Области применения Industrial SQL Server

В перечень обязанностей производственно-технического персонала предприятия входят повышение качества продукции, повышение эффективности производства, а также повышение коэффициента полезного действия используемого оборудования. Все эти цели недостижимы без владения оперативной и архивной информацией о состоянии производства и характеристиках выпускаемой продукции.

Специалисты по контрольно-измерительным средствам должны иметь полную информацию о структуре и функционировании всей системы контрольно-измерительных приборов. Industrial SQL Server может предоставить им всю необходимую конфигурационную информацию типа значений контрольных параметров, допустимых ошибок и предельных границ, а также осуществлять регистрацию функционирования всей системы, записывая информацию типа отклонений рабочих параметров от установленных, ошибок измерения и выходов за предельные границы и, тем самым, позволяя находить ответы на вопросы типа: является ли значение данной контрольной точки оптимальным для данного контура регулирования? Не привело ли срабатывание блокировочного узла к генерации ложной ошибки? Достаточен ли объем информации, выдаваемой оператору данным алармом?..

Технологический персонал должен иметь информацию о поведении процесса в установившемся и переходном режимах. Industrial SQL Server хранит всю информацию о технологических параметрах процесса и возникающих событиях, предоставляя специалистам возможность анализировать переходные и аварийные состояния процесса.

Обслуживающий персонал должен иметь информацию о текущем состоянии оборудования и условиях его эксплуатации. Industrial SQL Server хранит как производственный архив, так оперативные данные.

Руководители производственных отделов нуждаются в итоговой информации о ходе производственного процесса и основных событиях. Industrial SQL Server может предоставлять требуемые данные, как в итоговом, так и сгруппированном виде, а также записывать информацию о произошедших событиях. С его помощью руководители смогут получать точные ответы на вопросы типа: каков объем дневного выпуска продукции? Каковы причины и длительность простоев оборудования в этом месяце? Соответствует ли выпуск продукции плановым показателям?..

Работники службы контроля качества должны иметь полную информацию о качестве выпускаемой продукции, несоответствиях и отклонениях от заданных параметров. Industrial SQL Server может осуществлять запись всех измеряемых технологических параметров и связывать их с конкретной продукцией либо партией, помогая находить ответы на вопросы типа: не повлияло ли изменение технологической карты на качество продукции? Какова вероятность появления дефектов в продукции данного типа? Существует ли взаимосвязь между данным температурным профилем и отклонениями данного параметра от заданного значения?..

Операторы технологического оборудования должны иметь возможность сравнивать текущие условия эксплуатации с существовавшими ранее и выявлять анормальное поведение процесса. Industrial SQL Server хранит как оперативные, так и архивные данные и позволяет сравнивать их.

Подводя итоги, необходимо отметить следующее:

1) Industrial SQL Server является самой высокопроизводительной и недорогой БД РВ в мире;

2) Industrial SQL Server является расширением Microsoft SQL Server;

3) Industrial SQL Server обеспечивает полнофункциональную связь между уровнем управления АСУТП и уровнем управления предприятием.

Plant2SQL

Plant2SQL – продукт, родственный Microsoft SQL Server, позволяет предоставлять технологическую информацию, являющуюся прерогативой SCADA-систем.

Plant2SQL поддерживает простой доступ к данным технологического процесса как из приложений SCADA, так и со стороны пользователей. Пользователям Plant2SQL доступны все необходимые параметры технологического процесса в реальном времени, что позволяет им принимать решения во всеоружии, полностью владея информацией о процессе производства.

Большинство SCADA-систем имеет возможность обмениваться данными с множеством баз данных, однако, если необходимо выполнить какие-то модификации в алгоритме обмена данными, то возникают проблемы. Обычно персонал уровня управления предприятием не хочет знать особенности SCADA-систем. С появлением Plant2SQL управляющему персоналу предприятия нет необходимости знать SQL или особенности получения данных из SCADA-архивов.

Основные особенности Plant2SQL.

- легкий доступ к технологическим данным при помощи соответствующих клиентских приложений (утилит);

- открытые базы данных;

- никакой конфигурации или модификации SCADA не требуется;

- имеется поддержка резервирования;

- не требуется знания языка SQL;

- установка и просмотр данных выполняется несколькими нажатиями кнопки мыши;

- простой выбор необходимых пользователю данных для просмотра;

- адаптируемость и расширяемость;

- возможность считывания данных из БД или прямо из SCADA-системы.

Клиентские приложения Plant2SQL.

Plant2SQL включает ряд клиентских приложений, которые могут настраиваться на различные требования пользователей. Одно из таких приложений поставляется для Microsoft Excel. Оно позволяет пользователю выбирать данные и встраивать их в электронные таблицы. При встраивании допустимо использование всех стандартных средств представления и анализа информации, а также сохранения ее для повторного использования. На рисунке 22 показано взаимодействие Plant2SQL и SCADA – системы.

Plant2SQL представляет простые и быстрые средства конфигурирования сбора данных. Plant2SQL легко интегрирует данные технологического процесса в существующий или новый SQL Server. Если SQL Server не устанавливается, то Plant2SQL будет сохранять информацию, используя Microsoft Data Engine (MSDE), который поставляется с Plant2SQL и является полностью совместимым с Plant2SQL.

Рис. 22. Взаимодействие Plant2SQL и SCADA – системы.

Помимо технологических данных, Plant2SQL позволяет работать с данными об алармах. Plant2SQL включает подсистему событий, которая просматривает события в SCADA-системе и может быть использована, чтобы запускать передачу или сохранение набора данных. В Plant2SQL этот набор данных называется Snapshot (снимок). Мгновенные выборки переменных (Snapshots) могут быть получены из множества источников по набору критериев, включая определенные моменты времени или результаты выполнения условных выражений.

Архитектура Plant2SQL.

Plant2SQL имеет различные опции расширения. В простых приложениях возможен запуск Plant2SQL сервера и клиента на одном компьютере в качестве клиента и сервера SCADA. Если приложение растет, то разные компьютеры могут использоваться для самой SCADA, для Plant2SQL сервера, Plant2SQL клиента, и даже отдельный файловый сервер для базы данных, если потребуется.

Резервирование.

Plant2SQL имеет встроенные средства резервирования. Plant2SQL может подключаться к основному серверу и автоматически переключаться на резервный сервер при возникновении проблем с основным. Если необходима резервная база данных MS SQL Server, то стандартные средства репликации могут быть использованы для репликации базы данных на резервный MS SQL Server.

Если необходимы резервные Plant2SQL серверы, то пара Plant2SQL серверов может быть подключена к паре серверов SCADA.

Однако в Plant2SQL не существует синхронизации между основной и резервной базами данных Plant2SQL.

На стороне сервера работы Plant2SQL обеспечивается хранимыми процедурами доступа к БД, которые автоматически устанавливаются в MS SQL Server или MSDE. Plant2SQL использует эти хранимые процедуры, чтобы получать данные из SCADA и сохранять их в используемой БД. Кроме того, возможно создание собственных хранимых процедур. С клиентской стороны Plant2SQL обеспечивается ActiveX интерфейсом, который доступен любому приложению.

Взаимодействие Plant2SQL с MSDE или MS SQL Server.

Plant2SQL предлагает выбор между Microsoft MSDE и MS SQL Server 7.0. Для многих приложений MSDE будет вполне достаточен. MSDE имеет небольшой объем (85 MB), но ограничивается 2 GB на базу данных и оптимизирован, когда количество одновременно работающих клиентов не превышает 5. Производительность сильно падает при увеличении количества пользователей. Поскольку Plant2SQL поддерживает гетерогенные запросы (т.е. запросы к нескольким БД одновременно), то допустимый объем базы данных практически не ограничен.

Области применения Plant2SQL.

Интеграция заводских данных с бизнес-информацией открывает большие возможности для улучшения деятельности предприятия, повышения качества и производительности. Персонал отдела качества может легко сравнить продукцию производства со спецификацией, проанализировать качество. Обслуживающий персонал может легко выяснить количество часов работы оборудования, что необходимо для планирования диагностики оборудования. Менеджеры по производству могут легко интегрировать бизнес-информацию с технологической и быстро просчитывать стоимость инвестиций и материальных издержек.

SCADA и Internet.

Тема обеспечения доступности данных производственного технологического процесса с любого компьютера предприятия, с любой подсистемы в настоящее время стала актуальной, в частности, в связи с бурным развитием сети Internet. SCADA-приложения должны быть источником технологических данных, с одной стороны, и их потребителем, с другой.

Различного типа клиентские приложения могут предоставлять соответствующие производственному процессу в огромном объеме данные в приемлемом для пользователя виде. Рассмотрим типы клиентских приложений и протоколы, используемые для передачи как исторических данных, так и данных реального времени.

Самым простым и распространенным клиентским приложением являются клиенты в локальной сети (рис. 23).

Рис. 23. Традиционное решение – связь клиентов и серверов по локальной сети.

Клиент-серверная организация SCADA-систем предполагает применение клиентских компонент двух типов:

1) с возможностью передачи управляющих воздействий с клиентского приложения;

2) чисто мониторинговые приложения.

Клиентские компоненты SCADA-систем традиционно объединяются с серверными приложениями при помощи протоколов обмена данными в локальных сетях (TCP/IP, NetBEUI). Но Internet/Intranet технологии не оставили безучастными разработчиков SCADA-систем и привели к появлению следующих типов клиентских приложений:

- клиентские приложения в режиме сервер/терминал;

- бедные и богатые Internet -клиенты.

Основой рассматриваемых решений для клиентских приложений являются новые технологии Microsoft, реализованные в структуре Windows DNA (Distributed iNternet Architecture). Поэтому предлагается начать изложение с краткого изложения особенностей этой структуры.

Структура Windows DNA, как показано на рисунке 24, - это, в первую очередь, реализация трехуровневой модели приложения, включающей следующие уровни:

- уровень представления;

- уровень бизнес-логики;

- уровень доступа к данным.

Рис. 24. Структура Windows DNA.

Уровень представления данных – уровень пользователя. На этом уровне находится программное обеспечение, непосредственно работающее с человеком-пользователем. Данное программное обеспечение называется клиентским ПО. Оно взаимодействует с ПО уровня бизнес-логики через локальную сеть или через сеть Интернет.

Уровень бизнес-логики – уровень приложений, обрабатывающих запросы пользователя. Также на этом уровне находятся WEB-серверы. Уровень бизнес-логики предназначен для обработки запросов пользователя, передачи их на уровень доступа к данным, получения данных и передачи их пользователю на уровень представления.

Уровень доступа к данным – уровень СУБД. На этом уровне находятся такие СУБД, как Industrial SQL Server, Plant2SQL, либо другие СУБД. Они обрабатывают поступающие запросы и возвращают данные из баз данных на уровень бизнес-логики.

Реализация клиентского приложения в режиме терминал-сервер.

Прежде чем говорить о реализации режима «терминал-сервер», введем ряд определений.

Терминал– это, в общем случае, устройство для ввода и отображения информации. Часто в качестве терминала используются бездисковые ЭВМ.

Клиентская сессия– представляет собой сессию работы для одного пользователя. Одна операционная система может предоставлять несколько клиентских сессий. Говоря простым языком, это означает, что одна ЭВМ с установленной на ней ОС Windows может отображать на нескольких мониторах несколько «рабочих столов», на которых могут работать различные пользователи. Каждый такой «рабочий стол» является клиентской сессией (см. рис. 25).

Рис. 25. Клиентские сессии.

Для каждой клиентской сессии выделяются свои ресурсы (процессорное время, память, доступ к внешним устройствам, доступ к сети и т.д.). Таким образом, на одной ЭВМ, снабженной несколькими терминалами, может одновременно работать несколько пользователей. При этом каждый пользователь использует свою клиентскую сессию, как будто он работает на данном компьютере один. В настоящее время работу с клиентскими сессиями поддерживают следующие операционные системы: Unix, Linux, Windows NT/XP/2000.

В ОС Windows NT/2000 для организации клиентских сессий используются средства Windows Terminal Services. Каждый пользователь получает свои ресурсы: память, время центрального процессора, доступ к дискам сервера и приложениям. Когда клиент запускается, терминальный сервер регистрирует его, предоставляя доступ к ресурсам сервера. Windows создает также виртуальный дисплей, который затем передается клиенту и отображается на локальном мониторе. Операции ввода, активизируемые клиентом с клавиатуры, мыши также обслуживаются сервером. Добавление новых клиентов сводится к подключению нового терминала.

Для организации взаимодействия между сервером и клиентом используются стандартные протоколы, принятые в Windows и Linux, (Microsoft RDP (Remote Desktop Protocol) и Citrix ICA (Independent Computing Architecture)), что допускает реализацию клиентов в виде супертонких бездисковых рабочих станций на платформах Windows NT/2000 или Linux.

Используя новые архитектурные возможности, компании-разработчики SCADA-систем имеют возможность предложить терминальные сервисы, поддерживающие выполнение SCADA-приложений в режиме сессии. Клиент может быть в этом случае терминалом персонального компьютера или специальным терминальным устройством с вышеперечисленными операционными системами (рис. 26).

Терминальные пользователи имеют доступ к данным и графическим мнемосхемам с возможностью обмена информацией в реальном времени без необходимости установки SCADA-системы на локальном клиентском компьютере.

Применение терминал-серверной архитектуры позволяет создавать более экономичные решения за счет того, что приложение устанавливается и поддерживается инженерами только на сервере. Кроме того, можно использовать различные аппаратные и программные платформы для реализации клиентских узлов. Следует заметить, что на нескольких клиентских узлах может просматриваться как одно и тоже приложение, так и разные приложения, либо различные части мнемосхемы.

Рис. 26. Архитектура «терминал-сервер».

Реализация клиентского приложения в режиме Internet-клиент.

Режим «Internet-клиент» предназначен для работы с удаленным АРМ через сеть Internet. В данном режиме аппаратная часть клиента чаще всего реализуется в виде ЭВМ общего назначения, подключенной к сети Internet. Программная часть Internet-клиента может быть реализована в виде так называемого «бедного» клиента либо «богатого» клиента.

«Бедный» клиент – клиентское приложение, имеющее минимум кода, предназначенное в основном для ввода-вывода информации и имеющее минимум собственной функциональности. Часто в качестве «бедного» клиента используются Web-браузеры.

«Богатый» клиент – клиентское приложение, имеющее кроме средств ввода-вывода расширенные функциональные возможности.

Основное отличие между «бедным» и «богатым» клиентом заключается в том, что при использовании «бедного» клиента вся обработка информации идет на сервере, при использовании «богатого» - функции обработки информации разделяются между клиентом и сервером.

При использовании Internet клиентов кроме основного SCADA-сервера используется дополнительный Web-сервер (см. рис. 27). Именно Web-сервер отвечает за публикацию АРМ в Internet и за обмен данными между удаленным клиентом и SCADA-сервером.

Доступ к БД РВ при использовании Internet-технологий может осуществляться двумя способами:

1) формирование и передача SQL-запросов от клиента к серверу;

2) использование специальных средств в составе SCADA-системы.

Рис. 27. Архитектура «Internet-клиент»

Краткие итоги.

Основное назначение клиентских приложений - обеспечить доставку технологической информации из SCADA-систем, баз данных реального времени или серверов ввода-вывода (OPC-серверов).

Типичная реализация толстого или богатого клиента часто связана с расширением числа протоколов, которые поддерживают приложения SCADA. С точки зрения пользователя необходимо просто приобретение лицензии исполняющей системы и использование приложения SCADA как Internet/Intranet-клиента.

Могут применяться два типа бедных клиентов – терминал-серверные и Internet-клиенты, хотя последние являются более распространенными. Для организации динамического обмена данными на Web-сервере SCADA-системы устанавливаются специальные компоненты, обеспечивающие обмен данными по каналам реального времени (DDE, OPC и др.) с источниками информации с одной стороны, и обслуживающие запросы Internet-клиентов по протоколу HTTP с другой стороны.

Internet-клиенты способны получать информацию из различных подсистем предприятия, включая различные сегменты локальной сети, ориентированные на управление технологическим процессом, подсистемы административно-хозяйственной деятельности и др., просчитывать вторичные параметры, формировать отчеты. Отметим, что Internet-клиенты могут использоваться и в локальной сети предприятия (т.е. в Intranet). При этом клиентские приложения автоматически поддерживают протоколы локальных и Internet/Intranet сетей, минимизируя требования к квалификации пользователя в области Internet/Intranet технологий.

Вопросы надежности SCADA-систем.

Современные методы управления производственным процессом на основе компьютерных технологий получили широкое распространение на большинстве промышленных предприятий. Все успешно работающие системы обеспечивают контроль и управление ТП, предоставляют графический интерфейс оператора, производят обработку сигналов тревог, построение графиков, отчетов и обмен данными. В тщательно спроектированных системах эти возможности способствуют улучшению эффективности работы предприятия и, следовательно, увеличению прибыли. Однако при разработке таких систем инженеры часто упускают из вида один существенный аспект - что произойдет, если какой либо элемент аппаратуры выйдет из строя? Вопросы, связанные с оценкой надежности систем, а также с методами ее повышения, рассматриваются в рамах теории надежности.

Основные понятия теории надежности

В самом общем смысле, надежность– это способность некоего изделия выполнять требуемые от него функции в течение некоторого времени. Другими словами, надежность – это способность к безотказной работе. Таким образом, ключевым в теории надежности является понятие отказа. Теория надежности занимается отказами изделия, происходящими под влиянием на него множества разнообразных факторов, которые являются случайными событиями. Отказ происходит в случайный момент времени, поэтому время безотказной работы изделия является случайной величиной.

Очевидно, что в простейшем случае каждый элемент системы может находиться в двух состояниях – «работает» либо «отказал». В связи с этим становится возможным ввести понятие «вероятности безотказной работы». Вероятность безотказной работы – это вероятность того, что данный элемент системы в данный момент находится в состоянии «работает». Соответственно, вероятность отказа – это вероятность того, что данный элемент системы в данный момент находится в состоянии «отказал». Очевидно следующее соотношение:

p =1 – q (1)

где p – вероятность безотказной работы; q – вероятность отказа.

Отметим, что вероятность безотказной работы, как и вероятность отказа, являются функциями времени. Однако в практических расчетах эти величины часто полагают постоянными. В этом случае говорят о надежности системы в стационарном режиме работы.

Одним из способов повышения надежности систем является резервирование.

Резервирование – это метод повышения надежности путем введения резервных элементов, являющихся избыточными по отношению к минимальной функциональной структуре изделия, необходимой и достаточной для выполнения заданных функций.

Резервные элементы могут находиться в следующих режимах:

а) нагруженный (резервные элементы находятся в том же режиме, что и основные – «горячий» резерв);

б) облегченный (резервные элементы находятся под частичной нагрузкой – «теплый» резерв);

в) ненагруженный (на резервные элементы не подается никакой нагрузки – «холодный» резерв).

Число резервных элементов на один основной элемент системы называется кратностью резервирования.

Пример

Пусть система состоит из трех последовательно включенных элементов, каждый из которых имеет вероятность безотказной работы p=0.95.Рассчитать вероятность безотказной работы системы без резервирования и с резервированием каждого элемента. Резерв считаем нагруженным.

Рис. 28. Структура системы без резервирования.

Рассчитаем вероятность безотказной работы системы без резервирования (см. рис. 28). По теореме о сложении вероятностей, вероятность безотказной работы равна

(2)

Соответственно, вероятность отказа такой системы равна

(3)

Как видим, вероятность отказа является достаточно высокой. Введем теперь резервные элементы для всех элементов системы. Получившаяся структура приведена на рисунке 29.

Рис. 29. Структура системы с резервированием всех элементов.

Вероятность безотказной работы такой системы определяется по следующей формуле:

(4)

Вероятность отказа, соответственно, равна

(5)

На первый взгляд, резервирование приводит к увеличению количества элементов, а, следовательно, к увеличению стоимости системы. Однако, из рассмотренного выше примера видно, что увеличение числа элементов в два раза позволило уменьшить вероятность отказа примерно в двадцать раз. Очевидно, что в системах автоматизации, критичных по надежности, резервирование является необходимой и даже обязательной мерой, без которой невозможно достичь требуемых показателей надежности.

При построении систем с резервированием следует иметь в виду следующее.

1) Существует некоторая нижняя граница надежности элементов системы, ниже которой резервирование не дает ощутимых результатов. Т.е., для построения надежных систем необходимо использовать достаточно надежные элементы.

2) Существует некоторая верхняя граница кратности резервирования, выше которой надежность системы перестает существенно увеличиваться. Более того, надежность системы может начать снижаться, вследствие влияния отказов используемых коммутационных устройств, соединителей и т.д.