1. Anwendungshintergrund
Aufbauend auf dem Gesamtkonzept der Unternehmensinformatisierung besteht das Kernziel der Produktionsinformatisierung darin, ein auf den Produktionsprozess ausgerichtetes Informationssystem zu etablieren. Dadurch soll die Produktionsleitstelle des Unternehmens in die Lage versetzt werden, Managemententscheidungen schnell auf Basis von Echtzeit-Produktionsprozessinformationen zu treffen. Durch die Integration von Prozessdaten auf Anlagenebene können Produktionsprozessinformationen kontinuierlich und automatisch mit dem Unternehmensmanagementsystem geteilt werden, wodurch die Gesamtanlageneffektivität (OEE) und die wichtigsten Leistungsindikatoren (KPIs) des Produktionsprozesses stetig verbessert werden. Die Daten für Produktionsmanagemententscheidungen stammen nicht nur aus einzelnen Produktionseinheiten, sondern aus der gesamten Produktionslinie, dem gesamten Unternehmen und sogar aus kollaborativen Fertigungsplattformen über Regionen und Zeitzonen hinweg. Aufgrund der unterschiedlichen Größen von Produktionseinheiten und Produktionsliniensteuerungssystemen (von Dutzenden bis zu Tausenden von E/A in einem einzigen Steuerungssystem), der Komplexität der Steuerungsnetzwerkstrukturen und der verschiedenen Schnittstellen zum Managementnetzwerk (Software- und Hardware-Schnittstellen) ist es äußerst schwierig, Produktionsprozessdaten auf Anlagenebene mithilfe herkömmlicher relationaler Datenbanken umfassend und in Echtzeit zu integrieren.
Die Echtzeit-Datenbankplattform iHistorian nutzt Standard-Software- und Hardware-Schnittstellentechnologien, um schnell und effizient Echtzeitdaten direkt vom Produktionslinien-Steuerungssystem zu erfassen. Sie verwendet zudem fortschrittliche Echtzeit-Datenbanktechnologie, um große Datenmengen effizient zu komprimieren und sicher zu speichern. So liefert sie diverse Online- (z. B. Ausstoß, Temperatur, Durchflussrate) und Offline-Prozessdaten (Formeln, Qualitätsanalysen, Versuchsdaten) für die Einrichtung weiterer Echtzeit-Produktionsmanagementsysteme (z. B. Systeme zur dynamischen Produktionskostenverfolgung, Echtzeit-Produktionsplanung, Anlagenfehlerdiagnose, wirtschaftlicher Betrieb, Kapazitätsoptimierung, Qualitätsmanagement und Visualisierung von Produktionsprozessen). Dies schafft eine grundlegende Datenbankplattform zur Beseitigung von Datensilos, zur gemeinsamen Nutzung von Ressourcen und zur Ermöglichung verteilter MES-Anwendungen.
2. Anwendungsarchitektur
2.1 Produktionsinformations-Anwendungsplattform basierend auf iHistorian
Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die Systemanwendungsarchitektur des mit iHistorian erstellten MES in einen Datenerfassungsteil, einen Datenspeicherteil, einen Datenverwaltungsteil und einen Datenanwendungsteil unterteilt, wie nachfolgend detailliert beschrieben:
Errichten Sie ein lokales Netzwerk (LAN) für den Werkstattkontrollraum oder die Produktionseinheit, das in das Unternehmensnetzwerk integriert werden kann, um grundlegende Datenerfassungsschnittstellen für Produktionsverfahren oder Steuerungssysteme (PC-basierte Schnittstellenstation, HMI, SCADA-Software, OPC-Schnittstelle), einen iHistorian Echtzeit-Historiendatenbankserver und Archivdateien zu erstellen.
Fernwartung für iHistorian: Webbasierte oder Windows-basierte Fernverwaltung und -wartung
Produktionsanwendungen: wie z. B. Anwendungen zur Visualisierung von Produktionsprozessen, Anwendungen für statistische Messungen, Anwendungen für die Chargenverwaltung, Web-Publishing-Anwendungen usw., Schnittstellen zu Enterprise-Management-Systemen, wie z. B. ODA für SAP, formatierte Dateien, OLE DB für den Zugriff auf relationale Datenbanken usw.
3. iHistorian Architektur
3.1 Speichern von Datenobjekten
Traditionelle relationale Datenbanken sind primär für diskrete, nicht-kontinuierliche Datenobjekte ohne Zeitstempel konzipiert und werden auch so eingesetzt. Sie verwenden zweidimensionale Tabellen, um Beziehungen zwischen Daten wie Bestellinformationen, Personalinformationen und Verkaufsdaten darzustellen und herzustellen.
Als primäres Speicherobjekt der Echtzeit-Historiendatenbank weisen Produktionsprozessdaten folgende Hauptmerkmale auf: kontinuierliche und zeitgestempelte Daten, wie z. B. analoge Größen wie Temperatur und Druck vor Ort; kontinuierliche, zeitbasierte Ereignisprotokolle, wie z. B. Ventilschaltungen und Motorstarts/-stopps; sowie manuelle Offline-Daten, wie z. B. Chargeninformationen, Barcodes und Prüfberichte. Aufgrund der komplexen Eigenschaften dieser Speicherobjekte verfügt iHistorian über eine grundlegend andere Architektur als relationale Datenbanken. iHistorian bietet exzellente Schnittstellen und erfasst Produktionsprozessdaten direkt aus verschiedenen Steuerungssystemen.
3.2 Datenbank-Speicherstruktur
Wenn Sie relationale Daten zur Erfassung von Prozessdaten verwenden, müssen Sie zunächst eine große Anzahl von Tabellen vorab festlegen, darunter beispielsweise: Datenpunktdefinitionstabelle, Tabelle zur Klassifizierung von Zugriffsberechtigungsstufen, Tabelle zur Zuweisung von Besucherberechtigungen, Rohdatensatztabelle, Aktualisierungsdatentabelle, Datentypdefinitionstabelle, Systemmeldungstabelle usw. Abbildung 2 zeigt ein Systemdesign unter Verwendung einer MS SQL-Datenbank.
Die Systemstruktur ist komplex, und Entwickler sowie Integratoren müssen zahlreiche Skripte schreiben und Prozesse speichern, um den Entwicklungsaufwand zu bewältigen. Da die Felddaten in Echtzeit aktualisiert werden und sehr umfangreich sind, führt diese komplexe Architektur zwangsläufig zu einer geringen Effizienz bei der Datenspeicherung und -abfrage, was die Effizienz der gesamten Anlageninformationsanwendung beeinträchtigt.
iHistorian nutzt eine verteilte Datenerfassungsstruktur und eine zweistufige, komprimierte Speicherstruktur (siehe Abbildung 3): Auf dem Host-Rechner des Frontend-Steuerungssystems ist ein Collector installiert. Dieser Collector erfasst Echtzeitdaten von lokalen SCADA-Systemen, HMI-Knoten, OPC-Servern oder manuell eingegebene Daten, komprimiert diese und sendet sie an den iHistorian-Server. Der Collector kann verteilt und auf den Schnittstellenstationen verschiedener Steuerungssysteme installiert werden.
Der Vorteil dieser Datenerfassungsarchitektur besteht darin, dass bei einer Vielzahl verteilter Datensammler am Frontend kein Datenverlust durch Serverausfälle oder Netzwerkunterbrechungen auftritt. Die Datensammler können Prozessdaten automatisch in einem lokalen Puffer zwischenspeichern. Sobald der iHistorian-Server wieder auf Anfragen der Datensammler reagiert oder die physische Verbindung wiederhergestellt ist, werden die erfassten Daten automatisch in iHistorian zurückgespielt. Diese Funktion gewährleistet die vollständige Datenintegrität.
Da Prozessdaten aus verschiedenen Steuerungssystemen zeitliche Korrelationen aufweisen können, kann iHistorian automatisch eine Taktkompensation der Daten von verschiedenen Erfassungsgeräten durchführen, um die Effektivität der Datenanalyse zu gewährleisten.
iHistorian bietet zwei Methoden zur Komprimierung von Aufzeichnungsprozessdaten: Totzonenkomprimierung während der Datenerfassung und Archivspeicherkomprimierung.
Die Totzonenkomprimierung bezieht sich auf die Prozessdaten, die vom Datensammler an der Schnittstellenstation erfasst und anschließend anhand einer vordefinierten Totzone gefiltert werden, bevor sie an iHistorian gesendet werden. Ist die Totzone auf 0 gesetzt, bedeutet dies, dass der aktuelle Wert des Tags an iHistorian gesendet wird, wenn er sich vom vorherigen Wert unterscheidet. Sind die Werte identisch, wird der Wert herausgefiltert.
Die Archivspeicherkomprimierung verwendet eine vektorbasierte Komprimierung, wie in Abbildung 4 dargestellt. iHistorian ermittelt, dass Datenpunkte C des Datensammlers nicht in die Datendatei geschrieben werden, wenn sie auf der Geraden zwischen den Punkten A und B liegen oder sich innerhalb des toten Bereichs der Steigungsänderung befinden. Werden Daten an Punkt E erfasst, überschreitet die Steigung der Geraden DE relativ zur Steigung von CD den Grenzwert des toten Bereichs, sodass die Daten an Punkt D in die Datendatei geschrieben werden. Analog dazu werden die Daten an Punkt G in die Datendatei geschrieben. In Abbildung 4 sind die Daten an den Punkten B, C, E, F, H und I komprimiert, aber nicht gespeichert; diese Daten können jedoch mithilfe eines Interpolationsalgorithmus wiederhergestellt werden. Bei der Archivspeicherkomprimierung kann die Steigungsänderungsrate für verschiedene Ein-/Ausgabepunkte individuell vom Benutzer definiert werden. Bei einer Definition von 0 % werden Prozessdaten aufgezeichnet, sobald sie von der ursprünglichen Steigung abweichen, und die Datenspeicherung erfolgt verlustfrei.
Die oben beschriebenen Komprimierungsverfahren können die Leistung von kostengünstigen Speichersystemen deutlich verbessern. Tests haben gezeigt, dass bei der Aufzeichnung von 500 Gleitkommazahlen pro Sekunde der Speicherplatzbedarf von iHistorian im Vergleich zu relationalen Datenbanken wie folgt aussieht (die genauen Werte können je nach Speicherplatzbedarf und Datenänderungsrate variieren):
Es kann Daten eines linearen Prozesses aufzeichnen, unabhängig davon, wie lange die Aufzeichnung dauert.
3.3 Systemleistung
3.3.1 Datenerhebung
iHistorian verarbeitet Datenlese- und -schreibvorgänge 20.000 Mal pro Sekunde, zeichnet Daten mit einer zeitlichen Auflösung im Millisekundenbereich auf und ermöglicht Datenerfassungsgeschwindigkeiten von 100 ms. Ein einzelner Server kann 100.000 Tag-Punkte speichern. Der Datenverarbeitungs-Collector stellt eine Rechen-Engine und Skriptentwicklungswerkzeuge bereit, die direkt zur Datenverarbeitung eingesetzt werden können. Die Berechnungsergebnisse lassen sich direkt in iHistorian speichern.
3.3.2 Systemmanagement und -wartung
iHistorian bietet Systemwartungsfunktionen für Thin Clients und ermöglicht die umfassende, programmierfreie Fernwartung über Internet Explorer. Dazu gehören die Überwachung des Systemstatus, das Hinzufügen und Löschen von Tags, das Anpassen der Komprimierungsrate, die Verwaltung von Benutzerberechtigungen, das Starten und Stoppen des Collectors sowie die Sicherung archivierter Dateien. Die elektronische Signaturfunktion von iHistorian bietet zudem erweiterte Sicherheitsmanagementfunktionen und ermöglicht es verschiedenen Benutzern, Aktionen an unterschiedlichen Tags durchzuführen. Diese Aktionen werden zur Nachverfolgung in einer Datenbank protokolliert. Da diese Funktionalität den Anforderungen von 21 CFR Part 11 entspricht und entsprechend zertifiziert ist, kann sie direkt in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt werden.
3.3.3 Datenanwendungen iHistorian bietet mehrere Datenschnittstellen. Über OLE DB können Standard-SQL-Anweisungen verwendet werden, um historische Daten, Systemmeldungen, Tags usw. in iHistorian abzufragen, wie in den folgenden Anweisungen gezeigt:
Wählen Sie Timestamp, Value aus ihRawData, wobei Tagname = Temp1;
Und Zeitstempel > Heute;
Und IntervallMillisekunden = 1 Stunde;
Und Berechnungsmodus = Durchschnitt;
Diese Anweisung berechnet den Durchschnittswert von Temp1 für den aktuellen Tag in 1-Stunden-Intervallen und gibt folgendes Ergebnis zurück:
Bei der Verwendung von MS SQL zur Aufzeichnung historischer Daten ist umfangreicher Code und die Erstellung gespeicherter Prozeduren erforderlich, um Abfragen wie zeitbasierte Mittelwerte und Interpolationen durchzuführen. Zudem geht die Erstellung von Indizes und das Sortieren der Originaldaten mit einem erheblichen Leistungsverlust einher, und die Abrufeffizienz ist sehr gering.
Darüber hinaus bietet iHistorian ein Excel-Add-in für die Berichtserstellung, einen iClient-Client, ein intelligentes numerisches Analysetool namens infoAgent sowie eine API-SDK-Schnittstelle. Diese Schnittstellen sind äußerst effizient. So können Sie beispielsweise im selben Trenddiagramm von iClient gleichzeitig zehn historische Trends der letzten zwei Monate abfragen, und die Aktualisierung ist in weniger als drei Sekunden abgeschlossen.
4. Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die iHistorian-basierte Lösung (siehe Abbildung 5) mehrere Aspekte von Produktionsprozessdaten gleichzeitig abdeckt, darunter Echtzeit-Erfassung, kostengünstige Speicherung und sichere Anwendung. Daher kann sie umfassend als grundlegende Datenbankplattform für die Entwicklung einer Produktionsinformationsinfrastruktur genutzt werden und somit:
• Ermöglicht es der Produktionsleitstelle, die Produktions- und Anlagenprozesse in jeder Produktionsphase zu visualisieren und zu überwachen.
• Ermöglicht die Echtzeit- und historische Trendanalyse von Produktionsdaten vor Ort und analysiert und verarbeitet diese sowie den Anlagenstatus automatisch statistisch. Durch intelligente Analyseberichte und die Anwendung von Produktionsprozessdaten bietet es der Geschäftsleitung zeitnahe und zuverlässige Unterstützung bei Produktions- und Betriebsentscheidungen.
• Ermöglichen des Datenaustauschs zwischen dem Produktionsstandort und verschiedenen Subsystemmodulen, Vernetzen von Informationen im gesamten Unternehmen von oben nach unten und von links nach rechts, Einrichten eines Kanals für Produktionsmanagement und Produktionssteuerung sowie Erreichen der Informationsintegration und -weitergabe auf Werksebene;
• Trennen Sie das Unternehmensmanagementsystem und das zugrunde liegende Steuerungssystem, um den stabilen Betrieb des Steuerungssystems zu gewährleisten und die Produktion vor Ort nicht zu beeinträchtigen.
Durch die Nutzung historischer Echtzeitdatenbanken können Unternehmen ihre Investitionen in IT- oder ERP-Systeme schützen und ihre Managementsysteme auf Basis von Echtzeit-Produktionsprozessdaten betreiben. Dies wiederum verbessert die Produktqualität, verkürzt die Fertigungszyklen, erhöht die Gesamtanlageneffektivität, steigert die Arbeitsproduktivität und erhöht die Kundenzufriedenheit mit der IT-Infrastruktur des Unternehmens.
