基于PI数据库的数据管理查询系统设计

上海电气自动化设计研究所有限公司 成书睿

基于PI数据库的数据管理查询系统设计

上海电气自动化设计研究所有限公司 成书睿

随着污水处理厂规模的日益增大，数据管理查询系统显得尤为重要。针对污水处理厂自控SCADA系统，设计了基于PI实时历史数据库的数据管理系统。系统提供数据查询、趋势曲线、历史报表、历史报警、网页发布等功能，经测试，系统稳定、操作实用、响应迅速，实现了对污水处理厂数据管理查询的功能。

历史数据库；WEB 发布；数据查询；趋势曲线；报表

0 引言

污水处理厂的的设备、仪表众多，需要保存历史数据的监测点数量也很大，对监控系统的数据采集的实时性和存储能力有较高的要求。厂区操作人员每天都需要根据现场仪表和设备参数填写大量的表格，工作强度高、效率相对较低。针对上述问题，设计了基于PI历史数据库的数据管理系统。PI数据库具有非常强的“吞吐量”和数据高度压缩的数据存储方式，是污水处理厂数据存储的最佳选择。数据管理系统可以替代人工作业、自动生成各种历史报表，提供历史趋势曲线、报警查询。系统简化了操作人员工作，减轻了操作人员的负荷，提高了工作效率，是整个自控系统的核心组成部分[1]。

1 系统整体设计

数据管理查询系统由2台中央监控服务器（主从冗余配置）、1台数据库服务器、2台操作员站计算机、1台工程师站计算机、以太网交换设备、打印机等设备构成，采用星形100M以太网方式组成中心局域网，与5个PLC站通讯。其中4个PLC站为AB contrologix PLC，1个为施耐德140 PLC。网络中计算机互相通迅、资源共享。系统采用分布式模式，2台中央监控服务器即作为监控服务器同时也是I/O服务器，负责与网络中各PLC站通讯，互相交互发送及接受数据，以及监控画面的开发及显示。数据库服务器负责采集中央监控服务器中的数据，并存入实时历史数据库中。工程师站提供工作维护人员对整个系统的检修及维护工作。操作员站提供整个数据管理系统的画面操作及显示，包括各仪表的历史趋势曲线、设备及仪表的历史报警查询、仪表的日报、月报以及设备的启停操作的历史查询。系统网络拓扑图如图1所示。

2 数据库设计

数据库是整个数据管理系统的核心组成部分，我们对数据的一切操作，包括定义、查询、更新以及各种控制，都是通过数据库进行的[2]，所以数据库的选型、表结构设计直接影响到系统的处理能力、扩展性能，特别是与其他系统的数据共享的效率。本系统数据规模大，需要保存历史数据的监测点数量也很大，对监控系统的数据采集的实时性和存储能力有较高的要求，同时必须要有非常强“吞吐量”和数据高度压缩的数据存储方式。而一般关系型数据库在数据量增大之后，其查询速度明显降低。基于以上考虑，采用工业实时历史数据库PI作为系统的数据库[3]。

PI数据库使用标签历史归档法。这种方法只记录越过限值的数据，可以大量减少所需记录的数据并能增加数值的准确性。具有数据过滤功能，当数据接口软件采集到数据时，对其进行判断，所有在限值范围内的数据都将被过滤掉。所有通过例外检测的数据将被送给数据库，通过旋转门压缩算法压缩后保存在归档文件中。

图1 系统网络拓扑图

3 系统软件部署

主从SCADA服务器设计安装FactoryTalk View SE产品的服务端软件，将担负与各站点PLC控制器设备实时通讯的任务。同时该服务器还将担任报警及图形服务器，承担报警及图形服务任务。

实时历史数据库服务器将安装FactoryTalk Historian SE产品，该服务器将作为系统的历史数据库，存储实时数据，并为系统提供历史数据访问服务。部分管理用分析、统计计算也可以在该服务器上定时完成。

操作员站将安装FactoryTalk View SE产品的客户端软件，生产调度人员将可以通过该软件监视各子站的工艺过程、关键设备运行状态，处理各种设备异常、事故，还可以查看分析历史数据，优化生产流程。操作员站可以访问数据服务器的历史数据。

工程师站将安装FactoryTalk View Studio软件用于HMI 服务器的配置及管理、人机界面的开发。FactoryTalk View Studio可以实现标签数据库、报警、画面等的在线管理，修改配置时，不影响操作员操作，修改配置后不需重启服务器[4]。安装FactoryTalk Vantagepoint软件用来开发报表、曲线、历史报警系统。

工程师站还将安装FactoryTalkViewPoint Server软件用于系统过程画面的实时WEB发布。系统软件部署图如图2 所示。

图2 系统软件部署图

4 系统功能设计

4.1 历史数据存档

数据库采样存储可通过统计生成分钟数据、小时数据和日数据3种周期格式存储[5]。采样存储数据包括平均值、最大值、最小值、有效性（正常、校准、故障）4项内容。1分钟数据可保存最近7天；1小时数据可保存最近3个月（90天）；日数据可保存最近1年以上。数据备份周期不低于30天。

4.2 数据批量编辑功能

调用数据库ExceDatalink功能模块结合宏命令编写程序，设计了数据批量编辑功能。功能支持批量修改任意指定时间的数据，方便用户对系统异常数据进行更正。用户可以在页面中中选择时间戳、数据库变量名、数值变化范围、变量个数等参数，对数据表进行检索、批量修改、删除及更新。用户确认了各设置参数后，系统会自动生成符合PI数据库数据导入格式的.CVS文件，并自动导入到数据库中，所有操作会返回操作结果，方便用户核对。所有涉及的数据在导入数据库后会自动生成一个标志位，不会影响系统原有的数据。数据导入功能代码如下所示。

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

parameter 1 - tagname-数据库中的变量名

parameter 2 - value - 希望写入数据库的变量值

parameter 3 - time stamp - 写入数据库的变量的时间戳

parameter 4 - result - 返回操作结果

4.3 报表及打印

使用vantagepoint软件基于EXCEL编写代码设计了报表。界面基于excel的报表可以不受模板的约束，报表格式的自由度更高，更能满足用户的需求。报表查询为用户提供了：日报、月报报表。所有报表均可按界面上的打印按钮进行打印。日报表和月报表，数据至少能保存一年。日报表按每小时采记。显示的流量、风量、设备运行时间数据能分区段累计，进出水水质、提升泵站液位、生化池工艺参数、设备电流应能按区段平均。月报表中，各主要设备有运行时间累计值，并且按月统计相关项的累计与平均值。

在日报表设计中，使用DATATIME变量结合整点时间戳作为报表的时间戳显示在第一列，仪表参数的值显示的是1小时内的平均值，设备运行时间显示的是设备启停时间，若在查询日期内无启停记录，则显示当前的设备状态。在月报表设计中，直接使用DATATIME作为查询的时间戳，仪表参数显示的是一天内的平均值。设计的各类运行报表，可以有效的减少操作员的工作负荷。确保数据的准确度。制作的报表可以在浏览器里查看，并集成在自控系统界面里查看。日报表部分代码如下所示。月报表部分查询结果如图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代表变量PH值，对其进行小时平均值查询显示

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 代表变量1#粗格栅的运行，显示一小时内历史运行状态。

IF(ISBLANK(Sheet2!AE7),TEXT(Sheet2!AE6,”当前状态:”), TEXT(Sheet2!AE7,”hh:mm:ss”)) ’对1#粗格栅的历史运行状态进行筛选显示。

图3 月报表部分查询结果

4.4 历史趋势曲线查询

选中任意的过程数据标签，用户都可以直接浏览其相关的历史趋势。在历史趋势中用户可以多种方式来浏览数据，查询模式有有实时显示、多条曲线分轴显示，拖动趋势光标查看某一时间的具体数值、使多条曲线以平行的方式显示及比对等。曲线查询有实时显示、多条曲线分轴显示、用户可以随时创建趋势图进行显示并保存供以后使用。曲线查询系统还可以选中某段曲线，使用分析功能，将该段曲线的所有历史数据罗列出来，进行打印或保存。方便用户对异常的曲线数据进行分析。

4.5 历史报警查询

系统将所有设备异常信号及仪表的超限报警，都存储在数据库中，并使用DATALINK INCURITY语句对这些报警历史信息进行查询。用户可以选择需要查询的报警区域，并选择时间段来进行查询。报警信号被记入数据库时采用“逢变则记“的原则，即报警信号的值每次跳变时才被记入数据库，这样可以减少占用数据库的空间，同时也为历史报警查询提供了精确数据源。历史报警查询界面如图4所示。

图4 历史报警查询

4.6 WEB发布

系统具有WEB发布功能，所有的报表、历史趋势曲线、历史报警查询页面都可以通过WEB Factorytalk ViewPoint软件进行发布，通过IE浏览器访问发布后的网址进行访问及查询。Web发布后可以使用户能随时随地访问工艺应用，可以帮助用户降低总体成本并且无需对客户端软件进行安装和维护，发布后的页面设计吸收了用户比较熟悉的当今最流行的浏览器的特性，使用户在使用时更加直接和容易上手。发布后的页面支持缩放，并且支持动画显示的网络应用程序，用户无论在办公室、家里还是在路上都可查看生产实时信息。

4.7 系统集成功能

污水处理厂用户会面对很对独立的监控系统，如数据查询系统、人机界面系统、视频监控系统等。需要投入很多人力及设备来监控每个操作系统，保证系统的正常运作。本数据管理系统是独立的数据查询系统，同时具有集成功能。在将各查询界面通过WEB发布后，在人机界面系统中使用Microsoft webbrowser控件、编写VBA代码实现了整个数据查询系统与人机界面系统的集成。这样的集成功能，简化了用户的操作，减少了监视设备的投入量，形成了一个完整的自控系统。系统集成代码如下所示。

Sub ChangeURL()

On Error GoTo ErrHandler ’如果运行错误跳转到错误提示句柄FinalURL= http://DATASVRQB/VantagePointPortal/getcontentviewer.aspx? ’web发布的地址

MicrosoftWebBrowser1.Navigate FinalURL ’在微软WEB BROWSER控件上显示发布的页面

ErrHandler: ’错误提示句柄

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

End Sub

5 小结

本数据管理查询系统采用PI数据库，以Factorytalk Historian软件为基础结合脚本开发，设计了基于实时历史数据库的数据管理查询系统。系统具有数据存储、数据查询查询、数据批量修改、历史趋势曲线查询、报表查询、历史报警查询、及WEB发布功能。整个系统可以集成到污水处理厂人机界面中，简化了操作人员工作，减轻了操作人员的负荷，提高了工作效率，系统界面画面美观、功能强大、易于操作，运行稳定，具有较高的应用价值[6]。

[1]丁金华.基于以太网温度采集与控制系统的设计与实现[J].科技信息,2012,29(10):62-63.

[2]张贝克,尉龙.组态软件基础与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2011.

[3]ROCKWELL公司.Facytory Historian系统手册[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

成书睿（1985—），女，上海人，硕士，中级工程师，从事自动化系统集成工作。