Технические
науки/12. Автоматизированные системы управления на производстве
Гилев В.М., Федоров А.И., Шевченко Д.О.
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.
Христиановича СО РАН,
Конструкторско-технологический институт вычислительной
техники СО РАН,
Новосибирск, Россия
Особенности построения
баз данных в
системах автоматизации технологических процессов
В работе описывается
структура и особенности построения баз данных, использующихся при создании
систем автоматизации технологических процессов. Рассматриваются форматы данных и
способы их представления. Приведены примеры реализации автоматизированных
систем, созданных в рамках рассматриваемых подходов.
Разработка систем автоматизации технологических
процессов (АСУ ТП) и систем поддержки научных исследований не может обойтись
без использования баз данных (БД).
База данных – организованная в соответствии с
определёнными правилами и поддерживаемая в памяти компьютера совокупность данных, характеризующая актуальное состояние некоторой предметной области и используемая для удовлетворения
информационных потребностей пользователей [1].
В качестве баз данных могут быть использованы как системы управления базами
данных (СУБД) сторонних разработчиков, так и собственные решения коллектива
разработчиков системы автоматизации. В
простейшем случае база данных может быть представлена в виде конфигурационного
файла программы сбора и обработки данных. Под базой данных также можно
подразумевать совокупность данных, находящихся в оперативной памяти ЭВМ и
использующихся программным обеспечением системы автоматизации.
В данной работе на базе опыта, полученного при разработке
ряда систем АСУ ТП рассматриваются особенности построения баз данных в подобных
системах.
Структура программно-технического комплекса АСУ
ТП имеет обычно следующую иерархию:
- сервер, станции
диспетчера и сигнализации;
- программируемые
контроллеры;
- устройства удалённого
сбора данных и управления;
- датчики, измерительные преобразователи,
местные системы управления исполнительными механизмами, автономные системы
контроля и ручного управления.
Информационное
пространство в задачах АСУ ТП. Единое информационное пространство для решения
задач АСУ ТП состоит из двух видов данных: конфигурационных данных и
совокупности данных о состоянии объекта.
Конфигурационные данные (КД) содержат информацию
как о модели объекта управления (состав и свойства сигналов, набор визуальных
форм и т.п.), так и данные о сетевой конфигурации программно-технического
комплекса, используемых подсистемах и исполняемых программных модулях.
Конфигурационные данные о модели объекта
фиксируются в конфигурационных файлах подсистем АСУ ТП: автоматизированное
рабочее место (АРМ) оператора, АРМ инженера, подсистемы сигнализации,
подсистемы первичной обработки данных, подсистемы архивирования, и подсистемы
авторизации доступа в АСУ ТП. Часть конфигурационных файлов формируется на
основании данных, получаемых из таблиц СУБД.
Для настройки всех параметров используется
визуальный интерфейс, который при наличии полномочий позволяет пользователю
конфигурировать АСУ ТП в процессе эксплуатации без помощи разработчиков
системы. Часть конфигурационных данных подсистемы доступа в АСУ ТП хранится в
системных файлах операционной системы (ОС) и требует полномочий администратора
ОС.
Для хранения архивной информации о сигналах и
сообщений от подсистемы сигнализации используется СУБД Oracle Server 8.04.
Использование БД при разработке АСУ ТП позволяет
решить следующие задачи:
- настройка программного комплекса АСУ ТП под
конкретную задачу;
- хранение конфигурационной информации;
- ведение архива оперативных данных;
- хранение массива оперативных данных (функция
базы данных мгновенных значений сигналов).
Данные о состоянии объекта содержат информацию о
текущем состоянии технологического объекта управления (ТОУ) и историю
(ретроспективу) его функционирования.
Информация о сигналах, обрабатываемых системой,
представляется в виде трех совокупностей данных:
- база
данных мгновенных значений (БДМ) – актуальные значения параметров на данный
(в пределах технологического допуска) момент времени;
- диск резидентная БД исторических значений (БДИ) – значимая часть текущих значений
технологических параметров за достаточно длительный промежуток времени, сообщения
подсистем авторизации доступа и сигнализации. База данных состоит из совокупности
таблиц СУБД (Oracle Server).
- размещаемая на съемных носителях БД архивных значений технологических
параметров, сообщения подсистем авторизации доступа и сигнализации.
База данных мгновенных
значений
- ОЗУ резидентная БД текущих значений (рис. 1). Реализована в виде программной
распределенной сигнальной шины данных. Механизм сигнальной шины данных
обеспечивает любой подсистеме АСУ ТП получение структуры сигнала, содержащей
следующие основные поля: внутренний код сигнала (ISN), статус сигнала, значение
сигнала.
Рис. 1. Реализация мгновенной базы данных
в АСУ ТП
База данных исторических значений (БДИ) содержит
ретроспективные значения сигналов и сообщений, ретроспективные конфигурационные
данные, а также данные о действиях персонала.
Объекты БДИ создаются на основе БДМ, сообщений
от подсистемы сигнализации, подсистемы авторизации доступа и набора программ
протоколирования, работающих в подсистемах диагностики и сигнализации.
Значения аналоговых сигналов заносятся в БДИ
только при отклонении текущего значения сигнала от предыдущего на апертуру
(величину стационарности), выраженную в процентах от шкалы измерения сигнала.
Значение апертуры для каждого сигнала хранится в конфигурационной таблице БД.
Значения дискретных сигналов заносятся в БДИ только при изменении сигнала, но
не реже, чем раз в минуту.
БДИ реализуется на файлах операционной системы
сервера АСУ ТП и на таблицах СУБД.
База данных архивных значений. Ретроспективные
значения сигналов сохраняются в архиве, организованном в виде файлов базы
данных на съемных носителях. На основном диске база данных содержит информацию
за период от 3 до 6 месяцев. Раз в квартал таблицы базы данных копируются на
съемный носитель информации и образуют архивные данные.
Прикладные программы создают и ведут свои
прикладные таблицы БД, используя данные архива системы, БДМ (по ее интерфейсу)
либо другие конфигурационные файлы. Общее назначение таблиц состоит в хранении
и выдаче данных, получаемых в результате соответствующей алгоритмической обработки
оперативных и/или исторических данных.
Таблицы протоколов (ТП) содержат ретроспективные
данные протокольного характера о событиях, технологических сообщениях, о
действиях персонала и предназначены для регистрации значимых изменений
фиксированного набора параметров и результатов работы специальных технологических
задач.
ТП используются для подготовки протоколов и
отчетных ведомостей. ТП размещаются в БДИ, хранятся с отметкой времени в форматах
данных, предусмотренных выбранной СУБД и пополняются по мере возникновения событий.
Реализация
системы.
Подходы, изложенные в данной работе, были реализованы при создании ряда систем
АСУ ТП. Так, авторы данной статьи принимали участие в создании АСУ ТП
Северомуйского железнодорожного тоннеля [2], Турбокомпрессорной станции ИТПМ СО
РАН [3 – 4], Речкуновской тепловой станции СО РАН и др.
Представляемая работа выполнялась при финансовой
поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 11–07–00483-а
и 12-07-00548-а).
Литература
1.
Когаловский М.Р. Энциклопедия технологий
баз данных. — М.: Финансы и статистика,
2002. – 800 с.
2.
Б.Н.
Пищик, Л.А. Воронцова, П.В. Йосифов, В.Д. Нескородев, В.В. Окольнишников, Т.М.
Осокина, А.И. Федоров, Д.В. Чернаков. Разработка автоматизированной системы
управления технологическими процессами Северомуйского тоннеля. // Автометрия. – 2008. Т. 44. — С. 119 –
126.
3.
В.В.
Гаркуша, Г.М. Собстель, С.П. Суродин, В.В. Яковлев, В.М. Гилев, В.И. Запрягаев, Б.Н. Пищик. АСУ ТП
турбокомпрессорной станции ИТПМ СО РАН // Проблемы информатики. – 2009, – № 3.
– С. 85–93.
4.
Запрягаев
В.И., Гилев В.М.,
Собстель Г.М.,
Гаркуша В.В.,
Яковлев В.В.,
Федоров А.И.
Автоматизированная система мониторинга и управления
технологическими процессами турбокомпрессорной станции ИТПМ СО РАН [Электронный
ресурс] //
Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и
практика, посвящ. 90-летию со дня рождения академика Н.Н. Яненко (Россия,
Новосибирск, 30 мая – 4 июня 2011 г.): Докл. Междунар. конф. – Новосибирск,
2011. – No. гос. регистр. 0321101160, ФГУП НТЦ "Информрегистр". URL:
http://conf.nsc.ru/files/conferences/niknik-90/fulltext/41507/47804/Gilyov.pdf