CN102737086B - 基于cim模型的钢铁企业信息集成平台 - Google Patents

Abstract

一种基于CIM模型的钢铁企业信息集成平台，属于信息系统集成领域。包括异构系统离散数据集成层、公共对象模型层、企业应用数据服务层、应用层。异构系统离散数据集成层针对不同的数据类型和通讯方式设计了对应的采集器，将各种数据源中的复杂数据类型离散化为数据标签，以标签化的方式实现数据统一组织、存储和展现，实现了异构数据的融合。公共对象模型层建立钢铁流程公共对象信息模型；企业应用数据服务层以CIM模型为基础，提供基于模型的数据通讯接口、应用层通过调用企业应用数据服务层接口，在CIM模型的基础上，完成各应用模块的功能实现。优点在于：实现钢铁企业离散信息的集成和模型化组织，为企业提供一种一体化的信息集成方案。

Description

基于CIM模型的钢铁企业信息集成平台

技术领域

本发明属于信息系统集成领域，特别是提供了一种基于CIM模型的钢铁企业信息集成平台。

背景技术

随着信息技术的发展，钢铁企业先后出现了不同分工的信息管理系统。例如ERP系统、MES系统、EMS系统、CRM，SCM等。钢铁企业现有的业务系统缺乏从整个企业的角度进行统一的规划和设计，开发实践不同，功能和标准各异，系统之间信息交互困难造成信息孤岛。基于安全性或其他人为方面的因素，各个系统的数据库并不提供数据共享的工具，系统的开放性比较差，而且由于各个数据库是针对专有的功能和特性设计，信息编码及组织方式都不一样，很难共享。大量异构系统的存在不利于业务流程的优化和管理水平的提高。

目前各个系统之间信息共享基本采用点到点方式或建立中心数据库方式进行信息互通和共享，这种信息共享技术不仅实现难度大而且不利于维护和扩展。

IEC61970标准提出的CIM模型，运用面向对象技术定义了电力行业的通用对象模型，提供了一种表示电力系统对象包括其属性及其关系的标准，采用统一的电力系统对象模型的描述，统一的表达方式实现信息的共享、异构系统的相互操作、交换数据、共享资源，很好的解决了信息共享和集成问题。

对于钢铁行业众多信息化系统而言，也急需这样一种与业务和实现技术无关的通用对象模型，使企业内部各信息化系统有统一的数据模型，名称空间及词汇术语定义，在公共信息模型的基础上提供统一的数据访问接口，使系统的优化，维护升级更加容易，不同厂商遵循相同标准对象体系开发的系统更容易实现信息集成和共享。

发明专利200710179970.2“应用于流程工业过程控制系统的共享平台”提出了一种标签化的思想来解决不同通讯方式和数据格式的异构系统之间的数据融合，解决了数据层面的数据集成和共享，但是存储在数据库中标签化的数据都是一个个离散数据点，给上层应用模块的使用带来不便。本发明在其基础上建立钢铁企业CIM模型，把离散数据点映射为语义丰富的模型数据，实现数据离散再组织使用的过程，更加有助于信息的钻取、挖掘，以对象模型的方式组织数据，根据不同的业务需要，从不同角度、不同层次和粒度得到想要的信息集合，可以全方位的逐层查看从厂、车间、工序到设备单元的综合信息，有利于更加全面的分析问题、从宏观角度把握钢厂各生产设备的信息状态和走向，有利于优化管理和组织生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CIM模型的钢铁企业信息集成平台，针对钢铁行业提供一种信息集成平台，基于行业标准和钢铁行业特色，运用面向对象的方式，建立了钢铁流程中所有主要对象的公共信息模型(CIM模型)，并在此基础上提供标准通用的接口和服务，以“软总线”的方式，为钢铁企业各信息系统提供一个可插拔的环境，便于数据共享和信息集成。实现钢铁企业离散信息的集成和模型化组织，为企业提供一种一体化的信息集成方案。

本发明中的信息集成平台包括异构系统离散数据集成层、公共对象模型(CIM)层、存储层、企业应用数据服务层、应用层；异构系统离散数据集成层与公共对象模型层均通过ODBC方式与存储层关系数据库相连，完成离散标签数据和CIM模型的存储和读取。异构系统离散数据集成层通过标签数据接口总线为CIM模型层提供基础数据，经过公共对象模型层的模型解释器将离散数据解释为具有通用标准语义的数据，再经过企业应用数据服务层的模型数据接口总线实现与应用层各应用模块的集成。如图1所示。

异构系统离散数据集成层，负责连接不同的数据源，这些数据源包括PLC设备、SCADA系统、关系数据库，实时数据库，将这些数据源中不同类型的数据以标签化的方式采集到存储层的数据库中，并提供对数据的读写操作；

公共对象模型(CIM)层，包括CIM模型注册器和模型解释器，CIM模型注册器通过本层的客户端界面以组件化的方式完成对钢铁企业系统资源的CIM建模及实例化，并将对象模型映射到关系数据库进行存储；模型解释器以CIM模型注册器完成的对象模型为基础，将异构系统离散数据集成层的标签数据展示为语义丰富的模型数据；公共对象模型层作为本平台的中间层，实现了离散数据的再组织，为企业应用提供一个统一的基于标准的模型和视图。包括CIM模型注册器和模型解释器；

存储层，包含一个关系数据库，用于存储标签化数据及CIM模型；

企业应用数据服务层，基于公共对象模型，为应用层提供数据服务；本层以CIM模型为基础，提供基于模型的数据通讯接口即模型数据服务总线，完成对模型数据的不同层次、不同粒度的数据汇总和查看；本层为应用层的应用功能模块的开发和扩展提供数据支持，应用层的任何基于CIM模型的功能模块均可以在本层的基础上实现集成。

应用层，根据不同的应用需求划分为单一的应用模块，通过调用企业应用数据服务层接口，在CIM模型的基础上，完成各应用模块的功能实现。

异构系统离散数据集成层：钢铁企业信息化系统涉及到各种不同类型的数据源包括各种PLC设备、SCADA系统、关系数据库、实时数据库。各种数据来源、格式、通讯方式各异，异构系统离散数据集成层则针对不同的数据类型和通讯方式设计了对应的采集器，将各种数据源中的复杂数据类型离散化为标签数据，以标签化的方式实现数据统一组织、存储和展现，从而实现了异构数据的融合，为整个信息集成平台提供统一的数据采集、存储、读取和管理方式。本层包括数据采集模块、标签中心模块、标签读取模块、标签写入模块、标签删除模块、消息中心模块，这些模块的数据通讯接口组成本层的标签数据接口总线。

(1)数据采集模块：实现了针对不同数据源包括各种PLC设备、SCADA系统、关系数据库、实时数据库的数采逻辑，并提供支持统一接口的数据源驱动，以网络服务的方式运行，根据数据源驱动服务的类型，启用不同的采集器，采集器可以通过网络套结字和数据驱动程序进行通讯，获得实时或者历史数据，然后根据用户定义的数据点信息和标签映射信息，将原始数据转换为上层模块统一识别的标签格式。

(2)标签中心模块：从数据采集器自动获取标签化的数据，监视数据的变化状态，通知标签变化订阅者，同时转发数据。

(3)标签读取模块：按照指定的时间粒度、时间长度读取标签数据。

(4)标签写入模块：将标签数据按照指定的周期和计算处理方式写入数据库。

(5)标签删除模块：将超过存储时长的标签数据定期删除。

(6)消息中心模块：对所有服务提供日志的统一订阅、归档存储、读取功能。

公共对象模型层：主要包括CIM模型注册器和模型解释器。CIM模型注册器通过本层的客户端界面以组件化的方式完成对钢铁企业系统资源的CIM建模及实例化，并将对象模型映射到关系数据库进行存储。模型解释器以CIM模型注册器完成的对象模型为基础，将异构系统离散数据集成层的标签数据展示为语义丰富的模型数据。公共对象模型层作为本平台的中间层，实现了离散数据的再组织，为企业应用提供一个统一的基于标准的模型和视图。

钢铁企业CIM模型说明：借鉴IEC61970标准中电力行业CIM模型的构建思想和组织体系，建立钢铁流程公共对象信息模型，通过提供一种公用对象类和属性及他们之间的关系来表示钢铁流程中的系统资源，封装工厂的物理对象和逻辑对象，定义工厂最基本的元素，为企业提供一个语义关系定义良好的钢铁企业CIM模型，完成数据全面综合集成。为了便于理解和查看，把钢铁企业CIM模型分成14个模型包，包括：域包、核心包、拓扑包、量测包、设备包、主产设备包、存储设备包、转化设备包，电力设备包，燃烧设备包，机械设备包，化工设备包。其中核心包、拓扑包、量测包、设备包是基础包，设定了设备的基本分类、继承、归属关系及网络拓扑关系，其他几个包都是在基础包基础上扩展的。

本发明中钢铁流程公共对象模型各包中的对象模型说明如下：

(1)域包：域包主要定义了其他包可能用到的公共数据类型包括时间类型对象类、流向枚举类、数据组织格式类。

(2)核心包：核心包包含了应用共享的基类实体和常见组合。这个包继承和借鉴了IEC61970标准核心包中的某些基类，对某些属性并进行了合理的舍弃和扩展。主要包括

●对象基类(IdentiifiedObject)

●系统资源基类(SystemResource)

●设备基类(Equipment)

●介质基类(Medium)

●设备容器基类(EquipmentContainer)

(3)拓扑包：借鉴了IEC61970标准拓扑包中连接模型和拓扑模型的概念，用到了端点(Terminal)、连接点(ConnecttiveNode)、拓扑点(TopologicalNode)、拓扑岛(TopologicalIsland)几大类。但是对其语义进行了重新定义。在钢铁行业介质流动以管道、电线、车辆为载体在设备单元或设备容器单元间流动，形成介质流程网络。连接模型主要是描述介质流程网络的静态工艺连接关系。而拓扑模型则主要是描述由于管道阀门或者电线开关等的闭合而引起的介质流程网络变动形成的动态工艺连接关系。

(4)量测包：定义了任何测量的、计算的或非测量、非计算的物理量及其在钢铁企业物流和能流网络中的关系。借鉴了IEC61970标准中的几个量测对象类，根据钢铁企业特点和本系统特色，对各对象属性和关联关系重新定义，主要包括量测类(Mearsure)、量测类型类(MeasurementType)量测来源类(MessurementSource)几个对象类。将某种量测类中的标签属性和相应的标签对象(Tag)挂上，即可获取标签值。量测类和系统资源类(SystemSource)及端点(Terminal)有关联关系，可表示量测的设备对象和位置。

(5)设备包：定义了设备对象的分类层次结构。设备的分类、继承关系以及和其他相关类的关联关系都包括在此包中。

(6)主产设备包：定义了钢铁企业中主生产设备的对象类，包括高炉、焦炉、烧结、球团、炼钢、轧钢等主工序生产设备。同时定义了主产工序以及主产工序中的生产工艺过程段。

(7)存储设备包：定义了钢铁企业中存储设备和存储设备容器对象类。存储设备类如煤气柜、存储罐、钢包、铁水罐、蓄热器等；存储设备容器如原料厂、产品存储车间。

(8)转化设备包：定义了钢铁企业中不改变介质本身只是改变介质的某些属性如温度、压力等的中间转化环节所涉及的系统资源。主要包括混合加压设备、减温减压设备、空气压缩设备、高炉鼓风设备、制冷设备、换热站。

(9)电力设备包：定义了钢铁企业电力系统中把机械能转变为电能中所涉及的发电单元，相应的变配电单元以及保护装置。这个系统包参考了IEC61970标准中对电力资源的对象定义，尽量保持和IEC标准中CIM模型一致，涉及到钢铁企业特殊性的对象模型，例如热电联产系统、TRT发电系统等，以面向对象的方式进行灵活扩展。

(10)燃烧设备包：定义了钢铁企业中把燃料化学能转变为热能所涉及到系统资源。主要包括锅炉设备、加热炉、均热炉、热风炉、费酸再生培烧炉、制粉设备、烟风设备、灰渣处理设备、放散设备。

(11)机械设备包：定义了钢铁企业中把电能或热能转化为机械能所涉及到的系统资源。主要包括配料混料设备、布料设备、筛分设备、除尘设备、鼓风引风设备、润磨设备、造球设备、重卷检查及自动包装设备。

(12)化工设备包：定义了钢铁企业中通过利用物理的或化学的手段改变介质的成分或物理化学特性而使其变为其他介质或者达到介质分离萃取和净化的目的。主要包括煤气净化设备、焦化化产设备、制氧设备、制氢设备、水处理设备。

存储层：用关系数据库来存储标签数据和对象模型。

企业应用数据服务层：本层以CIM模型为基础，提供基于模型的数据通讯接口即模型数据服务总线，完成对模型数据的不同层次、不同粒度的数据汇总和查看。例如可纵向查看“某厂某工序某设备中的某条计量信息”，也可横向查看某一层面的某类型的统计信息。本层为应用层的应用功能模块的开发和扩展提供数据支持，应用层的任何基于CIM模型的功能模块均可以在本层的基础上实现集成。

应用层：通过调用企业应用数据服务层接口，在CIM模型的基础上，完成各应用模块的功能实现。

本发明的优点：

1、本发明中的信息集成平台完成了数据从“离散-交换-再组织-使用”过程，实现数据与应用的解耦。便于各应用功能的集成、升级和维护。提供基于模型的即插即用的功能扩展和灵活的开发环境。

2、本发明中所建立的钢铁企业CIM模型，一方面实现了对钢铁企业的系统资源的基础建模，所建模型独立于应用和平台，具有一定的行业通用性，为其他功能模型和应用的开发提供模型基础。另一方面使离散数据可以展示为语义丰富的模型数据，便于数据的统计汇总。

3、本发明中的企业应用数据服务层，提供了对模型数据的各种统计汇总计算功能，方便各应用功能模块的数据获取，使功能模块可以专注于功能实用性的开发。

附图说明

图1本发明的系统结构图。

图2本发明的异构系统离散数据集成层功能结构图。

图3本发明的CIM模型包结构图。

图4本发明的核心包中基本对象模型。

图5本发明的设备包中设备层次结构模型。

图6本发明的拓扑结构关系模型。

图7本发明的量测对象关系模型。

具体实施方式

如图1所示为本发明的系统结构图。包括异构系统离散数据集成层、CIM模型层、存储层、企业应用数据服务层、应用层。

如图2所示为异构系统离散数据集成层功能结构图。包括数据采集器、标签中心、标签写入、标签读取、标签删除、消息中心。

如图3所示为CIM模型包结构图。域包、核心包是基础包，不依赖其他包。在此基础上有量测包、拓扑包和设备包。设备包又根据钢铁企业设备特点拓展出主产设备包、存储设备包、转化设备包、电力设备包、燃烧设备包、机械设备包、化工设备包。

如图4所示为核心包基本对象模型。主要包括对象基类、系统资源类、介质类、设备模型类、设备容器模型类。介质类和系统资源类均继承对象基类，设备模型类和设备容器模型类则继承系统资源类，其中设备模型类和设备容器模型类又有聚合关系，1个设备容器对象包含0～n个设备对象。

如图5所示为设备包中设备层次结构模型。按层次自上到下划分为企业、分厂、车间、过程单元和存储区域。他们都继承设备容器模型。过程单元和存储区域均可包含具体设备。

如图6所示为拓扑结构关系模型。拓扑岛、拓扑点、连接点、端点均继承对象基类。一个拓扑岛包含若干拓扑点，一个拓扑点包含若干连接点和端点。端点是连接设备的，连接点和设备容器有关联关系，一个设备容器可能有若干连接点。

如图7所示为量测对象关系模型。量测类和系统资源有聚合关系，任何系统资源(设备或设备容器)都包含0～n个量测类，量测类有量测类型和标签(Tag)两个基本属性，通过量测类型区分是什么类型计量(例如流量、压力、温度等)，通过标签属性从异构系统离散数据集成层获取数据，通过标签属性中的量测来源确定数据源(例如SCADA系统、PLC设备、人工录入、检化验系统等等)。量测类和端点类有关联关系，通过此关联关系可获知量测位置信息。另外量测类根据数据类型又拓展出模拟量和数字量两个对象类。

具体实施过程如下：

1、启动数采服务：通过人机交互界面完成对各种数据源的数采配置，启动异构系统离散数据集成层各服务，数据采集器负责采集数据，并转化为标签的形式发送给标签中心，标签中心负责转发和通知，标签写入服务收到标签中心通知则获取数据，写入数据库，标签读取服务按照功能需要直接从数据库读取数据，标签删除服务依据数据存储时长定期删除数据库中历史数据。

2、模型注册：首先根据钢铁企业特点，整理钢铁企业系统资源，考虑功能和工艺特点对资源进行分类；其次按照图4～图7的模型结构图，以模型组件化方式完成各资源对象的实体化建模，包括各模型组件的属性配置和连接关系配置；最后把模型信息映射到关系数据库进行存储。

3、启动企业应用数据服务：启动服务，各应用模块通过调用模型数据服务总线，按照各应用模块的功能需求获取不同层次不同粒度的模型数据。

Claims (1)

1.一种基于CIM模型的钢铁企业信息集成平台，其特征在于：包括异构系统离散数据集成层、公共对象模型层、存储层、企业应用数据服务层、应用层；异构系统离散数据集成层与公共对象模型层均通过ODBC方式与存储层关系数据库相连，完成离散标签数据和CIM模型的存储和读取，异构系统离散数据集成层通过标签数据接口总线为CIM模型层提供基础数据，经过公共对象模型层的模型解释器将离散数据解释为具有通用标准语义的数据，再经过企业应用数据服务层的模型数据接口总线实现与应用层各应用模块的集成；

异构系统离散数据集成层，将采集的不同类型的数据以标签化的方式采集到存储层的数据库中，并提供对数据的读写操作；

公共对象模型层包括CIM模型注册器和模型解释器，CIM模型注册器通过本层的客户端界面以组件化的方式完成对钢铁企业系统资源的CIM建模及实例化，并将对象模型映射到关系数据库进行存储；模型解释器以CIM模型注册器完成的对象模型为基础，将异构系统离散数据集成层的标签数据展示为语义丰富的模型数据；公共对象模型层作为本平台的中间层，实现了离散数据的再组织，为企业应用提供一个统一的基于标准的模型和视图，包括CIM模型注册器和模型解释器；所述的钢铁企业CIM模型，通过提供一种公用对象类和属性及公用对象类和属性之间的关系来表示钢铁企业系统资源，封装工厂的物理对象和逻辑对象，定义工厂最基本的元素，为钢铁企业提供一种语义定义明确，面向对象的CIM模型，完成数据全面综合集成；把钢铁企业CIM模型分成14个模型包；

存储层，包含一个关系数据库，用于存储标签化数据及CIM模型；

企业应用数据服务层，基于公共对象模型，为应用层提供数据服务；本层以CIM模型为基础，提供基于模型的企业应用数据服务层的模型数据接口总线，完成对模型数据的不同层次、不同粒度的数据汇总和查看；本层为应用层的应用功能模块的开发和扩展提供数据支持，应用层的任何基于CIM模型的功能模块均可以在本层的基础上实现集成；

应用层，根据不同的应用需求划分为多个单一的应用模块，通过调用企业应用数据服务层的模型数据接口总线，在CIM模型的基础上，完成各应用模块的功能实现；

公共对象模型层所述的14个模型包包括：域包、核心包、拓扑包、量测包、设备包、主产设备包、存储设备包、转化设备包，电力设备包，燃烧设备包，机械设备包，化工设备包；其中核心包、拓扑包、量测包、设备包是基础包，设定了设备的基本分类、继承、归属关系及网络拓扑关系，其他几个包都是在基础包基础上扩展的；

域包：域包定义了其他包用到的公共数据类型包括时间类型对象类、流向枚举类、数据组织格式类；

核心包：核心包包含了应用共享的基类实体和常见组合，这个包继承和借鉴了IEC61970标准核心包中的顶层基类，对顶层基类中的属性进行了合理的舍弃和扩展；顶层基类包括对象基类、系统资源基类、设备基类、介质基类、设备容器基类；

拓扑包：借鉴了IEC61970标准拓扑包中连接模型和拓扑模型的概念，用到了端点、连接点、拓扑点、拓扑岛几个概念；钢铁行业介质流动以管道、电线、车辆为载体在设备单元或设备容器单元间流动，形成介质流程网络；连接模型是描述介质流程网络的静态工艺连接关系；而拓扑模型则是描述由于管道阀门或者电线开关的闭合而引起的介质流程网络变动形成的动态工艺连接关系；

量测包：定义了任何测量的、计算的或非测量、非计算的物理量及其在钢铁企业物流和能流网络中的关系；借鉴了IEC61970标准中的几个量测对象类，根据钢铁企业特点和本平台的特色，对各对象属性和关联关系重新定义，包括量测类、量测类型类、量测来源类；将量测类中的标签属性和相应的标签对象挂上，获取标签值；量测类和系统资源类及端点有关联关系，表示量测的设备对象和位置；

设备包：定义了设备对象的分类层次结构，设备的分类、继承关系以及设备对象类与拓扑包中的端点、连接点，以及与量测包中的量测类之间的关联关系都包括在此包中；

主产设备包：定义了钢铁企业中主生产设备的对象类，包括高炉、焦炉、烧结、球团、炼钢、轧钢主工序生产设备；同时定义了主产工序以及主产工序中的生产工艺过程段；

存储设备包：定义了钢铁企业中存储设备和存储设备容器对象类，存储设备类包括煤气柜、存储罐、钢包、铁水罐、蓄热器；存储设备容器包括原料厂、铸坯、废钢、铁水、烧结矿、焦炭、钢坯、钢材的产品存储车间；

转化设备包：定义了钢铁企业中不改变介质本身只是改变介质的温度、压力特性的中间转化环节所涉及的系统资源；包括混合加压设备、减温减压设备、空气压缩设备、高炉鼓风设备、制冷设备、换热站；

电力设备包：定义了钢铁企业电力子系统中把机械能转变为电能中所涉及的发电单元，相应的变配电单元以及保护装置；电力设备包参考了IEC61970标准中对电力资源的对象定义，保持和IEC61970标准中CIM模型一致，涉及到钢铁企业特殊性的对象模型，包括热电联产子系统、TRT高炉煤气余压透平发电机组子系统，以面向对象的方式进行灵活扩展；

燃烧设备包：定义了钢铁企业中把燃料化学能转变为热能所涉及到系统资源，包括锅炉设备、加热炉、均热炉、热风炉、费酸再生培烧炉、制粉设备、烟风设备、灰渣处理设备、放散设备；

机械设备包：定义了钢铁企业中把电能或热能转化为机械能所涉及到的系统资源，包括配料混料设备、布料设备、筛分设备、除尘设备、鼓风引风设备、润磨设备、造球设备、重卷检查及自动包装设备；

化工设备包：定义了钢铁企业中通过利用物理的或化学的手段改变介质的成分或物理化学特性而使其变为其他介质或者达到介质分离萃取和净化的目的；包括煤气净化设备、焦化化产设备、制氧设备、制氢设备、水处理设备。