基于PI數據庫的數據管理查詢系統設計

上海電氣自動化設計研究所有限公司 成書睿

基于PI數據庫的數據管理查詢系統設計

上海電氣自動化設計研究所有限公司 成書睿

隨著污水處理廠規模的日益增大，數據管理查詢系統顯得尤為重要。針對污水處理廠自控SCADA系統，設計了基于PI實時歷史數據庫的數據管理系統。系統提供數據查詢、趨勢曲線、歷史報表、歷史報警、網頁發布等功能，經測試，系統穩定、操作實用、響應迅速，實現了對污水處理廠數據管理查詢的功能。

歷史數據庫；WEB 發布；數據查詢；趨勢曲線；報表

0 引言

污水處理廠的的設備、儀表眾多，需要保存歷史數據的監測點數量也很大，對監控系統的數據采集的實時性和存儲能力有較高的要求。廠區操作人員每天都需要根據現場儀表和設備參數填寫大量的表格，工作強度高、效率相對較低。針對上述問題，設計了基于PI歷史數據庫的數據管理系統。PI數據庫具有非常強的“吞吐量”和數據高度壓縮的數據存儲方式，是污水處理廠數據存儲的最佳選擇。數據管理系統可以替代人工作業、自動生成各種歷史報表，提供歷史趨勢曲線、報警查詢。系統簡化了操作人員工作，減輕了操作人員的負荷，提高了工作效率，是整個自控系統的核心組成部分[1]。

1 系統整體設計

數據管理查詢系統由2臺中央監控服務器（主從冗余配置）、1臺數據庫服務器、2臺操作員站計算機、1臺工程師站計算機、以太網交換設備、打印機等設備構成，采用星形100M以太網方式組成中心局域網，與5個PLC站通訊。其中4個PLC站為AB contrologix PLC，1個為施耐德140 PLC。網絡中計算機互相通迅、資源共享。系統采用分布式模式，2臺中央監控服務器即作為監控服務器同時也是I/O服務器，負責與網絡中各PLC站通訊，互相交互發送及接受數據，以及監控畫面的開發及顯示。數據庫服務器負責采集中央監控服務器中的數據，并存入實時歷史數據庫中。工程師站提供工作維護人員對整個系統的檢修及維護工作。操作員站提供整個數據管理系統的畫面操作及顯示，包括各儀表的歷史趨勢曲線、設備及儀表的歷史報警查詢、儀表的日報、月報以及設備的啟停操作的歷史查詢。系統網絡拓撲圖如圖1所示。

2 數據庫設計

數據庫是整個數據管理系統的核心組成部分，我們對數據的一切操作，包括定義、查詢、更新以及各種控制，都是通過數據庫進行的[2]，所以數據庫的選型、表結構設計直接影響到系統的處理能力、擴展性能，特別是與其他系統的數據共享的效率。本系統數據規模大，需要保存歷史數據的監測點數量也很大，對監控系統的數據采集的實時性和存儲能力有較高的要求，同時必須要有非常強“吞吐量”和數據高度壓縮的數據存儲方式。而一般關系型數據庫在數據量增大之后，其查詢速度明顯降低。基于以上考慮，采用工業實時歷史數據庫PI作為系統的數據庫[3]。

PI數據庫使用標簽歷史歸檔法。這種方法只記錄越過限值的數據，可以大量減少所需記錄的數據并能增加數值的準確性。具有數據過濾功能，當數據接口軟件采集到數據時，對其進行判斷，所有在限值范圍內的數據都將被過濾掉。所有通過例外檢測的數據將被送給數據庫，通過旋轉門壓縮算法壓縮后保存在歸檔文件中。

圖1 系統網絡拓撲圖

3 系統軟件部署

主從SCADA服務器設計安裝FactoryTalk View SE產品的服務端軟件，將擔負與各站點PLC控制器設備實時通訊的任務。同時該服務器還將擔任報警及圖形服務器，承擔報警及圖形服務任務。

實時歷史數據庫服務器將安裝FactoryTalk Historian SE產品，該服務器將作為系統的歷史數據庫，存儲實時數據，并為系統提供歷史數據訪問服務。部分管理用分析、統計計算也可以在該服務器上定時完成。

操作員站將安裝FactoryTalk View SE產品的客戶端軟件，生產調度人員將可以通過該軟件監視各子站的工藝過程、關鍵設備運行狀態，處理各種設備異常、事故，還可以查看分析歷史數據，優化生產流程。操作員站可以訪問數據服務器的歷史數據。

工程師站將安裝FactoryTalk View Studio軟件用于HMI 服務器的配置及管理、人機界面的開發。FactoryTalk View Studio可以實現標簽數據庫、報警、畫面等的在線管理，修改配置時，不影響操作員操作，修改配置后不需重啟服務器[4]。安裝FactoryTalk Vantagepoint軟件用來開發報表、曲線、歷史報警系統。

工程師站還將安裝FactoryTalkViewPoint Server軟件用于系統過程畫面的實時WEB發布。系統軟件部署圖如圖2 所示。

圖2 系統軟件部署圖

4 系統功能設計

4.1 歷史數據存檔

數據庫采樣存儲可通過統計生成分鐘數據、小時數據和日數據3種周期格式存儲[5]。采樣存儲數據包括平均值、最大值、最小值、有效性（正常、校準、故障）4項內容。1分鐘數據可保存最近7天；1小時數據可保存最近3個月（90天）；日數據可保存最近1年以上。數據備份周期不低于30天。

4.2 數據批量編輯功能

調用數據庫ExceDatalink功能模塊結合宏命令編寫程序，設計了數據批量編輯功能。功能支持批量修改任意指定時間的數據，方便用戶對系統異常數據進行更正。用戶可以在頁面中中選擇時間戳、數據庫變量名、數值變化范圍、變量個數等參數，對數據表進行檢索、批量修改、刪除及更新。用戶確認了各設置參數后，系統會自動生成符合PI數據庫數據導入格式的.CVS文件，并自動導入到數據庫中，所有操作會返回操作結果，方便用戶核對。所有涉及的數據在導入數據庫后會自動生成一個標志位，不會影響系統原有的數據。數據導入功能代碼如下所示。

Application.Run(“PIPutValx”, parameter 1, parameter 2, parameter 3, parameter4)

parameter 1 - tagname-數據庫中的變量名

parameter 2 - value - 希望寫入數據庫的變量值

parameter 3 - time stamp - 寫入數據庫的變量的時間戳

parameter 4 - result - 返回操作結果

4.3 報表及打印

使用vantagepoint軟件基于EXCEL編寫代碼設計了報表。界面基于excel的報表可以不受模板的約束，報表格式的自由度更高，更能滿足用戶的需求。報表查詢為用戶提供了：日報、月報報表。所有報表均可按界面上的打印按鈕進行打印。日報表和月報表，數據至少能保存一年。日報表按每小時采記。顯示的流量、風量、設備運行時間數據能分區段累計，進出水水質、提升泵站液位、生化池工藝參數、設備電流應能按區段平均。月報表中，各主要設備有運行時間累計值，并且按月統計相關項的累計與平均值。

在日報表設計中，使用DATATIME變量結合整點時間戳作為報表的時間戳顯示在第一列，儀表參數的值顯示的是1小時內的平均值，設備運行時間顯示的是設備啟停時間，若在查詢日期內無啟停記錄，則顯示當前的設備狀態。在月報表設計中，直接使用DATATIME作為查詢的時間戳，儀表參數顯示的是一天內的平均值。設計的各類運行報表，可以有效的減少操作員的工作負荷。確保數據的準確度。制作的報表可以在瀏覽器里查看，并集成在自控系統界面里查看。日報表部分代碼如下所示。月報表部分查詢結果如圖3所示。

Incuity.Functions.IncuityHistory(“”,Tags1,Sheet1!$A$6,Sheet1! $A$30,1,0,0,0,0,”Interpolative,”,”res3600000”,7,””,FALSE,”T agNames”,”ReduceNames;False;format23”,””,format23) ’tags1代表變量PH值，對其進行小時平均值查詢顯示

Incuity.Functions.IncuityHistory(“”,Tags7,Sheet2!$A$1,Sheet2! $C$1,1,0,0,0,0,””,””,1,””,TRUE,”Datetime,TagNames”,”Re duceNames;False;format8”,””,format8) ’tag7 代表變量1#粗格柵的運行，顯示一小時內歷史運行狀態。

IF(ISBLANK(Sheet2!AE7),TEXT(Sheet2!AE6,”當前狀態:”), TEXT(Sheet2!AE7,”hh:mm:ss”)) ’對1#粗格柵的歷史運行狀態進行篩選顯示。

圖3 月報表部分查詢結果

4.4 歷史趨勢曲線查詢

選中任意的過程數據標簽，用戶都可以直接瀏覽其相關的歷史趨勢。在歷史趨勢中用戶可以多種方式來瀏覽數據，查詢模式有有實時顯示、多條曲線分軸顯示，拖動趨勢光標查看某一時間的具體數值、使多條曲線以平行的方式顯示及比對等。曲線查詢有實時顯示、多條曲線分軸顯示、用戶可以隨時創建趨勢圖進行顯示并保存供以后使用。曲線查詢系統還可以選中某段曲線，使用分析功能，將該段曲線的所有歷史數據羅列出來，進行打印或保存。方便用戶對異常的曲線數據進行分析。

4.5 歷史報警查詢

系統將所有設備異常信號及儀表的超限報警，都存儲在數據庫中，并使用DATALINK INCURITY語句對這些報警歷史信息進行查詢。用戶可以選擇需要查詢的報警區域，并選擇時間段來進行查詢。報警信號被記入數據庫時采用“逢變則記“的原則，即報警信號的值每次跳變時才被記入數據庫，這樣可以減少占用數據庫的空間，同時也為歷史報警查詢提供了精確數據源。歷史報警查詢界面如圖4所示。

圖4 歷史報警查詢

4.6 WEB發布

系統具有WEB發布功能，所有的報表、歷史趨勢曲線、歷史報警查詢頁面都可以通過WEB Factorytalk ViewPoint軟件進行發布，通過IE瀏覽器訪問發布后的網址進行訪問及查詢。Web發布后可以使用戶能隨時隨地訪問工藝應用，可以幫助用戶降低總體成本并且無需對客戶端軟件進行安裝和維護，發布后的頁面設計吸收了用戶比較熟悉的當今最流行的瀏覽器的特性，使用戶在使用時更加直接和容易上手。發布后的頁面支持縮放，并且支持動畫顯示的網絡應用程序，用戶無論在辦公室、家里還是在路上都可查看生產實時信息。

4.7 系統集成功能

污水處理廠用戶會面對很對獨立的監控系統，如數據查詢系統、人機界面系統、視頻監控系統等。需要投入很多人力及設備來監控每個操作系統，保證系統的正常運作。本數據管理系統是獨立的數據查詢系統，同時具有集成功能。在將各查詢界面通過WEB發布后，在人機界面系統中使用Microsoft webbrowser控件、編寫VBA代碼實現了整個數據查詢系統與人機界面系統的集成。這樣的集成功能，簡化了用戶的操作，減少了監視設備的投入量，形成了一個完整的自控系統。系統集成代碼如下所示。

Sub ChangeURL()

On Error GoTo ErrHandler ’如果運行錯誤跳轉到錯誤提示句柄FinalURL= http://DATASVRQB/VantagePointPortal/getcontentviewer.aspx? ’web發布的地址

MicrosoftWebBrowser1.Navigate FinalURL ’在微軟WEB BROWSER控件上顯示發布的頁面

ErrHandler: ’錯誤提示句柄

Me.Application.LogDiagnosticsMessage “An error has occured on display VantagePointIntegration in the ChangeURL Routine. The Error is: “ & Err.Number & “ “& Err.Description

End Sub

5 小結

本數據管理查詢系統采用PI數據庫，以Factorytalk Historian軟件為基礎結合腳本開發，設計了基于實時歷史數據庫的數據管理查詢系統。系統具有數據存儲、數據查詢查詢、數據批量修改、歷史趨勢曲線查詢、報表查詢、歷史報警查詢、及WEB發布功能。整個系統可以集成到污水處理廠人機界面中，簡化了操作人員工作，減輕了操作人員的負荷，提高了工作效率，系統界面畫面美觀、功能強大、易于操作，運行穩定，具有較高的應用價值[6]。

[1]丁金華.基于以太網溫度采集與控制系統的設計與實現[J].科技信息,2012,29(10):62-63.

[2]張貝克,尉龍.組態軟件基礎與工程應用[M].北京:機械工業出版社,2011.

[3]ROCKWELL公司.Facytory Historian系統手冊[M].上海:2015.

[4]How automation archive creation works[EB/OL].(2014)[2014-3-12].http://literature.rockwellautomtion.com.

[5]Introduction to FT VantagePoint Trend ActiveX Control in FT View Site Edition[EB/OL].(2015)[2015-2-7].http://literature. rockwellautomtion.com/idc/document/ic.

[6]Backing up and Restoring FactoryTalk VantagePoint with Microsoft SQL Server 2005[EB/OL].(2014)[2014-2-2].http://literature. rockwellautomtion.com/idc/document/pm.

Design of Data Management and Query System Based on the PI Historian

Cheng Shurui

（Shanghai Electrical Automation D&R institute Co.，Ltd.，Shanghai 200023，China）

Along with the increase of scale of sewage treatment plant，data management and query system becomes more important.In view of the SCADA system of sewage treatment plant，this paper puts forwards a design of data management and query system based on the PI historian.The system provides many functions like data query，trend curve，historical report，historical alarm，web browser.After testing，the system is stable，simple and practical，responsive and can perform the function of data management and querying for the sewage treatment plant.

historian；WEB browser；data query；trend curve；report

成書睿（1985—），女，上海人，碩士，中級工程師，從事自動化系統集成工作。