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专题解读

基于数据单向安全传递实时数据库系统的研究与实现

  工业互联网是新一代信息通信技术与现代工业技术深度融合的产物,是制造业数字化、网络化、智能化的重要载体,也是全球新一轮产业竞争的制高点。实时数据库应用系统是基础,作为工业互联网平台驱动源头,主要通过深层次采集数据并实现不同协议数据基层汇聚,依托传感器、工业控制系统、物联网技术面向设备系统、产品、软件等要素数据进行实时采集,为工业互联网平台实现泛在连接提供坚实支撑,丰富了工业互联网平台可采集与分析的数据来源。

  随着钢铁工业过程系统的日益庞大,为确保过程系统安全运行,开发适合于钢铁工业过程的实时数据库平台越来越重要。实时数据库平台结合实时数据处理技术和数据库技术,满足数据实时性和一致性要求,支持数据和事务的来源:mg游戏平台官网 时间限制,支持数据的共享,通过网关直接与现场PLC等控制设备相连,通过单向传递的安全网络通讯方式,承担着过程数据的集成任务,使企业管理层实时地得到来自生产过程的数据,直接支撑实时控制系统和MES系统,为企业的生产管理和调度、数据分析、决策支持及远程在线浏览提供实时数据服务和多种数据管理功能,成为面向工业过程自动化与信息化的基础数据平台。

  一、工业互联网下实时数据库的发展现状

  互联网平台作为工业智能化发展的核心载体,能够实现海量异构数据汇聚与建模分析、工业经验知识软件化与模块化、各类创新应用开发与运行,从而支撑生产智能决策、业务模式创新、资源优化配置、产业生态培育。其本质是通过构建精准、实时、高效的数据采集互联体系,建立面向钢铁工业大数据存储、集成访问、分析、管理的开发环境和应用环境,支撑钢铁工业技术、经验知识模型化、软件化、复用化,以数据的有序自动流动解决复杂制造系统面临的不确定性,实时数据库应用系统正是为实现钢铁工业互联网提供了可靠的数据支撑。

  钢铁工业自动化水平较高,拥有众多大型的自动化控制设备,实时数据库应用系统可以有效解决钢铁企业底层过程控制设备与上层管理信息系统间的数据集成问题,解放信息孤岛。但是由于技术发展的原因,控制网络上分布着不同厂商的不同种类的自动化系统,工业网与办公网尚未实现完全隔离,每个系统只能采集和管理相应设备在运行过程中产生的部分实时数据,不能以统一的形式传输数据,迫切需要一个统一数据平台来集成各种控制系统的数据。具有单向数据传递的实时数据库系统是这一平台的最佳选择。

  目前实时数据库的研究热点主要集中在实时数据库与分布式数据库相结合而产生的分布式实时数据库和重视安全性而产生的安全实时数据库等领域。这两个领域的研究状况如下。

  (一)分布式实时数据库

  分布式实时数据库是实时数据库技术和网络技术相互渗透和有机结合的结果。分布式实时数据库通过网络计算机系统,实现过程采集数据的共享和实时同步。为了满足对数据的实时和分布的要求,分布式实时数据库将具有执行期限的数据和事务分布在不同的结点上,由分布式实时数据库管理系统来统一管理、调度执行。基于分布式数据库的理论和技术己经成熟,但实时数据库的技术并不成熟的现状,分布式实时数据库的研究成了当前研究的热点。

  (二)实时数据库系统安全性和可靠性

  由于实时数据库储存了大量的企业生产数据,有些涉及企业生产的机密,实时数据库系统在向授权用户提供可靠的信息数据服务的同时,又要拒绝非授权用户对数据的存取访问请求,保证数据库管理下数据的可用性、完整性和一致性,进而保护数据库所有者和使用者的合法权益。同时,由于连接网络本身的不可靠性和系统连续运行的要求,实时数据库还应具备相应的诊断和容错能力。几种常用的安全控制技术有用户标识与鉴别、存取控制技术、多级数据库安全技术、审计和日志等。

  国内外的钢铁设备运行状况监控主要位于PLC和DCS层,传统的实时数据采集系统直接通过连接设备PLC进行采集,中间缺乏相应安全保障措施,需要更改现场IP地址,甚至导致设备停产现象发生。很有必要将工业生产网中设备网络和办公网络进行隔离,增大安全保障力度。

  二、实时数据库系统平台的特点

  (一)集成设备,统一管理

  集成了企业所有的设备和信息、所有的设备和系统,是整个钢厂信息化的公共基础设施,有了这样的基础设施,以后再建造各种各样的信息化系统就变得非常容易。

  (二)统一的管理标准

  进行集中化管理,对分散的子系统提供一个集中化的信息管理,不像以前各个不同的子系统有不同的管理程序,需要不同的管理员来管理。集中管理信息带来的好处就是管理标准化,以标准化的方式管理不同的设备和不同的系统。

  (三)可扩展能力强

  紧密集成的数据平台,具有良好的扩展性。平台数据的扩展可以像插件,可以做一些插件把它集成在这个平台之上以完成功能扩展。

  (四)对外接口丰富

  可以连接MES等系统和关系型数据库,它们都可以作为数据源连接到实时数据库系统之上,各个系统之间通过接口来进行通讯连接。

  三、钢铁行业单向数据传递实时数据库系统的实现

  (一)钢铁行业实时数据采集范围

  物料结算数据,包括生产过程中各物料的投入计量、产出计量等计量数据的采集;库存数据,包括料仓料位数据采集;配料数据,包括配料仓料位数据、配料秤的设定值、瞬时值、累计值;生产数据,包括生产工艺监控参数、生产设备状态监控参数、生产工序跟踪数据;能源数据,包括生产消耗或产出的能源和电力数据等。

  (二)软硬件设计

  在中心机房设置两台历史数据库服务器(冗余热备),用于过程数据的历史存储,可满足大数据量、大吞吐量的数据存储与检索,特有的压缩算法在保证庞大数据存储的同时,又保证了数据文件的体量可以维持在一个较低的水平。设置一台Web应用服务器,用于生产运行状态监控和分析实时画面、数据列表、历史趋势的Web发布,使用户可以通过IE浏览器来实时查看现场设备的运行状况和趋势分析。从负载均衡方面考虑,设置了四台采集服务器,各自采集对应分厂数据,四台采集服务器两两互备。并设置一台工程师站和两台操作站。

  (三)数据流的单向安全设计

  在采集服务器上安装接口程序,通过工业网关接入所有PLC或DCS组件,并汇聚到工业网闸进行单向隔离,通过程序采集PLC中的数据。采集服务器通过单向网闸读取现场的数据,并将数据存储到数据库服务器;WEB服务器从数据库服务器读取历史数据,从采集服务器读取实时数据;操作员站从数据库服务器读取历史数据,从采集服务器读取实时数据;工程师站开发应用程序,应用服务器的程序全部来源于工程师站。本系统采用工业隔离网关,可以实现不同控制系统之间的横向隔离,工业网关机汇聚到工业安全网闸,可以实现在物理层、链路层和应用层不同级别的纵向隔离。根据不同的网络隔离,即保证数据传输的效率,也保证足够的安全等级。物理层隔离是通过专门电路,在物理层实现电信号的单向传输,确保被保护一方的绝对安全。

  当网络中断或服务器停机时,能支持系统中断后自动恢复,有机制保证数据的完整性。具备数据管理功能,包括数据库的定义、存储、维护,数据的高压缩存储,数据存储空间管理,数据的备份等。

  图1系统数据流程图

  (四)系统实施效果

  生产运行监视,实现设备可视化,事件处理、报警记录、以及报表分析。

  图2烧结生产运行监视画面实例

  历史曲线展示,直接访问历史库中历史数据的方式,用户可根据自己不同的需要来进行直接的选择查询。实时数据库应用系统可以实现各工序的生产过程工艺数据趋势分析和对比分析,找出各工艺参数之间的关联性,提高生产运行的稳定性和效率,辅助产品的质量分析和提升。

  图3高炉炉顶检测工艺参数分析实例

  三级系统与历史库对接,使用API接口函数查询。API接口函数查询的主要特点包括,对历史库进行直接操作,并提供了多种检索数据的方式返回查询数据。

  根据业务需要,数据检索模式主要包括。

  (1)按来源:mg游戏平台官网 时间周期抽取数据。重要参数:开始来源:mg游戏平台官网 时间、结束来源:mg游戏平台官网 时间和子期间长度。

  (2)来源:mg游戏平台官网 时间加权平均。返回每个子期间的来源:mg游戏平台官网 时间加权平均值。

  (3)最小值检索模式。子期间内最小值。

  (4)最大值检索模式。子期间内最大值。

  (5)积分检索模式。每个子期间的积分值,与来源:mg游戏平台官网 时间加权平均方式差一个比例因子(相当于流量累计)。

  (6)计数器检索模式。子期间内变化次数。

  基于通信性能考虑,系统支持不同的数据检索模式和采集周期。

  四、结束语

  钢铁行业具有连续生产的特点,加强质量管理、降本增效、节能减排是钢铁企业发展生存的必然要求,个性化、定制化、多品种、小批量是钢铁企业生产组织和数据的必然趋势,企业对实时数据的安全性要求越来越高。通过网关网闸单向数据传递功能的实时数据库系统可以保证上级系统利用数据的可靠性和安全性,为生产部门提供及时准确的现场实时运行信息用于指导生产,实现各工序的生产过程工艺数据趋势分析和对比分析,找出各工艺参数之间的关联性,提高生产运行的稳定性和效率,辅助产品的质量分析和提升。通过数据单向传递、统一的实时数据库系统平台,可以大幅提升数据自动采集率和准确性,并能对数据进行有效合理组织。实时数据库系统为企业追求智能制造生产方式提供基础,助力企业转变生产管理模式,实现敏捷制造和精细化管理。