劉紅霞，徐 磊

（南京工業(yè)大學 電子與信息工程學院，南京 211816）

組態(tài)軟件是用于數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件[1]，在工業(yè)控制領域中有著重要的作用。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為組態(tài)軟件的核心，它保存著系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)正常運行所需的各種信息[2]。這些信息對管理層及時分析設備運行狀況、了解生產(chǎn)現(xiàn)場的實施情況、實現(xiàn)上層信息系統(tǒng)與地層控制系統(tǒng)的集成以及故障診斷都具有重要的意義。

國外對實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究起步較早，代表產(chǎn)品有美國ASPEN-tech的Infoplus和OSI公司的PI等。目前國外實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品占據(jù)了大部分的國內(nèi)市場份額，但對于大部分中小型企業(yè)，他們無力承擔高額的費用。雖然國內(nèi)一些實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品在價格上有一定優(yōu)勢，但在數(shù)據(jù)處理能力及速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性存在一些不足。因此研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有重要意義，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計與結構的開發(fā)也顯得尤為重要。

本文結合作者的工程實踐，介紹了組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其特征，闡述了實時數(shù)據(jù)庫設計開發(fā)過程中的關鍵技術，在此基礎上提出了一套切實可行的實時數(shù)據(jù)庫設計方案，并進行了性能的驗證。

1 組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（RTDBMS）是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DBMS）與實時處理技術在功能特性上的完善和無縫集成[3]。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指其事務和數(shù)據(jù)具有定時特性或顯示的定時限制的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。系統(tǒng)的正確性不僅依賴于邏輯結果，還依賴于邏輯結果產(chǎn)生的時間[4]。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一切為了保證結果的絕對性相反，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將實時性看得比結果的準確性還要重要，經(jīng)常會通過折中和權衡數(shù)據(jù)的完全性、準確性、一致性來求得數(shù)據(jù)的及時性。

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為組態(tài)軟件的核心，為組態(tài)軟件的上層管理模塊、歷史數(shù)據(jù)庫模塊等提供數(shù)據(jù)的實時管理功能。實時數(shù)據(jù)庫結構設計上的好壞直接影響到組態(tài)軟件開發(fā)的成敗。

2 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構設計

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是整個組態(tài)軟件系統(tǒng)的核心部分，其它子系統(tǒng)圍繞實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行。它在底層設備和上層管理系統(tǒng)之間起到數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的作用。

本文將實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分為3個子系統(tǒng)，分別是用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫配置工作的開發(fā)系統(tǒng)、用于運行環(huán)境的運行系統(tǒng)和實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集管理的數(shù)據(jù)采集服務器。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結構如圖1所示。

開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的配置工作，是系統(tǒng)運行的前提。組態(tài)后會生成組態(tài)數(shù)據(jù)庫文件，該數(shù)據(jù)庫文件記錄了數(shù)據(jù)結構的信息，如系統(tǒng)變量點的數(shù)量、變量點的數(shù)據(jù)類型、畫面程序等，供實時數(shù)據(jù)庫運行系統(tǒng)的初始化模塊讀取。

圖1 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結構圖Fig.1 Real-time database system structure

運行系統(tǒng)用于現(xiàn)場監(jiān)控，實時反映現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況。運行系統(tǒng)作為實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，實時地進行數(shù)據(jù)管理，運行系統(tǒng)以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫為中心，其它子模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的管理。

數(shù)據(jù)采集服務器是實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與底層控制設備進行直接交互的接口，主要由設備驅(qū)動管理、數(shù)據(jù)采集線程管理、本地緩沖區(qū)管理和數(shù)據(jù)同步管理4個子系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集服務器將采集的數(shù)據(jù)更新至實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫負責將報警、畫面顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲等消息及時通知相應的子系統(tǒng)處理。

各子系統(tǒng)采取一定的方式進行通信，共同協(xié)作完成系統(tǒng)功能。開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)以組態(tài)數(shù)據(jù)庫文件為基礎進行通信，實現(xiàn)由配置到運行的過程；數(shù)據(jù)采集服務器和運行系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)同步線程和內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的交互實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步更新。

3 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 實時數(shù)據(jù)庫開發(fā)系統(tǒng)

開發(fā)系統(tǒng)由圖形用戶接口模塊、功能管理模塊、內(nèi)存管理模塊、核心功能管理模塊、導入導出模塊以及組態(tài)數(shù)據(jù)庫文件組成。

數(shù)據(jù)是所有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本組成單位。實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一共存在八種變量類型：IO離散型變量、IO整型變量、IO模擬型變量、IO字符串變量、內(nèi)存離散型變量、內(nèi)存整型變量、內(nèi)存模擬型變量和內(nèi)存字符串變量。本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮脑O計思想，采用4種數(shù)據(jù)結構來表示上述8種數(shù)據(jù)類型，并且使用類中的一個成員變量來區(qū)分是IO變量還是內(nèi)存變量。

組態(tài)數(shù)據(jù)庫文件用于保存實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的變量信息，本系統(tǒng)采用順序文件結構來存儲數(shù)據(jù)變量，并將數(shù)據(jù)庫文件分為：頭文件、記錄塊和結束標記。同時系統(tǒng)采用位置記錄緩沖區(qū)來避免在刪除變量時產(chǎn)生大量的磁盤讀寫操作。索引結構和基本數(shù)據(jù)緩沖區(qū)能夠快速定位變量，進行賦值等操作。同時采用了變量的刪除保護策略，防止因為變量被錯誤地刪除而使系統(tǒng)產(chǎn)生不可預計的錯誤。技術人員除了可以采用標準的圖形用戶接口來進行變量的配置，還可以使用Excel的方式對系統(tǒng)變量進行組態(tài)，方便快捷。

3.2 實時數(shù)據(jù)庫運行系統(tǒng)

運行系統(tǒng)以開發(fā)系統(tǒng)為前提，根據(jù)組態(tài)數(shù)據(jù)庫文件進行系統(tǒng)的初始化工作。運行系統(tǒng)作為組態(tài)軟件的核心部分，負責數(shù)據(jù)的實施管理，包括事務的處理、并發(fā)控制、事件管理、歷史數(shù)據(jù)的存儲等，運行系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 運行系統(tǒng)結構圖Fig.2 Running system structure

為了提高數(shù)據(jù)處理效率，運行系統(tǒng)采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)事務的實時處理，大大減少了系統(tǒng)對磁盤的操作。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的結構直接決定了實時數(shù)據(jù)庫的效率、穩(wěn)定性和靈活性。為了滿足實時特性，當子系統(tǒng)向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫提交事務時，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須要能快速定位到相應變量。數(shù)組結構適合實現(xiàn)快速定位，但是數(shù)組結構必須要求連續(xù)的內(nèi)存空間來存儲數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)存在大量變量點時，大容量的連續(xù)內(nèi)存很難得到滿足。而且系統(tǒng)中的八種變量類型所需要的內(nèi)存空間不同，如果統(tǒng)一分配，將造成內(nèi)存的浪費。解決以上問題，本文采用索引結構和二級緩存技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速定位，索引結構和二級緩存技術原理如圖3所示。

圖3 索引結構和二級緩存技術原理圖Fig.3 Two caching techniques and index structure

索引結構采用數(shù)組結構實現(xiàn)，根據(jù)唯一的變量名，可以定位出內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中相應的數(shù)據(jù)單元。一級緩沖區(qū)中存儲各個數(shù)據(jù)項的基本信息和附加信息指針?；拘畔⑹菑牟煌瑪?shù)據(jù)類型提取的統(tǒng)一信息，包括變量的名字、類型及數(shù)據(jù)值等。附加信息是一個數(shù)據(jù)指針，指向二級緩沖區(qū)，存放不同變量除基本信息外的剩余信息。二級緩沖區(qū)中每個記錄單元所需要的內(nèi)存空間較大，可以單獨在堆上進行內(nèi)存空間的分配。索引結構和二級緩存技術能夠充分利用內(nèi)存資源，進行快速定位，以便于對事務的請求進行快速響應。

一個優(yōu)秀的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，需要快速反應各種事務的請求，并及時處理。在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，事務指對一個數(shù)據(jù)對象進行的一系列的讀和寫的操作。實時事務的調(diào)度一般是基于事務的優(yōu)先級策略，事務的優(yōu)先級策略大致可分為靜態(tài)優(yōu)先級策略和動態(tài)優(yōu)先級策略。靜態(tài)優(yōu)先級策略是指在系統(tǒng)運行之前已經(jīng)確定事務的優(yōu)先級，而動態(tài)優(yōu)先級策略則是在運行時根據(jù)相關參數(shù)來確定事務的優(yōu)先級。本系統(tǒng)采用靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略，避免因為動態(tài)優(yōu)先級的調(diào)整所帶來的系統(tǒng)開銷，從而提高運行系統(tǒng)實時特性。系統(tǒng)采用單調(diào)比率算法對事務的優(yōu)先級進行計算。

組態(tài)軟件中多個子系統(tǒng)都會與實時數(shù)據(jù)庫運行系統(tǒng)進行交互，如果允許子系統(tǒng)間的串行操作，則會極大地降低系統(tǒng)的工作效率，因此系統(tǒng)采用樂觀并發(fā)控制協(xié)議實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫的事務管理。

為了滿足運行系統(tǒng)對實時性的要求，采用GetTickCount函數(shù)來進行定時的數(shù)據(jù)采集，該函數(shù)返回系統(tǒng)開機以來所經(jīng)過的毫秒數(shù)。通過該函數(shù)以及多線程的方式可以最大限度地提高數(shù)據(jù)采集的精度。

3.3 實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集服務器

實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集服務器主要通過設備驅(qū)動程序與現(xiàn)場設備進行實時通信，以完成系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集功能。自動化系統(tǒng)中，現(xiàn)場的設備主要有PLC、DCS、板卡等，這些設備支持不同的通信協(xié)議，這就需要數(shù)據(jù)采集服務器能夠有效地管理設備以及高效地采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集服務器能夠?qū)Σ煌ㄐ艆f(xié)議以及不同接入方式的設備進行統(tǒng)一的管理，其結構如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集服務器結構圖Fig.4 Data collection server structure

各個采集線程負責通過調(diào)用硬件的驅(qū)動程序和硬件進行實時交互，將從設備采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一送入本地緩沖區(qū)，本地緩沖區(qū)以鏈表形式維護數(shù)據(jù)。最后通過數(shù)據(jù)更新線程將數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)同步。

為了對不同類型的設備統(tǒng)一管理，將設備進行抽象化，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型CDevice結

構如下：

class CDevice

{

public：

WORD devid；//設備的 ID 號

Char deviceName[32]；//設備名稱

Char logicName[32]；//設備的邏輯名稱

Char address[32]；//設備寄存器地址

Char information[64]；//設備描述

DEVADDR devAddr；//設備地址

short status；//設備的狀態(tài)

WORD statusid；//狀態(tài) id 號

short enable；//使能控制

bool useModem；//是否使用調(diào)制解調(diào)器

char szPhoneNum[16]；//撥號號碼

bool statusChange；//狀態(tài)是否改變

UINT timerCount；//通訊出現(xiàn)故障時，嘗試重建連接的次數(shù)

UINT retryInterval；//通訊出現(xiàn)故障時，重建連接的時間間隔

}

由于硬件設備的種類繁多，在不同場合，需要使用的驅(qū)動程序也各有不同，因此需要對驅(qū)動程序進行統(tǒng)一的管理[5]。本文采用統(tǒng)一驅(qū)動接口模型的方式，遵循COM規(guī)范，用C++進行開發(fā)，對驅(qū)動程序接口進行抽象，制訂驅(qū)動程序的接口規(guī)范，并以DLL的形式進行封裝[6]。

數(shù)據(jù)采集服務器采用多線程的方式，將數(shù)據(jù)采集分散在各個線程中完成，保證數(shù)據(jù)采集的相互獨立性。

4 性能驗證與分析

4.1 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫效率驗證

內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫運行系統(tǒng)的核心，它使系統(tǒng)能夠從內(nèi)存中存取相關的數(shù)據(jù)，避免大量的硬盤操作，從而提高了效率。本文對內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和關系型數(shù)據(jù)庫的存取效率進行了比較。關系數(shù)據(jù)庫采用Access數(shù)據(jù)庫，向關系型數(shù)據(jù)庫插入500及1000條記錄，向內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中插入1000及5000條記錄，記錄時間并進行對比，結果如表1所示。

表1 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫測試數(shù)據(jù)Tab.1 Memory and relational databases test data

對比可以看出，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫在存取數(shù)據(jù)的效率上遠高于關系型數(shù)據(jù)庫。采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫為核心的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠很好地滿足組態(tài)軟件對實時性的需求。

4.2 實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)存需求對比

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中采用了二級緩存技術，高效地利用了系統(tǒng)中內(nèi)存碎片，大大減小了內(nèi)存的開銷。為了驗證二級緩存技術在內(nèi)存需求上的改進，系統(tǒng)初始化了2萬個變量點，離散型、整數(shù)型、浮點型和字符串型各5000點，分別使用普通一級緩存結構和二級緩存結構，在內(nèi)存需求方面進行對比，對比如表2所示。

表2 內(nèi)存開銷對比Tab.2 Comparison of memory usage

從上述對比可以看出，二級緩存技術大大減少了內(nèi)存的開銷。

4.3 數(shù)據(jù)處理性能驗證

數(shù)據(jù)處理在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中是最常見的操作。本文采用高效的索引結構能夠快速定位變量，并通過二級緩存技術對變量進行各種操作。為了驗證其性能，在20000點的實際工程中，對分布在不同位置的20個不同類型的變量點進行5000次的循環(huán)寫入操作，測試結果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)處理測試Tab.3 Data processing test

從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，10萬次的數(shù)據(jù)寫入僅需要3094 ms，即實時數(shù)據(jù)庫平均每秒可以完成32000多次數(shù)據(jù)的索引以及寫入操作，其性能完全能夠滿足軟實時特性的需求。

5 案例應用

以某省農(nóng)村商業(yè)銀行機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)為例，展示實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用情況。該監(jiān)控系統(tǒng)主要完成商業(yè)銀行機房環(huán)境的監(jiān)控，以實時數(shù)據(jù)庫為核心，通過數(shù)據(jù)采集服務器來完成D86、AC86、UPS以及智能空調(diào)等設備的數(shù)據(jù)采集以及控制。系統(tǒng)同時利用ModbusTCP驅(qū)動程序?qū)⑷懈鞯谹TM取款機的通信數(shù)據(jù)實時地展示出來，供機房工作人員分析及查看。監(jiān)控系統(tǒng)會將產(chǎn)生的報警及時地通過短信、電話等方式告知工作人員，方便工作人員及時處理，減少不必要的經(jīng)濟損失。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結構如圖5所示。

圖5 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Fig.5 Environmental monitoring system structure

該系統(tǒng)為工作人員提供了準確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，精美的圖形界面，并提供多種方式來查詢歷史數(shù)據(jù)，這些歷史數(shù)據(jù)為故障的分析和數(shù)據(jù)挖掘提供了依據(jù)。該系統(tǒng)的成功應用，驗證了本文提出的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計具有現(xiàn)實的可行性。

6 結語

本文通過對中小企業(yè)的需求分析，結合組態(tài)軟件的特點，提出了組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計方案，采用組件化的思想將系統(tǒng)分為開發(fā)系統(tǒng)、運行系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集服務器，并詳細介紹了各個子系統(tǒng)的設計以及實現(xiàn)，并對系統(tǒng)性能進行了驗證，最后列舉實際案例證實方案的可行性。

本文提出的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于各類中小企業(yè)，成功應用于樓宇、化工、生工等多類不同的監(jiān)控系統(tǒng)，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。

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