫的同時，國內(nèi)已經(jīng)有不少單位開始研究實時數(shù)據(jù)庫的理論并付諸

3、實踐。10多年過去了，據(jù)筆者不完全了解，國內(nèi)實時數(shù)據(jù)庫和實時信息系統(tǒng)的應(yīng)用有了較大發(fā)展。但是由于從實時數(shù)據(jù)庫到實時信息系統(tǒng)的構(gòu)建有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度，而且運(yùn)行和維護(hù)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(gòu)建好并且應(yīng)用好一個高水平的實時信息系統(tǒng)，其難度不亞于構(gòu)建一個高水平的ERP系統(tǒng)。 目前在理論上對實時數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)等基本方面還沒有統(tǒng)一的定義和處理方法，實時數(shù)據(jù)庫要達(dá)到關(guān)系數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對于實時數(shù)據(jù)的定義、理解和處理不盡一致，對于實時數(shù)據(jù)庫的功能和性能的要求也不盡一致，實時數(shù)據(jù)庫能達(dá)到的實際性能與功能也是參差

4、不齊，對實時數(shù)據(jù)庫的訪問也沒有類似SQL語言那樣的標(biāo)準(zhǔn)。 實時數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)庫 在流程型工業(yè)中實時數(shù)據(jù)原本是指存在于生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)參數(shù)如溫度、流量、壓力、物（液）位等，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中這些實時數(shù)據(jù)已經(jīng)被變送器采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量而存于DCS或SCADA系統(tǒng)的局部實時數(shù)據(jù)庫中，本文的實時數(shù)據(jù)將從這個基礎(chǔ)討論起。按數(shù)據(jù)的類型分，實時數(shù)據(jù)可分為模擬量、累計量和開關(guān)量。模擬量可以是溫度、壓力、瞬時流量、物位、產(chǎn)品度量、產(chǎn)品質(zhì)量等，模擬量的特點是僅與時刻有關(guān); 累計量可以是累計流量、產(chǎn)品產(chǎn)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(guān)而且與時間段的起始與結(jié)束時刻有關(guān); 開關(guān)量如電力開關(guān)的位置、

5、閥門的開閉、設(shè)備的在線與備用、生產(chǎn)控制中的操作條件等，開關(guān)量的特點是二位式數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)的最大特點是時效性，實時數(shù)據(jù)在模擬系統(tǒng)中僅僅在某一時刻有效，在數(shù)字系統(tǒng)（目前都是數(shù)字系統(tǒng)）中由于實時數(shù)據(jù)存在時間上非連續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實時數(shù)據(jù)只在本采樣周期內(nèi)有效，過了有效期的數(shù)據(jù)便失效。 實時數(shù)據(jù)庫即存儲實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。由于實時數(shù)據(jù)的時效性，實時數(shù)據(jù)庫中存儲的實時數(shù)據(jù)應(yīng)該能盡量跟上現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的變化，否則實時數(shù)據(jù)庫中存儲的是無效數(shù)據(jù)。事實上，數(shù)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(xiàn)場的變化，數(shù)字系統(tǒng)的滯后主要取決于DCS（或SCADA系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)采集的采集周期，數(shù)據(jù)采集周期的選擇又與數(shù)據(jù)載體參數(shù)的

6、變化速率（載體的時間常數(shù)）有關(guān)。一般的數(shù)據(jù)采樣周期數(shù)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(shù)據(jù)的變化周期又不可太快，在DCS或SCADA系統(tǒng)的人機(jī)畫面上，實時數(shù)據(jù)的刷新周期在12秒。如果實時數(shù)據(jù)庫能以2秒的周期跟上實時數(shù)據(jù)的變化，則用于流程型工業(yè)的企業(yè)級實時數(shù)據(jù)庫的實時性能就可以得到保證。而據(jù)不完全統(tǒng)計: 國內(nèi)已經(jīng)在現(xiàn)場運(yùn)行的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括使用進(jìn)口實時數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)只有個別系統(tǒng)能達(dá)到這一指標(biāo)，其中原因下文將做分析。 實時數(shù)據(jù)庫之與非實時數(shù)據(jù)庫的根本區(qū)別在于實時數(shù)據(jù)庫能“實時”地跟隨生產(chǎn)現(xiàn)場的變化。為了能夠跟上實時數(shù)據(jù)的變化

7、，實時數(shù)據(jù)庫通常會在物理上定義一個常駐計算機(jī)內(nèi)存區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣存放其中的實時數(shù)據(jù)能快速數(shù)據(jù)刷新，而且計算機(jī)開銷極小。剩下的重要問題就是將實時數(shù)據(jù)以盡快的速度和最小的周期送往實時數(shù)據(jù)庫以刷新舊的實時數(shù)據(jù)，這可能是構(gòu)建優(yōu)良性能的實時信息系統(tǒng)的技術(shù)難點。 實時數(shù)據(jù)庫的一個重要功能是對實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理，包括對數(shù)據(jù)合理性的判斷、數(shù)據(jù)濾波、對累計量的處理如流量積分，消耗量和產(chǎn)量的計算等。數(shù)據(jù)處理是計算機(jī)的“強(qiáng)項”，該功能將不是本文討論的重點。 相對于磁存儲介質(zhì)（磁盤），計算機(jī)內(nèi)存的容量是有限的，因而作為實時數(shù)據(jù)庫的核心，它能存儲的實時數(shù)據(jù)也是有限的。另一方面實時數(shù)據(jù)必須定期存入磁盤保存，以備后用。存

8、入磁盤的數(shù)據(jù)我們稱為歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)已是屬于非實時數(shù)據(jù)的范疇了。但由于歷史數(shù)據(jù)真實地記錄了過去某一時刻或時段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也是實時數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。早期的實時數(shù)據(jù)庫使用封閉的文件系統(tǒng)，目前先進(jìn)的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接使用開放的關(guān)系數(shù)據(jù)庫如Oracle或SQL Server等存儲歷史數(shù)據(jù)，這樣實時數(shù)據(jù)庫就可以直接融入上層應(yīng)用信息系統(tǒng)。 實時數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu) 目前國內(nèi)外的實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品對實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)庫本身的結(jié)構(gòu)基本上沒有太多的考慮，有的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是從DCS系統(tǒng)或SCADA系統(tǒng)改造而來，有的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是從實時仿真系統(tǒng)改造而來，它們的實時數(shù)據(jù)庫或多或少帶有原來系統(tǒng)的烙印，尤其是引進(jìn)的實時數(shù)據(jù)

9、庫，其結(jié)構(gòu)并不完全符合中國流程企業(yè)的實時數(shù)據(jù)的實際情況，如不適應(yīng)中國流程企業(yè)中的實際組織結(jié)構(gòu)。 如前所述，國內(nèi)流程企業(yè)中生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實際結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，生產(chǎn)裝置的數(shù)據(jù)、分析實驗室的數(shù)據(jù)、儲運(yùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、動力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)等。要將一個企業(yè)的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)映射到實時數(shù)據(jù)庫，只是簡單地用一個位號，即使用一維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫恐怕是難以勝任的。要方便地存儲、刷新和檢索實時數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是適應(yīng)國內(nèi)流程企業(yè)實際情況的多維結(jié)構(gòu)。我們提出多維實時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫不但符合中國企業(yè)的實際情況，也為分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、多級實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展展示

10、了前景（下文中要介紹的NSIS實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)就是多維實時數(shù)據(jù)庫的成功范例）。 構(gòu)建實時信息系統(tǒng) 構(gòu)建實時信息系統(tǒng)，首先要有實時數(shù)據(jù)庫平臺。目前常見的有國外引進(jìn)的OSI 公司的PI、Aspen公司的Infoplus及Honeywell 公司的Uniformance(Phd)，國內(nèi)有雙碩公司的NSIS及浙大中控的ESP-iSYS等實時數(shù)據(jù)庫等平臺。與構(gòu)建一般的信息系統(tǒng)類似，有一個好的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，還要有一個好的二次開發(fā)才能構(gòu)建一個好的信息系統(tǒng)。 實時信息系統(tǒng)除了實時數(shù)據(jù)庫外，還必須有配套的系統(tǒng)，如“數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)”、“圖形組態(tài)子系統(tǒng)”、“實時數(shù)據(jù)檢索子系統(tǒng)”、“客戶端實時界面子系統(tǒng)”等，才能構(gòu)成一個

11、完整的實時信息系統(tǒng)。其中最重要的子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，這是本文要重點討論的構(gòu)建實時信息系統(tǒng)的特點和難點。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的兩大任務(wù)是實時數(shù)據(jù)的自動采集和實時數(shù)據(jù)的實時傳送。 1實時數(shù)據(jù)自動采集 實時數(shù)據(jù)自動采集是實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源主要是人工錄入或其他數(shù)據(jù)庫），它正是構(gòu)建實時數(shù)據(jù)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(xiàn)場非常復(fù)雜。 流程工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)控制層有多種生產(chǎn)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(shù)據(jù)，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(biāo)

12、準(zhǔn)逐漸統(tǒng)一為OPC 基金會制訂的OPC (OLE for Process Control)標(biāo)準(zhǔn)。以橫河CS系列為例，其OPC接口能以1000ms的刷新周期和500數(shù)據(jù)秒的通過量提供實時數(shù)據(jù)，這一指標(biāo)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(yùn)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(yùn)系統(tǒng)，以石化企業(yè)為例，企業(yè)有數(shù)以百計的物料罐（油罐），罐中的儲量是相當(dāng)重要的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)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(shù)據(jù)是一件煩雜的工作。要從現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)，工程師

13、們必須了解各種DCS、了解現(xiàn)場各種設(shè)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(shù)據(jù)庫的緩沖區(qū)內(nèi)存中，才能讀取當(dāng)前最新版本的實時數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)實時性就較差了，嚴(yán)格說只能稱為歷史數(shù)據(jù)。 2網(wǎng)絡(luò)實時通信協(xié)議 目前眾多的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)如Web、HTTP、FTP等協(xié)議均為TCP/IP的應(yīng)用層協(xié)議，ODBC(Open Data Base Connection)協(xié)議是用于不同關(guān)系數(shù)據(jù)庫的通信協(xié)議，由于它們都不是實時通信協(xié)議