制药实时数据采集方案资料

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1、 1 药厂药厂实时数据采集系统实时数据采集系统 项目解决方案项目解决方案 2 1 背景背景 1.1 引言引言 随着国家大力推进走新型工业化道路， 以信息化带动工业化， 以工业化促进信息化。 工业面临着日趋激烈的竞争。降低成本，提高生产效率，快速响应市场，是企业不断追 求的目标。要实现上述目标，必须把企业经营生产中的各个环节，包括市场分析、经营 决策、计划调度、过程监控、销售服务、资源管理等全部生产经营活动综合为一个有机 的整体，实现综合信息集成，使企业在经营过程中保持柔性，因此，建立全厂统一的生 产实时数据平台，就成了流程企业今后生产信息化的关键。 1.2 目标目标 “实时数据采集系统” 是为

2、生产过程进行实时综合优化服务信息系统提供数据基础。 企业信息化建设的关键问题是集成，即在获取生产流程所需全部信息的基础上，将分散 的控制系统、生产调度系统和管理决策系统有机地集成起来，不同业务和系统间能够实 时的交换和共享数据。 （以下是数据采集信息化的好处） （一）建立统一的企业数据模型。 （二）解决分期建设的不同应用系统、不同工厂之间彼此隔离、互不匹配、互不共 享的信息孤岛问题。 （三）保证数据来源一致性，提高数据经过层层抽取之后的可信度。 （四）汇总、分析和展示企业历史的业务数据。 （五）企业管理层能够直接根据各工厂的真实数据进行统计数据、 分析逐步钻取直 到数据根源。 （六）透明底层的

3、数据，监督统计分析数据的准确性。 （七）企业应用集成，规范企业业务的数据流程。 1.3 工厂架构工厂架构 （一）现场层：包括传感器，仪表，电机，气缸，阀门等执行器件。也包括特定的 设备及专业仪器，也涵盖简单的 PLC、PAC、工控机、嵌入式控制单元和 HMI 等。 3 （二）控制层：主要就是高性能的 PLC 或工控机。其实现将整个工厂的现场单元进 行联网，数据集成，集中控制。HMI 为标配人机交互系统，其还会有 SCADA 系统，统一 管理，实现人机交互。 （三）生产层：这里指 MES 系统（制造企业生产过程执行系统） 。是一套面向制造 企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES 为企业提供“

4、制造数据管理” ， “计划排程 管理” ， “生产调度管理” ， “库存管理” ， “质量管理” ， “人力资源管理” ， “电子看板管理” 等功能。主要面向订单执行、生产计划、排程等。 （四）企业层：ERP 系统，完成财务，人员，订单等管理。如图 1-1 所示。 图 1-1 自动化网络构架 4 2 实时数据采集实时数据采集 2.1 实时数据采集构架实时数据采集构架 数据完整性（Data Integrity）是指数据的精确性（Accuracy）和可靠性（Reliability） 。 用于防止数据库中存在不符合语义规定的数据和防止因错误信息的输入输出造成无效 操作或错误信息而提出的概念。 在实时

5、数据库中，数据的完整性就是指：实时数据库中数据与数据源一致、没有出 现数据空白情况。实时数据采集系统结构图如 1-1 所示。 图 1-1 典型的数据采集系统框架 2.2 采集采集出现的问题出现的问题 （一）网络故障：网络故障很容易引起实时数据库采集的中断。 （设置冗余网络是 否能解决） （二）上位机故障：如果数据采集系统架构中设计了上位机，上位机在数据采集中 起着承上启下的作用。同样，上位机的硬件、软件故障、都会影响数据采集，成为数据 采集中的一个故障点。 （这里指上位机监控软件， 比如 WINCC： 软件退出， 死机等情况就会影响数据采集。 在网络构架中能否专门搭建一台 OPC SERVER

6、 服务器，冗余采集更好。 ） （三）采集程序故障：无论是 OPC 接口，还是 DDE 接口，还是 MODBUS 以及自定义 5 的数据接口，基于这些接口的数据采集程序都会发生故障，一旦采集程序出现故障，装 置现场的实时数据同样不能及时采集到实时数据库中。 （四）实时数据库系统本身故障：大部分实时数据库是建立在 WINDOWS 系统上的， 需要经常备份数据和项目文件。 2.3 解决方法解决方法 如果由于网络原因，导致上位机与实时数据库之间通讯出现问题，导致数据采集异 常，可以采用“断点续传”技术。所谓“断点续传” ，就是在设有上位机的实时数据采 集系统中，由上位机充当“缓冲区”的角色，一旦发现数

7、据不能正常上传到实时数据库 时，由上位机暂存刚刚采集到的数据，如此不断循环、不断累计、直到网络恢复可以上 传时，再把“缓冲”在本地的数据上传到实时数据库，并清空“缓冲区” 。目前一般的 实时数据库都有“断点上传的功能” 3 实时数据管理实时数据管理 3.1 数据传输数据传输 所有工作在内存中进行，所以能充分的保证数据的实时性，系统接收数据包时采用 CRC 校验等多种校验方式，确保了上传的实时数据的准确性。 3.2 数据存储数据存储 实时信息系统中，根据电厂生产数据的特点，采用了先进的数据压缩算法，对大量 的实时数据进行原型压缩， 同时结合高效的数据检索策略设计了实时数据库的存储系统， 数据压缩

8、在传统意义上是为了减少磁盘空间。针对不同的应用，数据压缩有多种算法， 实时数据库系统不仅要求能够在有限的硬盘空间中存储大量历史数据， 而且还要求这些 数据能够快速地被访问。采用基于时间和空间维度的高效压缩算法，死区与线性压缩相 结合。 3.3 数据查询数据查询 快速访问历史数据。采用基于树和数据块的方法存储历史数据，用户检索几年的历 6 史数据与检索几天前的历史数据几乎没有太大的区别。 4 实时数据采集系统性能特征实时数据采集系统性能特征 4.1 数据具有实时性数据具有实时性 实时数据库必须能够高速、按时存取和处理数据，必须尽量保证关键的数据操作能 够在规定的时间内完成。因而，为了提高数据操作

9、的可预见性，实时数据库在数据存储 方式和索引方式上与传统的数据库有很大的不同。 为了避免不必要的磁盘操作和避免不 可预测时间的动态资源分配，我们采用了基于共享内存管理的实时数据表管理机制，同 时提供多级索引机制进行快速的数据定位，提高数据检索速度，确保用户对数据实时性 的要求。 4.2 数据具有稳定性数据具有稳定性 实时信息系统是企业的上层管理者与生产现场连接的纽带，也是管理者调度、安排 生产的重要依据，只有保证实时数据的稳定性，才能有效的保证生产的顺畅及连续性。 4.3 数据具有准确性数据具有准确性 实时信息系统的数据直接取自生产现场， 其数据的失误可能会对生产及设备等带来 严重的后果。因此

10、，数据的准确性也是一个重要的指标。 5 工控系统数据采集工控系统数据采集 （一）原则上保证与 DCS 及其它生产控制系统的连接采用单向连接方式，即数据 只能从生产控制系统端单向向上传输。 （二）在网关机与中心交换机之间，可根据情况配置防火墙。 （三）每台机组的 DCS 系统配置独立的接口网关机，确保当某个机组的网关机出 现故障时，不影响其它机组接口的正常运行。 （四）接口网关机从 DCS 及控制系统接收到数据包后，向上发送给数据接收解析 程序。 （五）数据解析程序接收到网关机传输的数据后，进行效验，并解析成实时数据库 7 的点表格式。 （六）完成解析的数据将存储到实时数据库系统中。 （七）每个

11、 DCS 系统要分别对应一个数据采集器，防止当一台采集机出问题而不 影响其它机组的正常运行。 DCS 及其它控制系统连接方案示意图，如图 6-1。 #1DCS网关机网关机#4DCS网关机网关机#3DCS网关机网关机#2DCS网关机网关机 数据接收解析发送数据接收解析发送 #1DCS#2DCS#3DCS#4DCS 图 6-1 7 OPC 协议采集协议采集 7.1 OPC 直接采集直接采集 实时数据库使用 OPC 协议直接从 DCS 采集数据。OPC 协议，即“面向处理控制的 对象链接与嵌入”的标准接口技术。 多数新型的 DCS 设备都支持 OPC 数据接口通信协议， 从理论上讲， 实时数据库可

12、以直接从 DCS 系统中采集数据，根据项目经验总结，发现这种数据采集方法的效果并 不能达到预期效果，有的甚至在实时数据采集过程中，导致 DCS 系统“死机”，这也是采 用实时数据库进行数据采集的最大风险。 经过我们的分析了解到原因在于：MES 系统的实时数据库自身的数据流通量相当 大，当实时数据库直接从 DCS 系统中采集大量的数据时，DCS 系统本身必须花费大量 的机时来响应 MES 系统实时数据库的这些数据采集请求，一旦数据请求量大到 DCS 8 系统处理上限时， 就会影响 DCS 系统对其它事件的处理响应速度， 从而导致“死机”现象。 因此这种实时数据采集方式要注重 DCS 系统的数据响

13、应机制。 7.2 OPC 服务器采集服务器采集 即通过建立 OPC 服务器， 从 DCS 中采集数据， 再转发至 MES 系统实时数据库中。 这种MES数据采集方法具体实现时， 需要用一台工控机作为数据采集工作站， 通过OPC 协议与 DCS 进行数据通信， 并且仅从 DCS 中读取我们最关心的数据而不进行任何的写 入操作。实践证明，这种 MES 数据采集方法非常安全可靠，不会阻碍整个系统数据更 新的快速性。 7.3 OPC 通讯方式通讯方式 OPC 规范规定了两种通信方式： 同步通信方式和异步通信方式。 异步读写数据复杂， 需要与事件结合使用，与同步相比速度慢但准确性高。同步读写数据简单，直

14、接使用 OPCItem 的方法即可。 （一）同步通信时，OPC 客户程序对 OPC 服务器进行读写操作时，OPC 客户程序必 须等到 OPC 服务器对应的操作全部完成以后才能返回，在此期间 OPC 客户程序一直处 于等待状态。如果有大量数据进行操作或者有大量 OPC 客户程序对 OPC 服务器进行读 写操作，必然造成 OPC 客户程序的阻塞现象。因此同步通信适用于 OPC 客户较少，数 据量较少的场合。 （二）异步通信时，OPC 客户程序对服务器进行读写操作时，OPC 客户程序操作后 立刻返回，不用等待 OPC 服务器的操作，可以进行其他操作。当 OPC 服务器完成操作 后再通知 OPC 客户

15、程序。因此，当对于同步通信和异步通信的效率更高，适用于多客户 访问同一 OPC 服务器和大数据的场合。 （三）OPC 数据的读与写。对 OPC 服务器中的数据项数读可以通过 groud 组的 DataChange 事件触发来读取。该事件多个参数，其中 NumItems 是指数据项的个 数;ItemValues 为数据项的数据；Qualities 为数据项的品质；TimeStamps 为数据项的更改 时间；ClientHandles 是数据项的标签索引，其所指的 OPC 标签的值在 ItemValues 中，只 有数据发生变化时才会触发该事件。也只会传输发生了变化的数据，没有变化的数据不 9 会

16、出现在本事件 ItemValues 中。使用 C#事件处理机制，将 DataChange 注册到事件，一 旦服务器端数据有变化，自动触发此过程。 （四）OPCDA 规范规范了两种通讯方式：同步通讯和异通讯。这两种通讯方式与常 见的串口同步通讯以及以太网的同步通讯、异步通讯较小时的场合。 同步通信适用于 OPC 客户程序较少，数据量较小时的场合。异步通讯的效率更高， 适用于多客户访问同一 OPC 服务器和大量数据的场合。 OPC 的异步通讯有四种方式： 数据订阅，客户端通过订阅方式后，服务器端将变化的数据通过回调传送给客户程 序。异步读，返回操作结果和数据值。异步写，返回操作结果和数据值。异步刷新，异 步读所有 Item 的值。 OPC 协议集分多种，用于 SCADA 数据采集的通常为 OPC DA，可以获取设备运行的 实时数据。但是 OPC DA 是基于微软 Windows 系统开发，它仅支持 Windows 操作系统， 并且要实现双方的 OPC 通讯还需要进行繁琐的 DCOM 配置。 为了解决以上弊端， OPC UA 应运而生，