工控異構(gòu)集成系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的研究與實(shí)現(xiàn)

趙偉

【摘 要】工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最重要的生產(chǎn)技術(shù)，其能夠利用計(jì)算機(jī)、儀器儀表以及動(dòng)力設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制與調(diào)度優(yōu)化，從而極大的提高了工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，同時(shí)也降低了能耗，提高了生產(chǎn)的安全性。而隨著工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，管控一體化的自動(dòng)化集成系統(tǒng)必將成為未來(lái)工控的主要發(fā)展趨勢(shì)。而在管控一體化中，系統(tǒng)的集成技術(shù)中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是自動(dòng)化控制生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。現(xiàn)本文就主要針對(duì)工控異構(gòu)集成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究探討。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)自動(dòng)化控制；異構(gòu)；集成；數(shù)據(jù)庫(kù)；設(shè)計(jì)

目前我國(guó)很多工業(yè)企業(yè)在長(zhǎng)期的發(fā)展中，為了提高自身生存力水平，都在不斷的引進(jìn)和使用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備，因而在工廠中會(huì)有不同年代、不同性能、不同型號(hào)的各種工控產(chǎn)品被應(yīng)用在生產(chǎn)中，并且不同廠區(qū)的地理分布也各有不同，這就使工控環(huán)境呈現(xiàn)出一種異構(gòu)的分布式狀態(tài)，增大了工控的難度，數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流通。為了能夠更好的對(duì)工業(yè)生產(chǎn)流程中的所有工控?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與管理，就必須要建立一體化的集成管理系統(tǒng)。但在實(shí)際的系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，卻存在著多種問(wèn)題，如企業(yè)環(huán)境不同層次的異構(gòu)性問(wèn)題，對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)所得的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行提取調(diào)度等實(shí)施問(wèn)題等。這就需要構(gòu)建一個(gè)能夠?qū)た噩F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的工控異構(gòu)集成系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)概述

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用下，數(shù)據(jù)庫(kù)成為人們進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的主要工具，包括對(duì)數(shù)據(jù)的收集、整理、存儲(chǔ)以及提取、應(yīng)用等種處理方式。采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理比人工數(shù)據(jù)管理具有更大的優(yōu)越性，如整體結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)、數(shù)據(jù)共享更便捷、冗余度較低、擴(kuò)展方便、數(shù)據(jù)安全性更高等。并且隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多，人們對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提出的要求也越來(lái)越多。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)不但要能夠?qū)崿F(xiàn)大量的數(shù)據(jù)管理控制，還要實(shí)現(xiàn)及時(shí)快速的數(shù)據(jù)共享。即對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)間性要求很高，必須要規(guī)定的短期時(shí)間內(nèi)完成處理與共享，若超過(guò)有效時(shí)間，就會(huì)有新的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生，原有的舊信息就失去了作用，成為無(wú)效信息。只有不斷的對(duì)新信息進(jìn)行分析控制，才能保證數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在工程應(yīng)用中充分發(fā)揮自己的作用。由此可見(jiàn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是一種及時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在多個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域都具有很大應(yīng)用價(jià)值。

2.工控異構(gòu)集成系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

在工業(yè)生自動(dòng)化控制生產(chǎn)過(guò)程中，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要有兩種，即控制數(shù)據(jù)與過(guò)程數(shù)據(jù)。控制數(shù)據(jù)主要是指對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的某一項(xiàng)工序進(jìn)行控制時(shí)所需要進(jìn)行的操作數(shù)據(jù)，反映出事務(wù)的主要流向；而過(guò)程數(shù)據(jù)則是對(duì)生產(chǎn)流程的反映，通過(guò)分析過(guò)程數(shù)據(jù)能夠掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的具體狀況。因此可以說(shuō)，工控異構(gòu)集成系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的主要作用就是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的所有實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。并為業(yè)務(wù)層的數(shù)據(jù)信息應(yīng)用提供及時(shí)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，若有新的數(shù)據(jù)到來(lái)則原有數(shù)據(jù)過(guò)期失效，也就失去了存儲(chǔ)的必要。因此在該數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，最重要的就是保證數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性。

2.2設(shè)計(jì)方法

隨著計(jì)算機(jī)內(nèi)存的不斷擴(kuò)展，內(nèi)存容量一般都很大，將整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行存儲(chǔ)也是能夠?qū)崿F(xiàn)的，但內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)與磁盤數(shù)據(jù)庫(kù)從本質(zhì)上來(lái)講是有著很大差別的。一般在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)時(shí)，往往將內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)作為首要數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間，而磁盤數(shù)據(jù)庫(kù)則為后備數(shù)據(jù)庫(kù)。因此只要保證CPU與內(nèi)存能夠高效運(yùn)行，就能夠利用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)作為實(shí)現(xiàn)方法，當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器啟動(dòng)后，即在內(nèi)存開(kāi)辟一段緩沖區(qū)，存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以事件觸發(fā)的方式動(dòng)態(tài)刷新數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)庫(kù)讀取速度快，存取靈活，易于各功能模塊之間的數(shù)據(jù)共享。對(duì)于那些實(shí)時(shí)性要求不高的非共享數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)，如通信定位表等原始表文件及歷史數(shù)據(jù)庫(kù)文件等存放在外部存儲(chǔ)器的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，原始參數(shù)配置文件、類型定義存放在外部存儲(chǔ)器的文件管理系統(tǒng)中，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)調(diào)入內(nèi)存中使用，使用完畢仍存放到外存中。結(jié)合這一技術(shù)理論，工業(yè)異構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)處理主要涉及到對(duì)工業(yè)異構(gòu)各生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、解析、還原、存儲(chǔ)、更新等一系列活動(dòng)。

2.3設(shè)計(jì)分析

考慮到我們用數(shù)組在內(nèi)存中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，數(shù)組的特點(diǎn)是同一數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的連續(xù)存放，對(duì)于工控現(xiàn)場(chǎng)中不同數(shù)據(jù)類型的物理量其值的表現(xiàn)形式也不同，例如模擬量值通常用浮點(diǎn)或雙精度型值來(lái)表示，數(shù)字量通常用整型來(lái)表示，我們可以在內(nèi)存中開(kāi)辟多種存儲(chǔ)類型的數(shù)組單位來(lái)存儲(chǔ)不同的數(shù)據(jù)類型的物理量。在數(shù)據(jù)的識(shí)別部分，對(duì)來(lái)自采集模塊采集到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的IP地址、幀識(shí)別號(hào)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)序號(hào)，對(duì)照通信定位表的數(shù)據(jù)編碼的組成部分，依據(jù)數(shù)據(jù)類型定義進(jìn)行識(shí)別還原物理量值并存儲(chǔ)到相應(yīng)位置。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，涉及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的存儲(chǔ)地址問(wèn)題，需分析數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址與物理量信息編碼之間的映像關(guān)系。我們采用直接地址映射方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)物理量信息編碼的排序位置顯式給出存儲(chǔ)位置。這種采用一維數(shù)組的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)大大節(jié)省了存儲(chǔ)空間，提高存儲(chǔ)和檢索效率。

3.工控異構(gòu)集成系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

3.1異構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

自動(dòng)控制系統(tǒng)中各個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的通訊數(shù)據(jù)包通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)上通訊的數(shù)據(jù)幀，將工控網(wǎng)絡(luò)中通訊的數(shù)據(jù)包擴(kuò)展到以太網(wǎng)中，以太網(wǎng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用旁聽(tīng)模式偵聽(tīng)以太網(wǎng)上通訊的數(shù)據(jù)包。在以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，也旁聽(tīng)模式在以太網(wǎng)上傳輸，使得運(yùn)行程序的本機(jī)可以捕獲所有在本以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，而不管數(shù)據(jù)包的目的地址是否為本機(jī)地址。

3.2工控通訊數(shù)據(jù)幀格式分析

如上所述，我們通過(guò)轉(zhuǎn)化器將工控?cái)?shù)據(jù)包的通訊以UDP數(shù)據(jù)包格式擴(kuò)展到以太網(wǎng)中，工控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集以太網(wǎng)中通訊的數(shù)據(jù)包，接下來(lái)要做的工作就是對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，還原工控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)。在數(shù)據(jù)包解碼時(shí)，根據(jù)對(duì)于同一數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)首先判斷其數(shù)據(jù)類型，根據(jù)物理量的數(shù)據(jù)類型判斷每一個(gè)物理量的數(shù)據(jù)識(shí)別方法；再根據(jù)物理量的排列順序判斷是同一設(shè)備的哪個(gè)物理量。

3.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)定位

在對(duì)數(shù)據(jù)包的處理中，分析數(shù)據(jù)包中包含的IP地址，用以判斷是不是現(xiàn)場(chǎng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，分析數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)類型字段，用以判斷數(shù)據(jù)還原時(shí)的處理方案，根據(jù)數(shù)據(jù)中的序號(hào)決定是哪個(gè)物理量，判斷存儲(chǔ)位置，這些都要通過(guò)查找通信定位表來(lái)完成。對(duì)通信定位表中現(xiàn)場(chǎng)物理量信息編碼進(jìn)行排序后，排序后的順序記為該現(xiàn)場(chǎng)物理量存儲(chǔ)位置。

3.4數(shù)據(jù)分類、檢索

數(shù)據(jù)管理還涉及到數(shù)據(jù)分類和檢索，數(shù)據(jù)的分類、檢索我們對(duì)通信定位表按照數(shù)據(jù)編碼字段進(jìn)行排序，排序后的通信定位表也即按現(xiàn)場(chǎng)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)包序號(hào)按順序排列，對(duì)于同一現(xiàn)場(chǎng)、同一數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)幀按幀識(shí)別號(hào)進(jìn)行排序，則記錄所在的位置也即數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲(chǔ)的邏輯位置，按照存儲(chǔ)地址直接映射內(nèi)存地址進(jìn)行檢索。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前工業(yè)的快速發(fā)展進(jìn)程中，工業(yè)自動(dòng)化控制生產(chǎn)必將成為未來(lái)主要的工業(yè)生產(chǎn)形式，而工控異構(gòu)集成（下轉(zhuǎn)第148頁(yè)）（上接第23頁(yè)）系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)則為工業(yè)自動(dòng)化控制的全面實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息支持，促進(jìn)了自動(dòng)化控制系統(tǒng)更加完善。目前工控異構(gòu)集成系統(tǒng)的實(shí)施數(shù)據(jù)庫(kù)還處于研發(fā)試驗(yàn)階段，還需要我們不斷的結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行改進(jìn)完善。

【參考文獻(xiàn)】

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