基于PI數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司 成書睿

基于PI數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司 成書睿

隨著污水處理廠規(guī)模的日益增大，數(shù)據(jù)管理查詢系統(tǒng)顯得尤為重要。針對(duì)污水處理廠自控SCADA系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于PI實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)查詢、趨勢(shì)曲線、歷史報(bào)表、歷史報(bào)警、網(wǎng)頁發(fā)布等功能，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定、操作實(shí)用、響應(yīng)迅速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水處理廠數(shù)據(jù)管理查詢的功能。

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；WEB 發(fā)布；數(shù)據(jù)查詢；趨勢(shì)曲線；報(bào)表

0 引言

污水處理廠的的設(shè)備、儀表眾多，需要保存歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量也很大，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)能力有較高的要求。廠區(qū)操作人員每天都需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備參數(shù)填寫大量的表格，工作強(qiáng)度高、效率相對(duì)較低。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了基于PI歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。PI數(shù)據(jù)庫(kù)具有非常強(qiáng)的“吞吐量”和數(shù)據(jù)高度壓縮的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，是污水處理廠數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最佳選擇。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以替代人工作業(yè)、自動(dòng)生成各種歷史報(bào)表，提供歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警查詢。系統(tǒng)簡(jiǎn)化了操作人員工作，減輕了操作人員的負(fù)荷，提高了工作效率，是整個(gè)自控系統(tǒng)的核心組成部分[1]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理查詢系統(tǒng)由2臺(tái)中央監(jiān)控服務(wù)器（主從冗余配置）、1臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、2臺(tái)操作員站計(jì)算機(jī)、1臺(tái)工程師站計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)交換設(shè)備、打印機(jī)等設(shè)備構(gòu)成，采用星形100M以太網(wǎng)方式組成中心局域網(wǎng)，與5個(gè)PLC站通訊。其中4個(gè)PLC站為AB contrologix PLC，1個(gè)為施耐德140 PLC。網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)互相通迅、資源共享。系統(tǒng)采用分布式模式，2臺(tái)中央監(jiān)控服務(wù)器即作為監(jiān)控服務(wù)器同時(shí)也是I/O服務(wù)器，負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)中各PLC站通訊，互相交互發(fā)送及接受數(shù)據(jù)，以及監(jiān)控畫面的開發(fā)及顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)采集中央監(jiān)控服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，并存入實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。工程師站提供工作維護(hù)人員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的檢修及維護(hù)工作。操作員站提供整個(gè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的畫面操作及顯示，包括各儀表的歷史趨勢(shì)曲線、設(shè)備及儀表的歷史報(bào)警查詢、儀表的日?qǐng)?bào)、月報(bào)以及設(shè)備的啟停操作的歷史查詢。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心組成部分，我們對(duì)數(shù)據(jù)的一切操作，包括定義、查詢、更新以及各種控制，都是通過數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行的[2]，所以數(shù)據(jù)庫(kù)的選型、表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)的處理能力、擴(kuò)展性能，特別是與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享的效率。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)模大，需要保存歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量也很大，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)能力有較高的要求，同時(shí)必須要有非常強(qiáng)“吞吐量”和數(shù)據(jù)高度壓縮的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。而一般關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)在數(shù)據(jù)量增大之后，其查詢速度明顯降低。基于以上考慮，采用工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)PI作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。

PI數(shù)據(jù)庫(kù)使用標(biāo)簽歷史歸檔法。這種方法只記錄越過限值的數(shù)據(jù)，可以大量減少所需記錄的數(shù)據(jù)并能增加數(shù)值的準(zhǔn)確性。具有數(shù)據(jù)過濾功能，當(dāng)數(shù)據(jù)接口軟件采集到數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行判斷，所有在限值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)都將被過濾掉。所有通過例外檢測(cè)的數(shù)據(jù)將被送給數(shù)據(jù)庫(kù)，通過旋轉(zhuǎn)門壓縮算法壓縮后保存在歸檔文件中。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 系統(tǒng)軟件部署

主從SCADA服務(wù)器設(shè)計(jì)安裝FactoryTalk View SE產(chǎn)品的服務(wù)端軟件，將擔(dān)負(fù)與各站點(diǎn)PLC控制器設(shè)備實(shí)時(shí)通訊的任務(wù)。同時(shí)該服務(wù)器還將擔(dān)任報(bào)警及圖形服務(wù)器，承擔(dān)報(bào)警及圖形服務(wù)任務(wù)。

實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器將安裝FactoryTalk Historian SE產(chǎn)品，該服務(wù)器將作為系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并為系統(tǒng)提供歷史數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。部分管理用分析、統(tǒng)計(jì)計(jì)算也可以在該服務(wù)器上定時(shí)完成。

操作員站將安裝FactoryTalk View SE產(chǎn)品的客戶端軟件，生產(chǎn)調(diào)度人員將可以通過該軟件監(jiān)視各子站的工藝過程、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，處理各種設(shè)備異常、事故，還可以查看分析歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化生產(chǎn)流程。操作員站可以訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù)。

工程師站將安裝FactoryTalk View Studio軟件用于HMI 服務(wù)器的配置及管理、人機(jī)界面的開發(fā)。FactoryTalk View Studio可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)警、畫面等的在線管理，修改配置時(shí)，不影響操作員操作，修改配置后不需重啟服務(wù)器[4]。安裝FactoryTalk Vantagepoint軟件用來開發(fā)報(bào)表、曲線、歷史報(bào)警系統(tǒng)。

工程師站還將安裝FactoryTalkViewPoint Server軟件用于系統(tǒng)過程畫面的實(shí)時(shí)WEB發(fā)布。系統(tǒng)軟件部署圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件部署圖

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1 歷史數(shù)據(jù)存檔

數(shù)據(jù)庫(kù)采樣存儲(chǔ)可通過統(tǒng)計(jì)生成分鐘數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)3種周期格式存儲(chǔ)[5]。采樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括平均值、最大值、最小值、有效性（正常、校準(zhǔn)、故障）4項(xiàng)內(nèi)容。1分鐘數(shù)據(jù)可保存最近7天；1小時(shí)數(shù)據(jù)可保存最近3個(gè)月（90天）；日數(shù)據(jù)可保存最近1年以上。數(shù)據(jù)備份周期不低于30天。

4.2 數(shù)據(jù)批量編輯功能

調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)ExceDatalink功能模塊結(jié)合宏命令編寫程序，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)批量編輯功能。功能支持批量修改任意指定時(shí)間的數(shù)據(jù)，方便用戶對(duì)系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行更正。用戶可以在頁面中中選擇時(shí)間戳、數(shù)據(jù)庫(kù)變量名、數(shù)值變化范圍、變量個(gè)數(shù)等參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行檢索、批量修改、刪除及更新。用戶確認(rèn)了各設(shè)置參數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成符合PI數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入格式的.CVS文件，并自動(dòng)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，所有操作會(huì)返回操作結(jié)果，方便用戶核對(duì)。所有涉及的數(shù)據(jù)在導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)后會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)標(biāo)志位，不會(huì)影響系統(tǒng)原有的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能代碼如下所示。

Application.Run(“PIPutValx”, parameter 1, parameter 2, parameter 3, parameter4)

parameter 1 - tagname-數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量名

parameter 2 - value - 希望寫入數(shù)據(jù)庫(kù)的變量值

parameter 3 - time stamp - 寫入數(shù)據(jù)庫(kù)的變量的時(shí)間戳

parameter 4 - result - 返回操作結(jié)果

4.3 報(bào)表及打印

使用vantagepoint軟件基于EXCEL編寫代碼設(shè)計(jì)了報(bào)表。界面基于excel的報(bào)表可以不受模板的約束，報(bào)表格式的自由度更高，更能滿足用戶的需求。報(bào)表查詢?yōu)橛脩籼峁┝耍喝請(qǐng)?bào)、月報(bào)報(bào)表。所有報(bào)表均可按界面上的打印按鈕進(jìn)行打印。日?qǐng)?bào)表和月報(bào)表，數(shù)據(jù)至少能保存一年。日?qǐng)?bào)表按每小時(shí)采記。顯示的流量、風(fēng)量、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)能分區(qū)段累計(jì)，進(jìn)出水水質(zhì)、提升泵站液位、生化池工藝參數(shù)、設(shè)備電流應(yīng)能按區(qū)段平均。月報(bào)表中，各主要設(shè)備有運(yùn)行時(shí)間累計(jì)值，并且按月統(tǒng)計(jì)相關(guān)項(xiàng)的累計(jì)與平均值。

在日?qǐng)?bào)表設(shè)計(jì)中，使用DATATIME變量結(jié)合整點(diǎn)時(shí)間戳作為報(bào)表的時(shí)間戳顯示在第一列，儀表參數(shù)的值顯示的是1小時(shí)內(nèi)的平均值，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間顯示的是設(shè)備啟停時(shí)間，若在查詢?nèi)掌趦?nèi)無啟停記錄，則顯示當(dāng)前的設(shè)備狀態(tài)。在月報(bào)表設(shè)計(jì)中，直接使用DATATIME作為查詢的時(shí)間戳，儀表參數(shù)顯示的是一天內(nèi)的平均值。設(shè)計(jì)的各類運(yùn)行報(bào)表，可以有效的減少操作員的工作負(fù)荷。確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。制作的報(bào)表可以在瀏覽器里查看，并集成在自控系統(tǒng)界面里查看。日?qǐng)?bào)表部分代碼如下所示。月報(bào)表部分查詢結(jié)果如圖3所示。

Incuity.Functions.IncuityHistory(“”,Tags1,Sheet1!$A$6,Sheet1! $A$30,1,0,0,0,0,”Interpolative,”,”res3600000”,7,””,FALSE,”T agNames”,”ReduceNames;False;format23”,””,format23) ’tags1代表變量PH值，對(duì)其進(jìn)行小時(shí)平均值查詢顯示

Incuity.Functions.IncuityHistory(“”,Tags7,Sheet2!$A$1,Sheet2! $C$1,1,0,0,0,0,””,””,1,””,TRUE,”Datetime,TagNames”,”Re duceNames;False;format8”,””,format8) ’tag7 代表變量1#粗格柵的運(yùn)行，顯示一小時(shí)內(nèi)歷史運(yùn)行狀態(tài)。

IF(ISBLANK(Sheet2!AE7),TEXT(Sheet2!AE6,”當(dāng)前狀態(tài):”), TEXT(Sheet2!AE7,”hh:mm:ss”)) ’對(duì)1#粗格柵的歷史運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行篩選顯示。

圖3 月報(bào)表部分查詢結(jié)果

4.4 歷史趨勢(shì)曲線查詢

選中任意的過程數(shù)據(jù)標(biāo)簽，用戶都可以直接瀏覽其相關(guān)的歷史趨勢(shì)。在歷史趨勢(shì)中用戶可以多種方式來瀏覽數(shù)據(jù)，查詢模式有有實(shí)時(shí)顯示、多條曲線分軸顯示，拖動(dòng)趨勢(shì)光標(biāo)查看某一時(shí)間的具體數(shù)值、使多條曲線以平行的方式顯示及比對(duì)等。曲線查詢有實(shí)時(shí)顯示、多條曲線分軸顯示、用戶可以隨時(shí)創(chuàng)建趨勢(shì)圖進(jìn)行顯示并保存供以后使用。曲線查詢系統(tǒng)還可以選中某段曲線，使用分析功能，將該段曲線的所有歷史數(shù)據(jù)羅列出來，進(jìn)行打印或保存。方便用戶對(duì)異常的曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.5 歷史報(bào)警查詢

系統(tǒng)將所有設(shè)備異常信號(hào)及儀表的超限報(bào)警，都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并使用DATALINK INCURITY語句對(duì)這些報(bào)警歷史信息進(jìn)行查詢。用戶可以選擇需要查詢的報(bào)警區(qū)域，并選擇時(shí)間段來進(jìn)行查詢。報(bào)警信號(hào)被記入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)采用“逢變則記“的原則，即報(bào)警信號(hào)的值每次跳變時(shí)才被記入數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣可以減少占用數(shù)據(jù)庫(kù)的空間，同時(shí)也為歷史報(bào)警查詢提供了精確數(shù)據(jù)源。歷史報(bào)警查詢界面如圖4所示。

圖4 歷史報(bào)警查詢

4.6 WEB發(fā)布

系統(tǒng)具有WEB發(fā)布功能，所有的報(bào)表、歷史趨勢(shì)曲線、歷史報(bào)警查詢頁面都可以通過WEB Factorytalk ViewPoint軟件進(jìn)行發(fā)布，通過IE瀏覽器訪問發(fā)布后的網(wǎng)址進(jìn)行訪問及查詢。Web發(fā)布后可以使用戶能隨時(shí)隨地訪問工藝應(yīng)用，可以幫助用戶降低總體成本并且無需對(duì)客戶端軟件進(jìn)行安裝和維護(hù)，發(fā)布后的頁面設(shè)計(jì)吸收了用戶比較熟悉的當(dāng)今最流行的瀏覽器的特性，使用戶在使用時(shí)更加直接和容易上手。發(fā)布后的頁面支持縮放，并且支持動(dòng)畫顯示的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，用戶無論在辦公室、家里還是在路上都可查看生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息。

4.7 系統(tǒng)集成功能

污水處理廠用戶會(huì)面對(duì)很對(duì)獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)、人機(jī)界面系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。需要投入很多人力及設(shè)備來監(jiān)控每個(gè)操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作。本數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是獨(dú)立的數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，同時(shí)具有集成功能。在將各查詢界面通過WEB發(fā)布后，在人機(jī)界面系統(tǒng)中使用Microsoft webbrowser控件、編寫VBA代碼實(shí)現(xiàn)了整個(gè)數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)與人機(jī)界面系統(tǒng)的集成。這樣的集成功能，簡(jiǎn)化了用戶的操作，減少了監(jiān)視設(shè)備的投入量，形成了一個(gè)完整的自控系統(tǒng)。系統(tǒng)集成代碼如下所示。

Sub ChangeURL()

On Error GoTo ErrHandler ’如果運(yùn)行錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤提示句柄FinalURL= http://DATASVRQB/VantagePointPortal/getcontentviewer.aspx? ’web發(fā)布的地址

MicrosoftWebBrowser1.Navigate FinalURL ’在微軟WEB BROWSER控件上顯示發(fā)布的頁面

ErrHandler: ’錯(cuò)誤提示句柄

Me.Application.LogDiagnosticsMessage “An error has occured on display VantagePointIntegration in the ChangeURL Routine. The Error is: “ & Err.Number & “ “& Err.Description

End Sub

5 小結(jié)

本數(shù)據(jù)管理查詢系統(tǒng)采用PI數(shù)據(jù)庫(kù)，以Factorytalk Historian軟件為基礎(chǔ)結(jié)合腳本開發(fā)，設(shè)計(jì)了基于實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理查詢系統(tǒng)。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢查詢、數(shù)據(jù)批量修改、歷史趨勢(shì)曲線查詢、報(bào)表查詢、歷史報(bào)警查詢、及WEB發(fā)布功能。整個(gè)系統(tǒng)可以集成到污水處理廠人機(jī)界面中，簡(jiǎn)化了操作人員工作，減輕了操作人員的負(fù)荷，提高了工作效率，系統(tǒng)界面畫面美觀、功能強(qiáng)大、易于操作，運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的應(yīng)用價(jià)值[6]。

[1]丁金華.基于以太網(wǎng)溫度采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技信息,2012,29(10):62-63.

[2]張貝克,尉龍.組態(tài)軟件基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]ROCKWELL公司.Facytory Historian系統(tǒng)手冊(cè)[M].上海:2015.

[4]How automation archive creation works[EB/OL].(2014)[2014-3-12].http://literature.rockwellautomtion.com.

[5]Introduction to FT VantagePoint Trend ActiveX Control in FT View Site Edition[EB/OL].(2015)[2015-2-7].http://literature. rockwellautomtion.com/idc/document/ic.

[6]Backing up and Restoring FactoryTalk VantagePoint with Microsoft SQL Server 2005[EB/OL].(2014)[2014-2-2].http://literature. rockwellautomtion.com/idc/document/pm.

Design of Data Management and Query System Based on the PI Historian

Cheng Shurui

（Shanghai Electrical Automation D&R institute Co.，Ltd.，Shanghai 200023，China）

Along with the increase of scale of sewage treatment plant，data management and query system becomes more important.In view of the SCADA system of sewage treatment plant，this paper puts forwards a design of data management and query system based on the PI historian.The system provides many functions like data query，trend curve，historical report，historical alarm，web browser.After testing，the system is stable，simple and practical，responsive and can perform the function of data management and querying for the sewage treatment plant.

historian；WEB browser；data query；trend curve；report

成書睿（1985—），女，上海人，碩士，中級(jí)工程師，從事自動(dòng)化系統(tǒng)集成工作。