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PI 实时数据库综述

2014-5-20 11:37| 发布者: dzly| 查看: 252| 评论: 0

摘要: 简要论述了实时数据库的基本概念,分析了实时数据库与传统关系数据库的差异,同时,重点研究了PI 数据库系 统模块的组成和PI 系统的数据流图。

  PI (Plant Information System) 实时数据库系统是由美国OSI Software 公司开发的基于服务器/客户端的(C/S)和服务器/浏览器(B/S)结构的商品化软件应用平台,是工厂底层控制网络与上层管理信息系统连接的桥梁,PI 在工厂信息集成中扮演着特殊和重要的角色。作为大型实时数据库和历史数据库,PI 可在线存贮每个工艺过程点的多年数据。PI 实时数据库系统适用于电力、石油、化工、冶金、造纸、制药、水处理、食品饮料、通讯等各种生产流程企业的生产过程优化、生产过程数据的自动采集、存贮和监视。
  1 PI 数据库系统模块组成
  PI 实时数据库是一个包含实时数据采集、数据组织、分析处理、发布浏览等模块的软件系统,由PI 服务器端模块、PI 客户端模块和接口软件三部分组成。PI 服务器端模块用于现场生产数据的采集、存储及维护;PI 客户端模块提供对实时/历史数据的二次应用;接口软件实现现场不同控制系统和PI 系统的连接及第三方软件与PI 数据库的通信。
  1.1 PI 系统服务器端模块
  全局数据服务器PI-UDS(PI Universal Data Server)是PI系统的核心,它提供对实时数据信息的采集和存储以及对整个系统的维护,主要包含4 个模块:(1)核心子系统模块主要包括:基本子系统,用来维护数据库中测点的属性信息;快照子系统(每个点的当前值被称作快照),负责判断快照是应该送到档案子系统中还是被新的快照所取代;归档子系统用来存储每个点的多时间标记测量值,如开关量、压力、流量、温度设定值等。
  (2)网络管理器模块提供驻留在PI 主结点上,管理与各PI-UDS子系统之间的连接,同时也负责管理PI 系统与客户端应用之间的连接。
  (3)PI 服务器组件模块主要包括:性能方程式模块,允许用户不必用高级语言实施复杂的计算功能;批处理模块,以一个批量前后关系存储和读取PI 系统的数据,而不是单纯以时间轴为依据;报警服务模块,可对PI 系统中任何一个测点设置报警条件,这些报警可送到PI 系统中的事件档案中,用户可以筛选和查看报警条件。
  (4)PI 系统管理工具模块主要包括:PI 标签配置工具,通过Excel 创建和维护标签点;创建工具,用于标签的创建和开关量状态表维护;PI 系统检测工具,为查看日志文件和系统信息提供更便捷通道的工具;PI 接口配置工具可管理接口服务和配置文件。
  1.2 PI 系统客户端模块
  客户端模块是基于Windows操作系统下开发的一系列客户工具软件,用户可以很方便地以不同格式从PI 数据库里读取数据,并对数据进行分析和展示发布。
  客户端模块通过PI-API 函数与PI 数据库服务器进行数据通讯,通讯协议采用的是标准TCP/IP 协议。PI 客户端模块主要包括以下几种:(1) PI-PB(PI-ProcessBook)是一个客户端流程画面在线组态和运行工具,可以创建和构思与现场工序相同/相似的工艺图和趋势图,支持VBA、ODBC、ActiveX 等技术。以流程图和趋势图的方式组织和显示来自PI 实时数据库和关系数据库的数据。
  (2) PI-DL(PI-DataLink)通过在电子表格软件如Excel,Lotus系统中嵌入菜单,实现和PI 数据库系统之间的数据交换和数据管理。用户可在Excel 中通过该工具直接取得服务器中的实时数据,用于分析或改进工艺流程,编制各种应用报表。
  (3) PI-ActiveView是一个浏览器客户端的应用,它允许用户将PI-PB 中生成的画面在通用的浏览器中发布。
  (4) PI-ODBC 客户端,支持PI 实时数据库与关系型数据库进行互访,用户可以很方便地访问外部数据库。
  (5) PI-SDK (PI-API)提供面向对象的类库、动态链接库(函数库)供用户开发应用程序,用户使用该工具编程可以缩短研制开发周期。PI-API 是一套可以被包括C、Visual Basic 等多种语言调用的函数库,为第三方软件提供了功能强大的编程接口。PI-SDK 提供了面向对象的类库,用户使用该工具编程可以提高开发效率,该工具可以在VC ++,VB,VBScript 等开发环境下使用,用来与PI 系统进行交互。
  1.3 PI 系统接口软件
  PI 系统提供了400 余个接口软件,实现各类自动化控制系统与PI 数据库数据采集功能,支持工业标准的数据通信接口,如OPC、MODBUS 等。为优化数据采集的效率和可靠性,通过保密协议,实现与主流自动化厂家的底层接口服务软件,利用PI-API 为第三方软件与PI 数据库的通信提供的应用程序接口。
  PI 系统接口软件里包含了三类程序:面向设备的数据通讯接口程序、面向PI 服务器的API 模块以及介于两者之间的界面程序。它的作用是:建立与数据源设备之间的连接,读取实时数据;通过PI-API 访问PI 服务器,将实时数据送入PI 服务器。
  PI 系统接口软件里设置了例外检查(Exception check) 环节,根据数据的变化决定数据的取舍。只有变化量超过设定范围的数据才会被送往PI 服务器的快照子系统,成为该测点的当前值。
  PI 系统接口软件是实时数据进入PI 数据库的桥梁,其运行的可靠性直接关系到实时数据库的效能。为保证数据的完整性,PI 的接口软件提供数据缓冲服务。当P I 服务器与接口软件之间因软件、硬件升级等原因引起离线时,接口软件可把采集的现场数据暂存起来;待P I 服务器恢复正常运行后,再把缓存队列中数据传送到PI 服务器数据库中。
  2 PI 系统的数据流图
  PI 系统的数据流图如图1 所示。


  图1 PI 系统的数据流


  现场控制系统的实时数据首先被送往PI 接口进行例外测试,以对原始数据进行筛选。例外测试根据3 个参数:例外偏差(excdev)、最大例外时间(excmax)和最小例外时间(excmin)执行。通过例外测试的数据被送往快照子系统,成为当前值;先前的快照值经过压缩后,被送到归档子系统。PI 数据库采用旋转门压缩算法,根据数据的变化趋势进行精度可调的有损压缩,只提取重要数据。在历史数据查询时通过数据插值快速解压缩。
  实时数据的产生具有周期性和波动性特点,而每次磁盘操作都需要花费较长的时间,须要对磁盘访问进行优化。PI数据库设置了事件队列和归档缓存区,经过压缩算法过滤后的实时数据被保存在事件队列中,由归档进程写入归档缓存。
  在事件队列已满并且归档进程忙的情况下,事件队列中的数据将被写入磁盘文件,等归档可用时再转入归档数据库。当归档缓存已满或者距离上次归档超过规定时间,归档缓存中的数据将被写入归档数据库,成为历史数据。
  3 PI 实时数据库特性分析
  与关系数据库不同,PI 系统的时间序列数据库规模扩展自如,可在线存储大量准确地、一致性地运行数据达数年,数据存储分辨率可为分钟级、秒级或毫秒级,甚至达到微秒级,而系统性能不会恶化。PI 系统特有的先进储存算法,保证了所提取的是能反映实际过程中的准确值,而非推算值。此外,PI 系统独特的数据库和数据基础架构,保证了系统可在几十秒钟内完成访问一周前或十年前的数据。
  
  

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