Systemy integracji danych procesowych

Poprawne wykorzystanie dostępnych danych procesowych pozwala na znaczące obniżenie kosztów funkcjonowania przedsiębiorstwa - poczynając od optymalizacji samego procesu technicznego, poprzez optymalne zarządzanie środkami trwałymi, a kończąc na zagadnieniach z obszaru eBusiness i BI (Business ntelligence). Różnorodność decyzji podejmowanych w oparciu o dane biznesowe narzuca wymaganie co do szerokiej funkcjonalność systemów integracji danych i wymusza ich ciągły rozwój.

Rys historyczny

Jeszcze kilkanaście lat temu systemy integracji danych projektowane były z myślą o zbieraniu danych procesowych zazwyczaj z jednej aplikacji i ich dostarczaniu w trybie ciągłym, choć bez zgodności z wymogami systemu czasu rzeczywistego, do kadry nadzorującej pracę operatorów. Można stwierdzić, że głównym celem wykorzystania systemu integracji danych było przekazanie w sposób bezpieczny informacji z izolowanej sieci procesowej do sieci wewnątrzzakładowej. Ze względów bezpieczeństwa możliwości wpływania na proces z poziomu oprogramowania integrującego dane były znacząco ograniczone, a często nawet niedostępne. Szybki rozwój Internetu doprowadził do stopniowego zwiększania dostępu do tych systemów spoza fabryki, pozwalając tym samym na wgląd do procesu z dowolnego komputera podłączonego do sieci Internet. Obecnie wciąż umacniana się tendencja umożliwiania pracy zdalnej, co pozwala zaoszczędzić czas i koszty związane z dojazdem pracowników. Jednakże, aby praca ta była efektywna, konieczna stała się modernizacja oprogramowania integrującego dane. Ze względu na szerokie spektrum użytkowników jego rozwój odbywał się wielotorowo. Współczesne systemy pozwalają na definicję kontekstu danych dla użytkownika, dzięki czemu prezentowane informacje są przedstawiane czytelnie.

Dostęp do systemów danych spoza terenu określonej fabryki oraz wzrost szybkości i duża niezawodność komunikacji internetowej pozwoliły na dokonywanie integracji danych na poziomie sieci zakładów, a nie tylko na poziomie danego przedsiębiorstwa. Oczywiście powiększyło to także możliwości wykorzystania danych – szczególnie w zakresie ich optymalizacji. O ile integracja danych z różnych systemów automatyki na poziomie danego przedsiębiorstwa stwarza możliwości w zakresie optymalizacji procesów przemysłowych, to dostęp do danych na poziomie sieci przedsiębiorstw pozwala na lepsze wykorzystanie zasobów oraz bardziej precyzyjne planowanie produkcji i remontów. Obecne systemy integracji danych rozwijają się w kierunku pakietów obliczeniowych. Takim produktem jest np. system integracji danych ESS II (Enterprise Server System) polskiej firmy Transition Technologies S.A. Początkowo dedykowany był tylko do elektrowni do współpracy z systemem automatyki WDPFII firmy Westinghouse, ale obecnie znajduje on zastosowanie zarówno w energetyce, jak i w innych gałęziach przemysłu. Poniżej opisane zostało wdrożenie z jego wykorzystaniem, wcześniej jednak omówiono cechy oprogramowania.

Podstawowe wiadomości

ESS II należy do grupy systemów służących do zbierania i przetwarzania danych obiektowych. System umożliwia stały monitoring procesu technologicznego w oparciu o rejestrowane i archiwizowane pomiary oraz wyliczane wskaźniki. Niebezpieczeństwo zbierania niepoprawnych danych zostało zminimalizowane dzięki zastosowaniu wstępnej walidacji i odtwarzaniu niepoprawnych pomiarów. Zebrane z urządzeń i systemów sterowania dane bieżące i historyczne udostępniane są użytkownikom w postaci grafik procesowych, trendów oraz analiz w formie raportów. Funkcjonalność współczesnych systemów integracji danych sprawia, że użytkownik ma do dyspozycji jednorodne źródło informacji dostępne na poziomie całego przedsiębiorstwa, a nawet konsorcjum. Fakt ten jest bardzo ważny, gdyż w przypadku ESS II struktura oprogramowania pozwala, oprócz klasycznych funkcji integracji i wizualizacji danych on-line, na pełnienie roli warstwy ekstrakcji i przenoszenia danych (ETL – Extract, Transform, Load) w klasycznych rozwiązaniach korporacyjnych hurtowni danych z silnie heterogenicznymi systemami źródłowymi. ESS II jest systemem otwartym i może być instalowany na różnych systemach operacyjnych. Wykorzystuje on bazę MySQL, co przy obecnej wydajności serwerów pozwala na zebranie do 200 tys. punktów.

Architektura systemu

Współczesne systemy integracji danych oraz inne duże systemy oparte na bazach danych cechuje modułowość. Struktura ta jest wynikiem dekompozycji dużego zadania na szereg mniejszych. Takie podejście pozwala na łatwiejsze tworzenie, zarządzanie i utrzymanie oprogramowania. Dodatkową korzyścią jest możliwość dostarczenia do klienta tylko tej funkcjonalności, której potrzebuje, a jednocześnie umożliwia łatwiejsze skalowanie systemu, dzięki czemu potencjalne grono odbiorców jest większe.

Architektura systemu ESS II

Struktura omawianego systemu składa się z dwóch głównych warstw: serwerowej i klienckiej. Warstwa serwerowa składa się z podwarstwy odpowiedzialnej za komunikację, zaznaczonej na rys. 1 jako zestaw interfejsów oraz z podwarstwy przetwarzającej – czyli procesów serwerów. W warstwie klienckiej można wyłonić podwarstwę, w skład której wchodzą narzędzia konfiguracyjne oraz podwarstwę typowo użytkową. System ESS II jest otwarty i pozwala na podpinanie nowych aplikacji korzystających z funkcji API. W zależności od charakteru stworzonej aplikacji mogą one pozwalać na konfigurację lub udostępniać któryś z trybów pracy.

Serwer

Sercem systemu ESS II jest serwer, który składa się z pięciu modułów: serwera danych bieżących, serwera archiwów, serwera obiektów, serwera obliczeń oraz serwera Web. Podział serwera na kilka mniejszych procesów pozwala na rozdzielenie zadań, co z kolei umożliwia łatwiejszy rozwój oprogramowania oraz podział zadań ze względu na wymagany czas wykonania. Serwer danych bieżących to proces odpowiedzialny za zarządzanie danymi w trybie on-line. Odbiera on wartości procesowe związane z pomiarami i alarmami z interfejsu i dostarcza je do warstwy prezentacji oraz pozostałych modułów. Dodatkowo serwer ten odpowiedzialny jest za zapisywanie archiwizowanych danych do bazy. Zależności pomiędzy modułami przedstawiono w formie graficznej w dalszej części artykułu. Kolejny proces to serwer archiwów, który jest odpowiedzialny za dostarczenie wartości pomiarów historycznych do warstwy prezentacji. Każde z zapytań dotyczące wartości historycznych punktów przychodzące z interfejsu użytkownika lub z pozostałych modułów serwera trafia do serwera archiwów, gdzie jest obsługiwane. Serwer obiektów to proces odpowiedzialny za zarządzanie grafikami procesowymi, raportami, użytkownikami i pakietami obliczeń. W ESS II wszystkie obiekty przechowywane są w centralnej bazie danych, dzięki czemu modyfikacje globalne na obiektach znajdujących się w bazie automatycznie propagowane są do wszystkich użytkowników systemu. Każdy z użytkowników ma możliwość utworzenia własnej lokalnej kopii grafiki, która nie podlega globalnym zmianom. Serwer obiektów odpowiedzialny jest również za autoryzację dostępu użytkowników do systemu. O stopniu dostępu decyduje poziom uprawnień grupy do której należy użytkownik, dzięki czemu za zarządzanie niektórymi obiektami odpowiada tylko administrator. Serwer obliczeń to proces odpowiedzialny za bieżące obliczenia wykonywane na wartościach punktów. Definicje obliczeń zapisane są w plikach tekstowych w postaci skryptów interpretowanych przez serwer. Pliki tekstowe są natomiast zapisywane do bazy jako obiekty, dzięki czemu źródła skryptów dostępne mogą być dla wielu użytkowników w zależności od ustawionych praw. Rezultaty wyliczeń przesyłane są do serwera danych bieżących, przez co dostępne są dla wszystkich innych modułów na takich samych prawach jak dane procesowe. Serwer jest odpowiedzialny między innymi za walidację i odtworzenie niepoprawnych danych, jak również za wszystkie inne obliczenia zdefiniowane przez użytkownika. Definicja obliczeń odbywa się w języku skryptowym, w którym dostępne są wbudowane funkcje umożliwiające uwzględnianie czasu, przechowywanie stanu, operacje matematyczne, używanie instrukcji sterujących, walidację pomiaru, odtwarzanie wartości, używanie funkcji termodynamicznych bazujących na tablicach ASME, wyliczanie predykcji w oparciu o szeregi czasowe model Armax i sieć neuronową, wyliczanie statystyk oraz rozwiązanie zadania programowania linowego i kwadratowego. Definicja obliczeń może odbywać się w każdym edytorze tekstu oraz w module ESS II Calc, który dodatkowo pozwala na śledzenie obliczeń w trybie debug.

Edytor i debugger obliczeń modułu ESS II Calc

Komunikacja międzymodułowa

Ostatnim z modułów jest serwer Web, który umożliwia dostęp do systemu przez portal internetowy. Ze względu na fakt, że dane przetworzone mogą być prezentowane w interfejsie, jak również przetwarzanie może obejmować dane historyczne, istnieją powiązania pomiędzy wymienionymi modułami serwera.

Wyszczególnione moduły serwera są usługami zainstalowanymi w systemie Windows. W sytuacji, kiedy serwer uruchomiony jest na systemie Linux lub Solaris, są to procesy uruchamiane automatycznie po starcie systemu. Wszystkie moduły serwera systemu ESS II zazwyczaj uruchamiane są na specjalnej wydzielonej jednostce, a często ze względów bezpieczeństwa - na dwóch maszynach pracujących jako klaster.

Zestaw interfejsów do warstwy procesowej

Opisany serwer traktować można jako warstwę pośrednią pomiędzy procesem a interfejsem użytkownika czy innymi aplikacjami korzystającymi z danych zbieranych przez system. Komunikacja pomiędzy serwerem a procesem technologicznym odbywa się poprzez interfejs. We współczesnych systemach istnieje kilka najczęściej wykorzystywanych standardów wymiany danych, takich jak Modbus czy OPC (Ole for Process Control). Standardy powstawały wraz z rozwojem systemów, dlatego też na początku większość z nich umożliwiała dostęp poprzez własne specjalizowane API pozwalające na bezpośrednią wymianę danych. Warto zauważyć, że w większości systemów metody własnego dostępu nadal są utrzymywane i niekiedy wykorzystywane.

Komunikacja w opisywanym systemie odbywa się poprzez protokół z rodziny TCP/IP, tj. gniazdka typu UDP, dzięki czemu twórcy oprogramowania wykorzystali możliwość zaimplementowania mechanizmów odpornych na utratę informacji przy zerwaniu komunikacji. Dodatkowo w ESS II dane wymieniane są w postaci skompresowanej, co zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia przeciążeń na magistrali danych.

Moduły interfejsu użytkownika

Podstawową funkcjonalność pozwalającą na wgląd do procesu dostarcza moduł ESS II Terminal.

Powiązanie modułów użytkownika z modułami serwera

Użytkownik ma dostęp do grafik procesowych, listy punktów, listy zdarzeń, edycji i monitorowania raportów oraz trendów, diagnostyki aplikacji, ustawień profilu i zakończenia pracy. ESS II Terminal jest klientem serwera danych bieżących, serwera archiwów oraz serwera obiektów. ESS II Graphic Builder ma funkcjonalność terminala rozszerzoną o możliwość tworzenia nowych i edycję istniejących grafik procesowych. Narzędzie dedykowane jest dla bardziej zaawansowanego użytkownika, którego zadaniem jest przygotowanie środowiska graficznego dla innych pracowników. ESS II MSExcel Plug-In pozwala na tworzenie, edycje i podgląd raportów w środowisku Microsoft Excel. Raport może wykorzystywać dane bieżące oraz historyczne, a wyliczenia mogą używać wbudowanych funkcji ESS II. Wykonane raporty zapisywane mogą być jako zwykłe pliki w formacie .xls.

Pasek menu modułu ESS II Terminal

Plug-in do MSExcel

Narzędzie dedykowane jest zarówno dla inżyniera przygotowującego raporty, jak i dla użytkownika korzystającego z raportów o charakterze ekonomicznym. Pozostałe moduły dedykowane są do konfiguracji systemu. Głównym narzędziem jest tutaj moduł ESS II DbAccess.

Pasek menu modułu ESS II DbAccess

Okno dostępu do bazy systemu

Główne okno aplikacji umożliwia dostęp do bazy w celu zarządzania punktami, użytkownikami, grupami bezpieczeństwa, grupami technologicznymi oraz grafikami. Dostępność poszczególnych funkcji aplikacji dla danego użytkownika uzależniona jest od poziomu jego praw. Ważną cechą nowoczesnych systemów integracji danych jest możliwość dokonywania zmian w konfiguracji, takich jak dodawanie i usuwanie punktów, użytkowników czy grafik bez konieczności restartowania aplikacji. Poprzez menu można uzyskać również dostęp do zarządzaniem obiektami, sprawdzenia stanu serwera oraz wprowadzenia zmian konfiguracyjnych do połączenia z bazą i serwerami i odczytu komunikatów z serwera.

Podgląd listy punktów procesowych oraz statystyk archiwizacji

Obok typowych narzędzi konfiguracyjno-administracyjnych stworzono narzędzie konfiguracyjno-inżynierskie, jakim jest moduł ESSII Calc. Pozwala on definiować nowe obliczenia oraz edytować te już istniejące. Dodatkowo użytkownik może w trybie graficznym sprawdzić poprawność wykonania obliczeń. Funkcjonalność ta, ze względu na odmienny charakter została zaimplementowana jako niezależna aplikacja. Omawiany system umożliwia tworzenie własnych grafik procesowych, a w przypadku integracji danych z systemów WDPF, Ovation i Telwin możliwe jest również automatyczne importowanie tego typu grafik.

Projekt systemu analizy technicznej

W celu pokazania różnorodności informacji, jakie mogą być integrowana w jednym globalnym systemie, przedstawiono wykorzystanie systemu ESS II jako warstwy ekstrakcji i przenoszenia danych w projekcie systemu analizy technicznej (SAT). System ten miał zapewniać wizualizację procesu technologicznego i dostęp do danych w zakresie dostosowanym do potrzeb centrum zarządzania produkcją w elektrowniach. Został on zaprojektowany w oparciu o technologię hurtowni danych.

Funkcjonalność modułów systemu SAT

Moduł analiz technicznych i ekonomicznych (MATE) służy do śledzenia przebiegu procesu wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej w oparciu o rejestrowane pomiary oraz wyliczane wskaźniki. Pozwala to na wizualizację procesu poprzez maski synoptyczne i trendy, wykonywanie raportów w postaci tabel i wykresów, a także na prowadzenie analiz parametrów techniczno-ruchowych na poziomie poszczególnych urządzeń, jednostek wytwórczych, całej elektrowni lub elektrociepłowni. Moduł analiz techniczno produkcyjnych (MATP) realizuje funkcje doboru jednostek wytwórczych do pracy oraz optymalizacji rozkładu obciążeń. Działa na podstawie danych wynikających z analizy sprawności wytwarzania i strat rozruchowych i wielkości emisji w powiązaniu z planami sprzedaży energii. MATP wypracowuje także dane niezbędne dla grupowego regulatora mocy. moduł analiz dyspozycyjności (MAD) realizuje ocenę bloków z uwagi na ich parametry eksploatacyjne i wskaźniki żywotności, tworzy charakterystyki poszczególnych bloków oraz urządzeń, a także generuje wskaźniki dyspozycyjności i awaryjności. MAD umożliwia tworzenie rankingów i porównań oraz automatyczną klasyfikację zdarzeń ruchowych w systemie SOWE (system komunikacji elektrowni z operatorem przesyłowym), a przy wykorzystaniu danych z systemu IFS Remonty pozwala na analizę opłacalności remontów i przewidywanych oszczędności. Moduł ochrony środowiska (MOŚ) ewidencjonuje i rozlicza emisję na poziomie koncernu wraz z przygotowaniem danych do handlu limitami emisyjnymi. Wykonuje globalne zliczanie i przewidywanie emisji na podstawie planów produkcyjnych z optymalizacją wraz z elektroniczną wymianą dokumentów z WIOŚ i Urzędem Marszałkowskim.

Architektura systemu SAT

System ma klasyczną trójwarstwową architekturę, w której na poziomie akwizycji danych zastosowano ESS II, w warstwie składowania danych hurtownię danych wykonaną w architekturze Oracle, natomiast w warstwie prezentacji portal korporacyjny wykonany w technologii Oracle oraz grafiki procesowe on-line systemu ESS II. Zastosowanie omawianego w artykule systemu pozwala na uniezależnienie hurtowni danych systemu SAT od chwilowych braków łączności z poszczególnymi obiektami. Ponadto mechanizmy zaimplementowane w omawianym systemie umożliwiają dokonywanie przeliczeń wartości bieżących i archiwalnych oraz wstępną obróbkę danych w celu minimalizacji obciążeń na łączach sieciowych. Dodatkowo tworzone są grafiki synoptyczne wizualizujące stan procesów i urządzeń w oparciu o dane pomiarowe z wielu systemów na poziomie danej elektrowni lub elektrociepłowni.

Grafika synoptyczna wizualizująca stan pracy jednej z elektrowni

Do składowania danych służy zorientowana tematycznie hurtownia danych wraz z aplikacjami pozwalającymi na automatyczne prowadzenie analiz opartych na zarchiwizowanych danych.

Integracja i raportowanie

Firmy, troszcząc się o kompleksową informatyzację przedsiębiorstw, wdrażają coraz więcej systemów specjalistycznych. Zazwyczaj dbają one też aby każda aplikacja wydajnie współpracowała z innymi w systemie. Tradycyjne metody integracji często nie przynoszą oczekiwanych rezultatów, szczególnie gdy dotychczasowa architektura uzupełniana jest o kolejny moduł. Podejście portalowe ogranicza ryzyko wystąpienia pułapki integracyjnej, ponieważ niezależnie od liczby systemów udostępnia użytkownikom te dane, które w konkretnej chwili są potrzebne. Z powyższych powodów atutem podejścia portalowego jest zebranie prezentowanej informacji w jeden wspólny interfejs, co znacząco ułatwia obsługę istniejących funkcji, jak również nowo wprowadzanych. Współczesne rozwiązania portalowe wykorzystują doskonałe technologie raportujące, dając użytkownikom nie tylko pełne informacje, ale także wykresy i sprawozdania graficzne. Tego typu raporty mogą obejmować wszystkie strategiczne obszary działalności korporacji.

Oprócz raportów dostępnych z poziomu portalu, w systemie SAT dostępne są raporty niskopoziomowe dostarczane z ESS II, czyli z poziomów procesów technologicznych i pojedynczych elektrowni czy elektrociepłowni.

Cechy systemu SAT

Po wdrożeniu systemu SAT dzięki możliwości lepszego przygotowania ofert handlowych uzyskano zyski szacowane na od kilku do kilkunastu tysięcy złotych dziennie. Dodatkowo nastąpiła poprawa sprawności wytwarzania. Obok korzyści finansowych wyróżnić można również szereg czynników, które powinny usprawnić działalność przedsiębiorstwa w przyszłości. Wspomniana wcześniej otwartość rozwiązania powinna zmniejszyć nakłady na przyszłe wdrożenia nowych funkcjonalności, a zintegrowany interfejs zmniejszyć nakłady na szkolenia kadry. Użytkownicy nie będą musieli szkolić się w zakresie korzystania ze specjalistycznych programów, gdyż wykonany został intuicyjny w obsłudze portal, który wymaga jedynie podstawowych umiejętności obsługi komputera.

Raport kwartalno-roczny masowych zanieczyszczeń

Główna strona portalu internetowego

Sebastian Plamowski