Historian là gì: bộ đệm, deadband, nén và so sánh FactoryTalk Historian, AVEVA PI System, Ignition

Historian (process historian) là cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian (time-series) dành cho dữ liệu nhà máy: mỗi giá trị tag được ghi cùng thời điểm (timestamp) và chất lượng hay trạng thái (quality, status), có thể lưu trong nhiều năm, rồi trả về trend, giá trị trung bình và giá trị nội suy khi cần. FactoryTalk Historian, AVEVA PI System và historian của Ignition đều làm việc này, nhưng khác nhau ở bộ máy lưu trữ, đường thu thập, mô hình tài sản và cách tính bản quyền. Phần dưới nói trước về bộ đệm, deadband và nén, sau đó so sánh ba nền tảng theo chính tài liệu của từng hãng.

Historian lưu cái gì

Wikipedia mô tả historian vận hành (operational historian) là cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian cho dữ liệu quá trình, đặt gần hệ điều khiển, thu dữ liệu đo lường và điều khiển dưới dạng tag (hay point). Tài liệu Data Archive của AVEVA định nghĩa một sự kiện (event) gồm thời điểm, giá trị và trạng thái; tài liệu Ignition ghi mỗi bản ghi lịch sử gồm giá trị, quality và thời điểm chính xác tới mili giây.

Historian nằm ở đâu trong các cấp của ISA-95 thì xem bài về ISA-95. Dữ liệu historian có thể dùng cho phép tính OEE và cho hồ sơ sản xuất của MES.

Sao không ghi tag thẳng vào một bảng SQL?

Làm vậy được, và SQL Historian của Ignition cũng lưu lịch sử vào MySQL, SQL Server hoặc PostgreSQL. Historian làm thêm phần xử lý bao quanh việc lưu:

• Khối lượng. Một tag quét mỗi giây sinh ra 86.400 giá trị mỗi ngày. Historian quyết định cho từng tag giá trị nào cần giữ và tự quản lý bảng: module Historian Core của Ignition tự tạo, đánh chỉ mục, chia phân vùng (partition) và loại bỏ bảng cũ.
• Truy xuất. Inductive Automation khuyên truy vấn lịch sử qua công cụ của chính Ignition, vì các công cụ này xử lý canh thời gian, nội suy, loại trùng và tổng hợp (aggregation).
• Trung bình theo thời gian. Khi chỉ lưu lúc giá trị thay đổi, lấy trung bình cộng các dòng sẽ coi một giá trị giữ suốt một giờ ngang với giá trị chỉ tồn tại một giây. Ignition có kiểu tổng hợp trung bình theo thời gian (time-weighted average), còn phép tóm tắt (summary) của PI Web API tính được theo thời gian hoặc theo số sự kiện.
• Nội suy. AVEVA mô tả tín hiệu gốc được dựng lại bằng cách nội suy giữa các sự kiện đã lưu, nên tính được giá trị ở những thời điểm nằm giữa chúng.

Dữ liệu vào historian ra sao, và giới hạn của bộ đệm

Ở cả ba sản phẩm, đường đi gồm ba chặng: bộ thu thập (collector) đọc bộ điều khiển và lọc giá trị, bộ đệm giữ dữ liệu khi không tới được kho lưu trữ (archive), và kho lưu trữ cất dữ liệu.

Bộ thu thập của Historian SE là FactoryTalk Live Data Interface (đọc bộ điều khiển Rockwell, cùng các OPC server OPC UA và OPC DA); của PI System là PI interface, PI connector và AVEVA adapter; của Ignition là các driver có sẵn, trong đó có driver Allen-Bradley Logix cho ControlLogix và CompactLogix từ firmware v20.19.

PI interface đệm dữ liệu xuống đĩa qua PI Buffer Subsystem khi Data Archive không sẵn sàng và gửi lên khi kết nối có lại; AVEVA khuyên đặt bộ đệm trên ổ không chứa hệ điều hành hay file page của Windows, và hướng dẫn dự phòng (redundancy) của Historian SE từ Rockwell cũng nói vậy (một ổ cục bộ khác ổ C). Store and Forward của Ignition cho lịch sử đi qua bộ đệm bộ nhớ và bộ nhớ đệm trên đĩa, chỉ xóa dữ liệu sau khi ghi vào cơ sở dữ liệu thành công, giữ đúng thứ tự và cách ly (quarantine) các bản ghi lỗi nhiều lần.

Bộ đệm có giới hạn:

• AVEVA Adapter for OPC UA mặc định dành 1024 MB bộ đệm cho mỗi endpoint. Tới giới hạn, adapter xóa file đệm cũ nhất; nếu không đệm được nữa, adapter ghi log lỗi báo mất dữ liệu.
• Store and Forward của Ignition giới hạn theo thời gian, số bản ghi hoặc dung lượng file. Giá trị mặc định 0 nghĩa là không tự đặt giới hạn; khi chạm giới hạn đã cấu hình, hành động mặc định là từ chối dữ liệu mới, lựa chọn còn lại là bỏ dữ liệu cũ nhất.
• Core Historian của Ignition 8.3 ghi thẳng xuống đĩa qua write-ahead log và không dùng Store and Forward; lịch sử gửi sang gateway khác qua provider Remote Historian thì có dùng.
• FactoryTalk Historian ME lưu firmware và dữ liệu trên ổ mSATA 8 GB và báo còn bao nhiêu ngày thì đầy.

Bộ đệm ở bộ thu thập chỉ che được lúc đứt giữa bộ thu thập và kho lưu trữ: giá trị chưa từng được đọc, do máy thu thập hoặc đường tới PLC bị hỏng, thì không có trong bộ đệm nào. Lời hứa "không mất dữ liệu" nên được thử bằng một lần cắt mạng thật.

Deadband và nén: giữ lại bao nhiêu chi tiết

Historian lọc ở hai chỗ, cài cho từng tag.

Exception (deadband) ở bộ thu thập. PI interface bỏ qua các giá trị nằm trong deadband, đặt bằng ExcDev (đơn vị kỹ thuật) hoặc ExcDevPercent (phần trăm thang đo), với ExcMin và ExcMax là khoảng thời gian gửi tối thiểu và tối đa. Khi giá trị ra khỏi deadband, giá trị trước đó cũng được gửi kèm. Hướng dẫn UniInt của AVEVA là đặt ExcDev nhỏ hơn một chút so với độ chính xác của thiết bị đo.

Nén (compression) ở kho lưu trữ. PI Snapshot Subsystem chạy phép thử swinging door với CompDev, CompMin và CompMax, chỉ giữ các sự kiện cần để vẽ lại tín hiệu trong phạm vi CompDev; giá trị lưu là giá trị thật nhận được. Hướng dẫn của AVEVA: bật nén cho tín hiệu nhiễu, tắt nén cho số nhập tay, giá trị cộng dồn và kết quả phòng thí nghiệm, và không có một CompDev dùng chung cho mọi phép đo.

Ignition kết hợp chế độ lấy mẫu (sample mode), thời gian tối thiểu và tối đa giữa hai mẫu, và deadband. Kiểu Discrete lưu giá trị khi nó lệch khỏi giá trị lưu gần nhất ít nhất bằng deadband; kiểu Analog dùng deadband làm ngưỡng nén trong một biến thể của thuật toán sliding window. Với Core Historian, Inductive Automation khuyên dùng kiểu Discrete hoặc lấy mẫu định kỳ (periodic).

Deadband càng rộng thì lưu càng ít điểm và càng mất chi tiết. Trong ví dụ dưới, 32 mẫu nhiệt độ lấy mỗi giây một lần tăng từ 50 °C lên 55 °C, rồi vọt lên 56,6 °C trong hai giây. Deadband 0,5 °C lưu 11 điểm và giữ được đợt vọt. Deadband 2,0 °C lưu 3 điểm, và đợt vọt, vẫn nằm trong khoảng 2,0 °C quanh giá trị lưu gần nhất 54,8 °C, không bao giờ vào tới kho lưu trữ.

Ba nền tảng đặt cạnh nhau

FactoryTalk Historian (Rockwell Automation) có hai phiên bản. Site Edition (SE) là historian cho nhà máy và doanh nghiệp. Bản tin bảo mật PN889 năm 2020 của Rockwell ghi Historian SE có kèm OSIsoft PI Server cùng thành phần PI Data Archive, và trang đối tác của AVEVA mô tả FactoryTalk Historian chạy trên nền AVEVA PI System. Tài liệu giới thiệu SE (product profile) mô tả việc tự dò bộ điều khiển Logix và tag, và nhóm server (collective) để dự phòng. Machine Edition (ME) là module ControlLogix (1756-HIST2G), thu dữ liệu từ tối đa năm bộ điều khiển cục bộ và năm bộ điều khiển ở xa với chu kỳ quét xuống tới 10 ms, và chuyển được tối đa 2.500 điểm lên Historian SE hoặc một PI server.

AVEVA PI System. PI Server gồm Data Archive, PI Asset Framework (PI AF) và PI Notifications Service; tài liệu dẫn trong bài là của PI Server 2024 R2. PI AF mô hình hóa thiết bị thành các element, dựng từ template, với các attribute trỏ tới PI point, công thức hoặc dữ liệu quan hệ.

Historian của Ignition (Inductive Automation). Ở bản 8.1, module Tag Historian lưu lịch sử vào cơ sở dữ liệu SQL. Ở bản 8.3, module Historian Core làm việc với nhiều provider: Core Historian nhúng sẵn, dựa trên QuestDB; SQL Historian (module riêng); Internal Historian (Legacy) trên SQLite cho thiết bị edge hoặc hệ nhỏ; Remote Historian trên một gateway khác; và Historian Splitter ghi đồng thời vào hai provider.

Chi tiết bản quyền SE lấy từ hướng dẫn đặt hàng của Rockwell tháng 4/2022; kiểm lại bản hiện hành trước khi đưa vào báo giá.

Chọn thế nào

• Nhà máy chạy Logix và FactoryTalk. Historian SE tự dò bộ điều khiển Logix và tag; thiết bị không phải của Rockwell thì đọc qua OPC server của bên thứ ba, mà hướng dẫn đặt hàng ghi là mua riêng. Historian ME dùng khi cần ghi ngay trong rack mà không cần PC.
• Tập đoàn đã chạy PI. Đưa dữ liệu nhà máy vào PI Server sẵn có qua interface hoặc adapter. Historian ME chuyển được dữ liệu lên PI server, và FactoryTalk View SE vẽ được trend từ PI Server.
• SCADA là Ignition, hoặc bộ phận IT muốn dữ liệu nằm trong SQL. Inductive Automation định vị SQL Historian cho báo cáo, công cụ bên ngoài và lưu trữ dài hạn; Core Historian giữ lịch sử ngay trong gateway.
• Một nhà máy hay nhiều nhà máy. Một nhà máy chạy được cả ba trên một server. Với nhiều nhà máy, Historian SE có interface SE to SE để chép dữ liệu từ server của từng nhà máy về một server đích, PI AF dựng được một mô hình tài sản chung trên một hoặc nhiều Data Archive, còn Remote Historian của Ignition gửi lịch sử sang gateway khác.

Trên thị trường còn các historian khác, ví dụ Canary, AVEVA Historian và Proficy Historian; bài này không đánh giá chúng.

Áp dụng trong một dự án

• Danh sách tag và đặt tên. Mỗi tín hiệu một tên dùng chung cho PLC, historian và MES; dùng template (PI AF, UDT của Ignition) để một trăm cái bơm chỉ cấu hình một lần.
• Deadband theo loại tín hiệu. Xuất phát từ độ chính xác thiết bị đo; ghi mọi thay đổi với trạng thái và bộ đếm; không nén số nhập tay, giá trị cộng dồn và kết quả phòng thí nghiệm. So trend thô với trend đã lưu trên dữ liệu thật trước khi chạy chính thức.
• Thời gian lưu giữ. Quyết định mỗi loại dữ liệu giữ bao lâu, rồi mới tính dung lượng đĩa và cách xóa dữ liệu cũ.
• Thời gian. AVEVA yêu cầu đồng hồ các máy chủ đồng bộ với Data Archive và khuyên đồng bộ đồng hồ Data Archive với server NTP; sự kiện cũ hơn snapshot hiện tại bị coi là sai thứ tự và bỏ qua bước nén.
• Bộ đệm. Tính dung lượng bộ đệm cho lần mất kết nối dài nhất dự kiến, đặt trên ổ không phải ổ hệ thống, và rút mạng tới kho lưu trữ trong FAT để kiểm tra khoảng trống được bù đúng thứ tự.
• Sao lưu. Bản sao lưu Data Archive gồm file archive và cấu hình; historian SQL được sao lưu cùng cơ sở dữ liệu.
• Người đọc dữ liệu. Liệt kê trước khi tính bản quyền (trend, Excel, OEE, MES), vì mỗi sản phẩm đếm người đọc theo cách riêng: hướng dẫn đặt hàng Historian SE năm 2022 yêu cầu license truy cập client (CAL) cho ứng dụng bên thứ ba đọc qua OLE DB hoặc OPC, Ignition không đếm client, còn tài liệu PI Web API của AVEVA đề nghị hỏi account manager về license.

Trang SCADA và historian của TDL liệt kê các historian TDL làm việc cùng: FactoryTalk Historian, AVEVA Historian và AVEVA PI System. Trang Ignition mô tả Tag Historian trên cơ sở dữ liệu SQL thông dụng, và trang AVEVA có AVEVA PI System.