前 言 近年來，DCS（集散控制系統(tǒng)）以其強(qiáng)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(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制、實(shí)時(shí)優(yōu)化等新技術(shù)提供了強(qiáng)有力的硬件支持和保障。先進(jìn)控制除了具有改善控制性能、提高經(jīng)濟(jì)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(dòng)化和管理水平的重要途徑。先進(jìn)控制軟件的設(shè)計(jì)一般分為幾個(gè)模塊：模型辨識(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、工藝計(jì)算包等，其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫模塊是其他模塊的紐帶和橋梁。所以，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計(jì)的好壞直接影響到先進(jìn)控制軟件設(shè)計(jì)的成敗。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是先進(jìn)控制軟件系統(tǒng)的重要組成部分，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是先進(jìn)控制軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。在先進(jìn)控制系統(tǒng)投用運(yùn)行環(huán)境時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況將實(shí)時(shí)地反映在變量的數(shù)值中，操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)。同時(shí)，實(shí)時(shí)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(bào)警事務(wù)、歷史數(shù)據(jù)存盤事務(wù)等等都由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一調(diào)配，從而達(dá)到控制的實(shí)時(shí)性。 1．實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫概述 在引入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫概念之前，先介紹一下數(shù)據(jù)對(duì)象。在先進(jìn)控制軟件設(shè)計(jì)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(bào)警限值等）以及對(duì)數(shù)據(jù)的操作方法（如存盤處理、報(bào)警處理等）封裝在一起，作為一個(gè)整體，以對(duì)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(duì)象。在設(shè)計(jì)中，用數(shù)據(jù)對(duì)象來表述系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用對(duì)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(duì)象的集合稱為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫提供管理、刷新、查詢數(shù)據(jù)對(duì)象等操作。 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與普通商用數(shù)據(jù)庫不同，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的主要目標(biāo)是使盡量多的事務(wù)在規(guī)定的時(shí)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(gè)特點(diǎn)： 1）時(shí)間約束實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特征是在數(shù)據(jù)對(duì)象和事務(wù)上施加了時(shí)間約束。對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)態(tài)一致性要求。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，具有時(shí)間約束的數(shù)據(jù)主要來自于外部的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如由傳感器采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，和由這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)。因此，可將數(shù)據(jù)的時(shí)間約束分為兩類，即數(shù)據(jù)的絕對(duì)一致性和數(shù)據(jù)的相對(duì)一致性。數(shù)據(jù)的絕對(duì)一致性是指實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)際的溫度、壓力等參數(shù)保持一致。這種一致性的破壞有時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，常常需要從一組數(shù)據(jù)項(xiàng)導(dǎo)出另外的數(shù)據(jù)，例如，根據(jù)系統(tǒng)的電流、電壓導(dǎo)出系統(tǒng)的功率。此時(shí)往往要求用來導(dǎo)出新數(shù)據(jù)的一組數(shù)據(jù)在時(shí)間上應(yīng)盡量接近，這就形成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的相對(duì)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(biāo)是提高系統(tǒng)對(duì)事務(wù)的吞吐率，但實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)事務(wù)調(diào)度策略都是圍繞事務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行的。 3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫主要承擔(dān)系統(tǒng)所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，為相關(guān)的功能提供快速、正確的實(shí)時(shí)信息，因此，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫來說，其實(shí)時(shí)性是第一位的，考慮到這一點(diǎn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)運(yùn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)共享采用內(nèi)存文件映射來實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于那些實(shí)時(shí)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(chǔ)空間。因此，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)，要妥善處理時(shí)間和存儲(chǔ)空間之間的矛盾，以保證先進(jìn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。 2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的分析與設(shè)計(jì) 首先從功能角度分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。 1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能分析： 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)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(chǎng)值，送到開辟的內(nèi)存緩沖區(qū)。 預(yù)處理機(jī)制：可以直接在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。滾動(dòng)存儲(chǔ)機(jī)制：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的各數(shù)據(jù)對(duì)象以鏈表形式存放在內(nèi)存中，故數(shù)據(jù)庫的容量相對(duì)容固定，當(dāng)新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，自動(dòng)更新數(shù)據(jù)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)值屬性。 自動(dòng)更新機(jī)制：當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)象現(xiàn)場(chǎng)值屬性改變時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 觸發(fā)和定時(shí)機(jī)制：提供豐富的觸發(fā)和定時(shí)機(jī)制，供各類數(shù)據(jù)處理、先進(jìn)控制和優(yōu)化算法使用，以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、有效性、一致性。補(bǔ)償機(jī)制：當(dāng)不能保證連續(xù)運(yùn)行時(shí)（如系統(tǒng)備份），需要提供相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。 數(shù)據(jù)檢索機(jī)制：可以以類似于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的方式檢索實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)象，取得所需的數(shù)據(jù)對(duì)象屬性或操作。 態(tài)匯總機(jī)制：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫提供了報(bào)警狀態(tài)、操作事件等信息的動(dòng)態(tài)匯總功能。 2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫事務(wù)調(diào)度分析 在先進(jìn)控制軟件系統(tǒng)投入運(yùn)行后，同時(shí)要進(jìn)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(bào)警或越位報(bào)警等等，所有的這些事務(wù)，都要并行處理，如等待時(shí)間太長(zhǎng)，無法滿足實(shí)時(shí)性的要求。這樣就要求我們實(shí)現(xiàn)一種并行編程，在只有一個(gè) CPU 的機(jī)器上，也就是要將該 CPU 時(shí)間按照一定的優(yōu)先準(zhǔn)則分配給各個(gè)事件，定期處理某一事件而不會(huì)在某一事件處理過長(zhǎng)，在 32 位 Windows98或 WindowsNT4.0 下，用多線程的編程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這種并行編程，實(shí)時(shí)調(diào)度各事務(wù)。 3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì) 以面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）的設(shè)計(jì)技術(shù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫定義為類的形式。如圖 2 所示，將實(shí)時(shí)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(gè)模塊加以說明： 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫初始化模塊：該模塊主要是根據(jù)先進(jìn)控制所需要的數(shù)據(jù)創(chuàng)建各數(shù)據(jù)對(duì)象，以鏈表作為存儲(chǔ)方式，并建立各數(shù)據(jù)對(duì)象對(duì)應(yīng)的對(duì)象名索引，以提高訪問數(shù)據(jù)對(duì)象的訪問速度，同時(shí)建立 Access 歷史數(shù)據(jù)庫。 基本操作模塊：提供數(shù)據(jù)對(duì)象的基本操作，如通過數(shù)據(jù)對(duì)象名或 ID 取得數(shù)據(jù)對(duì)象的其他屬性或通過名稱取得數(shù)據(jù)對(duì)象的 ID 等等。 讀寫數(shù)據(jù)操作模塊：提供數(shù)據(jù)對(duì)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(chǎng)值寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)值屬性中去，讀取數(shù)據(jù)對(duì)象中的當(dāng)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(dāng)前工作狀態(tài)，對(duì)指定的設(shè)備進(jìn)行操作。 窗口操作模塊：讀取用戶窗口的名稱，對(duì)指定的用戶窗口進(jìn)行操作，讀取用戶窗口的當(dāng)前狀態(tài)。 報(bào)警操作模塊：存儲(chǔ)報(bào)警信息，讀取數(shù)據(jù)對(duì)象的報(bào)警限值。 存盤操作模塊：在 Access 數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)需要存盤的數(shù)據(jù)。 3．實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)象類的定義：數(shù)據(jù)對(duì)象分為模擬量、開關(guān)量、字符串三個(gè)類型，下面重點(diǎn)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(duì)象名 float ObjectInivalue; //初始值 float ObjectMinvalue; //最小值 float ObjectMaxvalue; //最大值 CString ObjectUnit; //對(duì)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(shí)間 //報(bào)警操作參數(shù) BOOL IsAlarm //是否報(bào)警 int AlarmPriority; //優(yōu)先級(jí) float LowLowvalue; //低低報(bào)警 float Lowvalue; //低報(bào)警 float HeighHeighvalue; //高高報(bào)警 float Heighvalue; //高報(bào)警 float LowDevvalue; //低偏差報(bào)警值 float HeighDevvalue; //高偏差報(bào)警值 int FieldvalueInt； //現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)整型值 float FieldvalueFloat; //現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)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(bào)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(chǎng)的實(shí)時(shí)值操作 void SetFieldvalue（float valuefield） ｛Fieldvalue=valuefield; ｝ float GetFieldvalue（） ｛ return Fieldvalue; ｝ ｝; 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫類的設(shè)計(jì)，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(duì)象的鏈表 CString IndexTag[200]; //定義最大數(shù)據(jù)對(duì)象個(gè)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(duì)象 //數(shù)據(jù)對(duì)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(biāo)記名取得 ID 號(hào) CString GetDataNameFromID（int id）; //通過 ID 取得數(shù)據(jù)對(duì)象的名稱 int GetDataType（CString Name）; int GetAlmDataName（CString name[200]）; //報(bào)警數(shù)據(jù)對(duì)象集合 int GetSaveDataName（CString alarmname[200]）; //保存數(shù)據(jù)對(duì)象的集合 //數(shù)據(jù)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)值讀寫操作 BOOL GetvalueFromName（CString name,float value）; //通過標(biāo)記名取得現(xiàn)場(chǎng)值 BOOL SetvalueFromName（CString name,float value）; //通過標(biāo)記名將現(xiàn)場(chǎng)值寫入數(shù)據(jù)對(duì)象中 BOOL GetvalueFromID（int id,float value）; //通過 ID 號(hào)取得現(xiàn)場(chǎng)值 BOOL SetvalueFromID（int id,float value）; //通過 ID 號(hào)寫入現(xiàn)場(chǎng)值 BOOL GetvalueArrayFromID（int Num,int id[],float value[]）;//成組讀取數(shù)據(jù)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)值 BOOL SetvalueArrayFromID（int Num, int id[], float value[]）;//成組寫入數(shù)據(jù)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)值 …… ｝; 4 結(jié)束語 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是先進(jìn)控制軟件設(shè)計(jì)的重要組成部分，是難點(diǎn)部分，本文通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的概述和分析，論述了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫模塊的實(shí)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(shí)時(shí)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(xì)說明。筆者所開發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫可以與已經(jīng)開發(fā)的先進(jìn)控制軟件連接起來，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試通過，還有一些工作（如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫接口等）也正在進(jìn)行。