自動化測控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫設計

陳雙全

（武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430050）

1 引言

自動化測控系統(tǒng)是一種無人為直接參與下的控制系統(tǒng)，按照預定程序控制生產設備完成預期生產任務。它主要是由傳感器、PLC、工控機、工控軟件、數(shù)據(jù)庫等部分組成，傳感器實時采集測控對象信息，通過PLC與上位機通信進行數(shù)據(jù)交換，工控軟件進行過程監(jiān)控管理，數(shù)據(jù)庫則負責數(shù)據(jù)的處理與存儲[1]。隨著工業(yè)生產過程中對溫度、流量、速度、頻率等物理量即時控制需求的不斷提高，對數(shù)據(jù)庫限時處理數(shù)據(jù)的要求也越來越高，如：實時過程控制、實時監(jiān)控、實時仿真等。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫其對數(shù)據(jù)的處理主要追求數(shù)據(jù)的一致性和完整性，而在定時限制中明顯不足，無法達到數(shù)據(jù)處理與應用的即時效果，為此亟需一款實時數(shù)據(jù)庫滿足自動化測控系統(tǒng)應用的需求。

2 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構設計

自動化測控系統(tǒng)一方面采集生產現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，另一方面對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控管理，其中架設在二者之間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性對于數(shù)據(jù)管理與應用具有關鍵性的作用。本文采用“高內聚低耦合”的思想對實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用三層架構（3-tier architecture）進行設計，將數(shù)據(jù)庫整個業(yè)務的應用劃分為界面層（User Interface layer）、業(yè)務邏輯層（Business Logic Layer）和數(shù)據(jù)訪問層（Data Access Layer）。界面層為用戶提供數(shù)據(jù)的可視化操作，如：報表服務、數(shù)據(jù)分析應用等；業(yè)務邏輯層進行數(shù)據(jù)的應用處理，如：組態(tài)服務、實時數(shù)據(jù)服務、歷史數(shù)據(jù)服務等；數(shù)據(jù)訪問層進行數(shù)據(jù)的采集與通信[2]，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構

采用三層架構設計可以清楚劃分系統(tǒng)各層次的功能，界面層是基于WinCC數(shù)據(jù)庫的應用客戶端，利用OPC接口訪問數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)報表的處理、圖形的加工及其他應用。業(yè)務邏輯層由實時數(shù)據(jù)服務、歷史數(shù)據(jù)服務、組態(tài)服務等部分組成，實時數(shù)據(jù)服務提供實時數(shù)據(jù)的讀取與腳本語言的執(zhí)行；歷史數(shù)據(jù)服務提供歷史數(shù)據(jù)的查詢與視圖展示；組態(tài)服務是系統(tǒng)配置與初始化工具。數(shù)據(jù)訪問層接口軟件利用OPC、串口、以太網(wǎng)等獲取PLC、智能儀表等實時采集的數(shù)據(jù)，寫入WinCC數(shù)據(jù)庫中，為了保證不同接口的獨立性對每個接口進行封裝，使接口軟件相互獨立。

3 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能設計

目前，自動化測控系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)生產、農業(yè)生產、軍事技術等多個領域，如：工業(yè)方面的機械制造系統(tǒng)；農業(yè)方面的大棚溫控系統(tǒng)；軍事方面的制導與控制系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎功能要求主要包括：數(shù)據(jù)實時采集、實時測控、快速處理和完整存儲的功能[3]。

3.1 實時采集功能

自動化測控系統(tǒng)采用傳感器、智能儀表等通過PLC模擬量輸入和RS-485總線網(wǎng)絡與上位機通信，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理、存儲和應用。實時數(shù)據(jù)庫的即時采集功能利用WinCC接口作為數(shù)據(jù)采集接口與各類通信接口進行通信，首先對不同的類型接口進行封裝，其次，使用腳本語言調用不同的接口，將采集到數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄崟r數(shù)據(jù)庫中。

3.2 實時測控功能

自動化測控系統(tǒng)的各個檢測點采集到的數(shù)據(jù)通過接口軟件發(fā)送到WinCC數(shù)據(jù)庫后進行實時管理，將實時數(shù)據(jù)與設定的數(shù)據(jù)參數(shù)進行比較，通過設置數(shù)據(jù)參數(shù)范圍對測控目標的運行狀態(tài)進行管理，并生成動態(tài)的數(shù)據(jù)趨勢圖。若采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，即數(shù)據(jù)值超過了參數(shù)設定的最大或最小范圍，則會向PLC控制端發(fā)出預警或者是向PLC發(fā)出控制指令。

3.3 數(shù)據(jù)處理功能

數(shù)據(jù)處理功能是對檢驗數(shù)據(jù)進行處理，一方面計算數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內的統(tǒng)計量，另一方面生成可視化曲線便于檢驗分析。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理分為兩個部分，一部分有WinCC數(shù)據(jù)庫進行實時數(shù)據(jù)的處理，生產動態(tài)的報表及圖形，另一部分有WinCC轉存到SQL Server服務器中進行長期存儲，可用于歷史數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)挖掘。

3.4 數(shù)據(jù)存儲功能

數(shù)據(jù)存儲功能是對采集到的數(shù)據(jù)進行分類存儲，包括內存存儲、WinCC存儲和SQL存儲[4]。其中內存存儲響應效率高，存儲速度快，用于即時存儲數(shù)據(jù)；WinCC數(shù)據(jù)庫接收實時采集到的數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)服務；SQL Server存儲體量大，需要長期存儲和進行歷史數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)可以通過WinCC數(shù)據(jù)庫轉儲到SQL Server服務器中進行歷史查詢與數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)存儲功能由自動化測控系統(tǒng)的PLC經(jīng)過接口寫入WinCC自定義數(shù)據(jù)庫SQL Server，并轉存到SQL數(shù)據(jù)服務器中，用于永久保存。當調用數(shù)據(jù)時，通過網(wǎng)絡調用SQL服務器中的數(shù)據(jù)，按照定義模板顯示數(shù)據(jù)報表和視圖。

4 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設計

自動化測控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)包含多種類型，要針對數(shù)據(jù)管理對象、存儲內容及業(yè)務需求對數(shù)據(jù)進行分類管理，用數(shù)據(jù)模型描述具有共性特征根的數(shù)據(jù)。

4.1 變量模型

結合自動化測控系統(tǒng)采集和存儲數(shù)據(jù)的需求，利用變量模型對數(shù)據(jù)進行分類，將其劃分為過程變量、內部變量和腳本變量三種類型。過程變量是用來存儲現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的變量，包括通信的數(shù)據(jù)地址和在項目中使用的名稱；內部變量是用來存儲數(shù)據(jù)的變量，主要是用戶錄入的數(shù)據(jù)；腳本變量是用戶編輯腳本程序時定義的變量，主要是用戶設置數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)存儲模型

自動化測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括過程數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和組態(tài)數(shù)據(jù)。過程數(shù)據(jù)是系統(tǒng)實時采集的過程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)數(shù)量小，實時需求高的數(shù)據(jù)主要存儲在WinCC數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)量大、需要加工的數(shù)據(jù)通過WinCC自定義數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)絊QL Server數(shù)據(jù)庫服務器中進行長期的存儲；管理數(shù)據(jù)包括組態(tài)信息數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志、參數(shù)設置等，主要存儲在配置文件或者注冊表中；組態(tài)數(shù)據(jù)如服務器信息、變量存儲在組態(tài)文件中[5]。數(shù)據(jù)存儲分類如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)存儲分類

4.3 數(shù)據(jù)服務模型

自動化測控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)經(jīng)過接口軟件寫入WinCC數(shù)據(jù)庫，長期存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉儲到SQL Server數(shù)據(jù)服務器，用戶可以通過WinCC數(shù)據(jù)庫進行實時數(shù)據(jù)的應用，如實時報表和動態(tài)曲線圖形等，通過SQL Server數(shù)據(jù)服務器進行歷史數(shù)據(jù)的查詢與分析。數(shù)據(jù)服務流圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)服務流圖

自動化測控系統(tǒng)需要實時數(shù)據(jù)庫能夠提供OPC(OLE for Process Control)、ODBC(Open Database Connectivity)、Web等多種數(shù)據(jù)服務方式。OPC服務方式能夠使系統(tǒng)作為OPC客戶端訪問實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析；ODBC服務方式能夠支持SQL查詢ODBC訪問模塊，便于客戶端實時獲取檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫與關系數(shù)據(jù)庫的無縫連接；Web服務方式支持數(shù)據(jù)的遠程管理與應用。

5 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)

基于實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能及數(shù)據(jù)模型，采用面向對象的設計方法對系統(tǒng)主要功能予以實現(xiàn)。主要包括：數(shù)據(jù)采集業(yè)務實現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲業(yè)務實現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫通訊業(yè)務實現(xiàn)。

5.1 數(shù)據(jù)采集業(yè)務實現(xiàn)

WinCC數(shù)據(jù)庫采用腳本語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)的預處理、讀寫、量程及單位轉換等功能，基于ActiveX Scripting技術控制應用程序。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集由WinCC數(shù)據(jù)采集接口根據(jù)控制系統(tǒng)通訊方式和系統(tǒng)結構進行接口類型的封裝，利用腳本語言調用不同接口類型，實現(xiàn)將不同采集控制系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)寫入WinCC數(shù)據(jù)庫。

5.2 數(shù)據(jù)存儲業(yè)務實現(xiàn)

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲分為兩個部分，一部分是WinCC數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，該系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)進行存取，為了保證數(shù)據(jù)的實時交互，建立內存數(shù)據(jù)庫。將自動化測控系統(tǒng)中由PLC、智能儀表等采集到的數(shù)據(jù)存儲到實時數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)用戶需求進行實時觀測，或者是在WinCC數(shù)據(jù)庫中調取數(shù)據(jù)繪制曲線和打印報表。另一部分是SQL Server服務器，WinCC數(shù)據(jù)庫中需要長期保存的數(shù)據(jù)轉儲到SQL Server服務器中，當需要分析數(shù)據(jù)時，通過WinCC數(shù)據(jù)庫調取SQL Server服務器中的數(shù)據(jù)進行分析。

5.3 數(shù)據(jù)庫通訊業(yè)務實現(xiàn)

自動化測控系統(tǒng)的采集系統(tǒng)將實時數(shù)據(jù)利用ODBC連接WinCC數(shù)據(jù)庫。根據(jù)所需連接的SQL Server服務器名稱、數(shù)據(jù)庫名稱、數(shù)據(jù)表名稱確定連接字符串，實現(xiàn)連接的主要程序：

Set objCon=CreateObject("ADODB.Connection")

strCon="DRIVER"={SQLserver};SERVER=LINLIN-PC/WINCC;

DATABASE="數(shù)據(jù)名稱"

為了使數(shù)據(jù)既可以實時檢測又可以進行歷史數(shù)據(jù)分析，將WinCC數(shù)據(jù)庫中需要長期存儲的數(shù)據(jù)轉儲到SQL Server服務器上，同時利用WinCC數(shù)據(jù)庫也可以調用SQL Server服務器中的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，二者實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。采用ADO（ActiveX Data Objects）技術進行操作，利用Connection對象建立數(shù)據(jù)源連接，Command命令操作數(shù)據(jù)庫，Recordset記錄集對數(shù)據(jù)進行維護。

6 結語

實時數(shù)據(jù)庫是工業(yè)自動化生產的核心，是實現(xiàn)生產調度與過程控制的基礎，它連接設備控制網(wǎng)絡與管理網(wǎng)絡，提供完整實時數(shù)據(jù)采集、存儲、管理與應用功能。通過采用WinCC數(shù)據(jù)庫與SQL Server服務器相結合的方式能實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的實時處理與交換，其中WinCC數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的即時處理，SQL Server服務器進行數(shù)據(jù)的存儲與分析，二者之間進行數(shù)據(jù)的共享與交換，基本滿足測控系統(tǒng)對工業(yè)自動化生產數(shù)據(jù)服務的需求。