TECHNICAL PAPER REAL-TIME DATA ACQUISITION SYSTEM JUST ONE SYSTEM FOR DATA INTEGRATION, PROCESSING AND ANALYSIS

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1 TECHNICAL PAPER REAL-TIME DATA ACQUISITION SYSTEM JUST ONE SYSTEM FOR DATA INTEGRATION, PROCESSING AND ANALYSIS 1

2 1 INTRODUCCIÓN El sistema IDbox es un conjunto de componentes software cuyo objetivo es supervisar una operación industrial. IDbox pone a disposición de los usuarios la información procedente de un conjunto de fuentes de naturaleza heterogénea, de una forma totalmente integrada y homogénea. El sistema centraliza datos de cualquier fuente de información, lo integra y estandariza, lo procesa y almacena, permitiendo visualizar y analizar la información, para ayudar en la toma de decisiones de operación. Desde el punto de vista del usuario las principales funcionalidades son: Cuadros de mando e informes Datos en tiempo real e información histórica Sinópticos, planos y operación HMI Cálculos, alarmas y notificaciones Gráficas (tendencia, comparación, estadística, ) La idea consiste en disponer de todos los datos de la planta unificados en un solo sistema, que las diferentes topologías de cálculo, puedan procesar de acuerdo a las reglas de negocio definidas por los operarios y generar nuevos valores estructurados como nuevos cálculos o nuevos puntos de recogida de información, sin tener dependencia de proveedores, aportando, de este modo, valor creciente y continuado al negocio. 2

3 2 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS El sistema IDbox se ha diseñado en base a las siguientes características: 2.1 Abierto y configurable Es un sistema abierto y configurable capaz de conectar a cualquier dispositivo y almacenar en cualquier base de datos (MongoDB por defecto, SQLServer, Oracle, MySQL, etc.) de modo que no impone un sistema de almacenamiento propietario, permitiendo a los administradores de los sistemas disponer y acceder siempre a la información. El sistema es extensible y facilita la comunicación con sistemas externos mediante servicios y protocolos de comunicación estandarizados. 2.2 Arquitectura y alto rendimiento Su arquitectura de información, en base a componentes distribuidos que dialogan entre sí orquestando cachés, colas y buffers, lo convierte en el sistema de consulta de información más rápido y eficiente. IDbox permite arquitectura centralizada o distribuida tanto para el almacenamiento, como para la consulta. El sistema se organiza en capas lógicas desacopladas, que admiten diferentes estrategias de despliegue físico, definiendo para cada caso particular, una arquitectura de la información en múltiples niveles (cachés) con buffers intermedios (aseguramiento de la persistencia) para la máxima resolución del dato y rapidez en la consulta. 3

4 2.3 Seguridad La seguridad es el punto más crítico y desde el que se basa todo el diseño y arquitectura de IDbox. El sistema permite trabajar en modo UDP, permitiendo soportar estructuras de securización física, tipo data-diode, cumpliendo de este modo las normativas más estrictas de niveles de acceso a la información. Los usuarios se organizan en perfiles de acceso, de modo que cada grupo dispone de acceso a información concreta. Adicionalmente se puede activar el componente de auditoría que supervisa y almacena todos los accesos y acciones sobre el sistema. A continuación se muestra una arquitectura física tipo: 2.4 Usabilidad y accesibilidad Se ha realizado un esfuerzo importante en la usabilidad y accesibilidad al sistema. De este modo se configuran una serie de clientes que aportan valor en cada situación y en cada momento. Cliente web: Cliente de propósito general, accesible mediante web, basado en tecnología AJAX, MVC y SVG. Este cliente permite acceder a IDbox mediante un dispositivo con navegador, típicamente un PC o un Tablet. Cliente móvil: Este cliente se ha diseñado para dotar de movilidad a IDbox, permitiendo acceder a la información mediante un dispositivo móvil, tipo Smartphone. 4

5 Cliente Excel: Este cliente integra IDbox en la herramienta Microsoft Excel permitiendo explotar los datos en tiempo real desde el entorno Office. Cliente Kinect: El objetivo de este cliente es dotar a IDbox de una interfaz que mediante gestos pueda acceder a la información, posibilitando su uso en entornos críticos donde el riesgo de contaminación es elevado. 5

6 3 FLUJO DE INFORMACIÓN A continuación, a modo de ejemplo y de forma resumida, se define cual es el flujo de actividad para una señal capturada por IDbox: 1. Después de la configuración inicial se procede a arrancar el sistema, conectándose los drivers a los orígenes de información. 2. Se recogen los datos de las distintas fuentes a través de los protocolos y se consolida en un mismo formato. La recogida se realiza en buffers intermedios para asegurar la recuperabilidad del sistema y persistencia de la información. 3. Se procesan los datos, para lo cual se trabaja con cada punto etiquetado, el instante, su estado y se evalúan las alarmas. 4. Si la señal forma parte de un cálculo, se ejecutan las rutas de cálculo definidas en las topologías de cálculo para obtener valores compuestos, como por ejemplo promedios. 5. Los agentes de inserción definen en base a la parametrización, el almacenamiento distribuido que se va a llevar a cabo. Típicamente se realiza un almacenamiento de los datos procesados en colas de ficheros a la máxima resolución de adquisición. Esta información se pasará a las bases de datos con una compresión definida. 6. Los agentes de consultas cargan las cachés distribuidas con información histórica y con información en tiempo real, optimizando las consultas al máximo y evitando acudir a la base de datos a no ser que sea imprescindible. 7. Los servicios web consumen los datos proporcionados por los agentes de consulta, que bajo petición de los clientes comenzarán a trabajar. 8. Los clientes solicitan a los servicios los datos, tanto de tiempo real como de históricos para permitir una monitorización, análisis y supervisión adecuadas. Los drivers se conectan a los equipos Se realizan lecturas y procesa la información Si procede, la señal pasa al motor de cálculo Se pasa a almacenamiento Los agentes cargan las cachés de información Los servicios consultan a los agentes, que localizan la información Los clientes solicitan a los servicios información 6

7 4 DISEÑO Y ARQUITECTURA A continuación procederemos a desglosar y plantear las bases de diseño para mostrar el esquema conceptual del sistema. [M01] Orígenes de información [M02] Drivers de Adquisición [M04] Motor de Cálculo [M05] Servicios de análisis [M03] Almacenamiento El sistema se podrá orquestar y distribuir de forma que permita un escalado vertical y horizontal, es por eso que la arquitectura hardware definitiva y los componentes software que se ubicarán en cada servidor no están definidos. 4.1 [M01] Orígenes de información El sistema dispone de los conectores necesarios para recibir información de diferentes y heterogéneas fuentes de información. Es necesario disponer de una red de equipos instrumentada, es decir, accesibles para que el sistema IDbox acceda a la información. 4.2 [M02] Adquisición El componente de adquisición estará compuesto por drivers distribuidos, desarrollados con tecnología.net compilables en Servicios Windows o Linux, que serán los encargados de obtener la información. Las señales provienen en general de PLCs vía protocolos TCP, MODBUS, OPC, SNMP o de cualquier otro tipo de emisor de información (ficheros binarios, ficheros de texto, base de datos, etc). En muchos casos es preferible utilizar un driver para cada equipo, en lugar de un estándar, generalmente por cuestiones de rendimiento, en este sentido se disponen de conectores para la mayoría de fabricantes de PLCs/OPCs como por ejemplo Siemens, Bosch, GEfanuc, Schneider, Honeywell, ABB, Beckoff, etc. Implementando los protocolos propios de PLCs como RTP, MVD, MBC y OPC Genérico y basados sobre interfaces sólidas, permitiendo la escalabilidad y adaptación del sistema. 7

8 Una vez obtenidos los datos, son procesados para su posterior explotación (almacenamiento, generación de cálculos y nuevas señales, análisis, envíos a sistemas externos, etc.) Adicionalmente los drivers pueden contar con componentes genéricos de repropagación, diezmado, u otro tipo de tratamiento previo, necesarios según las características propias de los PLCs con los que se conecten. A continuación se muestra un diagrama de la estructura básica de un driver genérico: 4.3 [M03] Almacenamiento Agentes de grabación. Son los encargados del almacenamiento de la información recogida por el sistema. Almacenarán la información de dos formas: Almacenamiento en ficheros binarios circulares Estos ficheros se utilizarán para almacenar los datos a máxima resolución durante un determinado periodo de tiempo. Una vez completado el fichero de datos se reiniciará la escritura por el inicio del fichero, creando un efecto de cola circular. El plazo de tiempo vendrá determinado por el tamaño de los ficheros y la frecuencia de lectura de los datos Almacenamiento en Base de Datos El sistema puede almacenar los datos de dos formas, guardando todos los valores recogidos o mediante el diezmado, truncados o utilizando algoritmos de compresión de los valores. Como característica adicional introduce el marcado temporal para mejorar el rendimiento de las consultas contra la base de datos. 8

9 A continuación se muestra un diagrama de la estructura de los Agentes de Grabación (DataRecorder) Componentes de los agentes de datos Puntos de entrada de Datos Los agentes de datos reciben la información por medio de una serie de puntos de entrada genéricos, que son instanciados según su configuración en el momento de arranque del agente, por medio de la elevación de ensamblados. Estos puntos de entrada utilizan una interfaz común de comunicación con el resto de componentes, de tal forma que un agente de datos puede tratar de la misma forma la información, independientemente de su procedencia Control Datos Duplicados Debido a los envíos de repropagación de las señales digitales, se ha dispuesto el desarrollo de un componente especial que forma parte de los agentes de datos, cuya misión es la de filtrar los valores recibidos por los puntos de entrada, dando paso únicamente a los datos cuyo valor o estado haya cambiado con respecto al anterior recibido. El componente en concreto se limita a mantener un mapa interno de los últimos valores recibidos para cada punto del sistema. Cuando un nuevo paquete de información es recibido, el componente compara el valor y el estado de cada punto recibido con el almacenado en el mapa, y en caso de existir diferencias permite su paso al resto del sistema. 9

10 Grabador Disco Este componente es el encargado del almacenamiento a ficheros en disco de la información recibida por el agente de grabación. El grabador mantendrá un fichero independiente para cada punto, grabándose toda la información recibida, independientemente de la frecuencia en la que se recibe esta, es decir, el grabador almacena en disco los datos a máxima resolución, sin diezmar o filtrar los datos recibidos. Así mismo los ficheros mantendrán una estructura interna similar a una cola circular, de forma que una vez completado el fichero, el grabador continuará escribiendo por el inicio del fichero, manteniendo una referencia a la posición de escritura actual. El grabador a disco almacena dos tipos distintos de ficheros, según sean los datos pertenecientes a un punto analógico o a un punto digital. Estos se diferencian en el tipo de datos contenidos, ya que en el caso de los analógicos se almacenará un valor float para el campo valor, y en el caso de los digitales un boolean Time Marker A fin de optimizar los procesos de consulta que se realizan en el sistema, se ha desarrollado un componente cuya función es marcar los datos recibidos temporalmente según los filtros preestablecidos, de forma que al consultarlos se pueda filtrar directamente por estas marcas, en vez de consultar todos los datos y diezmarlos. Este componente recogerá datos procedentes de diferentes fuentes y creará un mapa de los valores analógicos. Los valores digitales no serán tratados por este componente. Cada Time Marker tendrá una serie de marcas temporales que tratará. Según estas marcas, el componente obtendrá cual será la siguiente fecha en la que se debe obtener un valor marcado para cada punto. Cuando se recibe un valor para un punto cuya fecha sea mayor que la fecha de marca, se emitirá el valor marcado para el punto. Dependiendo de la forma de funcionamiento del Time Marker se consideran dos posibilidades: Síncrono: El Time Marker emite el último valor recibido del punto, anterior a la fecha de marca, con la fecha ajustada temporalmente a la marca y el estado Sincronizado. Asíncrono: El Time Marker emitirá el valor recibido más cercano a la fecha de marca, sin modificar fecha ni estado. Una vez emitido el valor marcado del punto se calcula cual será la siguiente fecha de marca y se queda a la espera. 10

11 Para evitar posibles fallos de funcionamiento cuando el componente deje de recibir datos para algún punto (por ejemplo por fallo en los envíos UDP debido a las características de este protocolo), se incluye un timer de respaldo que en caso de no recibirse datos, activa el envío de los datos marcados según el último valor que fue recibido Grabador a Base de Datos Los agentes de grabación emplean una serie de componentes para el almacenamiento de la información, que son instanciados según su configuración en el momento de arranque del agente de grabación, por medio de la elevación de ensamblados. Estos componentes de grabación de entrada utilizan una interfaz común de comunicación con el resto de componentes, de tal forma que tratan la información de la misma manera independientemente de cuál es el tipo de grabación realizada. Cuando se crea un componente de grabación, una factoría se grabadores, crea el componente base según su configuración por elevación de ensamblados, pasando posteriormente a configurarlo con las marcas temporales, rutas de acceso, y configuración adicional, por medio de los métodos comunes de la interfaz. Este componente base queda enmarcado dentro de un componente superior que actuará como interfaz del componente base de grabación y el resto del agente de datos. Actualmente los grabadores configurados son grabadores que utilizan un método de grabación por volcado masivo de registros para optimizar la grabación de datos Colas circulares Para el almacenamiento local de los datos que van a ser consultados por el sistema, los agentes de datos utilizan una serie de gestores de colas de memoria. Estas colas de memoria son similares en cuanto a estructura a los ficheros de disco, siendo colas de estructura binaria que una vez alcanzado su tope de capacidad reinician su escritura por la cabecera de la cola, simulando el funcionamiento de una cola circular. Estas colas circulares serán utilizadas tanto para almacenar datos a máxima resolución como datos marcados o diezmados Proveedor Tiempo Real Este componente es el encargado del suministro de las consulta de puntos en tiempo real realizadas por los servicios web correspondientes. El componente consta a su vez de varias partes: 11

12 Remoting RT: Es la parte del proveedor de tiempo real que permite la conexión vía remoting entre el servicio web de tiempo real y el agente de consulta. Este componente emplea la interfaz genérica de peticiones de tiempo real y utiliza de base el proveedor de datos de tiempo real para suministrar la información. Proveedor de tiempo real: Es el proveedor que consulta los datos en el mapa de tiempo real y se los suministra al componente de Remoting para su devolución al servicio web. Mapa de datos Tiempo real: Es el mapa donde se almacenará el último dato recibido para cada punto. El mapa utiliza unos bloqueos de modo lectura/escritura según la operación realizada a fin de optimizar el número de bloqueos en el mapa y agilizar las lecturas de datos Proveedor Históricos Este componente es el encargado del suministro de las consultas de históricos de puntos realizadas por los servicios web correspondientes. El componente consta a su vez de varias partes: Remoting Históricos: Es la parte del proveedor de históricos que permite la conexión vía remoting entre el servicio web de históricos y el agente de consulta. Este componente emplea la interfaz genérica de peticiones de históricos y utiliza de base la cadena de proveedores de datos para suministrar la información. Cadena de Proveedores de Históricos: Para la consulta de los datos de históricos se utiliza una cadena de proveedores especializados, cada uno de los cuales consulta los datos históricos sobre una fuente de datos. El funcionamiento de la cadena de proveedores es el siguiente: La clase instanciada por el servicio de históricos vía remoting inicia la cadena, solicitando los datos al primer proveedor de la cadena, este proveedor comprueba si posee los datos solicitados, si directamente el proveedor no contiene los datos, se pasa la solicitud al siguiente proveedor, y así sucesivamente hasta que se obtengan los datos o se acaben los proveedores disponibles. Si los contiene, los consulta y comprueba si el resultado es completo o parcial. Si es completo se devuelven los datos y se corta la cadena. Si es parcial, llama al siguiente elemento de la cadena solicitando el rango temporal que falta para que lo complete. Hay que tener en cuenta, que previamente cada proveedor comprobará si el intervalo solicitado coindice con alguna de las marcas configuradas y que el periodo solicitado no coincida con el periodo de latencia de escritura del sistema de grabación asociado, ya que en estos casos el proveedor nunca tendrá los datos solicitados y se evita así la consulta de datos. 12

13 A continuación se muestra un esquema del funcionamiento básico de la cadena de proveedores: 13

14 4.4 [M04] Cálculo La topología de cálculo es la encargada de procesar y tratar los datos obtenidos por los drivers según la configuración lógica dispuesta para cada uno, pudiéndolos separar a través de grupos lógicos. Los cálculos se configuran mediante una herramienta sencilla e intuitiva que permite mediante una paleta de componentes arrastrar y soltar operadores para componer las formulas necesarias. Existen numerosos operadores para realizar cualquier tipo de cálculo; lógicos, aritméticos, cálculos matemáticos específicos, etc. La siguiente imagen muestra la interfaz de usuario de la herramienta para generación de cálculos: Los gráficos se presentan en una arquitectura intuitiva y de fácil aprendizaje, basada en diagramas de gráficos vectoriales SVG, lo que permite adaptarse a cualquier dispositivo y equipo de visualización, realizar zoom y escalados de manera muy sencilla sin pérdida de resolución. Tanto la realización de cálculos como la inclusión de nuevas señales en el sistema no requieren de conocimientos matemáticos específicos, únicamente es necesario añadir componentes y conectarlos, como se aprecia en la siguiente figura: 14

15 Existen componentes que nos permiten enviar datos a través de TCP/IP, UDP, FTP, etc. a otros sistemas. La representación de los cálculos está organizada como un sistema distribuido en el cual cada elemento es independiente, parametrizable y puede formar parte de varios cálculos logrando así un bajo nivel de acoplamiento y al mismo tiempo, alta cohesión. 4.5 [M05] Análisis Agentes de consulta. Los agentes de consulta son los encargados del suministro de los datos de Tiempo Real e Históricos a los diferentes servicios Web empleados por el cliente web del sistema IDbox, así como el resto de sistemas que se nutren de esta información (cliente móvil, plugin MSExcel, etc..). Para optimizar el rendimiento de las consultas, el agente cuenta con una serie de proveedores de datos ordenados por velocidad de acceso (memoria, ficheros, Base de datos ). Dependiendo de la cantidad de datos solicitados por el usuario y de su rango temporal, el sistema decide de forma automática qué proveedor de datos es el más eficaz para esa consulta. * Diagrama de la estructura de los Agentes de consulta. 15

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