Введениевскадасистемы
 Скачать 3.5 Mb.
|
|
6. БАЗЫДАННЫХ В самом общем смысле база данных (БД) - это система хранения информации, обращение к которой осуществляется через средство управления базой данных (СУБД). На практике - это данные, рассортированные по уникальным идентификаторам и организованные в виде таблиц. Основное назначение БД - предоставить пользователю нужную информацию в нужном месте и в нужное время. И надо сказать, что по мере своего развития БД справлялись с этой задачей все лучше и лучше. Тем не менее, первые БД не совсем соответствовали ожиданиям. Организации и предприятия должны были бороться с огромными объемами дублированной и иногда противоречивой информации, предоставляемой, к тому же, различными и, зачастую, несовместимыми друг с другом способами. Отпрошлогокнастоящему Можно сказать, что путь развития БД - это путь все большего и большего отстранения программного обеспечения от физических структур данных. До появления БД информация хранилась в отдельных файлах. Самые первые системы управления файлами позволяли программистам создавать, записывать, обновлять и читать эти файлы. Файловая система имеет органический недостаток: программы должны точно "знать", где расположены данные. Как следствие - для определения адресов в развитых системах хранения данных необходимо применение довольно сложных, трудно оптимизируемых и модифицируемых алгоритмов. Первыми попытками абстрагирования программ от физических структур данных были индексные файлы, обеспечивающие доступ к информации посредством индексных ключей, т. е. для поиска записей в файле использовалась совокупность указателей. Такой подход решал определенный круг проблем, но индексным файлам по-прежнему были присущи многие ограничения, характерные для простых структур с единственной точкой входа. Сюда можно отнести, в частности, и неоптимальное хранение информации (дублирование, недостаточное структурирование), и значительное время поиска в больших файлах. В качестве возможного решения этих проблем явились иерархические БД. В таких базах элементы данных строго упорядочены, причем так, что данные одного уровня подчиняются (является подмножеством) данным другого, более высокого уровня. В такой модели связи данных могут быть отражены в виде дерева-графа, где допускаются только односторонние связи от старших вершин к младшим. Иерархические БД не получили широкого распространения. Реальный мир отнюдь не является иерархическим. Перспективнее оказались сетевые СУБД, учитывающие более сложные взаимосвязи между элементами, составляющими БД (теоретически, по крайней мере, допускаются связи "всех со всеми"). Управляющие программы для таких СУБД становились все более и более независимыми от физических структур данных. Но все равно необходимо знать, как управлять этими структурами. По-прежнему для таких моделей характерна сложность реализации СУБД, а сами программы остаются весьма чувствительными к модификациям. А поскольку каждый элемент данных должен содержать ссылки на другие элементы, требуются значительные объемы памяти, как дисковой, так и оперативной. Дефицит последней может приводить к замедлению доступа к данным, лишая сетевую БД основного ее достоинства - быстродействия. Процесс отделения программ от структур данных в конечном итоге завершили реляционные базы данных (РБД). В РБД все данные представлены исключительно в формате таблиц или, по терминологии реляционной алгебры, отношений (relation). Таблица в реляционной алгебре - это неупорядоченное множество записей (строк), состоящих из одинакового набора полей (столбцов). Каждая строка характеризует некий объект, каждый столбец - одну из его характеристик. Совокупность таких связанных таблиц и составляет БД, при этом таблицы полностью равноправны - между ними не существует никакой иерархии. Реляционная модель является простейшей и наиболее привычной формой представления данных. РБД позволили моделям данных отражать взаимосвязи прикладной области, а не методы программного доступа к данным и структурам данных. Это - огромный шаг вперед по нескольким причинам: • Отражающие прикладную область знаний модели данных являются интуитивно понятными конечному пользователю. • Реорганизация данных на физическом уровне совершенно не влияет на выполнение прикладных программ. Одним из важнейших побочных эффектов данного преимущества является появление клиент-серверных архитектур, сохраняющих все достоинства централизованного администрирования и управления данными, с одной стороны, и дружески настроенных по отношению к пользователю клиентских программ, с другой. • Благодаря нормализации удается избежать чрезмерного дублирования данных. Индустрия РБД в настоящее время вполне созрела. Условия на рынке сейчас диктует "большая пятерка": IBM, Informix, Microsoft, Oracle и Sybase. На нее падает львиная доля всех расходов на разработку БД. Можно выделить две категории приложений в БД: оперативная обработка транзакций (OLTP - Online Transaction Processing) и системы поддержки принятия решений (DSS - Decision Support System). OLTP-системы используются для создания приложений, поддерживающих ежедневную активность организации. Обычно это критические для деятельности приложения, требующие быстроты отклика и жесткого контроля над безопасностью и целостностью данных. DSS (Decision Support System)-системы поддержки принятия решений, как правило, крупнее, чем OLTP-системы. Обычно они используются с целью анализа данных и выдачи отчетов и рекомендаций. Пользователи должны иметь возможность конструировать запросы различной степени сложности, осуществлять поиск зависимостей, выводить данные на графики и использовать информацию в других приложениях типа электронных таблиц, текстовых процессорах и статистических пакетов. Еще более широкую поддержку в процессе принятия решений обеспечивают системы оперативной аналитической обработки (OLAP - Online Analytical Processing). КритерииоценкиБД Базы данных будут продолжать развиваться, а объемы информации в компьютерах - расти. Усложнение производственных процессов, "интеллектуа-лизация" контрольно- измерительных приборов, требования конечного пользователя относительно повышения объемов и качества информации делают это предположение особенно справедливым для промышленных условий. Однако наиболее важные критерии оценки БД останутся теми же самыми, а именно: • Повышает ли БД возможности конечных пользователей путем предоставления доступа к нужной информации в нужном месте и в нужное время? • Обеспечивает ли БД требуемый уровень открытости и гибкости запросов? • Легко ли сопровождать и использовать БД? Надежна ли она? • Широко ли распространена БД и хорошо ли поддерживается ее технология большим числом независимых производителей программного обеспечения? • Легко ли интегрировать БД с широким спектром иного программного обеспечения? • Широк ли спектр возможных применений БД? • Доступны ли по цене большинству пользователей аппаратные платформы, поддерживаемые БД? • Приемлема ли сама БД по цене для большинства пользователей? Клиент-серверныетехнологии Модель "клиент-сервер" в настоящее время стала доминирующей компьютерной архитектурой после того, как предприятия осознали преимущество объединения удобных персональных компьютеров с централизованными, надежными и отказоустойчивыми мэйнфреймами. Клиент-серверные системы одновременно используют вычислительную мощь как клиента, так и сервера, возлагая интенсивную обработку данных на сервер и оптимизируя сетевой трафик так, чтобы повысить общую эффективность работы (рис.6.1). Для интерфейса в клиент-серверных системах используется SQL - язык структурированных запросов (Structured Query Language). Он представляет собой средство организации, управления и поиска информации в РБД. Широкое признание SQL приобрел благодаря таким своим характеристикам, как: • независимость от поставщика; • переносимость на разные компьютерные платформы; • опора на реляционные принципы хранения информации; • высокоуровневая англоязычная структура; • интерактивное выполнение запросов; • полнофункциональный язык БД; • поддержка со стороны IBM, Oracle, Sybase, Microsoft и др. Язык SQL поддерживается всеми крупными поставщиками серверов БД и огромным большинством производителей различных прикладных средств разработки и языков. Рис. 6.1. Клиент-серверная организация. Базыданныхвпромышленнойавтоматизации С точки зрения организации информации заводская автоматизация несколько отстает от автоматизации офисной деятельности, при этом многие технологические и производственные БД основываются на устаревших и довольно негибких технологиях. Как правило, производственному персоналу всегда не хватает информации. Операторам, специалистам, ремонтному персоналу, начальникам - всем нужен доступ к текущим и архивным производственным данным, статистической и итоговой информации и т.д. Все они хотели бы иметь какое-то единое средство доступа к информации, например, с мощью и открытостью РБД. Однако, традиционные БД не всегда применимы в системах промышленной автоматизации. Можно выделить несколько основных ограничений: • Производственные процессы генерируют данные очень быстро. Чтобы хранить производственный архив системы, например, с 7500 рабочими переменными, в БД каждую секунду необходимо вставлять 7500 строк. Обычные БД не могут выдержать подобную нагрузку. • Производственная информация не вмещается! Многомесячный архив завода с 7500 рабочими переменными требует под БД дисковой памяти объемом около 1 Терабайта. Сегодняшние технологии такими объемами манипулировать не могут. • SQL как язык не подходит для обработки временных или периодических данных, типичных для производственных систем. В частности, чрезвычайно трудно указать в запросе периодичность выборки возвращаемых данных. 6.1. IndustrialSQL Server компании Wonderware IndustrialSQL Server компании Wonderware позволяет преодолеть перечисленные ограничения, впервые превращая реляционную технологию в разумное решение для систем промышленной автоматизации. Что же такое IndustrialSQL Server? IndustrialSQL Server - внутризаводской хранитель архивной информации, включая данные о событиях и соответствующих реакциях. IndustrialSQL Server представляет собой РБД, в которой учтена скорость поступления и объемы производственной информации. Он позволяет осуществлять сбор и запись данных в сотни раз быстрее, чем это делают обычные БД на аналогичной платформе, и при этом еще и занимает значительно меньше дискового пространства. IndustrialSQL Server - опора пакета промышленной автоматизации Wonderware FactorySuite200. Несмотря на то, что IndustrialSQL Server поставляется компанией Wonderware как самостоятельный продукт, он, в то же время, является одним из главных компонентов пакета FactorySuite2000, являясь, можно сказать, его "сердцем". Будучи интегрированным со SCADA-компонентом InTouch, IndustrialSQL Server способен накапливать при помощи серверов ввода/вывода информацию практически от любых измерительных приборов и устройств сбора данных. 6.1.1. Взаимодействие – причинауспеха IndustrialSQL Server - система управления РБД реального времени, использующая язык SQL. Выступая в качестве сервера БД, IndustrialSQL Server представляет собой расширение Microsoft SQL Server. При этом он обеспечивает скорость накопления данных более чем на порядок выше, характеризуется снижением размеров пространства хранения и реализует расширение языка SQL в области обработки данных, имеющих временные ярлыки (метки). Объединение серверов IndustrialSQL Server и Microsoft SQL Server незаметно для пользователя. Можно сказать, что IndustrialSQL Server превращает Microsoft SQL Server в сервер РБД реального времени. При этом клиенты могут напрямую обращаться к IndustrialSQL Server при помощи тех же утилит, что и используются сервером Microsoft SQL Server. Выбор Microsoft SQL Server в качестве основы для IndustrialSQL Server объясняется несколькими причинами. Во-первых, в мире существует более 200 миллионов пользователей Microsoft SQL Server. Во-вторых, Microsoft SQL Server является самой продаваемой БД для Windows NT. В-третьих, SQL поддерживается всеми крупными производителями серверов БД и большинством средств разработки и языков программирования. Что делает IndustrialSQL Server с точки зрения взаимодействия IndustrialSQL - MS SQL? • Сохраняет некритичную во времени информацию в БД Microsoft SQL Server. Вся технологическая информация сохраняется в специальных таблицах расширения. • Поддерживает пропускную способность, то есть обеспечивает сохранение огромных потоков информации с высокой разрешающей способностью. • Поддерживает целостность данных, то есть обеспечивает запись больших объемов информации без потерь. • Добавляет в Microsoft SQL Server свойства сервера реального времени. На рис. 6.1.1 показаны информационные потоки в системе управления. С одной стороны это данные, поступающие из различных источников для сохранения в БД, с другой - данные, запрашиваемые потребителями через интерфейс SQL сервера. Стандартным механизмом поиска информации на сервере IndustrialSQL Server является SQL, что гарантирует доступность данных самому широкому кругу приложений. В подмножество языка SQL входит расширение, служащее для получения динамических производственных данных из IndustrialSQL Server и позволяющее строить запросы на базе временных отметок. Все приложения, работающие с Microsoft SQL Server, могут также подключаться и к IndustrialSQL Server. Рис. 6.1.1. IndustrialSQL Server на основе MS SQL Server. Используемая в IndustrialSQL Server архитектура клиент-сервер позволяет заполнить промежуток между промышленными системами контроля и управления реального времени, характеризующимися большими объемами информации, и открытыми гибкими управленческими информационными системами. Благодаря наличию мощного и гибкого процессора запросов пользователи имеют возможность осуществлять поиск любой степени сложности для выявления зависимостей и связей между физическими характеристиками, оперативными условиями и технологическими событиями. 6.1.2. ХарактеристикаРБД IndustrialSQL Server. Функциональныевозможности Высокопроизводительный сервер. IndustrialSQL Server обеспечивает сбор данных в сотни раз быстрее, чем любые другие РБД, и сохраняет их на гораздо меньшем дисковом пространстве. Многоуровневая клиент- серверная архитектура служит мостом между управленческими и производственными сетями, предоставляя вышележащему уровню всю информацию в реальном масштабе времени. Опирающаяся на Windows NT Server многоуровневая архитектура представляет собой масштабируемое решение любых пользовательских требований. IndustrialSQL Server может использоваться как в небольших цехах с сотней регистрируемых технологических параметров, так и на крупных промышленных предприятиях с сотнями тысяч параметров. Уменьшение объема хранения. IndustrialSQL Server позволяет хранить данные на пространстве, составляющем небольшую долю от соответствующего объема обычной РБД. Фактический размер требуемого для хранения производственной информации дискового пространства определяется размером и сущностью операций предприятия, а также интервалом хранения предыстории его функционирования. Например, двухмесячный архив предприятия с 4000 параметров, опрашиваемых с периодичностью от нескольких секунд до нескольких минут, будет занимать около 2 Мб дискового пространства. Используемый алгоритм упаковки информации является алгоритмом сжатия без потерь, сохраняющим высокое разрешение и качество данных. Достоверность информации. Будучи сервером БД в составе пакета FactorySuite 2000, IndustrialSQL Server хранит наиболее полную информацию о производственных процессах. Сервер может накапливать производственную информацию с высокой разрешающей способностью, получая ее при помощи серверов ввода/вывода от более чем 600 различных контрольных и регистрирующих устройств, а также от станций InTouch и системы ввода/вывода InControl. Все эти данные объединяются сервером с конфигурационной, аварийной, итоговой информацией, сведениями о событиях, архивом InBatch, информацией системы контроля перемещения InTrack и прочими технологическими данными. Объединение данных предоставляет пользователю множество преимуществ, выводя его на новый уровень представления о состоянии и ходе производственного процесса. Такой объем информации может быть полезен лишь тогда, когда пользователь имеет на руках мощный процессор запросов, позволяющий обрабатывать и фильтровать необходимые данные. IndustrialSQL Server обладает всей мощью Microsoft SQL Server со всеми его средствами фильтрации, объединения и обработки данных. Конфигурационные параметры, как и вся предыстория модификаций, хранятся в "чисто" Microsoft SQL - таблицах, доступных через SQL. В процессе функционирования предприятия могут добавляться новые и удаляться существующие параметры, меняться описания и диапазоны измерений. Сохранение предыстории модификаций гарантирует соответствие конфигурационных параметров возвращаемым сервером архивным данным. Серверреальноговремени В язык запросов IndustrialSQL Server включены средства работы с временными характеристиками данных. Входящие в состав Wonderware FactorySuite серверы ввода/выводы используют новый протокол SuiteLink. В этом протоколе впервые была введена концепция отметок времени и качества информации, выставляемых серверами ввода/вывода. Кроме того, благодаря протоколу SuiteLink удалось еще более повысить скорость накопления информации. Системарегистрациисобытий Непрерывные данные наиболее полезны в контексте событий. Событие может представлять собой все, что угодно - завершение серии, изменение значения переменной, операции SQL по вставке, обновлению или удалению, заступление новой смены либо запуск оборудования и т.д., а также комбинации всего перечисленного. IndustrialSQL Server может различать и соответствующим образом реагировать на события. События могут инициировать определенные предписанные действия. Например, завершение очередного этапа может приводить к записи конечных значений этапа в таблицу серии, начало новой смены может запустить выдачу сменного отчета, запуск двигателя может привести к посылке определенного сообщения в ремонтную службу и т.д. Функции копирования облегчают тиражирование сводных данных и информации о событиях, что особенно важно при принятии различных управленческих решений. Гибкийоткрытыйдоступ Большая доля производственной информации имеет такие же характеристики, как и обычные деловые данные (например, конфигурационные или сводные данные). Информация подобного рода поддерживается средствами Microsoft, встроенными в IndustrialSQL Server, а именно, сервером Microsoft SQL Server. В производственных отчетах, как правило, содержится сводная (статистическая) информация. IndustrialSQL Server может автоматически обновлять сводные таблицы с заданной периодичностью, записывая в них средние величины, суммы, а также максимальные и минимальные значения. А имеющиеся клиентские приложения дают пользователям возможность выбирать именно те средства, которые наилучшим образом позволяют решать поставленные задачи. Хотя методы доступа и являются стандартными, безопасность данных никоим образом не ущемляется. IndustrialSQL Server опирается на средства ограничения несанкционированного доступа систем Microsoft SQL Server и Windows NT, гарантируя тем самым требуемый уровень защиты информации. IndustrialSQL Server представляет собой единственное место доступа к производственной информации и единую платформу разработки прикладных приложений для производства и связи с управленческими системами. Регистрация в системе, поддержание групп пользователей и управление доступом к БД упрощается благодаря Microsoft SQL Enterprise Manager. |