前 言 近年來，DCS（集散控制系統(tǒng)）以其強大的控制功能、可靠的安全性能和良好的可移植性在國內(nèi)外工控領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，DCS的日益普及為實現(xiàn)先進控制、實時優(yōu)化等新技術(shù)提供了強有力的硬件支持和保障。先進控制除了具有改善控制性能、提高經(jīng)濟效益等主要功能外，也是深度開發(fā)和利用DCS資源、提高企業(yè)自動化和管理水平的重要途徑。先進控制軟件的設(shè)計一般分為幾個模塊：模型辨識器、多變量預(yù)估控制器、魯棒PID控制器（含各種中間控制器）、實時數(shù)據(jù)庫、工藝計算包等，其中實時數(shù)據(jù)庫模塊是其他模塊的紐帶和橋梁。所以，實時數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計的好壞直接影響到先進控制軟件設(shè)計的成敗。實時數(shù)據(jù)庫是先進控制軟件系統(tǒng)的重要組成部分，也是設(shè)計的難點之一。實時數(shù)據(jù)庫是先進控制軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。在先進控制系統(tǒng)投用運行環(huán)境時，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況將實時地反映在變量的數(shù)值中，操作者在計算機前發(fā)布的指令也要迅速送達生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)。同時，實時數(shù)據(jù)庫又是事務(wù)調(diào)度中心，數(shù)據(jù)采集事務(wù)、圖形顯示事務(wù)、報警事務(wù)、歷史數(shù)據(jù)存盤事務(wù)等等都由實時數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一調(diào)配，從而達到控制的實時性。 1．實時數(shù)據(jù)庫概述 在引入實時數(shù)據(jù)庫概念之前，先介紹一下數(shù)據(jù)對象。在先進控制軟件設(shè)計中定義的數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)意義的數(shù)據(jù)或變量，它不只包含了變量的數(shù)值特征，還將與數(shù)據(jù)相關(guān)的其它屬性（如數(shù)據(jù)的狀態(tài)、報警限值等）以及對數(shù)據(jù)的操作方法（如存盤處理、報警處理等）封裝在一起，作為一個整體，以對象的形式提供服務(wù)。這種把數(shù)值、屬性和方法定義成一體的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)對象。在設(shè)計中，用數(shù)據(jù)對象來表述系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)，用對象變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義的值變量。用數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理的所有數(shù)據(jù)對象的集合稱為實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫提供管理、刷新、查詢數(shù)據(jù)對象等操作。 實時數(shù)據(jù)庫與普通商用數(shù)據(jù)庫不同，實時數(shù)據(jù)庫的主要目標是使盡量多的事務(wù)在規(guī)定的時間要求內(nèi)完成，而不是公平地分配系統(tǒng)以使所有的事務(wù)都得到執(zhí)行。它有以下幾個特點： 1）時間約束實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特征是在數(shù)據(jù)對象和事務(wù)上施加了時間約束。對數(shù)據(jù)的時間約束，就是在數(shù)據(jù)庫的普通一致性要求以外，又規(guī)定了時態(tài)一致性要求。在實時系統(tǒng)中，具有時間約束的數(shù)據(jù)主要來自于外部的動態(tài)數(shù)據(jù)，如由傳感器采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，和由這些數(shù)據(jù)導出的數(shù)據(jù)。因此，可將數(shù)據(jù)的時間約束分為兩類，即數(shù)據(jù)的絕對一致性和數(shù)據(jù)的相對一致性。數(shù)據(jù)的絕對一致性是指實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)應(yīng)與外部數(shù)據(jù)（又稱為環(huán)境數(shù)據(jù)）相一致，即要求數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)能及時地反映外部環(huán)境的狀態(tài)。例如，在化工過程控制系統(tǒng)中，要求數(shù)據(jù)庫中記錄的塔的溫度、壓力等信息，與塔的實際的溫度、壓力等參數(shù)保持一致。這種一致性的破壞有時可能會導致災(zāi)難性的后果。在實時系統(tǒng)中，常常需要從一組數(shù)據(jù)項導出另外的數(shù)據(jù)，例如，根據(jù)系統(tǒng)的電流、電壓導出系統(tǒng)的功率。此時往往要求用來導出新數(shù)據(jù)的一組數(shù)據(jù)在時間上應(yīng)盡量接近，這就形成了實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的相對一致性概念。 2）事務(wù)調(diào)度 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，事務(wù)調(diào)度的目標是提高系統(tǒng)對事務(wù)的吞吐率，但實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)則要求能使盡量多的事務(wù)在其期限內(nèi)完成。因此，實時事務(wù)的調(diào)度與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的事務(wù)調(diào)度是有差別的。大多數(shù)的實時事務(wù)調(diào)度策略都是圍繞事務(wù)的優(yōu)先級進行的。 3）實時數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)存儲管理 實時數(shù)據(jù)庫主要承擔系統(tǒng)所有實時數(shù)據(jù)的存儲和管理，為相關(guān)的功能提供快速、正確的實時信息，因此，對實時數(shù)據(jù)庫來說，其實時性是第一位的，考慮到這一點，實時數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)占用空間小，并常駐內(nèi)存，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。 實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)共享采用內(nèi)存文件映射來實現(xiàn)。 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)，如采樣值的轉(zhuǎn)換系數(shù)等可以放在外存儲空間。因此，在實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，要妥善處理時間和存儲空間之間的矛盾，以保證先進控制系統(tǒng)的實時性。 2 實時數(shù)據(jù)庫的分析與設(shè)計 首先從功能角度分析實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。 1）實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能分析： 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集：實時數(shù)據(jù)庫提供了與典型數(shù)據(jù)源的接口，讀寫通訊設(shè)備寄存器的現(xiàn)場值，送到開辟的內(nèi)存緩沖區(qū)。 預(yù)處理機制：可以直接在實時數(shù)據(jù)庫中對原始數(shù)據(jù)進行處理，如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。滾動存儲機制：實時數(shù)據(jù)庫的各數(shù)據(jù)對象以鏈表形式存放在內(nèi)存中，故數(shù)據(jù)庫的容量相對容固定，當新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，自動更新數(shù)據(jù)對象的現(xiàn)場值屬性。 自動更新機制：當實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象現(xiàn)場值屬性改變時，自動啟動線程，更新顯示畫面的數(shù)據(jù) 顯示，如需存盤，存入 Access 數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)實時監(jiān)控。 觸發(fā)和定時機制：提供豐富的觸發(fā)和定時機制，供各類數(shù)據(jù)處理、先進控制和優(yōu)化算法使用，以保證數(shù)據(jù)的實時性、有效性、一致性。補償機制：當不能保證連續(xù)運行時（如系統(tǒng)備份），需要提供相應(yīng)的補償機制，以保證數(shù)據(jù)不會丟失。 數(shù)據(jù)檢索機制：可以以類似于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的方式檢索實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象，取得所需的數(shù)據(jù)對象屬性或操作。 態(tài)匯總機制：實時數(shù)據(jù)庫提供了報警狀態(tài)、操作事件等信息的動態(tài)匯總功能。 2）實時數(shù)據(jù)庫事務(wù)調(diào)度分析 在先進控制軟件系統(tǒng)投入運行后，同時要進行與 DCS 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示刷新、歷史數(shù)據(jù)存盤、緊急事件報警或越位報警等等，所有的這些事務(wù)，都要并行處理，如等待時間太長，無法滿足實時性的要求。這樣就要求我們實現(xiàn)一種并行編程，在只有一個 CPU 的機器上，也就是要將該 CPU 時間按照一定的優(yōu)先準則分配給各個事件，定期處理某一事件而不會在某一事件處理過長，在 32 位 Windows98或 WindowsNT4.0 下，用多線程的編程技術(shù)來實現(xiàn)這種并行編程，實時調(diào)度各事務(wù)。 3）實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計 以面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）的設(shè)計技術(shù)，將實時數(shù)據(jù)庫定義為類的形式。如圖 2 所示，將實時數(shù)據(jù)庫類定義的與各圖形顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)存盤模塊等相聯(lián)系的接口函數(shù)劃分為幾個模塊加以說明： 實時數(shù)據(jù)庫初始化模塊：該模塊主要是根據(jù)先進控制所需要的數(shù)據(jù)創(chuàng)建各數(shù)據(jù)對象，以鏈表作為存儲方式，并建立各數(shù)據(jù)對象對應(yīng)的對象名索引，以提高訪問數(shù)據(jù)對象的訪問速度，同時建立 Access 歷史數(shù)據(jù)庫。 基本操作模塊：提供數(shù)據(jù)對象的基本操作，如通過數(shù)據(jù)對象名或 ID 取得數(shù)據(jù)對象的其他屬性或通過名稱取得數(shù)據(jù)對象的 ID 等等。 讀寫數(shù)據(jù)操作模塊：提供數(shù)據(jù)對象的讀寫數(shù)據(jù)操作，將存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的現(xiàn)場值寫入實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)對象的現(xiàn)場值屬性中去，讀取數(shù)據(jù)對象中的當前值。 3通訊設(shè)備讀寫操作模塊：管理通訊設(shè)備，讀取設(shè)備的當前工作狀態(tài)，對指定的設(shè)備進行操作。 窗口操作模塊：讀取用戶窗口的名稱，對指定的用戶窗口進行操作，讀取用戶窗口的當前狀態(tài)。 報警操作模塊：存儲報警信息，讀取數(shù)據(jù)對象的報警限值。 存盤操作模塊：在 Access 數(shù)據(jù)庫中存儲需要存盤的數(shù)據(jù)。 3．實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn) 實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象類的定義：數(shù)據(jù)對象分為模擬量、開關(guān)量、字符串三個類型，下面重點介紹模擬量類的定義，并給出部分VC++代碼，其他類的定義與此類似，在此不做介紹。 //模擬量的類定義： class AnalogType : public CObject ｛ public: AnalogType（）; virtual ～AnalogType（）; private: //基本屬性操作參數(shù) CString ObjectName; //對象名 float ObjectInivalue; //初始值 float ObjectMinvalue; //最小值 float ObjectMaxvalue; //最大值 CString ObjectUnit; //對象的工程單位 int ObjectPointN; //小數(shù)位數(shù) //存盤操作參數(shù) BOOL IsSave; //是否存盤 int SaveTime; //存盤時間 //報警操作參數(shù) BOOL IsAlarm //是否報警 int AlarmPriority; //優(yōu)先級 float LowLowvalue; //低低報警 float Lowvalue; //低報警 float HeighHeighvalue; //高高報警 float Heighvalue; //高報警 float LowDevvalue; //低偏差報警值 float HeighDevvalue; //高偏差報警值 int FieldvalueInt； //現(xiàn)場的實時整型值 float FieldvalueFloat; //現(xiàn)場的實時模擬值 //定義數(shù)據(jù)操作 public: //定義屬性的輸入接口提供初始化操作 void SetObjectName（CString name） ｛ObjectName=name; ｝ void SetObjectInivalue（float inivalue） ｛ObjectInivalue=inivalue;｝ void SetObjectMinvalue（float minvalue） ｛ObjectMinvalue=minvalue;｝ void SetObjectMaxvalue（float maxvalue） ｛ObjectMaxvalue=maxvalue;｝ void SetObjectUnit（CString unit） ｛ObjectUnit=unit;｝ …… //定義輸出接口，提供給基本數(shù)據(jù)操作和存盤、報警操作 CString GetObjectName（） ｛ return ObjectName; ｝ float GetObjectInivalue（） ｛ return ObjectInivalue;｝ float GetObjectMinvalue（） ｛ return ObjectMinvalue;｝ float GetObjectMaxvalue（） ｛ return ObjectMaxvalue;｝ CString GetObjectUnit（） ｛ return ObjectUnit;｝ …… //現(xiàn)場的實時值操作 void SetFieldvalue（float valuefield） ｛Fieldvalue=valuefield; ｝ float GetFieldvalue（） ｛ return Fieldvalue; ｝ ｝; 實時數(shù)據(jù)庫類的設(shè)計，用 VC++聲明的頭文件如下： class RealDB : public CObject ｛ private : AnalogType ＊TemAnalog; SwitchType ＊TemSwitch; POSITION temposition; int DataNum; private: //創(chuàng)建 Access 歷史數(shù)據(jù)庫和表 BOOL CreateNewTable（）; BOOL CreateHistoryAlarmDB（）; BOOL CreateHistoryObjectTable（）; public: CDaoTableDef ＊m_newtable; CDatabase m_dataobject; CObList m_listdata; //數(shù)據(jù)對象的鏈表 CString IndexTag[200]; //定義最大數(shù)據(jù)對象個數(shù) 200 int AnalogSwitchSign; //定義模擬和開關(guān)型的分割位置 //操作 public: RealDB（）; virtual ～RealDB（）; BOOL CreateDataObject（）; //創(chuàng)建數(shù)據(jù)對象 //數(shù)據(jù)對象的基本操作 BOOL GetProFromName（CString Name, int Type , float InitV ,CString Unit , float MaxV , float MinV , int PointN ）; BOOL GetProFromID（int id,CString Name, int Type , float InitV ,CString Unit , float MaxV , float MinV , int PointN ）; int GetIDFromDataName（CString dataname）; //通過標記名取得 ID 號 CString GetDataNameFromID（int id）; //通過 ID 取得數(shù)據(jù)對象的名稱 int GetDataType（CString Name）; int GetAlmDataName（CString name[200]）; //報警數(shù)據(jù)對象集合 int GetSaveDataName（CString alarmname[200]）; //保存數(shù)據(jù)對象的集合 //數(shù)據(jù)對象的現(xiàn)場值讀寫操作 BOOL GetvalueFromName（CString name,float value）; //通過標記名取得現(xiàn)場值 BOOL SetvalueFromName（CString name,float value）; //通過標記名將現(xiàn)場值寫入數(shù)據(jù)對象中 BOOL GetvalueFromID（int id,float value）; //通過 ID 號取得現(xiàn)場值 BOOL SetvalueFromID（int id,float value）; //通過 ID 號寫入現(xiàn)場值 BOOL GetvalueArrayFromID（int Num,int id[],float value[]）;//成組讀取數(shù)據(jù)對象的現(xiàn)場值 BOOL SetvalueArrayFromID（int Num, int id[], float value[]）;//成組寫入數(shù)據(jù)對象的現(xiàn)場值 …… ｝; 4 結(jié)束語 實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計是先進控制軟件設(shè)計的重要組成部分，是難點部分，本文通過對實時數(shù)據(jù)庫的概述和分析，論述了實時數(shù)據(jù)庫模塊的實現(xiàn)方法，以面向?qū)ο蟮木幊谭绞浇o出了定義類的部分代碼。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)復(fù)雜，由于篇幅有限，本文沒有一一詳細說明。筆者所開發(fā)的實時數(shù)據(jù)庫可以與已經(jīng)開發(fā)的先進控制軟件連接起來，已經(jīng)在實驗室調(diào)試通過，還有一些工作（如實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫接口等）也正在進行。