趙偉

【摘 要】工業(yè)自動化控制技術是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中最重要的生產(chǎn)技術，其能夠利用計算機、儀器儀表以及動力設備來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制與調(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，同時也降低了能耗，提高了生產(chǎn)的安全性。而隨著工業(yè)自動化控制技術的不斷發(fā)展，管控一體化的自動化集成系統(tǒng)必將成為未來工控的主要發(fā)展趨勢。而在管控一體化中，系統(tǒng)的集成技術中最關鍵的一個環(huán)節(jié)就是對系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫進行設計，這是自動化控制生產(chǎn)得以實現(xiàn)的基礎?，F(xiàn)本文就主要針對工控異構集成系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)進行研究探討。

【關鍵詞】工業(yè)自動化控制；異構；集成；數(shù)據(jù)庫；設計

目前我國很多工業(yè)企業(yè)在長期的發(fā)展中，為了提高自身生存力水平，都在不斷的引進和使用先進的生產(chǎn)技術和生產(chǎn)設備，因而在工廠中會有不同年代、不同性能、不同型號的各種工控產(chǎn)品被應用在生產(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)出一種異構的分布式狀態(tài)，增大了工控的難度，數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)實時流通。為了能夠更好的對工業(yè)生產(chǎn)流程中的所有工控數(shù)據(jù)信息進行實時控制與管理，就必須要建立一體化的集成管理系統(tǒng)。但在實際的系統(tǒng)研發(fā)過程中，卻存在著多種問題，如企業(yè)環(huán)境不同層次的異構性問題，對不同現(xiàn)場所得的信息數(shù)據(jù)進行提取調(diào)度等實施問題等。這就需要構建一個能夠?qū)た噩F(xiàn)場進行實時數(shù)據(jù)處理的工控異構集成系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫。

1.實時數(shù)據(jù)庫概述

在計算機技術的廣泛應用下，數(shù)據(jù)庫成為人們進行數(shù)據(jù)管理的主要工具，包括對數(shù)據(jù)的收集、整理、存儲以及提取、應用等種處理方式。采用計算機數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理比人工數(shù)據(jù)管理具有更大的優(yōu)越性，如整體結構性更強、數(shù)據(jù)共享更便捷、冗余度較低、擴展方便、數(shù)據(jù)安全性更高等。并且隨著計算機數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用領域越來越多，人們對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提出的要求也越來越多。在實際的工程應用中，計算機數(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，還要實現(xiàn)及時快速的數(shù)據(jù)共享。即對數(shù)據(jù)庫的時間性要求很高，必須要規(guī)定的短期時間內(nèi)完成處理與共享，若超過有效時間，就會有新的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生，原有的舊信息就失去了作用，成為無效信息。只有不斷的對新信息進行分析控制，才能保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在工程應用中充分發(fā)揮自己的作用。由此可見，實時數(shù)據(jù)庫是一種及時高效的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在多個生產(chǎn)領域都具有很大應用價值。

2.工控異構集成系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫的設計

2.1設計思路

在工業(yè)生自動化控制生產(chǎn)過程中，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要有兩種，即控制數(shù)據(jù)與過程數(shù)據(jù)?？刂茢?shù)據(jù)主要是指對工業(yè)生產(chǎn)的某一項工序進行控制時所需要進行的操作數(shù)據(jù)，反映出事務的主要流向；而過程數(shù)據(jù)則是對生產(chǎn)流程的反映，通過分析過程數(shù)據(jù)能夠掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的具體狀況。因此可以說，工控異構集成系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫的主要作用就是對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的所有實時過程數(shù)據(jù)與實時控制數(shù)據(jù)進行存儲與管理。并為業(yè)務層的數(shù)據(jù)信息應用提供及時準確的實時數(shù)據(jù)信息，若有新的數(shù)據(jù)到來則原有數(shù)據(jù)過期失效，也就失去了存儲的必要。因此在該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，最重要的就是保證數(shù)據(jù)信息的實時性。

2.2設計方法

隨著計算機內(nèi)存的不斷擴展，內(nèi)存容量一般都很大，將整個工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都進行存儲也是能夠?qū)崿F(xiàn)的，但內(nèi)存數(shù)據(jù)庫與磁盤數(shù)據(jù)庫從本質(zhì)上來講是有著很大差別的。一般在實時數(shù)據(jù)庫的設計時，往往將內(nèi)存數(shù)據(jù)庫作為首要數(shù)據(jù)庫存儲空間，而磁盤數(shù)據(jù)庫則為后備數(shù)據(jù)庫。因此只要保證CPU與內(nèi)存能夠高效運行，就能夠利用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫。因此，采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫作為實現(xiàn)方法，當實時數(shù)據(jù)庫服務器啟動后，即在內(nèi)存開辟一段緩沖區(qū)，存放實時數(shù)據(jù)，以事件觸發(fā)的方式動態(tài)刷新數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)庫讀取速度快，存取靈活，易于各功能模塊之間的數(shù)據(jù)共享。對于那些實時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)庫文件等存放在外部存儲器的關系數(shù)據(jù)庫中，原始參數(shù)配置文件、類型定義存放在外部存儲器的文件管理系統(tǒng)中，在系統(tǒng)啟動時調(diào)入內(nèi)存中使用，使用完畢仍存放到外存中。結合這一技術理論，工業(yè)異構實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理主要涉及到對工業(yè)異構各生產(chǎn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集、解析、還原、存儲、更新等一系列活動。

2.3設計分析

考慮到我們用數(shù)組在內(nèi)存中實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫的構建，數(shù)組的特點是同一數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的連續(xù)存放，對于工控現(xiàn)場中不同數(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或雙精度型值來表示，數(shù)字量通常用整型來表示，我們可以在內(nèi)存中開辟多種存儲類型的數(shù)組單位來存儲不同的數(shù)據(jù)類型的物理量。在數(shù)據(jù)的識別部分，對來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、幀識別號、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)序號，對照通信定位表的數(shù)據(jù)編碼的組成部分，依據(jù)數(shù)據(jù)類型定義進行識別還原物理量值并存儲到相應位置。在數(shù)據(jù)存儲部分，涉及數(shù)據(jù)存儲時的存儲地址問題，需分析數(shù)據(jù)存儲地址與物理量信息編碼之間的映像關系。我們采用直接地址映射方式，根據(jù)現(xiàn)場物理量信息編碼的排序位置顯式給出存儲位置。這種采用一維數(shù)組的方式存儲數(shù)據(jù)大大節(jié)省了存儲空間，提高存儲和檢索效率。

3.工控異構集成系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

3.1異構現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集

自動控制系統(tǒng)中各個生產(chǎn)現(xiàn)場的通訊數(shù)據(jù)包通過轉(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)絡中通訊的數(shù)據(jù)包擴展到以太網(wǎng)中，以太網(wǎng)中實時數(shù)據(jù)庫服務器采用旁聽模式偵聽以太網(wǎng)上通訊的數(shù)據(jù)包。在以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，也旁聽模式在以太網(wǎng)上傳輸，使得運行程序的本機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，我們通過轉(zhuǎn)化器將工控數(shù)據(jù)包的通訊以UDP數(shù)據(jù)包格式擴展到以太網(wǎng)中，工控實時數(shù)據(jù)庫服務器通過數(shù)據(jù)采集模塊采集以太網(wǎng)中通訊的數(shù)據(jù)包，接下來要做的工作就是對數(shù)據(jù)包進行解碼，還原工控現(xiàn)場設備的狀態(tài)。在數(shù)據(jù)包解碼時，根據(jù)對于同一數(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)類型判斷每一個物理量的數(shù)據(jù)識別方法；再根據(jù)物理量的排列順序判斷是同一設備的哪個物理量。

3.3數(shù)據(jù)存儲定位

在對數(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)場發(fā)來的數(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)還原時的處理方案，根據(jù)數(shù)據(jù)中的序號決定是哪個物理量，判斷存儲位置，這些都要通過查找通信定位表來完成。對通信定位表中現(xiàn)場物理量信息編碼進行排序后，排序后的順序記為該現(xiàn)場物理量存儲位置。

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、檢索我們對通信定位表按照數(shù)據(jù)編碼字段進行排序，排序后的通信定位表也即按現(xiàn)場、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)包序號按順序排列，對于同一現(xiàn)場、同一數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)幀按幀識別號進行排序，則記錄所在的位置也即數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲的邏輯位置，按照存儲地址直接映射內(nèi)存地址進行檢索。

4.結語

綜上所述，在當前工業(yè)的快速發(fā)展進程中，工業(yè)自動化控制生產(chǎn)必將成為未來主要的工業(yè)生產(chǎn)形式，而工控異構集成（下轉(zhuǎn)第148頁）（上接第23頁）系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫則為工業(yè)自動化控制的全面實現(xiàn)提供了實時數(shù)據(jù)信息支持，促進了自動化控制系統(tǒng)更加完善。目前工控異構集成系統(tǒng)的實施數(shù)據(jù)庫還處于研發(fā)試驗階段，還需要我們不斷的結合實踐進行改進完善。

【參考文獻】

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