BIG DATA: HISTORIANS RDB DATABASE RELAZIONALI

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1 BIG DATA: HISTORIANS & RDB DATABASE RELAZIONALI DUE APPROCCI PER DATA COLLECTION E OTTIMIZZAZIONE DI PROCESSI ServiTecno srl Via Francesco Koristka, Milano (MI) Tel Fax info@servitecno.it

2 Vers. 2.0 Settembre 2013 Tutte le informazioni riportate nel presente manuale sono modificabili in qualsiasi momento da ServiTecno. L utilizzo delle medesime non è consentito se non a seguito di autorizzazione di ServiTecno. Historian & RDB 2 Vers. 2.0 sett. 2013

3 SOMMARIO 1 Introduzione e BIG DATA Vantaggi di un Historian Aumenta la velocità Aumenta la compressione dei dati Disponibilità, affidabilità e ridondanza Data Security avanzata Più velocità nel ROI e meno TCO Miglioramento continuo dei Processi insieme al Business Il valore di Historian vs RDB Conclusioni... 7 Historian & RDB 3 Vers. 2.0 sett. 2013

4 1 INTRODUZIONE E BIG DATA 2 VANTAGGI DI UN HISTORIAN In un ambiente economico sempre più competitivo, le Aziende hanno la necessità di raggiungere Efficienza ed Efficacia acquisendo eccellenza nell attività produttiva: un percorso che inizia dalla conoscenza dei dati per tenere sotto controllo i processi. Big-Data, un già ampio volume di informazioni è continuamente in crescita ed è imperativo per le Aziende comprendere in modo affidabile e controllare le attività di produzione, attraverso una raccolta di dati critici e la massimizzazione del loro valore. I dati raccolti e l ottimizzazione delle informazioni abilitano un migliore e più rapido processo decisionale, un incremento di produttività e una riduzione dei costi. I database relazionali (RDB o RDBMS) aiutano molte aziende manifatturiere ad acquisire sempre più informazioni circa il mercato, i clienti e l attività produttiva, supportando semplici query da parte degli operatori o rispondendo a domande quali quale cliente, in questa zona, ha fatto l ordine più grande?. Sono stati disegnati per gestire le relazioni e sono ideali per memorizzare informazioni contestuali, georeferenziate o genealogiche sui processi produttivi, ma raramente rappresentano il migliore approccio per la raccolta ed ottimizzazione di grandi volumi di dati del processo produttivo. Dall altro lato, gli Historian sono disegnati per l acquisizione e la presentazione di dati di impianto e di processo. Massimizzano la potenza di serie temporali di dati e sono il giusto strumento per rispondere a domande che in produzione sono necessità tipiche per prendere decisioni in tempo reale, quali ad esempio Quale è stata oggi la produzione media su base oraria, comparata con quella che è stata il mese scorso o due anni fa? Lo scopo di questo documento è mostrare i vantaggi di Historian e RDB per fare data collection ed ottimizzazione di dati su serie temporali per garantire una corretta visibilità del processo. Ci sono capacità critiche per le necessità delle aziende manifatturiere e di servizi che posizionano gli Historian come la migliore soluzione per far leva sui dati grezzi acquisiti da sensori ed altri sistemi in real-time, per migliorare la produzione verso l eccellenza operativa. Acquisizione dati nativa che utilizza OPC, OPCUA - e specifici Driver di comunicazione, verso DCS, PLC, RTU e device tradizionali o non-standard La raccolta dati effettuata con efficienza è un componente critico che accresce la visibilità dei processi produttivi. I database relazionali (RDB) non offrono capacità native di data collection; quindi è necessario scrivere codice apposito da parte dell utente per inserire e modificare dai nei records. Non è una situazione favorevole: con uno sviluppo ad-hoc i costi iniziali di programmazione e di miglioramento continuo sono elevati in termini di tempo e denaro. In più, lo sviluppo viene limitato dall esperienza nella sola azienda in cui sviluppa e non si può far leva anche sulle esperienze, le tecnologie e le conoscenze di altre aziende del settore. Al contrario, gli Historian hanno capacità native di data collection e possono acquisire dati da molti e diversi sensori e sotto-sistemi. Ad esempio, Proficy Historian di GE Intelligent Platforms può raccogliere un grande volume di dati in real-time dall impianto da molte differenti apparecchiature a una velocità decisamente elevata: si possono raggiungere i campionamenti al secondo di input-output. Historian è ideale per acquisizione dati da sensori ed altri sistemi real-time poiché utilizza standard tecnologici per il manufacturing quali OPC ed UPC- UA (OLE for Process Control, divenuto standard industriale e di mercato per le comunicazioni in fabbrica), che facilitano le comunicazioni fornendo un metodo consistente di accesso ai dati attraverso PLC (Controllori a Logica Programmabile), RTU, DCS e la strumentazione. Invece di dover sviluppare software specifico per comunicare con ogni tipo di sorgente di dati come si deve fare usando un RDB, Proficy Historian non necessita di conoscere alcun dettaglio sulle proprietà delle sorgenti di dati. È in grado di connettersi istantaneamente a qualunque soluzione di acquisizione dati che abiliti OPC fornendo flessibilità, risparmio di tempo in sviluppo e messa in servizio e riduzione di costi. Historian & RDB 4 Vers. 2.0 sett. 2013

5 3 AUMENTA LA VELOCITÀ Le aziende produttive operano in real time, la velocità di analisi assicura accurate decisioni. Le performance di RDB sono adeguate al supporto di semplici query dell operatore (vedere un valore di trend recente di portata, temperatura, o altro valore analogico. Ma gli RDB possono richiedere significativi interventi tecnici specifici per definire ogni query complesse e possono avere a confronto una modesta performance se le query coprono un ampio data set o periodi di tempo estesi. Al contrario, un Historian fornisce performance di read/write molto più veloci di un database relazionale e una risoluzione anche sotto il millisecondo, per dati veramente real-time. Abbiamo quindi capacità di risposta che velocemente forniscono la granularità di dati necessaria per analizzare ed intervenire in applicazioni di processo complesse. 4 AUMENTA LA COMPRESSIONE DEI DATI Efficiente data storage e compressione abilitano alte prestazioni e minimizzano la manutenzione. di sotto di quanto richiesto, pur con procedure proprietarie di precompressione. In aggiunta, spesso non è possibile la definizione e manutenzione online, di conseguenza import di tag e manutenzione si devono effettuare durante periodi di fermata schedulati con la necessità di risorse addizionali, in tempo e costi. Al contrario, i potenti algoritmi di compressione di un Historian consentono di memorizzare on-line anni di dati, facilmente e in sicurezza, così che si alzano le performance, si riduce la manutenzione e si abbassano i costi. Ad esempio, si può configurare Proficy Historian senza la manutenzione attiva e le routines di backup che richiede un tradizionale RDB. Gli archivi sono creati automaticamente, ripuliti e salvati in copia (backed up) abilitando la diffusione dell uso senza la necessità di un database administrator. Senza alcuna compressione, un Historian quale Proficy Historian di GE Intelligent Platforms offre un efficienza di occupazione spazio di disco molto più elevata di un RDB (nell esempio, oltre 1 a 6). Usando una compressione di 1% di banda morta, l efficienza è ancora superiore per performance più elevate e ridotta manutenzione (nello stesso esempio oltre 1 a 30). Con un RDB tradizionale, a volte la sola manutenzione può richiedere un lavoro intenso poiché si devono continuamente gestire archivi e spazio di disco a causa della mancanza di compressione; la performance può essere molto al Confronto di efficienza di occupazione disco tra UN RDB E PROFICY HISTORIAN* I dati rappresentano uno specifico test su campioni acquisiti da un RDB standard e da Proficy Historian. I risultati variano in funzione del raw data set usato e dallo schema di RDB impiegato. Historian & RDB 5 Vers. 2.0 sett. 2013

6 5 DISPONIBILITÀ, AFFIDABILITÀ E RIDONDANZA I dati di produzione necessitano di alta affidabilità ed alta disponibilità per garantire accuratezza e qualità per il miglioramento continuo. RDB può offrire alta disponibilità per i dati memorizzati via clustering e SAN, ma sono vulnerabili in fase di acquisizione per la disponibilità della rete. Secondo come viene sviluppata la funzione di data collection, RDB possono trovare alcune difficoltà nella disponibilità dei dati da memorizzare. Se la funzione di acquisizione risiede sul server, si possono avere vulnerabilità sulla rete che lo collega alla sorgente di dati; se la funzione è sviluppata sul data source, ci possono essere vulnerabilità su quel computer. Al contrario, la tecnologia Historian copre tutte queste aree, con clustering e SAN sul data storage come un RDB, ma anche con la ridondanza alla funzione di acquisizione, che è una componente critica. Per i punti di acquisizione mission critical, i collector stessi possono essere configurati in modo ridondante. Alcuni Historian come Proficy Historian possono affrontare malfunzionamenti di network e server con la capacità di store and forward, che bufferizza i dati sul collector quando si presenta un malfunzionamento. I buffer sono eventualmente caricati quando il server torna online, con una riconnessione automatica assicurando quindi che nessun dato venga perso. Con questi livelli di ridondanza, un Historian può garantire un elevato livello di disponibilità dei dati. 6 DATA SECURITY AVANZATA Data security è oggi un tema critico in molti processi ed applicazioni manifatturiere per gli altissimi livelli richiesti di protezione ed integrità dei dati. Reti e database sono sotto costante rischio informatico per attacco da parte di hacker, malware e virus, e ciò vale soprattutto per i più noti RDB. Ad esempio, attacchi ai dati con SQL-injection sono comuni, mentre molti Historian ne sono immuni, poiché non consentono inserimenti, update o cancellazioni di dati attraverso interfaccia standard. Meno vulnerabili a questi tipi di attacchi, gli Historian sono sviluppati per rafforzare i più elevati standard di data security. Si può implementare la security per Historian a livello applicativo o scendere a livello di singolo record/tag, cosa ben difficile da fare con un RDB. Inoltre, gli Historian tracciano tutte le variazioni per default, inclusi gli accessi utente, le variazioni di configurazione, le violazioni di security e gli allarmi di sistema; una copia del valore originale della singola tag viene sempre conservato in caso di variazione. Anche questo è più complesso da implementare con un standard RDB. Infine, alcuni Historian sono disegnati per essere conformi alle richieste di regolamentazioni per la gestione di record elettronici in alcuni settori: ad esempio nel settore farmaceutico la firma elettronica, secondo la normativa 21CFRPart11 di FDA, che spesso non è supportata da un RDB standard. 7 PIÙ VELOCITÀ NEL ROI E MENO TCO Ottenere risultati in modo rapido è importante per aumentare l efficienza e mantenere i vantaggi competitivi. Implementare un RDB può richiedere tempo e investimenti elevati, poiché è necessario creare e gestire tabelle speciali per installare la soluzione. Inoltre, poiché tipicamente gli RDB sono gestiti da personale dell ICT, tutte le modifiche devono essere ovviamente valutate ed approvate in team, con evidente aggiunta di tempi per il rilascio. Il team ICT deve inoltre approfondire conoscenza ed esperienza nel mondo industriale (ad esempio su OPC, su specifici driver per strumenti e/o realizzazione di tabelle) per poter ottimizzare le performance. Quando si installa un Historian, si può normalizzare l implementazione, usando interfacce standard abbattendo il tempo di deployment anche del 50%. Non serve creare e gestire data schema, trigger, procedure di storage o visualizzazione, con il risultato di rendere veloci l installazione senza necessità di accedere a servizi particolari quali scripting o programmazione specifica. Ad esempio, con Proficy Historian, lo studio e l implementazione sono veramente facilitati dalle interfacce standard e si ottiene velocemente il risultato richiesto: gli Historian dispongono di un ampio corredo di interfacce per i diversi livelli di automazione, e forniscono un unico ambiente dove le tag si configurano una sola volta e i dati si memorizzano senza problemi in un solo luogo centrale e sicuro. Historian & RDB 6 Vers. 2.0 sett. 2013

7 8 MIGLIORAMENTO CONTINUO DEI PROCESSI INSIEME AL BUSINESS Gli Historian legano insieme le informazioni provenienti dalle varie aree produttive mantenendo la risoluzione dei dati e fornendo una finestra sull attività in produzione. Sono il link vitale tra l impianto ed i sistemi gestionali, fornendo una vista integrata delle attività di impianto con accurate informazioni real-time. Ad esempio, si possono facilmente integrare con OLE DB applicazioni e query, allarmi ed eventi, informazioni di sistema e gestionali usando comandi SQL standard. In più, si possono passare dati del passato, analizzare i dati precedenti a un evento di downtime, tracciare un percorso di produzione ideale rapportato a quello in corso. Con dati aggregati, si possono facilmente identificare trend, scoprirne le cause e implementare strategie di miglioramento. È anche semplice generare report e condividere informazioni con altri addetti utilizzando tool su web browser standard. Un Historian aiuta a migliorare i processi e rende possibile rispondere a domande quali: continuo, l eccellenza operativa, Efficienza ed Efficacia ed una sicura supply chain. Gli Historian per l impianto, possono essere visti come scatole nere o black box recorders degli aerei: sono in grado di catturare i dati grezzi e fornire ad essi il primo livello di contesto tempo, su cui ci si basa poi per tutte le ulteriori analisi di gestione operativa. Si possono usare questi dati per il successivo livello di contesto per soluzioni di area quali analisi delle fermate, del downtime, OEE, qualità, tracciabilità e genealogia. Queste soluzioni realizzano modelli che provvedono a interpretare i dati di Historian, forniscono altre contestualizzazioni e li memorizzano in un applicazione RDB per procedere verso un miglioramento generale della intera catena. Da ultimo, importante, non è sempre possibile sapere in anticipo e definire di quali dati si avrà bisogno alla prossima situazione di difficoltà: la tecnologia di Historian propone la flessibilità di raccogliere tutti i dati. 10 CONCLUSIONI a quanto sono arrivati Flusso e Portata e qual è stata la media nell ultimo turno? Quanta energia si è consumata ieri? Quali correlazioni ci sono tra le variabili di questo impianto? Come stava andando il processo quando si è rilevato uno scostamento dai limiti di qualità? Cosa ha causato la fermata del processo? Come sono i dati del processo confrontati con i parametri ideali? 9 IL VALORE DI HISTORIAN VS RDB Gli Historian offrono un valore evidente per il logging, la memorizzazione e il recupero di grandi volumi e di serie temporali di dati. Tuttavia, gli RDB hanno un compito importante nelle applicazioni gestionali ed industriali e un grande valore nel definire le relazioni tra dati acquisiti da Historian e contestualizzati, per guidare verso il miglioramento Per raggiungere l eccellenza operativa serve raccogliere ed ottimizzare un grande volume di dati da tutte le aree di impianto per una vera visione dei processi. Mentre gli RDB sono disegnati per gestire le relazioni tra dati contestualizzati, un Historian ha la specifica funzione di acquisire e presentare dati del processo di produzione. Offrono vantaggi chiave rispetto agli RDB, incluse le capacità intrinseche di acquisire i dati, la velocità di acquisizione, l elevata capacità di compressione, la robusta ridondanza, avanzata security e la velocità nel fornire valore. Sono uno strumento per chi gestisce l impianto e la produzione, con ridotti costi ed impegno per il deployment e la manutenzione. Come risultato si può incrementare la visibilità del processo per decisioni razionali e veloci, incremento di produttività e costi ridotti per un sostenibile vantaggio competitivo. Historian & RDB 7 Vers. 2.0 sett. 2013

8 ServiTecno srl distribuisce e supporta nel mercato italiano i prodotti software della famiglia Proficy* di GE Intelligent Platforms 2010 GE Intelligent Platforms, Inc. All Rights Reserved. *Trademark of GE Intelligent Platforms, Inc. All other brands or names are property of their respective holders. Historian & RDB 8 Vers. 2.0 sett. 2013