工控异构集成系统实时数据库的研究与实现

赵伟

【摘 要】工业自动化控制技术是现代工业生产过程中最重要的生产技术，其能够利用计算机、仪器仪表以及动力设备来实现对生产过程的自动控制与调度优化，从而极大的提高了工业生产的质量和效率，同时也降低了能耗，提高了生产的安全性。而随着工业自动化控制技术的不断发展，管控一体化的自动化集成系统必将成为未来工控的主要发展趋势。而在管控一体化中，系统的集成技术中最关键的一个环节就是对系统的实时数据库进行设计，这是自动化控制生产得以实现的基础。现本文就主要针对工控异构集成系统的实时数据库的设计与实现进行研究探讨。

【关键词】工业自动化控制；异构；集成；数据库；设计

目前我国很多工业企业在长期的发展中，为了提高自身生存力水平，都在不断的引进和使用先进的生产技术和生产设备，因而在工厂中会有不同年代、不同性能、不同型号的各种工控产品被应用在生产中，并且不同厂区的地理分布也各有不同，这就使工控环境呈现出一种异构的分布式状态，增大了工控的难度，数据难以实现实时流通。为了能够更好的对工业生产流程中的所有工控数据信息进行实时控制与管理，就必须要建立一体化的集成管理系统。但在实际的系统研发过程中，却存在着多种问题，如企业环境不同层次的异构性问题，对不同现场所得的信息数据进行提取调度等实施问题等。这就需要构建一个能够对工控现场进行实时数据处理的工控异构集成系统实时数据库。

1.实时数据库概述

在计算机技术的广泛应用下，数据库成为人们进行数据管理的主要工具，包括对数据的收集、整理、存储以及提取、应用等种处理方式。采用计算机数据库系统进行数据管理比人工数据管理具有更大的优越性，如整体结构性更强、数据共享更便捷、冗余度较低、扩展方便、数据安全性更高等。并且随着计算机数据库系统的应用领域越来越多，人们对数据库系统提出的要求也越来越多。在实际的工程应用中，计算机数据系统不但要能够实现大量的数据管理控制，还要实现及时快速的数据共享。即对数据库的时间性要求很高，必须要规定的短期时间内完成处理与共享，若超过有效时间，就会有新的数据信息产生，原有的旧信息就失去了作用，成为无效信息。只有不断的对新信息进行分析控制，才能保证数据库系统在工程应用中充分发挥自己的作用。由此可见，实时数据库是一种及时高效的数据处理系统，在多个生产领域都具有很大应用价值。

2.工控异构集成系统实时数据库的设计

2.1设计思路

在工业生自动化控制生产过程中，所产生的数据主要有两种，即控制数据与过程数据。控制数据主要是指对工业生产的某一项工序进行控制时所需要进行的操作数据，反映出事务的主要流向；而过程数据则是对生产流程的反映，通过分析过程数据能够掌握生产现场的具体状况。因此可以说，工控异构集成系统实时数据库的主要作用就是对工业生产现场的所有实时过程数据与实时控制数据进行存储与管理。并为业务层的数据信息应用提供及时准确的实时数据信息，若有新的数据到来则原有数据过期失效，也就失去了存储的必要。因此在该数据库系统中，最重要的就是保证数据信息的实时性。

2.2设计方法

随着计算机内存的不断扩展，内存容量一般都很大，将整个工业生产所产生的所有数据都进行存储也是能够实现的，但内存数据库与磁盘数据库从本质上来讲是有着很大差别的。一般在实时数据库的设计时，往往将内存数据库作为首要数据库存储空间，而磁盘数据库则为后备数据库。因此只要保证CPU与内存能够高效运行，就能够利用内存数据库实现实时数据库。因此，采用内存数据库作为实现方法，当实时数据库服务器启动后，即在内存开辟一段缓冲区，存放实时数据，以事件触发的方式动态刷新数据，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。对于那些实时性要求不高的非共享数据和共享数据，如通信定位表等原始表文件及历史数据库文件等存放在外部存储器的关系数据库中，原始参数配置文件、类型定义存放在外部存储器的文件管理系统中，在系统启动时调入内存中使用，使用完毕仍存放到外存中。结合这一技术理论，工业异构实时数据库的数据处理主要涉及到对工业异构各生产现场实时数据的采集、解析、还原、存储、更新等一系列活动。

2.3设计分析

考虑到我们用数组在内存中实现实时数据库的构建，数组的特点是同一数据类型数据的连续存放，对于工控现场中不同数据类型的物理量其值的表现形式也不同，例如模拟量值通常用浮点或双精度型值来表示，数字量通常用整型来表示，我们可以在内存中开辟多种存储类型的数组单位来存储不同的数据类型的物理量。在数据的识别部分，对来自采集模块采集到的以太网数据包，根据数据包的IP地址、帧识别号、数据类型、数据序号，对照通信定位表的数据编码的组成部分，依据数据类型定义进行识别还原物理量值并存储到相应位置。在数据存储部分，涉及数据存储时的存储地址问题，需分析数据存储地址与物理量信息编码之间的映像关系。我们采用直接地址映射方式，根据现场物理量信息编码的排序位置显式给出存储位置。这种采用一维数组的方式存储数据大大节省了存储空间，提高存储和检索效率。

3.工控异构集成系统实时数据库的实现

3.1异构现场实时数据采集

自动控制系统中各个生产现场的通讯数据包通过转换器转换成以太网上通讯的数据帧，将工控网络中通讯的数据包扩展到以太网中，以太网中实时数据库服务器采用旁听模式侦听以太网上通讯的数据包。在以太网上传输的数据包，也旁听模式在以太网上传输，使得运行程序的本机可以捕获所有在本以太网传输的数据包，而不管数据包的目的地址是否为本机地址。

3.2工控通讯数据帧格式分析

如上所述，我们通过转化器将工控数据包的通讯以UDP数据包格式扩展到以太网中，工控实时数据库服务器通过数据采集模块采集以太网中通讯的数据包，接下来要做的工作就是对数据包进行解码，还原工控现场设备的状态。在数据包解码时，根据对于同一数据包中的数据首先判断其数据类型，根据物理量的数据类型判断每一个物理量的数据识别方法；再根据物理量的排列顺序判断是同一设备的哪个物理量。

3.3数据存储定位

在对数据包的处理中，分析数据包中包含的IP地址，用以判断是不是现场发来的数据包，分析数据编码数据类型字段，用以判断数据还原时的处理方案，根据数据中的序号决定是哪个物理量，判断存储位置，这些都要通过查找通信定位表来完成。对通信定位表中现场物理量信息编码进行排序后，排序后的顺序记为该现场物理量存储位置。

3.4数据分类、检索

数据管理还涉及到数据分类和检索，数据的分类、检索我们对通信定位表按照数据编码字段进行排序，排序后的通信定位表也即按现场、数据类型、数据包序号按顺序排列，对于同一现场、同一数据类型的数据帧按帧识别号进行排序，则记录所在的位置也即数据在内存中存储的逻辑位置，按照存储地址直接映射内存地址进行检索。

4.结语

综上所述，在当前工业的快速发展进程中，工业自动化控制生产必将成为未来主要的工业生产形式，而工控异构集成（下转第148页）（上接第23页）系统实时数据库则为工业自动化控制的全面实现提供了实时数据信息支持，促进了自动化控制系统更加完善。目前工控异构集成系统的实施数据库还处于研发试验阶段，还需要我们不断的结合实践进行改进完善。

【参考文献】

[1]钱笑宇，张彦武.工业实时数据库的研究和设计[J].计算机工程，2005（01）.

[2]黄绍川，开金宇，莫林.工业实时数据库系统的研究与设计[J].微计算机信息，2008（21）.