实时数据库介绍s.doc

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1、前言近年来，DCS（集散控制系统）以其强大的控制功能、可靠的安全性能和良好的可移植性在国内外工控领域获得广泛的应 用，DCS的日益普及为实现先进控制、实时优化等新技术提供了强有力的硬件支持和保障。先进控制除了具有改善控制性能、提高经济效益等主要功能外，也是深 度开发和利用DCS资源、提高企业自动化和管理水平的重要途径。先进控制软件的设计一般分为几个模块：模型辨识器、多变量预估控制器、鲁棒PID控制器 （含各种中间控制器）、实时数据库、工艺计算包等，其中实时数据库模块是其他模块的纽带和桥梁。所以，实时数据库模块设计的好坏直接影响到先进控制软件设 计的成败。实时数据库是先进控制软件系统的重要组成部

2、分，也是设计的难点之一。实时数据库是先进控制软件系统的数据处理中心。在先进控制系统投用运行环境 时，工业现场的生产状况将实时地反映在变量的数值中，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节。同时，实 时数据库又是事务调度中心，数据采集事务、图形显示事务、报警事务、历史数据存盘事务等等都由实时数据库统一调配，从而达到控制的实时性。 1实时数据库概述在引入实时数据库概念之前，先介绍一下数据对象。在先进控制软件设计中定义的数据不同于传统意义的数据或变量， 它不只包含了变量的数值特征，还将与数据相关的其它属性（如数据的状态、报警限值等）以及对数据的操作方法（如

3、存盘处理、报警处理等）封装在一起，作为一 个整体，以对象的形式提供服务。这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。在设计中，用数据对象来表述系统中的实时数据，用对象变量代替传统 意义的值变量。用数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数据库，实时数据库提供管理、刷新、查询数据对象等操作。实时数据库与普通商用数据库不同，实时数据库的主要目标是使尽量多的事务在规定的时间要求内完成，而不是公平地分配系统以使所有的事务都得到执行。它有以下几个特点：1）时间约束实时数据库系统的主要特征是在数据对象和事务上施加了时间约束。对数据的时间约束，就是在数据库的普通一致性要求以外，又规定 了时态一致性

4、要求。在实时系统中，具有时间约束的数据主要来自于外部的动态数据，如由传感器采集的现场数据，和由这些数据导出的数据。因此，可将数据的时 间约束分为两类，即数据的绝对一致性和数据的相对一致性。数据的绝对一致性是指实时数据库中的数据应与外部数据（又称为环境数据）相一致，即要求数据库中 的数据能及时地反映外部环境的状态。例如，在化工过程控制系统中，要求数据库中记录的塔的温度、压力等信息，与塔的实际的温度、压力等参数保持一致。这种 一致性的破坏有时可能会导致灾难性的后果。在实时系统中，常常需要从一组数据项导出另外的数据，例如，根据系统的电流、电压导出系统的功率。此时往往要求 用来导出新数据的一组数据在时

5、间上应尽量接近，这就形成了实时数据库系统中数据的相对一致性概念。2）事务调度传统数据库系统中，事务调度的目标是提高系统对事务的吞吐率，但实时数据库系统则要求能使尽量多的事务在其期限内完成。因此，实时事务的调度与传统数据库系统中的事务调度是有差别的。大多数的实时事务调度策略都是围绕事务的优先级进行的。3）实时数据库的实时数据存储管理实时数据库主要承担系统所有实时数据的存储和管理，为相关的功能提供快速、正确的实时信 息，因此，对实时数据库来说，其实时性是第一位的，考虑到这一点，实时数据库在系统运行过程中，应占用空间小，并常驻内存，以保证数据库读取速度快，存取 灵活，易于各功能模块之间的数据共享。实

6、时数据库的数据共享采用内存文件映射来实现。对于那些实时性要求不高的非共享数据和共享数据，如采样值的转换系数等可以放在外存储空间。因此，在实时数据库设计时，要妥善处理时间和存储空间之间的矛盾，以保证先进控制系统的实时性。2实时数据库的分析与设计首先从功能角度分析实时数据库的设计。1）实时数据库系统的功能分析：现场数据采集：实时数据库提供了与典型数据源的接口，读写通讯设备寄存器的现场值，送到开辟的内存缓冲区。预处理机制：可以直接在实时数据库中对原始数据进行处理，如数据转化。滚动存储机制：实时数据库的各数据对象以链表形式存放在内存中，故数据库的容量相对容固定，当新的数据产生时，自动更新数据对象的现场

7、值属性。自动更新机制：当实时数据库中的数据对象现场值属性改变时，自动启动线程，更新显示画面的数据显示，如需存盘，存入Access数据库中，实现实时监控。触发和定时机制：提供丰富的触发和定时机制，供各类数据处理、先进控制和优化算法使用，以保证数据的实时性、有效性、一致性。补偿机制：当不能保证连续运行时（如系统备份），需要提供相应的补偿机制，以保证数据不会丢失。数据检索机制：可以以类似于关系型数据库的方式检索实时数据库中的数据对象，取得所需的数据对象属性或操作。态汇总机制：实时数据库提供了报警状态、操作事件等信息的动态汇总功能。2）实时数据库事务调度分析在先进控制软件系统投入运行后，同时要进行与D

8、CS数据采集、数据处理、图形显示刷新、历史数据存盘、紧急事件报警或越位报警等等，所 有的这些事务，都要并行处理，如等待时间太长，无法满足实时性的要求。这样就要求我们实现一种并行编程，在只有一个CPU的机器上，也就是要将 该CPU时间按照一定的优先准则分配给各个事件，定期处理某一事件而不会在某一事件处理过长，在32位Windows98 或WindowsNT4.0下，用多线程的编程技术来实现这种并行编程，实时调度各事务。3）实时数据库的设计以面向对象编程（OOP）的设计技术，将实时数据库定义为类的形式。如图2所示，将实时数据库类定义的与各图形显示模块、历史数据存盘模块等相联系的接口函数划分为几个模

9、块加以说明：实时数据库初始化模块：该模块主要是根据先进控制所需要的数据创建各数据对象，以链表作为存储方式，并建立各数据对象对应的对象名索引，以提高访问数据对象的访问速度，同时建立Access历史数据库。基本操作模块：提供数据对象的基本操作，如通过数据对象名或ID取得数据对象的其他属性或通过名称取得数据对象的ID等等。读写数据操作模块：提供数据对象的读写数据操作，将存放在数据缓冲区的现场值写入实时数据库的数据对象的现场值属性中去，读取数据对象中的当前值。3通讯设备读写操作模块：管理通讯设备，读取设备的当前工作状态，对指定的设备进行操作。窗口操作模块：读取用户窗口的名称，对指定的用户窗口进行操作，

10、读取用户窗口的当前状态。报警操作模块：存储报警信息，读取数据对象的报警限值。存盘操作模块：在Access数据库中存储需要存盘的数据。3实时数据库的实现实时数据库中的数据对象类的定义：数据对象分为模拟量、开关量、字符串三个类型，下面重点介绍模拟量类的定义，并给出部分VC+代码，其他类的定义与此类似，在此不做介绍。/模拟量的类定义：classAnalogType:publicCObjectpublic:AnalogType（）;virtualAnalogType（）;private:/基本属性操作参数CStringObjectName;/对象名floatObjectInivalue;/初始值flo

11、atObjectMinvalue;/最小值floatObjectMaxvalue;/最大值CStringObjectUnit;/对象的工程单位intObjectPointN;/小数位数/存盘操作参数BOOLIsSave;/是否存盘intSaveTime;/存盘时间/报警操作参数BOOLIsAlarm/是否报警intAlarmPriority;/优先级floatLowLowvalue;/低低报警floatLowvalue;/低报警floatHeighHeighvalue;/高高报警floatHeighvalue;/高报警floatLowDevvalue;/低偏差报警值floatHeighDevv

12、alue;/高偏差报警值intFieldvalueInt；/现场的实时整型值floatFieldvalueFloat;/现场的实时模拟值/定义数据操作public:/定义属性的输入接口提供初始化操作voidSetObjectName（CStringname）ObjectName=name;voidSetObjectInivalue（floatinivalue）ObjectInivalue=inivalue;voidSetObjectMinvalue（floatminvalue）ObjectMinvalue=minvalue;voidSetObjectMaxvalue（floatmaxvalue

13、）ObjectMaxvalue=maxvalue;voidSetObjectUnit（CStringunit）ObjectUnit=unit;/定义输出接口，提供给基本数据操作和存盘、报警操作CStringGetObjectName（）returnObjectName;floatGetObjectInivalue（）returnObjectInivalue;floatGetObjectMinvalue（）returnObjectMinvalue;floatGetObjectMaxvalue（）returnObjectMaxvalue;CStringGetObjectUnit（）returnOb

14、jectUnit;/现场的实时值操作voidSetFieldvalue（floatvaluefield）Fieldvalue=valuefield;floatGetFieldvalue（）returnFieldvalue;实时数据库类的设计，用VC+声明的头文件如下：classRealDB:publicCObjectprivate:AnalogTypeTemAnalog;SwitchTypeTemSwitch;POSITIONtemposition;intDataNum;private:/创建Access历史数据库和表BOOLCreateNewTable（）;BOOLCreateHistory

15、AlarmDB（）;BOOLCreateHistoryObjectTable（）;public:CDaoTableDefm_newtable;CDatabasem_dataobject;CObListm_listdata;/数据对象的链表CStringIndexTag200;/定义最大数据对象个数200intAnalogSwitchSign;/定义模拟和开关型的分割位置/操作public:RealDB（）;virtualRealDB（）;BOOLCreateDataObject（）;/创建数据对象/数据对象的基本操作BOOLGetProFromName（CStringName,intType,

16、floatInitV,CStringUnit,floatMaxV,floatMinV,intPointN）;BOOLGetProFromID（intid,CStringName,intType,floatInitV,CStringUnit,floatMaxV,floatMinV,intPointN）;intGetIDFromDataName（CStringdataname）;/通过标记名取得ID号CStringGetDataNameFromID（intid）;/通过ID取得数据对象的名称intGetDataType（CStringName）;intGetAlmDataName（CStringn

17、ame200）;/报警数据对象集合intGetSaveDataName（CStringalarmname200）;/保存数据对象的集合/数据对象的现场值读写操作BOOLGetvalueFromName（CStringname,floatvalue）;/通过标记名取得现场值BOOLSetvalueFromName（CStringname,floatvalue）;/通过标记名将现场值写入数据对象中BOOLGetvalueFromID（intid,floatvalue）;/通过ID号取得现场值BOOLSetvalueFromID（intid,floatvalue）;/通过ID号写入现场值BOOLGe

18、tvalueArrayFromID（intNum,intid,floatvalue）;/成组读取数据对象的现场值BOOLSetvalueArrayFromID（intNum,intid,floatvalue）;/成组写入数据对象的现场值;4结束语实时数据库设计是先进控制软件设计的重要组成部分，是难点部分，本文通过对实时数据库的概述和分析，论述了实时数据库模 块的实现方法，以面向对象的编程方式给出了定义类的部分代码。实时数据库系统复杂，由于篇幅有限，本文没有一一详细说明。笔者所开发的实时数据库可以与已 经开发的先进控制软件连接起来，已经在实验室调试通过，还有一些工作（如实时数据库管理系统、实时数据库接口等）也正在进行。