1. 應用背景

根據企業信息化建設的一般性的總體設想，生產信息化的核心目標是建立面向生產執行過程的信息化系統，為了實現企業生產指揮中心根據生產過程的實時信息快速生成管理決策，通過對廠級過程數據的集成，使生產過程信息資源能夠連續、自動地與企業管理系統共享，從而不斷地提高生產流程的OEE（Overall Equipment Effectiveness 全面設備效率）和關鍵績效指標KPI（Key Performance Indicator）。生產管理決策的數據不僅僅來源于單一生產裝置，而是來自于整條生產線的、全企業級的甚至是跨地域、跨時區的協作制造平臺。 由于生產裝置和生產線控制系統規模大小不一（單一控制系統從幾十個I/O到幾千個I/O）、控制網絡結構復雜、與管理網絡的接口各有不同（軟件的接口和硬件的接口）。使得利用傳統的關系型數據庫全面地、實時地集成廠級生產過程數據非常困難。

iHistorian實時歷史數據庫平臺利用標準的軟、硬件接口技術，快速、高效地從生產線控制系統中直接取得第一手現場實時數據，并且利用先進的實時數據庫技術完成海量數據的高效壓縮和安全存儲，為建立其他實時生產管理系統（如生產成本動態跟蹤系統、生產實時調度系統、設備故障診斷、經濟運行、產能優化、質量管理、生產過程可視化等）提供各種在線（如產量、溫度、流量）或離線（配方、質量分析、實驗數據）的過程數據。從而為消除信息孤島、實現資源共享以及MES分布式的應用建立基礎數據庫平臺。

2. 應用架構

2.1 基于iHistorian的生產信息化應用平臺

如圖1所示，利用iHistorian構建MES的系統應用架構分為數據采集部分、數據存儲部分、數據管理部分和數據應用部分，具體如下：

構建車間的控制室或者生產裝置的局域網，并可以介入到企業的骨干網 構建基礎生產過程或者控制系統數據的采集接口（PC-BASED接口站、HMI、SCADA軟件、OPC接口）iHistorian實時歷史數據庫服務器以及歸檔文件

針對iHistorian的遠端維護：Web-Based或者Windows-Based遠程管理和維護

生產應用：如生產過程可視化應用，統計計量應用，批次管理應用，Web發布應用等與企業管理系統的接口，如面向SAP的ODA、格式文件、面向關系型數據庫訪問的OLE DB等等

3. iHistorian體系結構

3.1 存儲的數據對象

普通的關系型數據庫的設計和應用主要是面對離散的，非連續的，不帶有時間標識的數據對象，并通過二維表的方式來表現和建立數據之間的關系，例如訂單信息、人事信息、銷售數據。

作為實時歷史數據庫主要的存儲對象生產過程數據，它有以下主要特點：連續性、帶時標，例如現場的溫度、壓力等模擬量 基于時間的連續的事件記錄，例如閥門開關、電機起停等開關量 離線手工數據，例如批次信息，條碼、試驗報告 這種復雜特性的存儲對象的決定了iHistorian具有與關系型數據完全不同的體系結構。iHistorian具備良好接口，直接采集自于各個不同的控制系統的生產過程數據。

3.2 數據庫的存儲結構

如果利用關系型數據采集過程數據，首先要預設大量的表，可能包括：數據點的定義表、訪問權限級別分類表、訪問者權限分配表、原始數據記錄表、更新數據表、數據類型定義表、系統消息表等等，如圖2顯示了一個利用MS SQL數據庫的系統設計。

其系統結構復雜，而且對開發和集成人員而言要編寫大量的腳本存儲進程做大量的開發工作，由于來自現場的數據都是實時刷新的，海量的，所以這種復雜的體系結構必然導致在數據存儲和回取使用的效率較低，從而影響整個廠級信息化應用的效率。

iHistorian采用了分布式的數據采集結構和二級壓縮的存儲結構（如圖3）： 在前端控制系統的上位機安裝采集器Collector，該采集可以實時捕捉當地SCADA、HMI節點、OPC服務器或者手工錄入的實時數據，在壓縮之后發送送給iHistorian服務器。這種采集器可以分布安裝在不同控系統的接口站上。

這種采集架構的好處就在于前端分布很多采集器時，不會因為iHistorian服務器的無法響應或者網絡鏈路中斷而導致數據丟失。采集器可以自動將過程數據緩存在本地緩沖區內，當iHistorian服務器響應采集器請求或者物理鏈路恢復后，采集的數據可以自動恢復到iHistorian中。這個特性充分保障的數據的完整性。

由于來自于不同的控制系統的過程數據之間可能有時間上的相關性，所以iHistorian可以對來自不同采集器的數據進行自動的時鐘補償，以保障數據分析的有效性。

iHistorian提供采集死區壓縮和歸檔存儲壓縮兩種手段壓縮記錄過程數據。

采集死區壓縮是指在接口站端，采集器將所采集的的過程數據根據預定義的死區過濾后發送給iHistorian，如果該死區定義為0，則表示如果該標簽的當前值與前一個值不同，則把當前值發送給iHistorian，如果完全一致的化，該值被過濾掉。

歸檔存儲壓縮采用基于變化率的矢量壓縮，原理如圖4： iHistorian判斷來自于采集器的數據如果數據點C落在A和B點的直線上或者在斜率的變化的死區范圍內，則B點數據不被記錄到數據文件，在采集到E點數據時，直線DE的斜率相對于CD斜率的變化已經超過了死區的限制，所以D點數據被記錄到數據文件。同理G點數據被記錄到數據文件。在圖4中B、C、E、F、H、I點的數據都被壓縮處理而沒有記錄，但是通過插值的算法可以回取到這部分數據。 在歸檔存儲壓縮中，斜率的變化率是可以由用戶針對不同的I/O點的具體情況單獨定義的。如果定義為0%，意味著過程數據一旦脫離原有斜率就將被記錄，此時數據的存儲是無損的。

通過以上的壓縮方式，可以極大地提高經濟存儲的性能，經過測試，每秒紀錄500個浮點數， iHistorian和關系型數據庫存儲空間比較如下（存儲空間和數據變化率不同而有所不同）：

可以記錄一筆線性的過程數據，而不論紀錄多長時間。

3.3 系統性能

3.3.1 數據的采集

iHistorian可以以20000次/秒處理數據讀寫事件、數據記錄毫秒級的時間分辨率、采集器可以提供100ms的數據采集速度、單臺服務器10萬個標簽點記錄能力、數據計算采集器提供直接針對過程數據的計算引擎和腳本開發工具，可以直接將計算結果存儲到iHistorian。

3.3.2 系統管理和維護

iHistorian提供存瘦客戶端的系統維護能力，即通過IE瀏覽器，在遠端就可以完成對iHistorian的全功能免編程維護，包括系統狀態跟蹤、標簽點的增刪、壓縮比修改、用戶權限管理、采集器的起停、歸檔文件的備份等。例外iHistorian提供的電子簽名的功能可以提供更為強大的安全管理的能力，甚至可以指定不同用戶針對不同的的標簽點的操作能力，并將這些操作過程也記錄到歷史數據庫中，用于操作跟蹤，由于該功能符合并通過21CFR Part11的認證，所以可以直接用于醫藥行業。

3.3.3 數據應用 iHistorian提供多種數據接口，通過OLE DB、可以使用標準的SQL語句查詢iHistorian中的歷史數據、系統消息、標簽點等，如下語句：

Select Timestamp, Value From ihRawData where Tagname = Temp1 ；

And Timestamp >Today ；

And IntervalMilliseconds = 1Hour ；

And CalculationMode = Average ；

該語句實現了針對當天Temp1每間隔1個小時的平均值，返回結果如下：

如果利用MS SQL記錄歷史數據，要完成諸如基于時間的平均值、插值等查詢一定要編寫大量的復雜的代碼和存儲過程，針對原始數據建立索引和排序也有很大性能上的犧牲，而且回取效率很低。

另外還iHistorian提供EXCEL Addin報表工具、iClient客戶端、infoAgent智能化數值分析工具、API SDK 接口工具，這些接口的效率極高，例如在iClient的同一個趨勢圖中同時查詢10筆一年前的兩個月周期的歷史趨勢，刷新可以在3秒以內完成。

4. 總結

綜上，基于iHistorian的解決方案（如圖5）同時解決了生產過程數據的實時采集、經濟存儲、安全應用等幾個方面的問題，所以完全可以作為生產信息化建設基礎數據庫平臺來應用，從而：

·實現生產指揮中心對各生產工藝環節的生產和設備的過程可視化監視；

·實現現場生產數據的實時/歷史趨勢記錄，并對生產數據及設備狀態進行自動統計、分析、處理，通過對生產過程數據的智能化分析報表和報告應用，為高層管理人員生產經營決策提供及時可靠支持；

·實現生產現場和各子系統模塊之間進行數據交換，把全公司的信息上下左右貫通起來、建立生產管理和生產控制承上啟下的通路，實現廠級信息的集成和共享；

·隔離企業管理系統和底層控制系統，確保控制系統的穩定運行，不影響現場的生產。

利用實時歷史數據庫，可以保護企業在IT或者ERP上的投資，使企業的管理系統運行在實時生產過程數據的基礎上，從而提高產品質量、縮短制造周期、提高全面裝備效率、提高人工效率、提高企業信息化建設的滿意度。