Databázy / Vizualizácia

Normalizácia je proces efektívnej organizácie údajov v databáze. Cieľmi sú: eliminácia redundancie, zabezpečenie integrity dát, vyhnutie sa anomáliám (vkladania, aktualizácie, mazania).

Bezstratová dekompozícia = pri spätnom spojení rozdelených tabuliek sa nesmú stratiť žiadne údaje.

1NF: tabuľka má PK, každý atribút obsahuje atomické hodnoty, žiadne opakujúce sa atribúty.

2NF: je v 1NF + každý nekľúčový atribút úplne funkčne závisí od CELÉHO PK (problém vzniká pri zložených PK).

3NF: je v 2NF + žiaden nekľúčový atribút nie je tranzitívne závislý od PK.

• Primary key (PK) — jednoznačne identifikuje riadok, neopakujúce sa hodnoty, NEsmie obsahovať NULL.
• Foreign key (FK/CK) — stĺpec(ce) odkazujúce na PK/UNIQUE inej tabuľky, vytvára relácie, zabezpečuje referenčnú integritu.
• Candidate key — minimálna množina atribútov ktorá jednoznačne identifikuje riadky. Z kandidátnych kľúčov je vybraný jeden ako PK.
• Superkey — množina atribútov ktorá identifikuje riadky (nemusí byť minimálna).
• Alternate key — kandidátny kľúč ktorý NEbol zvolený za PK. Jedinečnosť cez UNIQUE.
• Surrogate key — umelo vytvorený identifikátor bez vlastného významu (napr. AUTO_INCREMENT id).
• Natural key — kľúč z reálnych atribútov entity (napr. rodné číslo).
• Composite key — kľúč tvorený kombináciou viacerých stĺpcov.
• Intelligent key — kľúč ktorého jednotlivé časti nesú vlastný význam.

Aktuálny stav: nie je v 1NF — tabuľka má opakujúce sa atribúty (hobby1, hobby2, hobby3).

Krok 1 — do 1NF: oddeliť koníčky do samostatnej tabuľky a vytvoriť PK:

Studenti(rc PK, meno, mesto, PSC)
StudentHobby(id PK, rc FK, hobby)

Krok 2 — do 2NF: 2NF je už splnená — tabuľka má jednoduchý PK, takže nekľúčové atribúty nemôžu závisieť len od časti PK.

Krok 3 — do 3NF: v tabuľke Studenti existuje tranzitívna závislosť rc → mesto → PSC. Oddelíme:

Studenti(rc PK, meno, mesto_id FK)
Mesto(mesto_id PK, mesto, PSC)
StudentHobby(id PK, rc FK, hobby)

• Atomicity (atomickosť) — transakcia sa vykoná buď celá alebo vôbec. Ak zlyhá v polovici, urobí sa ROLLBACK.
• Consistency (konzistencia) — transakcia prevedie DB z jedného konzistentného stavu do druhého. Dodržiavajú sa všetky constrainty.
• Isolation (izolácia) — paralelne bežiace transakcie sa neovplyvňujú. Implementuje sa pomocou izolačných úrovní a zámkov.
• Durability (trvácnosť) — po úspešnom COMMIT-e zmeny trvajú aj v prípade výpadku systému (zápis na disk).

Príkazy: START TRANSACTION / COMMIT / ROLLBACK.

WHERE filtruje jednotlivé riadky pred zoskupením (GROUP BY). Nemôže obsahovať agregačné funkcie.

HAVING filtruje skupiny po GROUP BY. Môže obsahovať agregačné funkcie (COUNT, SUM, AVG...).

SELECT id_oddelenie, AVG(plat) AS priemer
FROM Zamestnanci
WHERE plat > 500          -- filter na riadky
GROUP BY id_oddelenie
HAVING AVG(plat) > 1000;   -- filter na skupiny

Logické poradie: FROM → WHERE → GROUP BY → HAVING → SELECT → ORDER BY → LIMIT.

• INNER JOIN — vráti iba riadky, ktoré majú zhodu v OBOCH tabuľkách.
• LEFT JOIN (LEFT OUTER) — vráti VŠETKO z ľavej tabuľky + zhody z pravej. Chýbajúce hodnoty z pravej sú NULL.
• RIGHT JOIN — vráti všetko z pravej + zhody z ľavej.
• CROSS JOIN — kartézsky súčin: každý riadok ľavej tabuľky s každým riadkom pravej (počet riadkov = m × n).

SELECT z.meno, o.nazov
FROM Zamestnanci z
LEFT JOIN Oddelenia o ON z.id_oddelenie = o.id;

VIEW (pohľad) je virtuálna tabuľka definovaná SELECT dopytom. Nemá vlastné fyzické dáta — pri každom dopyte sa vyhodnotí definícia.

Výhody: zjednodušuje opakované zložité dotazy, skrýva komplexnosť pred používateľmi, zvyšuje bezpečnosť (môžem dať prístup len k view bez prístupu k tabuľke).

CREATE VIEW v_top_platy AS
SELECT meno, plat FROM Zamestnanci WHERE plat > 2000;

SELECT * FROM v_top_platy; -- ako z tabuľky
DROP VIEW v_top_platy;

Hlavný rozdiel od tabuľky: view neukladá dáta, je len uloženým dopytom.

INDEX je dátová štruktúra (typicky B-strom) ktorá zrýchľuje vyhľadávanie v tabuľke.

Výhody:

• Zrýchľuje SELECT, WHERE, ORDER BY, JOIN na indexovaných stĺpcoch.
• UNIQUE index vynucuje jedinečnosť.
• PK má automaticky unique index.

Nevýhody:

• Spomaľuje INSERT/UPDATE/DELETE (musí sa aktualizovať aj index).
• Zaberá miesto na disku.

CREATE INDEX idx_meno ON Zamestnanci(meno);
CREATE UNIQUE INDEX idx_email ON Zamestnanci(email);
DROP INDEX idx_meno ON Zamestnanci;

Kardinalita určuje maximálny počet výskytov objektov jednej entity priradených k druhej.

• 1:1 — každej entite zodpovedá najviac jedna entita na druhej strane (osoba↔občiansky preukaz). V DB: jedna tabuľka alebo FK s UNIQUE.
• 1:N — jednému riadku v prvej tabuľke zodpovedá viacero v druhej, ale jednému v druhej len jeden v prvej (čitateľ↔knihy). V DB: FK na strane "N".
• M:N — viacerým v prvej zodpovedá viacero v druhej a opačne (študent↔predmety, film↔herci).

Riešenie M:N: nedá sa uložiť priamo medzi dvomi tabuľkami. Vytvorí sa prepojovacia (väzobná) tabuľka s dvoma FK na obe entity.

Studenti(id PK, meno)
Predmety(id PK, nazov)
StudentPredmet(id_student FK, id_predmet FK, znamka,
    PRIMARY KEY(id_student, id_predmet))

TRIGGER (spúšťač) je procedúra automaticky spustená DBMS pri INSERT/UPDATE/DELETE na tabuľke.

Časy spustenia: BEFORE / AFTER.
Udalosti: INSERT / UPDATE / DELETE.
Pseudo-tabuľky: NEW (nová hodnota), OLD (pôvodná hodnota).

Príklad — automatické nastavenie dátumu vytvorenia:

CREATE TRIGGER pred_insert
BEFORE INSERT ON Zamestnanci
FOR EACH ROW
SET NEW.datum_vytvorenia = NOW();

Príklad — log zmien platov:

CREATE TRIGGER log_plat
AFTER UPDATE ON Zamestnanci
FOR EACH ROW
INSERT INTO PlatLog(id_zam, stary_plat, novy_plat, datum)
VALUES (OLD.id, OLD.plat, NEW.plat, NOW());

Pri zle navrhnutej DB s duplicitnými údajmi môžu vznikať 3 typy anomálií:

• Anomália vkladania — nemožno evidovať jednu entitu bez druhej. Napr. nemôžem evidovať nový internát, kým nemám aspoň jedného študenta v ňom.
• Anomália aktualizácie — zmena údaja musí byť vykonaná vo všetkých riadkoch. Ak sa niektorý riadok neaktualizuje, vzniká nekonzistencia.
• Anomália mazania — vymazaním záznamu stratím aj iné informácie. Napr. zmazaním posledného študenta na internáte stratím aj informáciu o telefónnom čísle internátu.

Riešením je normalizácia — rozdelenie do viacerých tabuliek prepojených cez FK.

Použitie SQL: štruktúrované dáta s jasnou schémou, transakcie, klasické aplikácie.

Použitie MongoDB: veľké objemy nezosúladených dát, JSON dáta, IoT, real-time analytika.

Vizualizácia (HMI/SCADA) predstavuje rozhranie medzi riadiacim systémom a človekom. Úlohy:

• Monitoring procesu — prehľadné zobrazenie stavu zariadení a meraných veličín v reálnom čase.
• Ovládanie procesu — nastavovanie parametrov, žiadaných hodnôt, štart/stop, AUTO/MAN režimy.
• Signalizácia porúch / alarmy — upozornenia na neštandardné stavy.
• Diagnostika a údržba — informácie o stave zariadení a komunikácie.
• Archivácia dát — záznam histórie pre analýzu a diagnostiku.
• Trendy — sledovanie vývoja veličín v čase.

Vizualizácia premieňa interné dáta riadiaceho systému na informácie zrozumiteľné pre človeka.

• Premenné (tags) — reprezentujú procesné veličiny a stavy. Externé (z PLC) alebo interné (len HMI).
• Obrazovky — Base (technologická), Master/Template (spoločné prvky — hlavička, navigácia), Popup (pomocné okná pre ovládanie).
• Grafické objekty — texty, číselné zobrazenia, tlačidlá, indikátory, grafické symboly (motory, ventily, nádrže), animácie.
• Alarmy — binárne (diskrétny stav) alebo analógové (prekročenie limitov HI, LO, HIHI, LOLO).
• Trendy — online (real-time) alebo historické (archivované).
• Recepty — uložené sady technologických parametrov pre konkrétny výrobok.
• Používateľské prístupy — rôzne úrovne oprávnení.
• Jazykové verzie.

HMI (Human-Machine Interface) — rozhranie medzi človekom a strojom. Lokálne ovládanie a monitoring jedného zariadenia alebo výrobnej linky (operátorský panel, dotykový displej).

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) — systém pre dohľad a riadenie geograficky rozložených procesov (telecontrol). Centrálne monitorovanie distribuovaných zariadení (vodárne, ropovody, energetické siete, doprava). Komunikuje s PLC/RTU cez WAN.

DCS (Distributed Control System) — systém pre riadenie technologických procesov v rámci jedného závodu. Distribuované riadenie realizované priamo v riadiacich staniciach systému. Typické pre chémiu, petrochémiu, energetické bloky.

Hlavný rozdiel: HMI je lokálne, SCADA je rozsiahla a geograficky distribuovaná, DCS je integrovaná v jednom závode.

RTU (Remote Terminal Unit) je zariadenie pre zber dát z technologického procesu a komunikáciu so SCADA systémom.

Funkcie RTU: pripojenie senzorov/akčných členov, zber a spracovanie údajov, prenos do SCADA, prijímanie povelov. RTU môže vykonávať aj lokálne riadenie.

Vlastnosti RTU:

• Robustná konštrukcia, odolnosť voči teplote a vlhkosti
• Hodiny reálneho času (RTC) pre časové značky údajov
• Zálohované napájanie (UPS/batéria)
• Lokálna pamäť pre prípad výpadku komunikácie
• Watchdog (automatický reštart pri chybe)
• Redundantné komunikačné porty
• Protokoly: Modbus, IEC 60870-5-101/104, DNP3, IEC 61850

Rozdiel od PLC: PLC je optimalizované pre rýchle real-time riadenie v rámci závodu. RTU je optimalizované pre telemetriu a vzdialené geograficky rozložené aplikácie, má vstavané RTC a zálohované napájanie.

Norma ISO 9241 sa zaoberá ergonómiou interakcie človek-počítač. Definuje tri vlastnosti použiteľnosti (usability):

• Účinnosť (effectiveness) — dokáže používateľ pomocou systému splniť požadovanú úlohu? Ide o správnosť a úplnosť splnenia cieľa.
• Efektívnosť (efficiency) — dokáže používateľ vykonať úlohu rýchlo a s minimálnym úsilím alebo chybami? Vzťah medzi výsledkom a vynaloženou energiou/časom.
• Spokojnosť (satisfaction) — je práca so systémom prirodzená, prehľadná a bez zbytočného stresu?

Cieľom návrhu HMI je vytvoriť rozhranie, ktoré umožní operátorovi pracovať správne, rýchlo a s minimálnym úsilím.

Farby umožňujú operátorovi rýchlo identifikovať závažnosť situácie. Použitie musí byť konzistentné v celom systéme. Pre hardvérové tlačidlá platí norma IEC 60204-1 s podobnými farbami.

1. Prevádzkové prostredie — teplota, vlhkosť, prach, voda, vibrácie, krytie IP, EX prostredie (výbušné), elektromagnetické rušenie (EMI).
2. Typ aplikácie a požiadavky používateľa — počet zobrazovaných veličín, trendy, archivácia, počet obrazoviek, výkon, veľkosť pamäte.
3. Možnosti pripojenia — fyzické rozhrania (Ethernet, USB, SUB-D9/25), komunikačné protokoly (Modbus, Modbus TCP/IP, Profinet, EtherCAT), kompatibilita s riadiacim systémom.
4. Spôsob zadávania údajov — dotykový displej / fyzické tlačidlá / kombinácia. Operátor v rukaviciach potrebuje fyzické tlačidlá alebo špeciálny dotykový displej.
5. Programovací softvér — proprietárny vs otvorený, dostupnosť knižníc (tlačidlá, bargrafy, trendy, alarmové okná), kompatibilita s hardvérom.
6. Ďalšie hľadiská — rozšíriteľnosť, technická podpora výrobcu, dokumentácia, cena.

Postup: najprv overiť, či zariadenie spĺňa technické požiadavky, až potom porovnávať cenu.

Štruktúra: 1. písmeno = veličina, ďalšie písmená = funkcie (poradie I-R-C-T-Q-S-Z-A).

Typy alarmov:

• Binárne alarmy — viazané na diskrétne stavy (porucha motora, ventil zatvorený, hladina mimo rozsahu).
• Analógové alarmy — prekročenie definovaných limitov hodnoty: HI, LO, HIHI, LOLO.

Informácie zobrazované pri alarme:

• Dátum a čas vzniku alarmu
• Alarmová správa (popis)
• Názov a aktuálna hodnota premennej, ktorá alarm aktivuje
• Priorita alarmu (severity)
• Operátor, ktorý alarm potvrdil

Stavy alarmu: aktívny (porucha trvá) / zaniknutý (podmienka už neplatí) / potvrdený (ACK — operátor ho potvrdil).

Alarmy sa zvyčajne archivujú pre neskoršiu analýzu.

1. 1. generácia — Centralizované SCADA: realizované na veľkých sálových počítačoch, proprietárne komunikačné protokoly, systémy neboli prepojené s inými sieťami.
2. 2. generácia — Distribuované SCADA: spracovanie dát rozdelené medzi viacero staníc, komunikácia cez lokálne siete (LAN), stále prevažne proprietárne protokoly.
3. 3. generácia — Sieťové SCADA: využitie štandardných sieťových technológií (TCP/IP), prepojenie cez LAN a WAN siete, lepšia škálovateľnosť veľkých systémov.
4. 4. generácia — Moderné SCADA: využitie internetu, cloudových služieb a IoT, otvorené komunikačné protokoly, integrácia s databázami a analytickými nástrojmi.

Gate valve (šupátkový ventil) — slúži najmä na úplné otvorenie alebo úplné uzavretie prietoku. Nie je vhodný na reguláciu. V schéme je značený motýlikom bez bodky.

Globe valve (sedlový ventil) — umožňuje plynulú reguláciu prietoku. Používa sa v regulačných slučkách. V schéme je motýlik s bodkou v strede.

Správanie ventilu pri výpadku energie alebo signálu:

• Šípka nahor (fail open) — pri výpadku ventil otvorí. Používa sa napr. pri bezpečnostných ventiloch, kde sa nesmie zabrániť úniku tlaku.
• Šípka nadol (fail close) — pri výpadku ventil zatvorí. Používa sa napr. pri dávkovaní nebezpečných látok.
• Dve čiarky (fail freeze / fail in place) — pri výpadku ventil zostane v aktuálnej polohe.

Voľba správania je dôležitá z hľadiska bezpečnosti technologického procesu.

Redundancia = systém obsahuje záložné komponenty, ktoré môžu prevziať funkciu pri zlyhaní primárnej časti. Zvyšuje dostupnosť a spoľahlivosť systému.

Typické formy redundancie v SCADA:

• Redundantné SCADA servery — záložný server preberá funkciu pri výpadku hlavného (active/standby).
• Redundantná databáza (historian) — zabezpečenie dostupnosti historických dát.
• Redundantná komunikačná sieť — viacero komunikačných trás medzi zariadeniami.
• Redundantné operátorské pracoviská — viacero operátorských staníc na sledovanie procesu.
• Zálohované napájanie — UPS, dieselgenerátory.

Redundancia je kľúčová najmä v kritických infraštruktúrach (energetika, vodárne, doprava).

Typické rozdelenie HMI obrazovky podľa odporúčaní VDI/VDE 3699 a ISA-101:

1. Prehľadová časť (information area) — typicky hore. Obsahuje:
   • názov obrazovky, čas, stav systému
   • systémové a procesné hlásenia
   • často zobrazenie posledných alarmov
2. Pracovná časť (work area) — stred obrazovky. Hlavná oblasť s:
   • technologickou schémou
   • zariadeniami, veličinami, stavmi
   • alarmovými/trendovými/receptovými oknami
3. Ovládacia časť (control area) — typicky dole. Obsahuje:
   • navigáciu medzi obrazovkami
   • ovládacie tlačidlá alebo menu systému

Prehľadová a ovládacia časť bývajú definované v šablóne (template/master panel), ktorá je spoločná pre všetky obrazovky. Pracovná časť sa mení podľa aktuálnej obrazovky.

Ide o klasickú aplikáciu pre SCADA systém (geograficky distribuované zariadenia).

Architektúra:

• Na každej čerpacej stanici RTU alebo PLC s telemetriou (napr. Siemens CP1243-1).
• RTU má vstavané hodiny reálneho času, zálohované napájanie (batéria/UPS) a lokálnu pamäť pre prípad výpadku komunikácie.
• Komunikácia RTU → SCADA cez WAN (často mobilná sieť, optika alebo rádiový kanál).
• Protokoly: Modbus TCP/IP, IEC 60870-5-104, DNP3.
• Centrálny SCADA server agreguje dáta zo všetkých RTU.
• Historian archivuje historické dáta pre analýzu.
• Operátorské pracoviská v dispečingu — sledovanie + ovládanie z centra.
• Redundancia: záložný SCADA server, redundantné komunikačné trasy, UPS, redundantné operátorské stanice.

HMI zariadenie:

• Fyzické tlačidlá (lepšie ako dotykový displej v rukaviciach), prípadne priemyselný dotykový displej prispôsobený na ovládanie v rukaviciach.
• Robustný operátorský panel s dostatočne veľkými tlačidlami.
• Vyššie krytie IP (proti prachu/striekajúcej vode).

Signalizácia v hlučnom prostredí:

• Silnejšia vizuálna signalizácia — signalizačné stĺpiky (červená/žltá/zelená), majáky pre alarmy.
• Akustická signalizácia musí byť dostatočne hlasná, ale pri hluku je lepšie sa spoľahnúť na vizuál.
• Farby podľa IEC 60204-1: červená = STOP/emergency, zelená = normál, žltá = varovanie.

SELECT o.nazov AS oddelenie,
       COUNT(z.id) AS pocet,
       AVG(z.plat) AS priemerny_plat
FROM Oddelenia o
LEFT JOIN Zamestnanci z ON z.id_oddelenie = o.id
GROUP BY o.id, o.nazov
HAVING AVG(z.plat) > 1500
ORDER BY priemerny_plat DESC;

Vysvetlenie:

• LEFT JOIN — aj prázdne oddelenia (bez zamestnancov) by sa zobrazili, ale po HAVING ich pravdepodobne odfiltrujeme.
• GROUP BY o.id, o.nazov — zoskupíme podľa oddelení.
• HAVING AVG(z.plat) > 1500 — filter na skupinách (nie WHERE, lebo používame agregačnú funkciu).
• ORDER BY — usporiadanie výsledku.

Analýza:

• 1NF — OK (atomické hodnoty, PK existuje, žiadne opakujúce sa atribúty).
• 2NF — NIE. Atribút telefon_vyrobcu závisí len od časti PK — vyrobca, nie od celého zloženého PK (nazov + vyrobca). Cena a množstvo závisia od celého PK.

Anomálie: ak vymažeme všetky výrobky od jedného výrobcu (napr. všetky Milka výrobky), stratíme aj jeho telefónne číslo.

Riešenie — rozdelenie tabuľky:

Sklad(nazov PK, vyrobca_id FK, cena, mnozstvo)
Vyrobca(vyrobca_id PK, nazov_vyrobcu, telefon)

Obe tabuľky teraz vyhovujú 2NF aj 3NF (žiadne tranzitívne závislosti).

Vhodný je DCS (Distributed Control System).

Dôvody:

• DCS je určený pre riadenie technologických procesov v rámci jedného závodu.
• Distribuované riadenie realizované priamo v riadiacich staniciach systému.
• Vhodný pre komplexné procesy s mnohými regulačnými slučkami (typické v chémii, petrochémii).
• Integrované riadenie + vizualizácia + alarmy + history na jednej platforme.
• Vysoká spoľahlivosť a redundancia.

SCADA by bola nevhodná, lebo nie je primárne určená na komplexné regulačné slučky v jednom závode (skôr na geograficky rozľahlé systémy).