实时数据库在企业能源管理系统(EMS)中的应用研究

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  摘要:实时数据库(RTDB-Real Time DataBase)做为企业信息化管理系统中的核心和中枢,在企业信息化的建设中起着至关重要的作用。本文结合(企业能源管理系统EMS)项目特点,对实时数据库在EMS中的应用进行了研究,研究结果对EMS项目实施具有重要参考价值。
  关键词:RTDB 实时性 EMS 数据压缩
  0 引言
  实时数据库(RTDB-Real Time DataBase)是数据库系统发展的一个分支,是数据库技术结合实时处理技术产生的。上世纪90年代,源于以太网的逐步普及,实时数据库在流程工业全世界范围内大行其道,主要应用于工业监控、控制和公用工程。到了2000年之后,国内的实时数据库逐渐崭露头角,如ESP-iSYS、Agilor等与国外的PI、InfoPlus类似,均属于大型分布式网络实时数据库。规模相对较小的,如PHD、ConRTDB、SuperInfo,也在国内开始应用。
  随着经济的快速发展,能源问题已经日益成为中国经济发展中的重要制约因素,而能源管理系统(Energy Management System,简称EMS)则是实现系统节能的一个重要途径,自2009年起国家在钢铁行业大力推广能源管理系统,目前正推广到石化、机械、有色金属等重点用能行业。
  EMS项目一般都是覆盖企业全厂,甚至是企业集团的多个厂区,其中的一个难点就是系统集成:系统涉及面广,数据接口种类众多,接口复杂,数据量大,采集周期及响应速度要求高,模型预测数据要求高,大量测量数据需实时处理与分析。本文重点论述在EMS工程中实时数据库的解决方案及可能存在的问题。
  1 实时数据库概述
  1.1 实时数据库定义
  实时数据库是数据和事务都有定时限制的数据库,适用于处理不断更新的快速变化的数据及具有时间限制的事务处理,是数据库系统发展的一个重要分支。通俗地讲,实时数据库是一种采集、存储和分析随时间快速变化的海量数据的软件产品,是现代工业生产信息化的核心基础软件。
  实时数据库系统的主要内容包括:
  实时数据库模型。
  实时事务调度:包括并发控制、冲突解决、死锁等内容。
  容错性与错误恢复。
  内存组织与管理。
  访问准入控制。
  I/O与磁盘调度。
  主内存数据库系统。
  不精确计算问题。
  放松的可串行化问题。
  实时SQL。
  实时事务的可预测性。
  1.2 实时数据库介绍
  1.2.1 实时数据库的特征和功能
  RTDB的特征主要表现在数据的时效性和事务的定时限制上:数据实时性就是现场IO数据的更新周期,作为实时数据库,必须考虑数据实时性。一般数据的实时性主要受现场设备的制约,特别是对于一些比较老的系统而言,更是如此。事务实时性是指数据库对其事务处理的速度。它可以是事件触发方式或定时触发方式。事件触发是指该事件一旦发生则立刻获得调度,这类事件可以得到立即处理,但是比较消耗系统资源;而定时触发是指在一定时间范围内获得调度权。作为一个完整的实时数据库,必须同时提供两种调度方式来保证系统的稳定性和实时性。
  ①RTDB的数据特征:时效性
  RTDB中的一个数据对象三个属性组成,它们分别为当前值、采样时间、采样频率。对于RTDB中的每一数据对象,它的时效性包括内部一致性、外部一致性和相互一致性。
  ②RTDB的事务特征:定时限制
  定时限制即事务的执行有显式的时限,如指定的开始时间、截止时间等,它要求RTDB必须有时间处理机制。
  定时正确性即事务能按指定的时间要求正确执行,它要求权衡定时限制与数据一致性要求等多方面因素,提供合适的调度与并发控制算法。
  1.2.2 实时数据库的功能
  实时数据库不同于传统数据库,它具有以下功能:
  数据库状态的实时性,即尽可能地保持数据库的状态为不断变化的实际当前最真实状态。
  数据值的时间一致性,即确保事物读取的数据是时间一致的。
  事物处理的实时性,即确保事物的及时处理,使其定时限制尤其是执行的截止期得以满足。
  集成各种通讯协议的数据源,形成统一的访问实时数据接口。
  完成对实时数据的集中海量存储。
  支持实时数据读写操作和历史数据的高效查询。
  提供实时计算、实时分析处理等功能。
  实时数据的组织和访问权限管理。
  1.3 实时数据库与传统关系数据库关系与比较
  传统的数据库系统主要处理永久、稳定的数据,强调维护数据的完整性、一致性,其性能目标是高的系统吞吐量和低的代价,而不考虑有关数据及其处理的定时限制,所以,传统的数据库管理系统(DBMS)不能满足实时应用的需要。而传统的实时系统(RTS)虽然支持任务的定时限制,但它针对的是结构与关系很简单、稳定不变和可预报的数据,不涉及维护大量共享数据及它们的完整性和一致性,尤其是时间一致性。因此,只有将两者的概念、技术、方法与机制"无缝集成"(SeamlessIntegration)的实时数据库(RTDB)才能同时支持定时和一致性。
  实时数据库与关系数据库这两类产品的设计理念及应用场合是完全不同的。
  实时数据库不但利用了内存的特性,而且考虑到工控行业的应用特性,将关系数据库的表结构和表关系简化,以进行性能的优化,并针对工控行业的数据特性,对数据进行压缩处理。
  实时数据库与关系数据库的差别,如表1所示:
  以上的比较,指标并不全面,也并不是说,实时数据库一定比关系数据库好,只能说,需要针对不同应用的不同需求,做出综合决策,选择最适合自己需要的数据库产品。
  2 实时数据库在EMS中的作用
  企业能源管理系统(Energy Management System,简称EMS)是一套自动化信息化管控一体化系统,是能源管控中心行使管控职能的载体和平台。能源管理系统通过采用自动化、信息化技术和集中管理模式,对企业能源系统的生产、输配和消耗环节实施集中、扁平化的动态监控和管理,改进和优化能源平衡,实现系统性降耗。   在自动化技术和信息技术基础上的能源调度技术和能源管理技术,以客观数据为依据的能源生产和消耗评价体系,是冶金企业先进能源管理领域最基本的理念之一。改变传统的分散的能源生产管理方式为公司扁平化的高效管理方式,是现代大型钢铁企业先进的、被证明是行之有效的重大管理措施,正成为各大钢铁公司各级管理者的共识。建设企业能源管理系统(EMS)的基本目的就是要在提高能源系统的运行、管理效率的同时,为企业提供一个成熟的、有效的、使用方便的能源系统整体管控一体化解决方案,一套先进的、可靠的、安全的能源系统运行、操作和管理平台,并实现安全稳定、经济平衡、节能减排、优质环保的基本目标。
  EMS系统从功能上可分为三大部分,分别为:能源综合监控系统、能源预测和优化调度系统以及基础能源管理系统,各部分的功能如下所述:
  2.1 能源综合监控系统
  主要完成能源数据采集与处理、潮流及设备状态监视、设备远程控制与调整、事件及故障处理、数据归档预处理,支持调度人员完成日常调度、巡检、点检等工作。
  2.2 能源预测和优化调度系统
  主要完成电力负荷预测、用电量预测、煤气平衡预测、多介质平衡优化调度等功能,利用能源管控中心系统的数据和控制平台,建立能源主要介质的产销预测模型,并通过能源综合平衡分析,给出能源系统优化调度方案,为用户的调度及管理提供决策依据,实现能源系统的平衡优化运行,达到节能降耗的目的。
  2.3 基础能源管理系统
  该系统支持管理人员完成能源计划管理、实绩管理、平衡管理、生产运行管理、质量管理、成本管理、用能设备管理以及综合分析等功能。
  EMS应用架构如图1所示:
  如上所示,多协议、多接口,大量实时数据的采集与处理,预测与分析,数据存储与展示是EMS集成的关键。
  实时数据库通过对大量实时数据的采集和存储,既为企业保留了极为重要的历史数据,也为企业提供了及时和有效的实时信息;在对历史数据和实时数据分析的基础上,可以对工厂实施监控及管理,如流程优化、质量控制、设备维护、故障预警等;通过实时数据库可集成产品计划、维护管理、专家系统、模拟与优化等应用程序,在计划管理和实时生产之间起到桥梁作用;实时数据库成为企业能源管理系统中数据的“生产中心”,在整个能源信息系统建设中起着关键作用。
  3 EMS中的实时数据库应用方案
  3.1 EMS中的IO数据分析
  一个大型工业企业的EMS通常建立在上万个信号点(I/O Tag)的基础上,电力系统的电量、电压、频率等,动力系统的流量、压力、柜位等,水道系统的流量、压力、水位等主要能源生产潮流,均纳入EMS监视范围;电力系统的开关等,动力系统的加压机、放散塔、煤气柜等,水道系统的泵等重要能源设备,进行EMS远方操作控制和实时调整。
  对于作为监控使用的信号点来说,系统要求这种类型的信号点具备快速响应的特征,能够在画面上至少以秒级的速率进行刷新显示(有的系统甚至要求画面刷新率在500ms)。另外,对于应用于控制的信号点,在快速响应的前提下,还需要有可靠性保证,即对于数据电文,理论上既不允许丢包,也不允许损坏(避免拒动和误动)。
  另外,对于EMS模型预测分析系统使用的信号点来说,系统要求数据点时效性高,所需能源实绩数据、设备状态、异常等数据及3个月以上SCADA稳定运行的生产数据作为建模使用,数据读写频度较高。
  因此,使用实时数据库处理随时间快速变化的海量数据,在企业能源管理系统的应用中是很重要的,它可以为用户提供高速、及时的实时数据服务,能够对快速变化的实时数据进行长期高效的历史存储,是现代企业能源信息化的核心基础软件。
  3.2 实时数据库应用方案
  在目前国内EMS建设中,大多数钢铁企业采用了Proficy iHistorian或inSQL等实时数据库,数据库应用架构如图2所示:
  针对不同行业不同类型的企业,实时数据库的数据来源方式也各不相同。总的来说数据的主要来源有DCS控制系统、由组态软件+PLC建立的控制系统、数据采集系统(SCADA)、关系数据库系统、直接连接硬件设备和通过人机界面人工录入的数据。
  根据采集的方式方法可以分为:支持OPC协议的标准OPC方式、支持DDE协议的标准DDE通讯方式、支持MODBUS协议的标准MODBUS通信方式、通过ODBC协议的ODBC通信方式、通过API编写的专有通信方式、通过编写设备的专有协议驱动方式等等。
  其中PLC包括:西门子、AB、施耐德等;DCS包括横河、Ovation、浙大中控等;电度表包括:许继、威盛、东方电子等。
  3.3 以Proficy Historian为例实时数据库配置方案
  ①Proficy Historian的组件有:
  数据采集器
  服务器
  管理器
  客户端
  API
  SDK
  ②其硬件集成架构如图3所示:
  ③在配置实时数据库前考虑的因素
  a在应用之前,归档管理方案必需先进行设计
  b在应用程序需要的基础上确定关键参数
  c要考虑到的一些因素:
  有多少数据需要一直在线?
  每个归档需要多大?
  实现归档备份的频率是多少?
  归档备份是怎样实现的?
  储存备份的介质是什么?
  ④配置数据库
  以某大型钢铁厂EMS系统为例,该项目中I/O TAG约15000点,按照TAG点的不同应用,在实时数据库中,2000点每秒钟存储一次,10000点每两分钟存储一次,3000点每5分钟存储一次,通过计算和实际运行,每个归档文件的大小设为2G。实际运行下来,大约4到5天自动生成一个归档。维护人员每半年用移动存储介质备份。
  ⑤归档文件压缩策略
  归档文件压缩分:无压缩存储和压缩存储两种。
  数据压缩过程:
  IF采样数据质量 = 缓冲采样数据质量
  IF新数值为BAD
  扔掉该值避免重复 BAD是扔掉新BAD值还是旧BAD值?
  ELSE
  确定新值是否超过归档压缩死区
  ELSE
  // 数据质量变化,将缓冲值刷新到盘文件中
  IF 已经超过死区或质量位变化
  // 将缓冲中旧采样值保存到归档文件
  // 用新采样值与写到盘文件中的数值设置新的死区
  4 结束语
  实时数据库目前在国内主要应用于电力、石油、化工、钢铁、环保等行业,在非流程工业和流程工业的信息化的实时监控体系建设中有着举足轻重的作用。由于实时数据库在存储能力、读取速度,分析展示等性能方面的优势,近年来实时数据库应用快速增长,随着工业化与信息化两化融合以及节能减排的深入推广,实时数据库在EMS的应用将逾渐广泛,并且逐步从大中型工业企业向中小型企业拓展。本文希望对同类项目的实施起到一定的借鉴作用。
  参考文献:
  [1]徐萍,黄卫超.iHistorian在宝钢LDG回收计算和管理系统中的应用,冶金自动化,2008,S1,380-382.
  [2]吕彦峰,熊昆鹏,李迎梅,段林磊.Wonderware软件在某钢铁厂生产管控项目中的应用,冶金自动化,2008,S1,169-171.
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