Informator Techniczny nr 7
06-11-1998

Wonderware IndustrialSQL Server

Wstęp

Jakie zadanie maja bazy danych w obecnym świecie?

Mają wspomagać procesy decyzyjne (biznesowe) poprzez upraszczanie i automatyzowanie analiz danych a wiec poprzez dawanie użytkownikom odpowiedniej informacji o odpowiedniej jakości (wiarygodności i spójności) w odpowiednim miejscu i w odpowiednim czasie.

Patrząc jednak w historie baz danych można dojść do wniosku ze nie od razu spełniano ten warunek. Wczesne rozwiązania baz danych stosowane wtedy tylko i wyłącznie w biurach, a nie w procesach technologicznych zawierały dość duże ilości danych często powtarzanych i niespójnych ze sobą, reprezentowanych często w niezgodnych ze sobą formatach. Dopiero relacyjne bazy danych rozwiązały szereg niedoskonałości wcześniejszych rozwiązań i stały się de facto standardem architektury baz danych.

Jednak co się okazuje? W kontekście zastosowań baz danych w automatyce przemysłowej, konwencjonalne systemy zarządzania relacyjnymi bazami danych maja szereg ograniczeń i w swojej postaci wyjściowej nie nadają się do stosowania w przemyśle. Oczywiście taki stan rzeczy sprowokował firmę Wonderware do utworzenia produktu o nazwie IndustrialSQL Server, który ma za zadanie rozwiązać wszystkie istniejące ograniczenia i być kompletnym rozwiązaniem dedykowanym dla zaspokojenia potrzeb przemysłu.

Ewolucja w zarządzaniu informacja

Prześledźmy historie rozwoju baz danych w szczególności jeśli chodzi o zastosowania w przemyśle.

Pierwsze komputery nie były w stanie w ogóle zbierać jakichkolwiek danych o jakiejkolwiek długości. Programiści i użytkownicy wkrótce zdali sobie sprawę z wartości danych zbieranych w celu przeliczeń i analiz i wraz z rozwojem mocy obliczeniowej komputerów oraz pojemności nośników danych, bazy danych zaczęły się dynamicznie rozwijać i nic nie wskazuje na to aby miało się to zmienić w najbliższej przyszłości.

Systemy zarządzania informacja w przemyśle i systemy sterowania zawsze pozostają w tyle w implementacji nowoczesnych technologii informatycznych i bazy danych nie są tu żadnym wyjątkiem.

Zanim w ogóle bazy danych ujrzały światło dzienne, dane były składowane w plikach. Wczesne systemy zarządzania plikami były zaprojektowane tak aby wspomagać programistów w tworzeniu, zapisywaniu, uaktualnianiu i czytaniu plików. Nota bene sterownik PLC zarządza danymi w dosyć podobny sposób, pozwalając na odczyt odpowiedniej zmiennej poprzez odczytanie odpowiedniego rejestru sterownika. Program sterujący musi wiedzieć dokładnie gdzie znajduje się na dysku dana wartość aby ja odczytać, a do odczytu wartości potrzebne są czasami dosyć skomplikowane algorytmy wyliczające położenia danych.

Pierwsza próba oderwania programów od fizycznych struktur danych były indeksy a ściśle pliki indeksowe. Dawały one dostęp do konkretnych danych poprzez specjalne klucze indeksowe. Np. typowe pliki historyczne programów wizualizacyjnych (takie jak pliki *.lgh programu Wonderware InTouch) są indeksowane (czyli porządkowane) za pomocą indeksów (w przypadku programu InTouch są to pliki *.idx). Tak wiec znając nazwę zmiennej , która chcemy odczytać możemy łatwiej i szybciej znaleźć miejsce w pliku gdzie znajdują się wartości tej zmiennej za wymagany czas. Pliki indeksowe mimo wszystko maja jednak szereg ograniczeń jakie musi mięć plaska struktura plików z jednym punktem dostępu.

W związku z tym wymyślono hierarchiczne bazy danych. Ten rodzaj baz porządkuje dane w hierarchie, gdzie jednak kategoria danych jest podzbiorem innej kategorii. Np. fabryka ma kilka linii produkcyjnych, każda z nich ma pewna ilość maszyn, w każdej maszynie jest pewna ilość pomiarów (czyli zmiennych). Ten sposób gromadzenia i przedstawiania danych działa dobrze tam gdzie użytkownik przegląda dane w sposób związany z ich hierarchią, ale w sytuacji kiedy np. wymagany jest raport zawierający dane nie związane z powodami awarii linii produkcyjnej, ale związane z konkretnym produktem czy transzą (wsadem) mógłby być zarówno skomplikowany jak i mało efektywny.

A ponadto ponieważ nasza rzeczywistość nie jest hierarchiczna, wiec z czasem powstały sieciowe bazy danych, które mogłyby pomieścić bardziej skomplikowane, sieciowe relacje pomiędzy danymi. Chociaż programy odczytujące dane były już dużo mniej zależne od fizycznych struktur danych, tym niemniej musiały one wiedzieć jak poruszać się po tych strukturach i były zależne od jakichkolwiek zmian.

Większość systemów zarządzania informacja z produkcji (Production Information Managment Systems - PIMS) dostępna dzisiaj bazuje na hierarchicznych lub sieciowych modelach danych i podlega wszystkim ograniczeniom wymienionym wcześniej. Czasami można spotkać próby wykorzystania biurowych baz danych do zbierania danych z procesów, ale okazuje się ze aby efektywnie zarządzać informacja pochodząca z procesów przemysłowych potrzeba mięć cos więcej niż to co jest dostarczane przez standardowe systemy zbierania i udostępniania danych przeznaczone dla biura.

Systemy zarządzania relacyjnymi bazami danych

W końcu relacyjne bazy danych odseparowały programy od struktur danych i pozwoliły modelom danych efektywnie odzwierciedlać środowisko w którym te dane były zbierane. Był to duży skok naprzód i to z co najmniej kilku powodów.

Modele danych, które odzwierciedlają środowisko, w którym zbierane są dane, są intuicyjne dla użytkowników tych danych (niekoniecznie dla programistów)

Wyobraźmy sobie środowisko produkcyjne fabryki. Zmienne analogowe (odnoszące się do pomiarów w procesie) maja swoja informacje konfiguracyjna (nazwa pomiaru, opis pomiaru, jednostki inżynierskie), maja także swoja historie pomiarów, a także limity alarmowe. Każda zmienna może należeć do jednej lub wielu grup zmiennych (np. do grupy zmiennych należących do pompy A lub do grupy zmiennych zawartych na oknie synoptycznym B itd.). Uproszczona struktura danych odzwierciedlająca środowisko produkcyjne jest pokazana poniżej.

Elegancja relacyjnego modelu danych jest jeszcze bardziej oczywista kiedy weźmiemy pod uwagę różnego rodzaju zapytania, które mogą być wykonywane względem tej struktury, np. użytkownik może pytać o następujące rzeczy:

· bieżące wartości wszystkich zmiennych będących w stanie alarmowym,

· listę zdarzeń (chwil czasowych) kiedy zmienne należące do pompy A weszły w stan alarmowy,

· listę zdarzeń (chwil czasowych) kiedy zmienne mierzone w stopnia Celsjusza weszły w stan alarmowy,

· wszystkie limity alarmowe dla zmiennych.

Możliwości tworzenia zapytań są właściwie nieskończone, ponieważ relacyjny model danych może zawierać w sobie wiele struktur hierarchicznych i sieciowych powiązań, łącznie z możliwością tworzenia przekrojowych widoków. Relacyjny model danych daje użytkownikom maksimum elastyczności, a zapytania specyfikują rodzaj danych jakie maja być odczytane i zanalizowane a nie sposób w jaki je odczytać.

Dane mogą być kompletnie zreorganizowane na poziomie fizycznym bez wpływu na programy aplikacyjne z nich korzystające

Ważnym skutkiem ubocznym tej zalety jest pojawienie się architektury klient-serwer oferującej możliwość centralnej kontroli i administracji danymi wraz z jednoczesna łatwością używania (user friendly) programów klienckich odtwarzających i analizujących dane.

Powtarzające się dane mogą być zredukowane poprzez normalizacje

Normalizacja jest to proces porządkowania bazy danych polegający na usunięciu powtarzających się danych i umieszczeniu ich w osobnej tablicy a następnie odpowiednim zdefiniowaniu relacji/ Np. zamiast mięć tablice klientów i dla każdego z nich wpisywać nazwę firmy i jej adres, można mięć tablice klientów-osób oraz tablice klientów-firm i powiązać osoby z tablicy osób z odpowiednimi firmami w tablicy firm za pomocą relacji. W ten sposób jeżeli zmieni się np. adres firmy to jednokrotna zmiana adresu w tablicy firm spowoduje automatyczne poprawienie danych osób.

Dobrze zaprojektowany i znormalizowany model danych potrzebuje mniej miejsca na dysku twardym i minimalizuje możliwość powstawania niespójności danych wtedy gdy te same dane są powtarzane w różnych miejscach bazy.

Być może ważniejsze niż zalety właściwe dla relacyjnych baz danych były zalety związane z przemysłowym super-standardem - językiem SQL (Structured Query Language - język zapytań strukturalnych). SQL jest językiem używanym przez programy aplikacyjne w celu komunikowania się z bazami danych i został przyjęty przez wszystkich znaczących producentów baz danych i programów klienckich do pobierania i analizy danych. Jest to wiec język rozumiany i używany przez wszystkich, przez co zapewnia wspólna podstawę dla zarządzania danymi, definicja danych i ich przetwarzaniem.

Język SQL i interfejs ODBC[1] udostępniają poziom otwartości systemów nie spotykany dotąd w środowisku informatyki przemysłowej. Stad w krótkim czasie mogą powstać setki narzędzi klienckich zdolne do tworzenia zapytań o dane według tych standardów. Przykładem mogą być narzędzia przeznaczone przez firmę Wonderware do współpracy z IndustrialSQL Server’em takie jak:

· QuickLook - program do szybkiego odtwarzania danych zbieranych przez IndustrialSQL Server’a w formie tabel liczbowych.

· Trend - program do tworzenia wykresów na podstawie danych zbieranych w IndustrialSQL Server.

· Vector - program do tworzenia wykresów x-y na podstawie danych z IndustrialSQL Server’a.

· IndustrialWorkbook - dodatek do Excel’a ułatwiający pobieranie danych z IndustrialSQL Server’a i wstawianie ich do arkusza Excel’a.

Ponadto szereg producentów niezależnych od Wonderware oferuje swoje dodatki wspomagające odzyskiwanie i analizę danych z IndustrialSQL Server’a, żeby wspomnieć tylko:

· DataWorks Calc - dodatek do programu Excel wspomagający i automatyzujący tworzenie raportów na podstawie danych pobieranych z IndustrialSQL Server’a.

· DataWorks Report - dodatek do programu Microsoft Word wspomagający tworzenie raportów w oparciu o dane z IndustrialSQL Servera, mający pełne możliwości formatowania wyglądu raportów oraz pełne możliwości tworzenia zapytań SQL.

· DataWorks View - oprogramowanie pozwalające na tworzenie graficznych ekranów odzwierciedlających stany zmiennych zbieranych przez IndustrialSQL Servera (dotyczy zarówno bieżących jak i historycznych wartości), np. oprogramowanie pozwala na szybkie prze-analizowanie na graficznym obrazie co się działo z systemem w czasie ostatniej awarii, itd.

· Web@aGlance Tools for IndustrialSQL - narzędzia umożliwiające podgląd aplikacji programu InTouch poprzez siec Internet, ekrany aplikacji są animowane na podstawie danych pobieranych z IndustrialSQL Server.

· INFINITY Database Replication to MS SQL Server - oprogramowanie narzędziowe pozwalające na łatwe skonfigurowanie replikowania danych z bazy IndustrialSQL Server’a do zakładowych baz danych

Rozszerzenia w relacyjnych bazach danych

W momencie, w którym relacyjny model baz danych uzyskał powszechna akceptacje, wielcy producenci systemów zarządzania bazami danych skupili się na poszerzaniu funkcjonalności, zwiększaniu wydajności i dodawaniu nowych cech tak aby zyskać jak największy udział na rynku. W ten sposób dodano m.in.:

· Procedury zachowane (stored procedures) - są to zbiory poleceń SQL które są skompilowane i zapisane w bazie danych. Procedury zachowane są szybsze niż normalne polecenia SQL, redukują ilość przesyłanych danych przez siec i mogą w sobie ukrywać przed użytkownikiem złożoność poleceń SQL (użytkownik w końcu wymaga danych a nie informacji jak one są pobierane).

· Wyzwalacze (triggers) - wyzwalacze są to polecenia SQL automatycznie wywoływane przez serwera bazy danych w związku z zaistnieniem zdarzenia. Wyzwalacze są często używane aby zapewnić integralność danych oraz tam gdzie wymagane jest wykonanie pewnych czynności związanych ze zmiana danych (audyt czy śledzenie zmian).

· Replikowanie i rozproszenie danych - dla zapewnienia odpowiedniej wydajności, bezpieczeństwa i dostępności danych często wymaga się aby dane były replikowane na inne (zdalne) bazy danych. Np. ktoś może życzyć sobie aby replikować podsumowanie danych produkcyjnych z serwera zbierającego dane z produkcji do głównego serwera zakładowego.

· Interfejsy do innych systemów - w chwili kiedy używanie poczty elektronicznej stało się normalnością, dostawcy baz danych wprowadzili odpowiednie interfejsy pozwalające na wysyłanie komunikatów zawierających dane (np. dzienny raport z produkcji) lub wysyłanie komunikatów w zależności od wartości odpowiednich danych (np. jeżeli wydajność maszyn spada poniżej 90% wysyłany jest komunikat do szefa produkcji). Ponadto każdy dostawca baz danych za punkt honoru stawia sobie dostarczenie możliwości eksponowania danych poprzez sieci Internet/Intranet.

Rynek relacyjnych baz danych jest obecnie dosyć rozwiniętym rynkiem. Został on zdominowany przez “wielka piątkę” (IBM, Informix, Microsoft, Oracle i Sybase), która posiada lwia cześć rynku.

Środowisko aplikacji bazodanowych można z grubsza podzielić na dwie kategorie:

· Systemy przetwarzania transakcji (Online Transaction Processing - OTP) - są one używane do tworzenia aplikacji wspomagających codzienne czynności biznesowe. Są to z reguły aplikacje o krytycznym charakterze dla przedsiębiorstwa, wymagające krótkiego czasu odpowiedzi na awarie i ściślej kontroli bezpieczeństwa i integralności danych.

· Systemy wspomagania podejmowania decyzji (Decision Support Systems - DSS) - są to z reguły systemy większe niż systemy przetwarzania transakcji. Są one używane do analizy danych i tworzenia raportów. Musza one pozwalać na odpowiednia elastyczność w dostępie użytkownika do danych. Użytkownicy musza być w stanie konstruować zapytania, wyszukiwać powiązania pomiędzy danymi, odzwierciedlać dane na wykresach, a także używać danych w innych aplikacjach takich jak arkusze kalkulacyjne (np. Excel), edytory tekstu i pakiety do obróbki statystycznej danych.

Systemy informatyczne w automatyce przemysłowej

Zwykle systemy informatyczne w automatyce przemysłowej pozostają w tyle w stosunku do biznesowych systemów informatycznych o kilka dobrych lat i w związku z tym wiele baz danych wykorzystywanych obecnie w przemyśle korzysta jeszcze ze starych modeli baz danych.

Z kolei pojawia się coraz więcej potrzeb dotyczących zarówno aplikacji przetwarzających dane jak i tez wspomagających procesy decyzyjne. Systemy śledzenia produkcji, systemy zarządzania procesami wsadowymi, systemy zarządzania partiami materiałowymi to typowe zagadnienia pojawiające się coraz częściej w nowoczesnych fabrykach.

Personel związany z produkcja zwykle odczuwa głód informacji o procesie. Operatorzy, inżynierowie, personel utrzymania ruchu i personel kierowniczy potrzebują dostępu do informacji o procesie - zarówno bieżącej jak historycznej, do informacji o zaawansowaniu produkcji, do informacji statystycznych czy tez do podsumowań i zestawień. Najlepiej widzieliby oni jedno miejsce gdzie te wszystkie informacje byłby zgromadzone, a podświadomie chcieliby czerpać korzyści również z otwartości i mocy technologii relacyjnych baz danych.

Dlaczego w takim razie relacyjne system baz danych nie są do tej pory powszechnie używane w fabrykach?

Jest kilka powodów, ale przede wszystkim konwencjonalne systemy relacyjnych baz danych nie maja wystarczającej wydajności. Poniżej przedstawiono największe systemy wspomagania decyzji stosowane w biznesie[2]:

Największa z powyższych baz danych to system gromadzący tylko dane tekstowe zorganizowane w nie relacyjnej bazie danych o własnym, nie standardowym formacie. Największa relacyjna baza danych liczy 20 miliardów wierszy. Czy jest to dużo czy mało?

Fabryka mająca 7500 zmiennych zapisywanych raz na sekundę może wygenerować 20 miliardów wierszy danych... w ciągu miesiąca. Ponieważ koszt wdrożenia każdego z systemów podanych w powyższej tablicy wynosi miliony dolarów, staje się jasne dlaczego technologia konwencjonalnych baz danych nie jest adekwatna do zastosowania w obszarze zbierania danych z duża rozdzielczością pochodzących z procesów technologicznych.

Ponadto istnieją jeszcze dodatkowe powody:

· Procesy technologiczne generują dane bardzo szybko. Aby zapisać kompletna historie pracy fabryki z 7500 zmiennych zmieniających się co 1 sekundę, do bazy musi być wprowadzane 7500 rekordów na sekundę. Konwencjonalne systemy relacyjnych baz danych mogłyby mięć problemy z osiągnięciem i stabilnym utrzymaniem takiej szybkości.

· Procesy technologiczne generują duże ilości danych. Fabryka z 7500 zmiennych potrzebowałaby około 1 terabajta przestrzeni dyskowej aby zachować dane w konwencjonalnej bazie danych (w której nie ma kompresji danych).

· Standardowy język SQL nie jest adekwatny do pobierania danych uwarunkowanych czasowo lub do pobierania serii danych. Np. jest niezwykle trudno jest napisać zapytanie, w którym zadana byłaby przez użytkownika rozdzielczość podawanych danych.

Pamiętajmy również o tym, ze kluczowa cecha relacyjnych baz danych musi być możliwość tworzenia zapytań specyfikujących rodzaj danych jakie maja być podane, a nie sposób ich odczytu z bazy danych

Relacyjne bazy danych czasu rzeczywistego

Baza danych Wonderware IndustrialSQL Server jest pierwsza relacyjna baza danych, która zawiera w sobie:

· przygotowanie na szybkość i duża objętość danych generowanych przez proces technologiczny,

· pobieranie i zachowywanie danych setki razy szybciej niż konwencjonalne systemy baz danych,

· a także zajętość danych będąca ułamkiem tego co zajmują inne systemy.

Język IndustrialSQL stanowi uzupełnienie standardowego języka SQL poprzez poszerzony zakres instrukcji operujących danymi w dziedzinie czasu.

Serwer bazy firmy Wonderware zawiera w sobie pełna wersje oprogramowania Microsoft SQL Server (licencja ta jest udzielona firmie Wonderware przez firmę Microsoft na podstawie umowy typu OEM - Original Equipment Manufacter), która udostępnia relacyjny model danych, a także zawiera obsługę replikowania baz danych oraz integracji z poczta elektroniczna e-mail i siecią Internet.

Dzięki zastosowaniu oprogramowania Wonderware IndustrialSQL Server tablice bazy danych zawierające informacje o zdarzeniach w systemie mogą rezydować na tym samym serwerze danych, na którym znajdują się dane na temat historii procesu (generowane przez program Wonderware InTrack), dane na temat poszczególnych transy produkcyjnych (obsługiwane przez program Wonderware InBatch) czy tez dane statystyczne (tworzone przez moduł Wonderware SPC Pro obecny w programie wizualizacyjnym Wonderware InTouch). Wszystkie te moduły dają informacje wymagana w procesie podejmowania decyzji w nowoczesnym zakładzie pracy.

Dzięki powstaniu IndustrialSQL Server technologia relacyjnych baz danych wkroczyła do fabryk i mogą z niej czerpać zyski także ludzie związani z danymi z produkcji a nie tylko personel administracyjno-ekonomiczny zakładu pracy.

Trendy w technologii baz danych

Technologia baz danych będzie w najbliższych latach ewoluowała w następujących kierunkach:

· trójwarstwowa architektura klient-serwer - trójwarstwowa architektura pozwala programistom na przesuniecie logiki działania aplikacji z poziomu komputera/aplikacji-klienta lub serwera na pośredni poziom - poziom działania modułu transakcyjnego. Do implementacji tej warstwy będą coraz częściej używane rozproszone obiekty bazujące na choćby na architekturze Microsoft o nazwie Windows DNA i używające modeli obiektów takich jak DCOM (Distributed Common Object Model) czy CORBA. Powinno to zaowocować powstawaniem wydajnych narzędzi do analizy, systemów śledzenia produkcji czy zarządzania produkcja wsadowa

· Universal Data Access - ta nowa technologia firmy Microsoft pozwala na dostęp do wszystkich typów danych poprzez jeden uniwersalny model obiektów. Wykorzystuje ona nowoczesny standard dostępu do danych zwany OLE DB. Aplikacje-dostawcy danych OLE DB (OLE DB provider) będą znajdować się na wierzchołku wszelkich rezerwuarów danych takich jak systemy poczty elektronicznej czy systemy plików oraz katalogów i będą udostępniać dane specyfikowane w zapytaniach SQL. Z kolei technologia ActiveX Data Objects (ADO) udostępnia zestaw interfejsów do programowego dostępu do danych. Te techniki pozwala na oddzielenie rezerwuarów danych i modułów przetwarzających zapytania, co pozwoli na używanie zdalnych rezerwuarów danych jako części rozproszonych baz danych. Np. lokalna stacja operatorska może zawierać pewna bazę danych będąca częścią całościowej, zakładowej bazy danych.

· Remote Data Services (RDS) i Active Server Pages (ASP) - Internet mimo całej swoje uniwersalności zastosowań dodaje również pewne nowe problemy w dostępie do baz danych, a mianowicie brak ciągłości połączenia pomiędzy klientem i serwerem danych. W związku z tym powstały dwa modele dostępu do danych poprzez siec Internet:

§ RDS jest to zestaw komponentów które udostępniają infrastrukturę pozwalająca na efektywne przenoszenie danych z komponentów serwerowych mieszczących się w pośredniej warstwie trójwarstwowego modelu klient-serwer do poziomu klienta.

§ ASP pozwala serwerom WWW na inteligentne współdziałanie z użytkownikiem-klientem danych i dynamiczne budowanie stron HTML w zależności od potrzeb klienta. Generalnie można przyznać ze Internet zrewolucjonizował bazy danych, również w środowisku produkcyjnym.

Podsumowanie

Na pewno technologia baz danych będzie się rozwijać i ilość danych przechowywanych i obrabianych przez komputery będzie wzrastać. Będą powstawać coraz bardziej zaawansowane procesy produkcyjne, coraz bardziej inteligenta i wyrafinowana aparatura pomiarowa, coraz większe zapotrzebowanie na sprawne raportowanie i w końcu użytkownicy będą chcieli mięć po prostu informacje o lepszej jakości.

A wiec jak pomóc potencjalnym inwestorom w wyborze systemu zbierania danych? Przytaczamy tutaj kilka ważnych kryteriów które należy wziąć pod uwagę:

· czy baza danych wzmacnia użytkowników końcowych poprzez danie mechanizmu swobodnego dostępu do odpowiednich danych, w odpowiednim miejscu i w odpowiednim czasie,

· czy baza danych wspomaga biznesowe procesy podejmowania decyzji poprzez uproszczenie i automatyzacje transakcji biznesowych,

· czy baza danych oferuje otwartość i elastyczność tworzenia zapytań wymagane przez użytkownika końcowego,

· czy baza danych jest łatwa w użytkowaniu, utrzymaniu i konserwacji, czy ma wydajność dostosowana do wymagań przemysłu,

· czy zakład pracy stać na te bazę danych.

Wonderware jako lider wśród dostawców oprogramowania dla Przemyślu będzie wprowadzał nowe technologie programistyczne aby spełniać powyższe kryteria. Musimy pamiętać o tym ze technologia informatyczna (OLE Automation, ActiveX itd.) jest tylko narzędziem do tworzenia wydajnych aplikacji i powoływanie się niektórych innych dostawców oprogramowania tylko na nazwy najnowszych technologii jako na warunek tego, ze produkt jest dobry nie zawsze jest słuszne. Ważne jest to aby wykorzystywać nowoczesne technologie programistyczne do tworzenia jeszcze łatwiejszych i efektywniejszych narzędzi do zarządzania informacja o procesie.