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• 關鍵詞：                                                                紫金橋實時數據庫、MES系統、生產數據

• 摘要：基于紫金橋數據庫構建的MES系統綜合生產數據平臺具有先進、可靠、實用、安全等性能。可為其生產管理中各管理層面提供完整和必要的數據支持。為企業提供更多的方便和效益。

1、需求分析

1）生產數據沒有有效共享，因而對影響生產過程的主要因素缺乏有效的監控手段。從各生產車間來看，各生產裝置都上了PLC，但裝置的數據只能顯示在裝置的操作站上，只有到生產現場的控制面板上，才能觀察到生產數據。在車間辦公室、調度室，或公司領導，都無法直接看到現場的生產數據。

2）分散的“信息孤島”無法進行集中化管理。由于各裝置信息封閉，即使在同一車間，由于采用的是不同廠家，或同一廠家不同型號的PLC，彼此間沒有數據通訊手段。這致使生產管理的各個環節脫節，生產管理部門不能及時、有效地了解生產狀況，指導組織生產，這樣可能造成一定的浪費。

3）沒有長期的歷史數據存儲。隨著存儲介質價格不斷下降，保存海量歷史數據成為可能。而PLC或操作站本身一般不具備存儲能力，或者歷史數據存儲能力很有限，而長期的歷史數據有助于事故的事后分析。

4）質量信息反饋滯后，導致加工成本增加。化驗數據直接反映生產的質量情況，對指導生產具有非常重要的意義。目前這些數據沒有進入計算機系統，只有在現場儀表上才能看到。這些數據需要通過電話或報表形式報送生產管理部門，造成信息遲滯，并且不方便進行對比分析，形成一定的信息資源浪費。因此及時準確地將質量數據反饋給裝置操作人員和生產調度人員，可以保證有效地控制生產質量、降低生產成本。

5）綜合統計分析和應用力度不夠。各生產車間長期發展積累的數據是公司的巨大財富，它目前還是一個未被充分發掘利用的寶藏。大量的數據只被用于現場監控，而沒有對這些數據進行統計分析。

對于企業ERP系統，現場的生產數據是企業的重要數據資源，沒有生產數據，企業資源整合就不是完整的。

2、系統概述

藥廠生產數據平臺基于國內知名的紫金橋實時數據庫REALDB平臺構建，將藥廠現有自控服務器、上位機、PLC等硬件和監控軟件、數據庫軟件等軟件集成在一起，實現對廠房的生產設備、過程及生產環境的數據進行實時采集，實現對生產過程的實時監控，為安全生產、調度、管理、優化和故障診斷提供必要和完整的數據支持，為將來MES系統的建設搭建穩定可靠安全的生產實時歷史數據平臺。

3、系統設計和建設原則

先進性：系統總體指標定位為國內領先，具備當今智能化制藥企業的先進性及應用功能，達到國內先進水平

可靠性：系統選用的技術或配套設備采用“主流”技術和產品，保證系統具有高效可靠的傳輸與運行能力。

可擴展性：采用標準化、結構化、模塊化設計。系統平臺與技術應能充分配合未來數字化功能及項目擴充的需求，預留設備和軟件接口，避免重復投資。

實用性：系統設計滿足制藥企業管理的各項需求。設備和終端能反應快速，實時配合，具有先進且易于使用的圖形人機界面，信息資源查詢與檢索等有效工具。

安全性：具有對系統運行狀態的監控、分析、優化、故障監測及在線排除、設備和部件的容錯等功能，以提高系統自身和信息傳遞的安全性。

滿足GMP認證，符合21CFR Part 11標準。

4、數據采集系統

4.1 技術概述

對于《藥廠生產數據平臺》項目主要采集現代網絡技術與現場總線技術相接結合來完成。系統由一臺實時數據庫服務器和多臺前置數采機組成。前置數采機安裝紫金橋數采軟件，前置數采機與中心服務器之間使用紫金橋軟件內部協議，通過（工業以太網）Ethernet進行數據交換。

對于以太網TCP/IP標準的設備，直接連入前置數采機，采用紫金橋專門針對該設備開發的設備接口驅動；對于RS485接口的設備通過串口服務器轉換為TCP/IP后連入前置數采機，采用紫金橋專門針對該設備開發的設備接口驅動；對于有自身的控制上位機的設備（PLC）通過上位機（HMI）連入前置數采機，前置數采機與PLC上位機（HMI）采用OPC等接口方式進行通訊。

比如對于Siemens PLC具有MPI接口，且MPI地址可修改的，則MPI采集總線將多個PLC連接成一個現場總線，然后再接入前置數采機；對于MPI地址不可修改的，則采集MPI網關，將其轉換為Ethernet后再接入前置數采同；對于沒通訊接口的PLC，通過增加通訊模塊并結合PLC通訊指令將需要采集的數據發送出來；對于有以網接口的PLC組網則比較簡單，只需要前置數采機與PLC連接到同一以太網中即可。對于每種PLC由于通訊協議不同，在紫金橋軟件中也要使用不同設備接口驅動。驅動負責對數據包進行解析，提取數據，并且將不同的數據格式轉換為統一的數據格式。這樣用戶就可以以統一的方式（一個數據平臺），對不同廠家DCS、PLC等控制系統上的數據進行使用。

《藥廠生產數據平臺》一個難點是如果PLC上沒有數據寄存器地址，這就需要通過分析PLC程序獲取。若是也沒有PLC的源程序，雖然有的可以從PLC中下載，但沒注釋的PLC程序會大大增加閱讀難度。

PLC數據進入紫金橋服務器后，用戶可以直接利用紫金橋軟件進行二次開發。利用紫金橋實時數據庫已有的功能模塊，用戶可以快速搭建數據顯示界面、趨勢顯示界面、報警信息顯示界面、統計報表等。在紫金橋實時數據庫系統中二次開發過程主要是一種面向對象的開發過程和可視化的組件屬性設置和搭配的過程。對于較復雜界面效果或數據再加工過程，可以使用腳本計算引擎輔助處理，從而滿足實際應用需求。

紫金橋實時數據庫的網絡WEB發布功能可以使用戶開發的應用系統方便地轉化為B/S架構，方便多用戶在本公司局域網內通過IE瀏覽器進行遠程訪問。

紫金橋系統可以與多種關系數據庫系統（SQL Server、Oracle、MS Access、MySql）進行數據交換，SQL Server、Oracle等關系數據庫通常是CIMS，ERP，MES等管理系統的數據管理平臺。通過此功能可以將生產實時數據采集系統與ERP等系統有機的結合在一起，真正實現生產管控一體化。

紫金橋系統還提供OPC DA、DDE、API等標準和自定義接口，方便用戶對實時數據二次用戶及對紫金橋軟件系統進行擴展。

由紫金橋系統構建的實時數據采集系統將高效的數據采集功能，設計最小采集周期可以達到1ms.在實際應用中可達到的最小采集周期是由被采集對象的響應速度決定，對于PLC通常采集周期可以達到1m以下。在將實時數據轉儲到關系數據庫（ERP、MES）中時，由于關系數據庫是文件型系統，數據存儲數據較（相關內存訪問）慢，建議轉儲周期在3m或是3m以上。

對于前置數采機與PLC通訊異常，可以通過實時數據庫中的設備狀態標志及時獲得。對于過程數據（生產實時數據）異常，可以通過報警檢測機制對其進行檢測，并且生成報警記錄報表，保存歷史報警記錄及輸出報警記錄；當前置數采機與中心服務器之間網絡異常時，通過紫金橋軟件的內存處理機制前置數采機可以對通訊中斷期間的歷史數據進行緩存；在網絡恢復后，緩存的歷史數據將被恢復到中心歷史服務器指定的歷史時刻，進而保證了生產數據的完整性和一致性。

4.2 數據采集方案

1）系統網絡結構圖

整個數采網絡體系，采用工業以太環網作為交換傳輸和接入平臺，這種形式的以太網擴展性好，容易安裝開通，并且可靠性較高。

在整個廠區內部網絡管理上，核心交換機設置為VLAN模式，保證每套PLC/DCS之間網絡物理隔離的而又和可以服務器進行通訊。從而對SCADA系統相關設備劃分虛擬局域網（VLAN），將其置于一個網段；以增加SCADA系統的安全性，提高網絡的數據交換性能，方便管理。

2）多種數據采集方式

對于制藥廠生產數據平臺的數據采集來說，安全問題尤為重要。因為數據采集遍布整個藥廠，一旦因網絡安全問題，引起病毒的入侵，進而造成生產數據的病毒感染，那么后果將是不可想象的。為此，可考慮如下的數據采集方案。

1、對于有上位機的PLC設備，盡量從上位機進行采集，以避免更改核心控制部件PLC的軟件設置或硬件配置

2、對于沒有上位機的PLC，盡量在現有PLC硬件配置上進行采集，采用以太網通訊方式。

A、如果PLC上有空余串口，就遵循PLC通信協議進行編程，直接通過空余串口進行采集。

B、對于以太網通信的PLC，需要增加前置數采機(起到網絡隔離作用), 前置數采機通過以太網與PLC進行通信。而前置數采機與數采服務器間通過串口進行通信。

3、 DCS都帶有操作臺或工程師站，所以與DCS通信都不與控制站直接打交道。若制藥廠DCS通信線路均為以太網，為了確保DCS系統的安全，在數據服務器與DCS間增加數采前置機。數采前置機與DCS通過以太網通信，數采前置機放于DCS操作室，不配顯示器與鍵盤。數采前置機與數據服務器通過串口進行通信。這樣就保證了數據服務器與DCS間的網絡隔離。

4、數采服務器和PLC或前置機的通訊使用串口來進行，這樣可以有效地隔離病毒。因為在使用串口通訊的過程中，串口為遠程數采軟件的通訊軟件所獨占，又因為這種通訊采用的是經過嚴格設計的自定義協議，所以病毒體無法通過串口的自定義協議進行傳播。通常情況下，即使沒有上面所說的原因，病毒也無法通過串口進行傳播，除非在兩臺用串口互連的計算機的操作系統上同時指定并配置串口通訊鏈路，這種情況下系統才能夠通過串口傳輸操作系統的通訊協議，從而可以傳輸病毒。但是在本項目的數采中顯然不會出現這種情況，不會在操作系統中指定串口通訊鏈路，而且只使用自定義通訊協議，所以病毒絕對不會通過串口來進行傳播。

5、為了通過串口與上位機通信，需要在PLC上位機中安裝遠程IO數采程序。遠程IO數采程序是特意為這種安全采集而開發的，程序本身很小，經過了嚴格的測試，不會對系統構成任何威脅。遠程IO數采程序在PLC上位機采集到數據后，通過上位機的串口將數據傳輸到數采服務器。

3）安全措施

1）對于通過以太網通訊的機器，采用多網卡使各計算機彼此隔離。由于控制系統彼此獨立，并且沒有專門的控制網，所以前置數采集機要裝有多網卡，一塊網卡與服務器相連，其他網卡與控制系統相連，以保證控制系統間，控制系統與服務器都不在同一網段，每塊網卡只開放專有數據通訊端口，將其他端口都屏蔽掉，實現“綠色安全防護”。當然如果考慮成本問題也可以讓所有控制系統使用一塊網卡通信，該網卡上綁定多個IP地址。如果認為該種方式還不夠安全，服務器和前置機間也可以通過串口進行通訊，當然這要涉及增加硬件成本。

2）對于通過串口通訊的機器，該通信方式是安全的。有些控制機是通過串口與前置機進行通信，如果通過串口通訊的比較多，那么就需要在前置機上安裝多串口卡。由于串口是獨享設備，并且專為應用程序作為數據通信使用，所以其他程序沒有可乘之機，即不可能通過該方式傳播病毒。

病毒傳播到PLC/DCS系統造成PLC/DCS系統性能下降甚至癱瘓，系統安全非常關鍵。為了保證PLC/DCS不感染病毒，首先要保證每一個前置數采機的安全，只有前置數采機的不感染病毒才能保證PLC/DCS的安全。

保證自控裝置的安全是致關重要的。為了保證控制網的獨立性，辦公網與控制網間是完全隔離的。實時數據庫運行在辦公網一側，為了安全的與控制設備通信，我們采取可多種措施。

1) 在控制網設置數采機，數采機間通過串口相連，這樣能夠有效的防止網絡病毒侵入。 為了在生產數據采集的同時，保證PLC/DCS系統得絕對安全，不受計算機病毒的侵害。

2) 機器配置兩塊網卡，一塊網卡與控制網相連，一塊與辦公網相連，而且兩塊網卡處于不同網段。除了數據通信用到的端口號，其余通信端口都禁止掉。并且裝好防火墻，保持防病毒軟件及時自動更新。

在實施過程中和今后的維護過程中可采取下列措施來有效地避免病毒：

? 數采機不配備顯示器、鍵盤和鼠標。

? 不安裝任何與數采系統無關的軟件。

? 除管理員以外，其他人不得使用移動介質復制、訪問文件。

? 不共享文件夾。

? 不配置瀏覽器和電子郵件。

? 關閉或刪除系統中不需要的服務。如存在著安全漏洞的 FTP和 Web 服務等。

? 關閉不使用的TCP、UDP、IP端口, 只保留數采系統所需端口。

? 使用復雜的系統用戶密碼，防止暴力破解.

4)數據恢復功能

由于制藥廠廠區較大，控制系統很多。網絡通訊線路出現故障是不可避免的。為了保證歷史數據的完整性，可以采用紫金橋實時數據庫的數據恢復功能。

數據庫間進行通訊時，如果網絡出現故障，或者數據庫退出后重新啟動，前端數采機服務端能夠暫存斷線期間的歷史數據，并將之自動恢復到客戶端。數據恢復功能保證了歷史數據的完整性和一致性；同時前置數采機與實時數據庫服務器之間的數據恢復，也會自動觸發實時數據庫服務器與管理層系統MES、ERP等系統后臺關系數據庫之間數據恢復。

數據恢復是紫金橋特有的功能，該功能不但支持以太網通訊方式，還支持串口、撥號等方式。

5)用戶及權限管理

對訪問系統的用戶按照部門、角色進行分類，不同類別的用戶分配不同的訪問權限。

在服務器層開發時，根據制藥公司管理的要求，按用戶的級別和權限，設定不同的、唯一的密碼。不同級別的用戶只能訪問與其級別相適應的網絡資源和數據、圖形信息。

紫金橋實時數據庫所有的點、畫面和組件支持安全區。

6）實時數據庫提供的其他安全措施

數據下置開關：數采前置機和中心服務器上都設有 “數據下置開關”，只要將開關關掉，任何數據都不會被下置；

支持單向物理網閘通訊；

數據壓縮、加密傳送。

1. 與EMS、公用工程等系統通信

本系統留有與EMS、公用工程、工藝空調管理系統的以太網接口，以便于各系統之間信息交換。

紫金橋系統提供多種對外數據接口，如,MODBUS SERVER,OPC SERVER,可簡單配置，就可實現生產數據平臺系統與各系統之間信息交換。

2. 與MES和ERP系統等管理信息系統集成

為更加充分的利用和共享實時數據，實現生產過程信息和生產管理信息的集成，需要實現實時數據庫和關系數據庫中的數據整合。把實時數據庫中經過運算、匯總數據輸出到關系數據庫中，從而實現與管理數據庫的集成，為企業的上層管理提供可靠的數據基礎。除了實時數據，轉儲數據還可包括： 組態內容，實時數據，統計數據，報警，事件，操作等信息。

數據轉儲可以通過以下兩種方式：

1、專門的數據轉儲程序：該程序可以將數據按指定的周期進行轉儲，轉儲的點、數據庫、表結構可以靈活指定。

2、通過實時數據庫SQL腳本來實現。該方法自由、靈活但是需要較多的腳本編成。

7 與視頻系統集成

系統主要提供兩種與視頻系統集成的方式，一是提供主流視頻系統廠家的視頻插件，如?？低?，浙江大華等；二是紫提供IE組件，雙擊直接輸入視頻web瀏覽地址即可。

8 SQL查詢接口

結構化查詢語言是一種數據庫查詢和程序設計語言，它的可描述性、靈活性及強大的功能已使它成為當前數據批量查詢及處理的通用語言。紫金橋實時數據庫借助了結構化查詢語言的優勢開發出適合實時數據庫數據查詢的內置SQL查詢功能。

實時數據庫與傳統意義上的數據庫有所不同，它廣泛應用于數據量大、實時性強、數據存儲分散等工業控制領域，存儲過程控制數據。實時數據庫中數據的一個重要特性就是實時性，它需要保存現場數據及事件的歷史信息。這些數據在實時數據庫中的表現形式是一種時間序列數據，而且多數情況下其數值具有一定的連續性。由于實時數據庫存儲數據的特殊性，其內部數據存儲結構不能以關系數據表的方式進行存儲，這樣就給查詢數據增加了難度。紫金橋軟件公司根據在實際應用中客戶的需求，遵循標準SQL語言規范，自主研發了實時數據庫SQL查詢技術，沿用標準SQL查詢的基本規則，并針對時間序列數據的查詢提供了相應技術手段。

內置SQL查詢是基于紫金橋實時數據庫的，它所查詢的數據就是數據庫內各種類型的點在后臺所保存的信息。對于一個點來說，每類需要查詢的信息都可以看成是一個字段，例如點的所有參數、保存歷史的時間以及發生報警的時間等都可以看成是字段。

9 高級應用程序接口

DBATL

紫金橋實時數據庫提供了一套完整的ATL接口（DBATL），借助這個接口可以訪問數據庫中的實時數據、歷史數據及報警信息。由于ATL接口是基于COM，并且在紫金橋實時數據庫ATL接口是以雙接口方式實現的，因此您可以通過大多數編程語言進行調用。

API

紫金橋提供了一套完整的API接口，借助這些接口可以訪問數據庫中的實時數據、歷史數據、統計數據、報警及系統配置信息。紫金橋實時數據庫的內部通信也是通過這些接口來實現的，所以通過調用這些接口可以與數據庫無逢連接，從而編寫出效率高、安全性好、可升級的程序。

該API接口是一擴展鏈接庫，包括兩個輸出類：CDbAccbase，CDbAccSynch。前者給出的主要是異步訪問接口，而后者是同步接口。異步接口時序復雜，但是效率高，不會出現等待，對于經常調用的函數，如在OnTimer中調用的函數應該使用異步接口。同步接口簡單，調用結果馬上返回，但是當對方不響應時會等待，以至于無法接受用戶輸入。對于一次性的請求，可以使用同步調用。

DBCOM

DataComm是一標準的ActiveX控件，可以在各種支持COM技術編程語言中使用，如Visual C  ,Visual Basic，Delphi,C   Builder,Power Builder等。借助控件可以實現與紫金橋實時數據庫的通信，訪問紫金橋實時數據庫中的實時數據和歷史數據。

DataComm不但能與本機上的實時數據庫通信，而且能與遠程實時數據庫通信。每個DataComm實例只能與一個實時數據庫通信，當然程序中同時可以有多個DataComm實例，這樣就可以同時與多個數據庫通信了。

功能:

讀寫實時數據。

檢索歷史數據。

數據變化通知。

10 系統目標

廠區生產數據平臺建立后主要實現以下目標：

實時數據采集系統是藥廠生產數據平臺項目有機組成部分。其中實時數據庫平臺主要負責將各裝置生產數據實時采集到廠房服務器的實時數據庫服務器中，進行長期歷史存儲、完成各種數據展示，同時將重要的生產數據實時轉儲到管理信息平臺(MES和ERP系統)的關系數據庫中。

它的主要目標如下：

1、共享生產數據。實時數據庫平臺運行后，在平臺網絡內的計算機，可以授權訪問的生產中的實時數據。

2、提供生產事故分析功能。系統將生產中的數據報警以聲音、短信、郵件方式通知相關人員。系統提供生產數據歷史保存、事故追憶、趨勢分析等功能，方便于對生產事故分析。

3、提供多種數據展現方式。系統采用各種動畫的手段，以流程圖的方式實時展現生產過程及生產數據，此外系統提供各種生產報表，包括班報、日報、月報、年報等，根據需求定制的其他報表。

4、提供人工錄入功能。在指定時間通知錄入人員錄入生產數據。

5、給上層MES或ERP系統提供數據服務。使用了實時數據庫平臺后，平臺可以把生產數據周期性的導入到上層MES或ERP系統的關系庫中，從而使得上層管理軟件可以獲得底層數據支持。