实时制造数据库体系结构

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1988年，我领导了一个项目团队，开发了第一个使用关系数据库的制造信息系统之一。它记录了杜邦尼龙线轴的生产信息。基本架构是一个Allen-Bradley PLC 2/30与DEC MicroVax集群通信。尽管我们知道我们需要什么数据，但是硬件和软件没有足够的能力来记录和报告所需的详细信息。到1998年，一个健壮的制造信息系统的基本构件已经具备。

在过去的五年中，工程和业务驱动对制造过程数据的需求导致了对结构化和模块化方法开发制造信息系统的偏好，重点是关系数据库。
已安装的工厂过程信息系统的维护期望与控制过程软件系统相同。也就是说，相同的内部控制导向的人员必须了解和排除工厂过程信息系统，而不需要全天候的IT专家。
制造信息系统项目的主要设计标准是:文档化代码、工厂可维护性、客户所有权、开放数据库连接性和未来产品过时性。基于这些标准，此体系结构中的三个基本构建块是:流程数据库服务器、流程数据收集器和基于web的报告。

处理数据服务器

如图所示，流程数据服务器是一个数据库服务器和一个Internet/intranet Web服务器。过程数据服务器可以设在前厅机房，也可以通过安全的因特网设在场外。大多数制造工厂的内存和存储要求是名义上的512 MB和40 GB存储。系统会归档6个月以上的数据。

为了支持生产和过程信息的需求，并成功地设计/构建制造数据库，需要IT部门和控制工程师之间进行一定程度的沟通和合作，这是不常见的。原因是:建立制造数据库所需的计算机和软件技能与数据库管理员设计和建立财务、库存或联系数据库所需的基本技能相同。当将制造业数据库的开发与其他类型的数据库项目进行比较时，差异始于概念和设计。这里需要控制工程师的输入，以确定数据的来源，并将其格式化为适当的工程单位或生产指标，以便生产管理人员能够理解。

车间控制器自动将数据输入制造数据库。这可以通过与DCS中的PLC或控制器的直接通信链路来实现。对于遗留系统或微处理器(编译代码)控制器，另一种方法是在关键位置放置传感器，通过工业网络将制造数据传输到数据库。如果信息用于推进业务目标，制造业数据库设计可以提供市场优势。要成功地设计数据库，需要理解表定义——哪里需要数据库视图以及如何编写存储过程。当对一个报告进行查询时，如果它需要超过几秒钟才能出现在屏幕上，那么它可能太慢，需要重新设计。

此图表显示了制造信息系统的基本架构，围绕公司流程数据库、Web服务器和流程数据库收集器构建。

控制工程师应该在确定数据速度和数量的最低基本标准方面发挥重要作用。例如，在均匀化工艺中，存储在制造数据库中的工艺记录只需记录一定时间间隔内的高温、低温和平均温度。控制工程师应编写PLC代码，将这些参数提供给过程数据收集器。

流程数据收集器

尽管数据库服务器可能由IT人员设计和构建，但数据收集器位于工厂车间，因此通常由控制工程师负责。

收集器是所有制造数据的数据采集点。它的基本功能是从车间控制器收集数据，将数据存储在“精简版”的制造数据库中，并向过程数据服务器提供记录的事务管理。

收集器中的制造数据库将以与工艺数据服务器相同的表结构和数据格式存储实时数据值。控制工程师可以负责收集器中的数据，数据库管理员可以负责流程数据服务器中的数据。通过这种方式，制造数据库成为IT和控制工程师支持工厂信息需求的公共基础。

服务器可以是位于制造过程附近的工业计算机;推荐使用NEMA 4/12机箱。收集器“灰盒”有三种连接:以太网(到服务器和其他工厂计算机)、高速工业网络接口(Modbus、DeviceNet等)和电源。市场上有许多优秀的驱动程序可以帮助将plc的实时数据直接输入过程数据收集器数据库。

通过使用Web服务器(如Microsoft IIS (Internet信息服务)服务器)来提供诊断和基本报告，控制工程师可以确保流程数据服务器和收集器之间的数据完整性。

当数据收集器和数据服务器之间的网络连接丢失或阻塞时，数据事务存储在数据收集器上，并在重新建立连接后前滚到数据服务器。通常，流程数据收集器被配置为存储三次移位的数据。

基于网络的报道

制造信息的最终用户通常是:工厂经理、质量控制人员和生产主管。我发现最常见的期望报告是来自制造数据库的“底线”和“可交付成果”。以下是该体系结构可以提供的一些报告示例:

• 质量数据;

• 停机时间报告;

• 出货合规报告;

• 工单系统与时间管理软件相结合;

• 原料使用报告;而且

• 每班生产报告。

报告是通过互联网浏览器提供的。当工厂经理将Web浏览器指向流程数据服务器时，一个信息门户就可用了。

该报告可以被看作是一个“过程数据库记录”，为一组选定的参数提供信息快照，比如移位、批处理或工作订单。

在流程数据服务器的底层(其中存在用于报告的编程和配置)，基于web的服务器运行活动的服务器页面，Visual Basic脚本经常触发数据库中的存储过程以调出所需的信息。

以这种方式构建的基于web的报告不需要在桌面上加载应用程序(或购买额外的许可证)，并且可以通过内部网或安全的Internet连接访问信息。

作者信息

Walter J. Cholawsky是Program4 Engineering Inc.的首席工程师，这是一家自动化工程公司，专注于工业控制和信息软件;

实时数据库提供实时反馈

收集和分析来自工厂车间的实时数据对于满足市场对一致产品质量的需求和缩短制造商产品的上市时间起着至关重要的作用。通过将生产数据发送到控制系统，实时控制数据库允许近乎实时的决策和质量规范的执行。在许多方面，实时控制数据库只是为工厂提供“决策支持系统”。

许多客户采用实时控制反馈进行闭环质量控制。例如，政府法规要求安全气囊制造商记录并验证其在整个装配线过程中每个步骤的质量数据。在这里，控制系统(通常是独立制造商的PLC)将产品代码和质量信息发送到数据库，在数据库中存储数据，并检查安全气囊以确保它符合适当的标准。同样的事务返回到控制系统:“是的，这个产品的数据被记录下来了，质量是好的，”或者“是的，这个产品的数据被记录下来了，但是质量不好。”如果有必要，这个反馈会启动一个流程，从生产线中删除坏的部分。

制造商将网络、以数据为中心的智能可编程控制器、可靠的OPC服务器和可靠的事务引擎结合起来，将实时数据库连接到控制系统。这些产品有助于提供传输体系结构，以便在控制系统之间移动数据。实时控制系统数据库要求系统高速、可靠。对于制造商来说，启动流程(手动和自动化)以消除质量故障，他们需要能够快速可靠地将数据从工厂车间发送到数据库并返回。

那么，为什么制造商不在他们的架构中把数据存储在离工厂更近的地方呢?今天的商业数据库提供了很长的正常运行时间。多年来，Microsoft、Oracle和IBM一直致力于高可用性架构。信息存储的位置越接近工厂的架构，制造商就越难以获取这些信息。在实时控制数据库中存储数据为许多用户访问数据提供了一种安全和开放的方式。

对于需要以数据为中心的实时控制数据库或其他方式的客户，有许多解决方案。制造商可以选择将业务/质量逻辑保存在数据库中，因为实时控制数据库解决方案可以简单地将数据从工厂底层连接到顶层。由于实时控制数据库可能永远无法取代将所有数据保存在plc级别的安全性——部分原因是出于安全原因和令人难以置信的正常运行时间统计数据——用户也可以选择通过以数据为中心的控制器访问制造信息。制造商还可以选择通过实时控制数据库应用程序将所有质量规格下载到控制器，并将可编程控制器数据与直接来自生产线的实时质量数据进行比较，从而增强混合解决方案。

Mike Pantaleano是罗克韦尔软件公司的产品营销经理。

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