Архитектура производственной базы данных реального времени

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.