提高M(jìn)ES系統數據采集傳輸實(shí)時(shí)性的辦法及措施
日期：2018-10-30 / 人氣： / 來(lái)源：未知
在企業(yè)的生產(chǎn)制造過(guò)程中及時(shí)、有效地傳遞正確的數據信息，并針對生產(chǎn)過(guò)程中的任何異常變動(dòng)立即作出快速準確的反應。其目標是：盡可能地減少生產(chǎn)制造過(guò)程中無(wú)附加價(jià)值的活動(dòng)，對企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)和流程進(jìn)行更為有效的優(yōu)化和再造。
MES系統的核心任務(wù)就是：
在企業(yè)的生產(chǎn)制造過(guò)程中及時(shí)、有效地傳遞正確的數據信息，并針對生產(chǎn)過(guò)程中的任何異常變動(dòng)立即作出快速準確的反應。其目標是：盡可能地減少生產(chǎn)制造過(guò)程中無(wú)附加價(jià)值的活動(dòng)，對企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)和流程進(jìn)行更為有效的優(yōu)化和再造。
提高M(jìn)ES系統數據實(shí)時(shí)性的實(shí)現辦法和保障措施：
1.MES系統中數據流通的技術(shù)環(huán)節分析
1.1位于系統最頂部的數據應用層，負責對系統中的數據進(jìn)行分析、加工，并以可視化
的方式，通過(guò)B/S或C/S的網(wǎng)絡(luò )架構，將處理后的結果信息發(fā)布給企業(yè)的各級生產(chǎn)管理人員。
1.2位于系統中間的數據處理層，負責將采集到的數據進(jìn)行分類(lèi)、存儲等處理。
1.3位于系統最底部的數據采集層，主要負責從生產(chǎn)現場(chǎng)的DCS等各種設備裝置中采集系統所需的各種數據信息。
2、提高M(jìn)ES系統中 數據采集 、傳輸和處理速度要提高M(jìn)ES系統數據的實(shí)時(shí)性，就必須提高M(jìn)ES系統中數據采集、傳輸和處理速度。
而與此有主要關(guān)聯(lián)的是以下幾個(gè)環(huán)節：
1.數據采集
2.數據傳輸網(wǎng)絡(luò )
3.實(shí)時(shí)數據庫
4.應用層的網(wǎng)絡(luò )架構
5.用戶(hù)端處理技術(shù)。必須針對上述這5個(gè)環(huán)節，分別采取相應的措施進(jìn)行處理。
3、具體實(shí)現辦法和保障措施
3.1數據采集部分數據采集部分是整個(gè)MES系統的基礎，對于不同的采集對象，只有采用有針對性的、合理適當且安全高效的數據采集方法和策略，才能以最快的速度從現場(chǎng)設備裝置(主要是各種DCS)中獲取數據。針對DCS系統的數據采集的方法：
方法1：實(shí)時(shí)數據庫使用
OPC協(xié)議直接從DCS采集OPC的英文全稱(chēng)是：OLE for Process Control，即：“面向處理控制的對象鏈接與嵌入”的標準接口技術(shù)，它是基于Microsoft公司的Distributed interNet Application(DNA)構架和Component Object Medel(COM)技術(shù)的，根據易于擴展性而設計的。同時(shí)，OPC以OLE(即：對象鏈接與嵌入)/COM(即：部件對象模型)機制作為應用程序的通訊標準，而OLE/COM是一種客戶(hù)/BE務(wù)器模式，具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點(diǎn)。OPC規范了接口函數，不管現場(chǎng)設備以何種形式存在，客戶(hù)都以統一的方式去訪(fǎng)問(wèn)。是一種基于OLE技術(shù)、COM和DCOM(即：分布式COM)技術(shù)的開(kāi)放性的接口技術(shù)，已成為目前的工業(yè)標準接口。
多數新型的DCS設備都支持OPC數據接口通信協(xié)議，從理論上講，可以讓實(shí)時(shí)數據庫直接從DCS中采集數據，但我們在實(shí)際調研中發(fā)現，有的企業(yè)采用這種方式的效果并不好，有的甚至出現導致DCS“死機”，而這也正是實(shí)施數據采集的最大風(fēng)險。通過(guò)調查分析和請教有關(guān)專(zhuān)家才了解到，造成這一“災難”的原因在于：實(shí)時(shí)數據庫自身的數據吞吐量相當大，當實(shí)時(shí)數據庫直接從DCS系統中同時(shí)采集大量的數據時(shí)，DCS本身也必須花費大量的機時(shí)來(lái)響應實(shí)時(shí)數據庫的這些數據請求，一旦數據請求量大到DCS處理不過(guò)來(lái)時(shí)，就會(huì )導致DCS處理其它事件的響應速度，從現象上看就像“死機”一樣。
方法2：建立OPC服務(wù)器，由OPC服務(wù)器從DCS采集后轉發(fā)給實(shí)時(shí)數據庫為避免重蹈他人的覆轍，我們采取的方法是：用一臺工控機作為數據采集工作站，通過(guò)OPC協(xié)議與DCS進(jìn)行數據通信，并且僅從DCS中讀取我們最關(guān)心的數據而不進(jìn)行任何的寫(xiě)入操作。實(shí)踐證明，這種方法非常安全可靠，同時(shí)也并未影響整個(gè)系統數據更新的快速性。
方法3：建立OPC服務(wù)器，由OPC服務(wù)器通過(guò)其他協(xié)議從沒(méi)有OPC接口的老DCS中讀取數據后，再通過(guò)OPC協(xié)議轉發(fā)到實(shí)時(shí)數據庫。
3.2 數據傳輸網(wǎng)絡(luò )
當數據采集工作站現場(chǎng)采集到實(shí)時(shí)數據后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將這些數據快速地轉發(fā)給放置在數據機房中的實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器。在通過(guò)各種數據處理后，由應用服務(wù)器以WEB方式讓企業(yè)的各級管理人員通過(guò)內部辦公網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)MES系統。由此可以看到數據傳輸網(wǎng)絡(luò )在整個(gè)過(guò)程中的重要程度。從前面的介紹中我們知道，一套完整的MES系統其網(wǎng)絡(luò )結構也分為對應的三個(gè)部分：采集網(wǎng)、管理網(wǎng)、應用網(wǎng)。其中，采集網(wǎng)是指從實(shí)時(shí)數據庫到數據采集工作站和現場(chǎng)采集對象(DCS等)之間的網(wǎng)絡(luò )，管理網(wǎng)則包含的是從實(shí)時(shí)數據庫到關(guān)系數據庫、應用服務(wù)器之間的部分，應用網(wǎng)則是從各類(lèi)應用人員的計算機終端到MES應用服務(wù)器和關(guān)系服務(wù)器的部分。對于赤天化股份有限公司而言，原來(lái)已有的辦公網(wǎng)絡(luò )就是MES系統的應用網(wǎng)，由于此前已將辦公網(wǎng)絡(luò )改造成千線(xiàn)光纖、百兆到桌面的高速網(wǎng)絡(luò )，因此，在此次MES項目中，我們只對MES系統內部的采集網(wǎng)和管理網(wǎng)按照“高速、穩定、安全、可靠”的原則進(jìn)行了建設和完善。
具體主要采取了以下措施：
措施1：將采集工作站放置在現場(chǎng)采集對象(如DCS)旁邊，盡可能縮短采集工作站與DCS之間的數據傳輸線(xiàn)路距離，以保障它們之間通過(guò)百兆以太網(wǎng)連接實(shí)現數據的高速傳輸。
措施2：將實(shí)時(shí)數據庫、關(guān)系數據庫、應用服務(wù)器放置在公司的數據機房，從數據機房敷設單模光纖到各個(gè)現場(chǎng)采集點(diǎn)，在數據機房安裝帶光纖模塊的核心交換機，在現場(chǎng)采集點(diǎn)安裝帶光纖模塊桌面交換機，核心交換機與各采集點(diǎn)的桌面交換機之間直接用光纖連接，不通過(guò)光纖收發(fā)器進(jìn)行光電轉換，減少傳輸環(huán)節，提高傳輸效率。
措施3：核心交換機采用背板帶寬≥100Gbps、包轉發(fā)率≥75Mpps的四層交換機，采集點(diǎn)的桌面交換機背板帶寬≥4.4Gbps、包轉發(fā)率≥6.5Mpps。機房服務(wù)器選用性能比較穩定、處理能力較強的四核雙CPU品牌設備?，F場(chǎng)采集工作站使用性能穩定可靠性較高的工控機。
措施4：在現場(chǎng)的數據采集工作站除了采集并轉發(fā)數據外，還要將需轉發(fā)的數據在本地保存7d以上，當網(wǎng)絡(luò )出現中斷經(jīng)處理恢復后可以自動(dòng)向實(shí)時(shí)數據庫補發(fā)數據，從而有效防止因網(wǎng)絡(luò )中斷而導致大量數據丟失，最大程度地避免給企業(yè)帶來(lái)?yè)p失。
3.3實(shí)時(shí)數據庫
毋庸置疑，在整個(gè)MES系統中最核心的就是實(shí)時(shí)數據庫。實(shí)時(shí)數據庫自身性能的高低將直接決定整個(gè)MES系統運行性能。采用高效的數據壓縮和存儲技術(shù)，可以大大提高數據傳輸和處理的速度，試想一下，從同一臺服務(wù)器上下載數據文件，是下載上百兆的大文件快還是只有幾兆甚至幾K的文件快呢？因此，我們在對實(shí)時(shí)數據庫進(jìn)行選型時(shí)，也將數據壓縮能力和存儲方式作為重要的考核指標。
3.4 MES應用層的網(wǎng)絡(luò )架構
用于MES系統是以WEB方式向應用人員提供訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)的，因此應用層的網(wǎng)絡(luò )架構分為B/S和C/S兩種。那么，這兩種架構又該如何取舍呢？考慮到公司各部門(mén)的實(shí)際應用情況，在少數特殊崗位(如調度、總控等)設置采用C/S架構的客戶(hù)端，而其他通過(guò)WEB方式訪(fǎng)問(wèn)的用戶(hù)均采用B/S架構。這樣一來(lái)，整個(gè)MES系統實(shí)際上是B/S與C/S的混合架構。
3.5用戶(hù)端處理技術(shù)
在 MES系統 中涉及大量的圖形圖像需要在用戶(hù)端的電腦屏幕上顯示，尤其是工藝流程圖，需要用外形逼真的圖像將其對應的設備裝置展示出來(lái)，如果采用傳統的BMP或JPG格式的圖形文件格式，在用戶(hù)端瀏覽時(shí)完整畫(huà)面顯示的速度會(huì )很慢，尤其是要動(dòng)態(tài)顯示諸如溫度、液位等狀態(tài)變化時(shí)，就更很難達到界面顯示既形象直觀(guān)又快速的效果要求。因此，在制定具體的技術(shù)方案時(shí)，就考慮到這一客觀(guān)要求。經(jīng)過(guò)反復比較測試，最后選擇了基于矢量圖技術(shù)的用戶(hù)端動(dòng)態(tài)成像技術(shù)。從實(shí)際運行中的效果來(lái)看，采用這種技術(shù)在用戶(hù)端的瀏覽器上由WEB插件自己根據服務(wù)器提供的數據生成圖形，尤其是工藝流程圖，顯示的速度非?？?，畫(huà)面效果也比較逼真清晰，而且也能達到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的展示溫度、液位的變化。
4、整體效果評價(jià)
由于在上述5個(gè)方面分別采取了有針對性的方法和措施，至少在數據的實(shí)時(shí)性方面效果更為明顯，達到了用戶(hù)端看見(jiàn)的數據基本上與現場(chǎng)DCS設備數據同步。
MES系統的核心任務(wù)就是：
在企業(yè)的生產(chǎn)制造過(guò)程中及時(shí)、有效地傳遞正確的數據信息，并針對生產(chǎn)過(guò)程中的任何異常變動(dòng)立即作出快速準確的反應。其目標是：盡可能地減少生產(chǎn)制造過(guò)程中無(wú)附加價(jià)值的活動(dòng)，對企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)和流程進(jìn)行更為有效的優(yōu)化和再造。
提高M(jìn)ES系統數據實(shí)時(shí)性的實(shí)現辦法和保障措施：
1.MES系統中數據流通的技術(shù)環(huán)節分析
1.1位于系統最頂部的數據應用層，負責對系統中的數據進(jìn)行分析、加工，并以可視化
的方式，通過(guò)B/S或C/S的網(wǎng)絡(luò )架構，將處理后的結果信息發(fā)布給企業(yè)的各級生產(chǎn)管理人員。
1.2位于系統中間的數據處理層，負責將采集到的數據進(jìn)行分類(lèi)、存儲等處理。
1.3位于系統最底部的數據采集層，主要負責從生產(chǎn)現場(chǎng)的DCS等各種設備裝置中采集系統所需的各種數據信息。
2、提高M(jìn)ES系統中 數據采集 、傳輸和處理速度要提高M(jìn)ES系統數據的實(shí)時(shí)性，就必須提高M(jìn)ES系統中數據采集、傳輸和處理速度。
而與此有主要關(guān)聯(lián)的是以下幾個(gè)環(huán)節：
1.數據采集
2.數據傳輸網(wǎng)絡(luò )
3.實(shí)時(shí)數據庫
4.應用層的網(wǎng)絡(luò )架構
5.用戶(hù)端處理技術(shù)。必須針對上述這5個(gè)環(huán)節，分別采取相應的措施進(jìn)行處理。
3、具體實(shí)現辦法和保障措施
3.1數據采集部分數據采集部分是整個(gè)MES系統的基礎，對于不同的采集對象，只有采用有針對性的、合理適當且安全高效的數據采集方法和策略，才能以最快的速度從現場(chǎng)設備裝置(主要是各種DCS)中獲取數據。針對DCS系統的數據采集的方法：
方法1：實(shí)時(shí)數據庫使用
OPC協(xié)議直接從DCS采集OPC的英文全稱(chēng)是：OLE for Process Control，即：“面向處理控制的對象鏈接與嵌入”的標準接口技術(shù)，它是基于Microsoft公司的Distributed interNet Application(DNA)構架和Component Object Medel(COM)技術(shù)的，根據易于擴展性而設計的。同時(shí)，OPC以OLE(即：對象鏈接與嵌入)/COM(即：部件對象模型)機制作為應用程序的通訊標準，而OLE/COM是一種客戶(hù)/BE務(wù)器模式，具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點(diǎn)。OPC規范了接口函數，不管現場(chǎng)設備以何種形式存在，客戶(hù)都以統一的方式去訪(fǎng)問(wèn)。是一種基于OLE技術(shù)、COM和DCOM(即：分布式COM)技術(shù)的開(kāi)放性的接口技術(shù)，已成為目前的工業(yè)標準接口。
多數新型的DCS設備都支持OPC數據接口通信協(xié)議，從理論上講，可以讓實(shí)時(shí)數據庫直接從DCS中采集數據，但我們在實(shí)際調研中發(fā)現，有的企業(yè)采用這種方式的效果并不好，有的甚至出現導致DCS“死機”，而這也正是實(shí)施數據采集的最大風(fēng)險。通過(guò)調查分析和請教有關(guān)專(zhuān)家才了解到，造成這一“災難”的原因在于：實(shí)時(shí)數據庫自身的數據吞吐量相當大，當實(shí)時(shí)數據庫直接從DCS系統中同時(shí)采集大量的數據時(shí)，DCS本身也必須花費大量的機時(shí)來(lái)響應實(shí)時(shí)數據庫的這些數據請求，一旦數據請求量大到DCS處理不過(guò)來(lái)時(shí)，就會(huì )導致DCS處理其它事件的響應速度，從現象上看就像“死機”一樣。
方法2：建立OPC服務(wù)器，由OPC服務(wù)器從DCS采集后轉發(fā)給實(shí)時(shí)數據庫為避免重蹈他人的覆轍，我們采取的方法是：用一臺工控機作為數據采集工作站，通過(guò)OPC協(xié)議與DCS進(jìn)行數據通信，并且僅從DCS中讀取我們最關(guān)心的數據而不進(jìn)行任何的寫(xiě)入操作。實(shí)踐證明，這種方法非常安全可靠，同時(shí)也并未影響整個(gè)系統數據更新的快速性。
方法3：建立OPC服務(wù)器，由OPC服務(wù)器通過(guò)其他協(xié)議從沒(méi)有OPC接口的老DCS中讀取數據后，再通過(guò)OPC協(xié)議轉發(fā)到實(shí)時(shí)數據庫。
3.2 數據傳輸網(wǎng)絡(luò )
當數據采集工作站現場(chǎng)采集到實(shí)時(shí)數據后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將這些數據快速地轉發(fā)給放置在數據機房中的實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器。在通過(guò)各種數據處理后，由應用服務(wù)器以WEB方式讓企業(yè)的各級管理人員通過(guò)內部辦公網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)MES系統。由此可以看到數據傳輸網(wǎng)絡(luò )在整個(gè)過(guò)程中的重要程度。從前面的介紹中我們知道，一套完整的MES系統其網(wǎng)絡(luò )結構也分為對應的三個(gè)部分：采集網(wǎng)、管理網(wǎng)、應用網(wǎng)。其中，采集網(wǎng)是指從實(shí)時(shí)數據庫到數據采集工作站和現場(chǎng)采集對象(DCS等)之間的網(wǎng)絡(luò )，管理網(wǎng)則包含的是從實(shí)時(shí)數據庫到關(guān)系數據庫、應用服務(wù)器之間的部分，應用網(wǎng)則是從各類(lèi)應用人員的計算機終端到MES應用服務(wù)器和關(guān)系服務(wù)器的部分。對于赤天化股份有限公司而言，原來(lái)已有的辦公網(wǎng)絡(luò )就是MES系統的應用網(wǎng)，由于此前已將辦公網(wǎng)絡(luò )改造成千線(xiàn)光纖、百兆到桌面的高速網(wǎng)絡(luò )，因此，在此次MES項目中，我們只對MES系統內部的采集網(wǎng)和管理網(wǎng)按照“高速、穩定、安全、可靠”的原則進(jìn)行了建設和完善。
具體主要采取了以下措施：
措施1：將采集工作站放置在現場(chǎng)采集對象(如DCS)旁邊，盡可能縮短采集工作站與DCS之間的數據傳輸線(xiàn)路距離，以保障它們之間通過(guò)百兆以太網(wǎng)連接實(shí)現數據的高速傳輸。
措施2：將實(shí)時(shí)數據庫、關(guān)系數據庫、應用服務(wù)器放置在公司的數據機房，從數據機房敷設單模光纖到各個(gè)現場(chǎng)采集點(diǎn)，在數據機房安裝帶光纖模塊的核心交換機，在現場(chǎng)采集點(diǎn)安裝帶光纖模塊桌面交換機，核心交換機與各采集點(diǎn)的桌面交換機之間直接用光纖連接，不通過(guò)光纖收發(fā)器進(jìn)行光電轉換，減少傳輸環(huán)節，提高傳輸效率。
措施3：核心交換機采用背板帶寬≥100Gbps、包轉發(fā)率≥75Mpps的四層交換機，采集點(diǎn)的桌面交換機背板帶寬≥4.4Gbps、包轉發(fā)率≥6.5Mpps。機房服務(wù)器選用性能比較穩定、處理能力較強的四核雙CPU品牌設備?，F場(chǎng)采集工作站使用性能穩定可靠性較高的工控機。
措施4：在現場(chǎng)的數據采集工作站除了采集并轉發(fā)數據外，還要將需轉發(fā)的數據在本地保存7d以上，當網(wǎng)絡(luò )出現中斷經(jīng)處理恢復后可以自動(dòng)向實(shí)時(shí)數據庫補發(fā)數據，從而有效防止因網(wǎng)絡(luò )中斷而導致大量數據丟失，最大程度地避免給企業(yè)帶來(lái)?yè)p失。
3.3實(shí)時(shí)數據庫
毋庸置疑，在整個(gè)MES系統中最核心的就是實(shí)時(shí)數據庫。實(shí)時(shí)數據庫自身性能的高低將直接決定整個(gè)MES系統運行性能。采用高效的數據壓縮和存儲技術(shù)，可以大大提高數據傳輸和處理的速度，試想一下，從同一臺服務(wù)器上下載數據文件，是下載上百兆的大文件快還是只有幾兆甚至幾K的文件快呢？因此，我們在對實(shí)時(shí)數據庫進(jìn)行選型時(shí)，也將數據壓縮能力和存儲方式作為重要的考核指標。
3.4 MES應用層的網(wǎng)絡(luò )架構
用于MES系統是以WEB方式向應用人員提供訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)的，因此應用層的網(wǎng)絡(luò )架構分為B/S和C/S兩種。那么，這兩種架構又該如何取舍呢？考慮到公司各部門(mén)的實(shí)際應用情況，在少數特殊崗位(如調度、總控等)設置采用C/S架構的客戶(hù)端，而其他通過(guò)WEB方式訪(fǎng)問(wèn)的用戶(hù)均采用B/S架構。這樣一來(lái)，整個(gè)MES系統實(shí)際上是B/S與C/S的混合架構。
3.5用戶(hù)端處理技術(shù)
在 MES系統 中涉及大量的圖形圖像需要在用戶(hù)端的電腦屏幕上顯示，尤其是工藝流程圖，需要用外形逼真的圖像將其對應的設備裝置展示出來(lái)，如果采用傳統的BMP或JPG格式的圖形文件格式，在用戶(hù)端瀏覽時(shí)完整畫(huà)面顯示的速度會(huì )很慢，尤其是要動(dòng)態(tài)顯示諸如溫度、液位等狀態(tài)變化時(shí)，就更很難達到界面顯示既形象直觀(guān)又快速的效果要求。因此，在制定具體的技術(shù)方案時(shí)，就考慮到這一客觀(guān)要求。經(jīng)過(guò)反復比較測試，最后選擇了基于矢量圖技術(shù)的用戶(hù)端動(dòng)態(tài)成像技術(shù)。從實(shí)際運行中的效果來(lái)看，采用這種技術(shù)在用戶(hù)端的瀏覽器上由WEB插件自己根據服務(wù)器提供的數據生成圖形，尤其是工藝流程圖，顯示的速度非?？?，畫(huà)面效果也比較逼真清晰，而且也能達到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的展示溫度、液位的變化。
4、整體效果評價(jià)
由于在上述5個(gè)方面分別采取了有針對性的方法和措施，至少在數據的實(shí)時(shí)性方面效果更為明顯，達到了用戶(hù)端看見(jiàn)的數據基本上與現場(chǎng)DCS設備數據同步。
作者：hzjuxadmin
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