大型分布式实时数据库在钢铁企业的应用

引言

根据国家“十一五”规划的要求，对各个行业，特别是能源消耗型企业提出了更高更新的要求：清洁化生产、零排放。钢铁企业“以企业信息化带动工业自动化”的步伐已经迈出了坚实的脚步，对建成ERP(企业资源计划)、MES(制造执行系统)、PCS(过程控制系统)这样一套以数据流、资金流、物资流有机互动的信息化模式进行了多次有益尝试，发现ERP、MES要能正常工作，离不开外部环境的支持，特别是数据支持体系，而其中尤以生产数据为重中之重。因此，强化企业内部的数据综合利用与挖掘，建立自己的实时数据库平台，是实现钢铁企业信息化的关键，是满足企业资本和决策支持的根本需要。

2 实时数据库技术概况

为了获得对更新与查询极快的响应，满足实时应用的需要，将数据库和实时系统两者的概念、技术、方法和机制的无缝结合，产生了实时数据库RTDB(Real Time Database)。实时数据库就是其数据和事务都有显式定时限制的数据库，在时间的约束的条件下保证共享数据的一致性，数据的正确性不仅依赖于逻辑结果，而且依赖于逻辑结果的产生时间和导出结果所使用数据的时间一致性。

与传统的关系数据库相比，实时数据系统除了在重视数据一致性之外，还突出地强调了整个系统的实时性。在传统应用领域上，关系型数据库以严格的数学基础，简单清概念，便于理解和使用的操作获得了巨大的成功，然而在现代工程(尤其是在工业控制领域)和时间关键型的应用领域面前，却显得束手无策。一方面企业希望该数据平台能够提供高速、及时的实时数据服务，能够有效地集成异构控制系统，提供分布式的数据服务。另一方面希望它可以在工厂控制层(现场总线、DCS、 PLC等)与MES系统之间建立了实时的数据连接，使企业全生产过程控制和业务管理相结合。同时它也是流程模拟、先进控制、实时在线优化、生产全过程管理系统的数据平台。而这些仅靠采集控制系统(DCS)和关系数据库技术并不能完全解决。

3 分布式实时数据库

ESP-iSYS实时数据库系统是浙江中控软件技术有限公司针对流程工业企业实现企业综合自动化而开发的分布式实时数据集成与过程监控平台。它为流程工业企业提供了统一而完整的实时数据采集、存储、监视和Web浏览功能，提供了API、OPC、ODBC等多种数据服务方式。该系统采用了COM/DCOM、系统容错、任务调度、压缩算法和位号映射等多项先进技术，保证了系统在企业局域网环境下能高效、稳定、安全地运行。部分关键技术如下：

基于COM/DCOM的组件技术实现软件的组件化，实现动态链接;

客户端管理模块管理客户端软件的调度;

实时数据库技术;

多层分布式技术;

统一数据管理与访问平台技术;

高性能的实时数据库管理;

具有多层分布式客户/服务器结构;

优良的扩展性;

能动态地修改实时数据库中的组态信息;

完善的备份与恢复机制;

实时的分布式消息通信中间件 ; 

磁盘历史数据的旋转门压缩技术;

容错技术; 

数据处理：累积量计算、报警设置;

支持先控应用：可编程虚位号;

在分布式应用方面，通过计算机网络和正确的DCOM配置和组态过程，ESP-iSYS可以连接不同计算机上或设备上的数据服务器(OPC/DDE)，按照统一的数据格式采集数据，对数据统一管理。同时，ESP-iSYS实时数据库允许同时运行多套实时数据系统，各个数据库系统分别采集不同的控制站位号，进行压缩处理存储，之上集中调度管理，做到物理上分布，逻辑上统一。其分布式体系结构如图所示： 

从图中可以看出，实时数据库软件和数据采集网建立了控制网和企业局域网之间的信息联系，实现了生产过程信息的综合集成。

4 实际应用

4.1 湘潭钢铁集团有限公司

湘潭钢铁集团有限公司有烧结、焦化、炼铁、一高线、二高线、一棒、二棒等七个分厂共几十套PLC和DCS系统，采集位号约15000点。目前正抓紧500 万吨钢配套建设，进行新一轮结构调整，大力推进普钢向优钢转变，单一线棒材向板材等多领域转变，同时以实施企业资源计划(ERP)项目为契机，加快企业改革步伐，努力构建集团化管理新模式，向现代企业制度迈进。

4.2 应用方案

针对湘潭钢铁厂分厂分散、控制系统较多的特点及分布式结构、多个实时数据库并存等要求，采用分布式集群实施方式，即各分厂单独运行实时数据库系统，并由湘钢信息中心统一管理。其结构图如下：

通过分布式实施，各个分厂实时数据库并行运行，物理上分散，实现整个企业实时数据集群，实现采集、存贮、管理与查询及归档管理，同时通过信息中心ESP-iSYS的管理，即可实时了解各分厂系统运行情况，实现上了逻辑上的统一，方便调度与决策。

5 应用效果

实时数据库系统的实施给整个湘钢集团的生产和管理带来了很多有益变化，得到集团公司的一致认可，有效地提升了企业的信息化水平，突出地表现在以下几个方面：

1. 统一的生产实时数据库平台

建立企业级实时数据库平台，用统一的平台对不同控制系统各生产自动化装置的实时数据进行采集、存储和发布，并按信息化管理的要求，向企业管理层各管理子系统模块提供生产现场的各种基础数据。

2. 生产系统实时监控和管理

湘钢集团厂区较大，装置多而又分散，流程十分复杂，由于无法及时了解生产现场的情况，各种设施协同运行的系统管理一直很难做到。ESP-iSYS实时数据库系统的建立为各级管理部门提供的远程实时生产过程信息，有效地帮助调度人员及时调整物流方向，减少非计划停车，保持生产的平稳运行。

3. 报警实时监视

通过比较当前的数据和历史趋势数据，特别是结合装置安全运行的经验，通过趋势图和数据的分析可以及早报告事故隐患，并且通过对事故前后实时记录的历史数据的分析，定位事故发生的原因。

4. 便于操作考核和加强产品质量控制

通过实时数据库系统记录的装置运行状态参数的分析和中间产品的质量分析，然后通过实时数据库系统快速返回相关的结果，来及时调整操作参数，确保装置操作的平稳性，从而有效地提高产品的质量。

5. 应用和集成平台

全厂全生产过程实时数据的历史积累，是发现过程运行规律的数据基础，而这些规律的集合则可构成先进控制和流程模拟的数学模型;同时生产的实时数据也为MES、ERP等上层应用提供了数据运行环境。 

6. 集群实现

各个分厂实时数据库集群并行运行，物理上分散，实现分布式实时数据的采集、存贮、管理与查询及归档管理，同时通过总调度室ESP-iSYS集群服务器的管理，可实时了解各分厂系统运行情况，实现上了逻辑上的统一，方便调度与决策。