（系统工程专业论文）工业实时数据库的应用设计及数据处理研究.pdf

摘要 随着工业过程系统日益复杂，为确保其安全稳定高效地运行，工业实时数据 库系统在工业过程监控中得到越来越广泛的应用，并逐渐成为先进控制和过程监 测以及厂级信息管理的不可或缺的基础数据平台，带来了显著的经济和社会效益。 工业实时数据库系统具有独特的时间特性与体系结构、强大的实时数据采集和历 史数据保存功能、丰富的应用程序接口和数据管理模块。在充分了解其各个功能 模块的基础上进行应用设计与开发，并将其采集保存的数据有效地用于生产监控 具有重要的应用价值。本文以某石化企业聚乙烯生产监控系统的开发为背景，对 实时数据库系统的应用设计以及针对实时数据库的数据预处理技术进行了研究。 本文的主要研究内容与研究成果如下： ( 1 ) 介绍了实时数据库的产生、功能与发展趋势、层次结构与管理结构，阐述 了实时数据库的特点，着重比较了当前的两种典型实时数据库系统：p i 与 i n f o p l u s 2 1 ，综述了当前实时数据库在工业过程控制中的应用情况。 ( 2 ) 给出了在工业控制中实时数据库应用设计的基本步骤，以p i 数据库和项 目中系统开发为例，详细说明了工业实时数据库系统应用设计的步骤。 ( 3 ) 对实时数据库与d c s 系统接口的o p c 技术进行了详细介绍，并对本项目 中的系统配置进行了着重说明；以p i 数据库为例，详细阐述了实时数据库与应用 程序的接口设计中利用a p i 与s d k 两种方法进行设计的详细步骤，并分别利用两 种方法开发了p i 的接口程序，还利用s d k 方法开发了一个集点的查询与修改和 数据查询、修改、删除于一体的p i 管理软件，对p i 的功能进行了有效补充，最 后对两种接口方法的效率和适用环境进行了比较和评价。 ( 4 ) 阐述了实时数据库中数据用于过程监控建模的缺失、冗余、异常、高维等 问题，给出了对数据进行预处理的方法和步骤，结合e x c e l 、v b 、m a tl a b 三种平 台并利用插值、滤波、主元分析等技术开发了一个数据预处理软件，通过在项目 中的应用说明了其有效性与适应性。 ( 5 ) 基于上述应用设计以及数据预处理技术与软件，在p i 实时数据库上开发了 聚乙烯生产监控系统，实现了系统在现场的安全运行，给出了系统的运行界面和 运行效果和作者自己的开发体会，对系统的进一步开发进行了展望。 o p c 关键词：实时数据库p ii n f o p l u s 2 1 过程监控数据预处理聚乙烯a p is d k a b s t r a c t w i t hi n d u s t r i a l p r o c e s ss y s t e m si n c r e a s i n g l yb e c o m i n g m o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d ，t h ei n d u s t r i a lr e a l t i m ed a t a b a s eh a sb e e nw i d e l yu s e df o ri n d u s t r i a l p r o c e s sc o n t r o la n dm o n i t o r i n gt og u a r a n t e et h a tt h es y s t e m sa r eo p e r a t i n gs a f e l y , s t a b l y a n dw i t hh i g he f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ，s u c hr e a l - t i m ed a t a b a s ei sg r a d u a l l yb e c o m i n g a ni n d i s p e n s a b l eb a s i cd a t ap l a t f o r mf o ra d v a n c e dc o n t r o la n dp r o c e s sm o n i t o r i n ga s w e l la sp l a n t - w i d ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，w h i c hr e s u l t si ns i g n i f i c a n te c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t s t h ei n d u s t r i a lr e a l t i m ed a t a b a s es y s t e mi sp r o v i d e dw i t hu n i q u et i m e c h a r a c t e r i s t i ca n ds y s t e ms t r u c t u r e ，p o w e r f u lf u n c t i o n sf o rr e a l - t i m ed a t ac o l l e c t i o na n d h i s t o r i c a ld a t ap r e s e r v a t i o n ，a n da b u n d a n ta p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c ea n dd a t a m a n a g e m e n tm o d u l e s ，h e n c e ，b a s e do n at h o r o u g hc o m p r e h e n s i o no fi t sv a r i o u s f u n c t i o n a lm o d u l e s ，i ti so fg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u et oc a r r yo u ta p p l i c a t i o nd e s i g na n d d e v e l o p m e n tf o rt h ed a t a b a s ea n df u r t h e re f f e c t i v e l ym a k eu s eo ft h ed a t ac o l l e c t e do r p r e s e r v e dt h e r e i nf o rp r o c e s sc o n t r o la n dm o n i t o r i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa p o l y e t h y l e n ep r o d u c t i o nc o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e mf o rap e t r o c h e m i c a lp l a n ta st h e b a c k g r o u n d ，t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h e a p p l i c a t i o nd e s i g na n dd a t ap r o c e s s i n gf o r i n d u s t r i a lr e a l - t i m ed a t a b a s e t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s i cc o n c e p t so fr e a l t i m ed a t a b a s e a r ei n t r o d u c e d ，s u c ha si t s g e n e r a t i o n ， f u n c t i o n s ，d e v e l o p m e n tf i e n d ，h i e r a r c h i c a la n dm a n a g e m e n ts t r u c t u r e d e p e n d e do na d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e a l t i m ed a t a b a s e ，ac o m p a r i s o nb e t w e e n t w ot y p i c a lr e a l t i m ed a t a b a s es y s t e m s ：p ia n di n f o p l u s 21a r ep r e s e n t e d t h ec u r r e n t a p p l i c a t i o no fr e a l t i m ed a t a b a s ei ni n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o li sa l s or e v i e w e d ( 2 ) t h eb a s i cs t e p so fa p p l i c a t i o nd e s i g no fr e a l t i m ed a t a b a s ei ni n d u s t r i a lc o n t r o la r e p r e s e n t e da sw e l la sa d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ed a t a b a s ed e s i g n ，w h i c ha r ei l l u s t r a t e d b yap r a c t i c a la p p l i c a t i o no f p id a t a b a s ed e s i g ni na p r o j e c td e v e l o p m e n t ( 3 ) b o t ht h eo p ci n t e r f a c eo fr e a l t i m ed a t a b a s ea n dd c ss y s t e ma n dt h es y s t e m c o n f i g u r a t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e nt h ea p ia n ds d km e t h o d sf o ri n t e r f a c e d e s i g no fr e a l - t i m ed a t a b a s ea n da p p l i c a t i o na rei n t r o d u c e d as o f t w a r ef o rm a n a g i n g t l l ep is y s t e mb ym e a n so fs d km e t h o di sd e v e l o p e d ，b yw h i c h q u e r y i n ga n de d i t i n g t h ep o i n t sa n dd a t ai nt h ed a t a b a s ea r ee a s yt ob er e a l i z e d t h e e f f i c i e n c ya n d a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to ft h et w om e t h o d sa l ev a l u e di nt h ee n d ( 4 ) t h ed i f f i c u l t i e so fe f f e c t i v e l yu s i n gd a t ai nr e a l t i m ed a t a b a s ef o rm o d e l i n ga r e p r e s e n t e d ，e g t h e r eg e n e r a l l ye x i s tm i s s i n gd a t a ，r e d u n d a n td a t a ，o ra b n o r m a ld a t ai n d a t a b a s ea n dt h ed a t ad i m e n s i o n a l i t yi s a l w a y sv e r yh i g h t h eg e n e r a ls t e p sa n d m e t h o d ss u c ha sl i n e a la n dn o n l i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，d a t af i l t e r i n g ，p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i sa r ea d o p t e dt oo v e r c o m et h ef o r e g o i n gp r o b l e m s ，a n das o f t w a r ef o rd a m p r e p r o c e s s i n gi n t e g r a t i n gt h ed e s c r i b e ds t e p sa n dm e t h o d si s d e v e l o p e du n d e ra c o m b i n e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tw i t ht h ea d v a n t a g e so fe x c e l ，v ba n dm a t l a b i t s v a l i d i t ya n da d a p t a b i l i t ya lev e r i f i e dt h r o u g ht h ea p p l i c a t i o nt or e a lp r o j e c t s ( 5 ) b a s e do nt h ea p p l i c a t i o nd e s i g n ，i n t e r f a c ed e s i g na n dt h ed a t ap r e p r o c e s s i n g ，a p o l y e t h y l e n ep r o d u c t i o nm o n i t o r i n gp l a t f o r mi sd e v e l o p e d , w h i c hi sr u n n i n gs a f e l yi n i n d u s t r i a lf i e l d a c c o r d i n gt oa u t h o r so w ne x p e r i e n c e ，t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h e s y s t e mi sf o r e c a s t e d k e yw o r d s ：r e a l - t i m ed a t a b a s e ，p i ，i n f o p l u s 21 ，p r o c e s sm o n i t o r i n g ，d a t ap r e p r o c e s s i n g p o l y e t h y l e n e ，a p i ，s d k ，o p c 致谢 两年的时间转瞬而过，在这两年里，我得到了很多老师和同学的帮助。在论 文即将完成，学业即将结束之际，我向所有关心我的老师、同学、朋友、亲人表 示最诚挚的谢意。 首先要衷心感谢我的恩师梁军教授。有幸被推荐到恩师门下，度过了人生中 最重要的两年。恩师宽的研究方向给了我充分发挥的空间，充足的项目让我有了 实践锻炼的机会，渊博的学识帮我各方面都取得了很大的进步，低调做人、精心 做事的作风让我一辈子受益匪浅，生活中对我们的关怀让我在他乡仍然过的非常 快乐。在本文即将完成之际，谨向恩师表示最衷心的感谢和最诚挚的谢意。 感谢浙江大学系统工程所的老师给我的指导和帮助。谢谢你们传授给的知识 和为我提供的舒适的学习条件和良好的科研氛围。 感谢师兄刘育明的帮助，师兄在学术上就像我们的老师，对我们指点迷津严 格要求，在生活上就像我们的兄长，关心我们生活的点点滴滴；感谢叶鲁彬，总 能在学术上帮助我，在我遇到困难时帮我排忧解难：感谢师兄师姐石向荣、熊丽、 陈建伟、杨少文、王文庆、罗桂华，师弟费正顺、吴雪峰、胡斌的关心与支持。 感谢实验室的所有同学，两年里，我们这个大家庭，一起走过风风雨雨，经 历困难和欢乐，我们是永远的好朋友。 感谢我的父母，这么多年一直为我付出，从不要求我回报什么，没有你们就 没有我的现在。感谢我的姐姐和姐夫，你们在家照顾父母，让我能够安心学习， 在你们也困难的情况下多次帮助我，谢谢你们，想想可爱的外甥我就快乐很多。 感谢所有关心我帮助我的老师、同学、朋友和家人。 栾振华 2 0 0 8 5 8 于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着工业过程的日益复杂和过程系统的日益庞大，为确保过程系统安全运行， 开发适合于工业过程的实时控制系统越来越重要；能源危机越来越严重，在强调 高效节能的社会背景下，通过对工业过程进行实时优化来节约能源越来越重要 叫。这些都日益离不开实时数据库系统的高效运行。实时数据库结合了实时数据 处理技术和数据库技术，满足数据实时性和一致性要求，支持数据和事务的时间 限制，支持数据的共享【7 】，其直接与现场控制设备相连，不仅承担着过程数据的 集成任务，使企业管理层实时地得到来自生产过程的数据，而且直接支撑实时控 制系统、数据采集系统、c i m s 系统，为企业的生产管理和调度、数据分析、决策 支持及远程在线浏览提供实时数据服务和多种数据管理功能，成为面向工业过程 自动化与信息化的基础数据平台。 1 2 实时数据库的产生、功能与发展趋势 1 2 1 实时数据库的产生 近年来计算机与计算机网络系统得到迅速的发展【8 】，在网络系统中数据遵从 各种网络协议迅速的传输，远距离用户共享数据、交换数据越来越方便。而处于 生产过程底层的基础自动化系统，由于采用一对一连线，用电压、电流的模拟信 号进行测量控制，或采用自封闭式的计算机系统，数据没有统一的形式，难以实 现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，一个个信息孤岛正在形成。 工业综合自动化系统的关键之一在于解决企业底层过程控制网络与上层管理 信息网络间的数据集成和应用集成问题，解放信息孤岛。但是由于技术发展的原 因，控制网络上分布着不同厂商的不同种类的自动化系统，每个系统只能采集和 管理相应装置或设备在运行过程中产生的部分实时数据，不能以统一的形式传输 数据和共享数据，迫切需要一个统数据平台来集成各种控制系统的数据。数据 库技术是这一平台的最佳选择。作为计算机技术的一个重要分支【9 1 ，随着计算机 浙江大学硕士学位论文 技术的飞速发展和社会的信息化建设，数据库技术愈加显示其重要性。在传统应 用领域，传统数据库以严格的数学基础、简单清晰的概念、易于理解和操作获得 了巨大的成功。然而在现代工程( 尤其是在流程工业控制领域) 和时间关键型的应用 领域面前，传统数据库却难以满足数据的实时限制和高流量需求，显得束手无策。 问题表现为：传统的数据库系统旨在处理永久、稳定的数据，强调维护数据的完 整性、一致性，其目标是高的系统吞吐量和低的代价，而不考虑有关数据及其处 理的定时限制，因此，传统的数据库管理系统( d b m s ) 不能满足实时应用的需要。 而传统的实时系统( r t s ) 虽然支持任务的定时限制，但它针对的是结构与关系简 单、稳定不变和可预报的数据，不涉及维护大量共享数据及它们的完整性和一致 性，尤其是时间一致性。两者均不能满足数据的实时限制和高流量的需求，因此 需要一种具有高实时性、大数据容量和访问量的新的数据库。 实时数据库r t d b ( r e a l t i m ed a t a b a s e ) 正是为满足上述需要而产生的。实 时数据库系统将传统关系数据库与传统实时系统的概念、技术、方法与机制“无 缝集成”( s e a m l e s si n t e g r a t i o n ) ，能同时支持实时性和一致性，支持大规模数据共 享。近年来实时数据库的应用成功地实现了现场控制系统生产过程数据的集成， 为全厂过程实时信息的综合集成奠定了基础。实时数据库( r t d b ) 没有严格的定 义。一般认为，实时数据库就是其数据和事务都有显式定时限制的数据库。系统 的正确性不仅依赖于事务的逻辑结果，而且依赖于该逻辑结果所产生的时间，也 就是说系统宁可接受在时限内的不准确的数据，也不接受超过时限的准确的数据 【l 们。按照所使用的内核不同，实时数据库可分成采用专用内核的实时数据库与采 用关系数据库内核的实时数据库这两类。前者的典型代表为a s p e n t e c h 公司的 i n f o p l u s 2 1 及o s i 公司的p i ；后者的典型代表为w o n d e r w a r e 公司的 f a b t o r y s u i t 2 0 0 0 。对于采用专用内核的实时数据库而言，由于它们是面向工业过程 开发的产品，故系统的响应速度、可靠性、容量及对面向过程应用的支持方面有 极大的优势。对于采用关系数据库内核的实时数据库而言，由于它们是在关系数 据库的基础上增加了实时数据采集和调用机制及面向过程的可视化界面的产品， 系统的开放性、通用性和与关系数据库的互操作性比较强。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 实时数据库的功能 实时数据种类繁多，来源复杂。以化工行业为例，有温度、压力、流量、浓 度等，这些数据有的来自d c s 系统，有的来自p l c 系统或者其它系统。不同的系统 对实时数据的采集精度要求不同。为统一采集和管理这些数据，满足整个企业各 个不同部门的使用，实时数据库系统应具有以下功能1 1 】： ( 1 ) 实时数据的集成 数据采集是实时数据库最重要的任务，这就要求实时数据库具备高速的数据 采集和处理能力，能够不间断的对大量生产数据进行采集、过滤并及时响应不同 的数据请求，具备良好的内存分配管理能力、多通道的内存缓冲区、独特的数据 流控制结构、针对不同控制系统的标准接口。 ( 2 ) 历史数据的存储和压缩 为实时监测和控制，需要大量的测量点，而在生产过程中，多数测量点的数 据都以很高的频率变化，随之产生的大量历史数据必须以一定的精度快速高效存 储。这些数据如果不压缩会占据海量的磁盘空间，造成大量的资源浪费。为提高 磁盘的存储效率，必须以高的压缩率对历史数据进行压缩。同时数据库系统必须 能对外界提供实时数据支持，这要求实时数据库具备高的解压缩速度和快速的数 据追加、插入能力。 ( 3 ) 分布式的数据采集和开放的系统结构 d c s 系统运行后，数据大都能通过网络传输，这就要求实时数据库必须具备 分布式结构，能够远程采集分布式的网络上的数据。另外实时数据库的组件要能 够提供对外接口，与支持开放数据库互连( 0 d b c ) 、0 p c ( 0 l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 等标准接口的数据库系统、控制系统和设备进行方便的集成。 ( 4 ) 丰富的客户端数据处理和分析工具 实时数据库系统应具有丰富的客户端应用：图形化的组态工具，能够由用户 自行组态界面；管理报警信息的工具，对需监控过程设计报警信息：性能分析和 效益计算工具，能够基于实时数据库进行分析和计算；历史数据分类归档工具， 方便的对历史数据进行管理；报表生成和打印工具，可以直接利用信息生成报表 或者进行打印。 ( 5 ) 通用的访问方式 浙江大学硕士学位论文 为方便在企业范围内部署，实现远程访问，实时数据服务器应基于开放的 c s ( c 1ie n t s e r v e r ) 结构或b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构。这2 种结构各有其优缺点。 b s 结构易于维护和部署，维护和升级方式简单，成本低，选择更多，但是服务器 运行数据负荷较重；c s 结构访问效率高，组态及控制方式灵活，安全可靠性较高， 数据的储存管理功能较为透明，劣势是维护成本高昂且投资大。在实际应用中经 常将2 种方式结合，在技术或管理的关键点采用c s 访问模式，而在一般的节点采 用b s 模式。 1 2 3 实时数据库的发展趋势 目前实时数据库的研究热剧加】主要集中在实时数据库与分布式数据库相结合 而产生的分布式实时数据库和重视安全性而产生的安全实时数据库等领域。这两 个领域的研究状况如下： ( 1 ) 分布式实时数据库 分布式实时数据库是实时数据库技术和网络技术相互渗透和有机结合的结 果。分布式实时数据库通过网络计算机系统，实现过程采集数据的共享和实时同 步。为了满足对数据的实时和分布的要求，分布式实时数据库( d r t d b ) 将具有执 行期限的数据和事务分布在不同的结点上，由分布式实时数据库管理系统来统一 管理、调度执行。基于分布式数据库的理论和技术已经成熟，但实时数据库的技 术并不成熟的现状，分布式实时数据库的研究成了当前研究的热点。 ( 2 ) 实时数据库系统安全性和可靠性 由于实时数据库储存了大量的企业生产数据，有些涉及企业生产的机密，实 时数据库系统在向授权用户提供可靠的信息数据服务的同时，又要拒绝非授权用 户对数据的存取访问请求，保证数据库管理下数据的可用性、完整性和一致性， 进而保护数据库所有者和使用者的合法权益。同时，由于连接网络本身的不可靠 性和系统连续运行的要求，实时数据库还应具备相应的诊断和容错能力。几种常 用的安全控制技术有：用户标识与鉴别、存取控制技术、多级数据库安全技术、 审计和日志等。 4 浙江大学硕士学位论文 1 3 实时数据库在工业过程控制中的应用 实时数据库系统为先进控制和实时优化技术提供了一个数据平台【4 】。实时数 据库实时采集过程数据，监控系统运行状态，保障生产的平稳运行；保存历史数 据，反应生产过程的规律；通过优化软件实时调整工艺参数，保障过程的最优运 行；对影响产量及质量的关键过程参数进行监控；通过软测量等软件对产品的质 量数据和利润进行在线分析，及早发现产品问题，提高产品产量及质量，提高经 济效益。实时数据库作为连接生产过程系统与企业综合自动化系统的桥梁，在实 时控制和管理控制一体化上发挥着重要的作用，为企业综合自动化系统的开发与 应用提供了一个理想的平台，使企业的信息化系统能够实时、高效的运行。以实 时数据库系统为核心的监控平台如图1 1 ： 图1 1 以过程实时数据库为核心的监控平台 以下文献介绍了实时数据库在工业过程控制中的作用和设计的思路，方法和关 键技术：文献f l2 】结合最新的信息技术和数据处理技术介绍了工业过程控制中实时数 据库的架构与实现及应用的关键技术，给出了实时数据库的一般性设计原理，具体 的设计思路和实现方法。文献3 】介绍了企业综合自动化系统中的实时数据管理功能 需求和现有工业监控软件的实时数据管理方案，结合实时数据库理论的几个主要方 面，详细论述了综合自动化系统的设计思路和关键技术。文献f 1 4 】介绍了根据过程控 制的需要，进行实时数据库组件设计的思路、实现技术、处理流程和数据表结构。 文献【i5 j 介绍了实时数据库作为信息化系统的数据中心，在企业信息化过程中支撑集 浙江人学硕士学位论文 控制、优化、调度、管理、经营于一体的企业综合自动化系统，并为上层的e r p 等 管理系统提供数据支持的关键作用。文献【l6 】介绍了实时数据库的不足，并介绍了实 时数据库和关系数据库的集成在汽轮机发电中相互补充取得的效果。 以下文献介绍了实时数据库在具体的行业( 石化，电力) 中进行系统设计， 组态、监控等方面的开发思路和开发过程：文献介绍了实时数据库在化工企业 的工业监控系统中数据采集与手工数据录入、流程图浏览、历史数据察看、超限 额运行时间统计、报表制作、设备安全运转检测、罐区管理、生产统计和班组考 核，工艺参数分析等方面的应用，并介绍了应用实时数据库后的效果。文献【1 8 】系 统地分析了石化企业大型实时数据库的应用环境和功能需求，结合最新的信息技 术和数据处理技术给出了流程工业大型实时数据库的体系结构、设计思路和实现 方法，介绍了采用该结构设计的实时数据库产品在工程应用中取得的良好的效果。 文献9 j 通过对某石化公司主要生产装置各种型号d c s 的通讯接1 3 进行具体分析，设 计了针对各种通讯接口的数据采集方案，实现了对生产工艺数据的实时采集和实 时浏览。文献1 2 0 j 详细介绍了电力系统中电厂厂级监控信息系统( s i s ) 对实时数据库 的要求及应用实时数据库的s i s 系统的典型举例。文献【2 1 1 具体论述了电厂厂级监控 信息系统的系统架构, n s i s 与管理信息系统( m i s ) 的连接方式，分析了s i s 建设中实 时数据库平台的选择原则，包括数据存储效率、系统访问结构、接口技术、数据 缓冲和容错功能等。 以下文献介绍了具体的实时数据库( i n f o p l u s 2 1 、p i 、三维力控、e s p i s y s ) 在具体的行业( 石化、电力、钢铁) 中的应用和接口设计等：文献【2 2 1 具体的介绍 了i n f o p l u s 2 1 实时数据库的功能特点，及其在钢铁行业中的应用。文献【2 3 1 介绍了 p i 实时数据库系统独特的“旋转门”数据压缩技术，并对p i 实时数据库在电厂s i s 系统中的应用进行了阐述。文献【2 4 】具体介绍了p i 实时数据库在石油化工中的应用， 介绍了p i 与d c s 、客户端的接h $ i p i 实时监控的流程图，并从原料节省、安全操作 等方面给出了p i 实时数据库的应用效果。文献【2 5 】介绍了国产数据库三维力控在胜 利油田中的应用。文酬8 】介绍了国产数据库e s p i s y s 的特点及其在i np l a n t 工厂自 动化系统中的应用。 通过上述文献的综述可知：现代工业过程信息化建设中，实时数据库的应用 越来越广泛，从企业的过程控制系统至i j c i m s ，p i m s ，s i s 系统，实时数据库都在发 6 浙江大学硕士学位论文 挥着关键的作用；同时，实时数据库的应用领域也越来越广泛，从电力行业到石 油化工行业；当前对国内实时数据库的研究也越来越深入，从应用国外先进的实 时数据库i n f o p l u s 2 1 、p i 等，到自主开发组件来配合实时数据库应用，到自主开 发数据库i s y s ，三维力控等。但是，目前的文献对实时数据库在一个项目中的整 体开发流程缺乏介绍，另外对实时数据库的接口设计方案也只进行大体性的描述， 缺少一个详细的接口设计方案，对于如何引用数据库函数、接口的形式、效率如 何、数据库中数据的缺陷和处理方式更是缺乏详细的介绍。 因此，本文在某石化企业的聚乙烯生产过程监控项目的应用背景下，进行了 实时数据库应用设计和数据处理的研究，结合项目中p i 实时数据库的应用设计与 接口设计过程，提出了实时数据库系统的设计方案和实时数据库的接口方案，并 提出了几种接口设计解决方法，提出了数据库中数据用于建模的缺陷，给出了数 据预处理的方法。 1 4 本文的主要研究工作 本文结合在某石化企业聚乙烯生产过程的监控系统开发项目，对其中的实时 数据库应用设计与接口设计提出了具体的解决方案，开发了接口程序并将p i 实时 数据库应用于现场，同时针对数据库中数据与建模数据的不足，提出了在建模中 进行数据预处理的方案，对开发的数据预处理软件进行了介绍。具体章节如下： 第一章：绪论，介绍了实时数据库的产生，功能与发展趋势，综述了当前实 时数据库在工业过程控制中的应用情况，为本文中监控系统的实时数据库设计奠 定基础。 第二章：介绍了实时数据库的层次结构与管理结构，阐述了包括实时数据的 特点、时间特性、事务特征、事务调度等在内的实时数据库的特点，着重比较了 当前的两种典型实时数据库系统：p i 与i n f o p l u s 2 1 ，为本文中p i 数据库据的系统 设计做了知识铺垫。 第三章：给出了在工业控制中实时数据库应用设计的基本步骤，再以p i 数据 库和项目中系统开发为例，详细说明了工业实时数据库系统应用设计的步骤和细 节，最后在对该数据库设计的结果进行了评价。 第四章：说明了实时数据库接口的类型，对实时数据库与d c s 系统接口的 7 浙江大学硕士学位论文 o p c 技术进行了详细介绍，并对本项目中的系统配置进行了着重说明；以p i 数据 库为例，详细阐述了实时数据库与应用程序的接口设计中a p i 与s d k 两种方法的 详细步骤与细节，开发了接口程序，并利用s d k 方法开发了p i 管理软件，最后 对两种接口方法的效率和适用环境进行了比较和评价 第五章：阐述了实时数据库中数据用于过程控制建模的缺失值、冗余值、异 常值以及高维数据等问题，给出了对数据进行预处理的步骤，结合e x c e l 、v b 、 m a t l a b 三种平台并利用插值、滤波、主元分析等技术开发了数据预处理软件，通 过在项目中的应用说明了其有效性与适应性。 第六章：基于p i 实时数据库开发了聚乙烯生产监控系统，实现了系统在现场 的正常运行，给出了系统的运行界面和运行效果。 第七章：总结本文的研究成果，给出了基于实时数据库的监控平台项目开发 与实施的若干体会与心得，展望了系统进一步开发的前景。 浙江大学硕士学位论文 第二章典型的实时数据库系统 摘要：先介绍了实时数据库的层次结构与管理结构，然后阐述了包括实时数据的特点、时间 特性、事务特征、事务调度等在内的实时数据库的特点，最后着重比较了当前的两种典型实 时数据库系统：p i 与i n f o p l u s 2 1 。 2 1 实时数据库的体系结构 实时数据库管理实时数据以及与实时数据有关的信息，与传统的关系数据库相 比较，除了时间特性上的差别外，无论从层次结构上，还是调度机制和事务管理 方面管理上，都有很大的差别。 2 1 1 实时数据库的层次结构 实时数据库层次结构中体现了一种将分散的控制系统、生产调度系统和管理 决策系统有机地集成起来的思想，具备了分散控制、集中管理的开放式体系结构。 典型的实时数据库的层次结构如图2 1 所示。系统包括3 个层次。 层 客户端 报表软件 溯览器i ，888l j 臻魏餮鞔。一 。 ，。 i 强獭虢毅缴鞴漉z j l 实时数据 数数数数数 服务器据据 据据据 詈 接存处查发 通信服务接口 收储理询布 is。 888 通信服务接口通信服务接口通信服务接口 云 设备接口站设备接口站 设备接口站 控制系统接口控制系统接口控制系统接口 88 d c sp l c 控制囤路 图2 1 实时数据库的层次结构 9 浙江人学硕上学位论文 控制系统接口层包括部署在现场采集工作站的数据采集程序和部署在服务器 的实时数据库i o 模块，根据实时数据库的点组态信息，建立与不同物理设备 ( d c s 、p l c 及不同控制总线上所挂接的设备) 的连接；通过设备接口实时地采集现 场设备的实时信息；按预设的采集周期和通信协议与实时数据库服务器上的通信 子系统进行通信；在数据库服务器或网络发生故障时如果发现网络连接中断，提 供实时数据的缓冲和数据点的备份功能，在网络恢复后重新发送。 实时数据服务层是整个实时数据库系统的关键层，而实时数据服务器是实时 数据库系统的核心。实时数据服务层接收和处理来自控制系统接口层的实时数据， 对数据进行快速压缩；将压缩后数据存储到通用关系数据库中，通过关系数据库 强大的历史数据管理功能向用户提供历史数据查询服务；提供a p i 和其它标准数 据查询接口用于对数据库进行访问；通过通信管道和网络协议向上层客户端提供 数据服务；通过界面开发工具实现实时设备监控、在线故障诊断等；通过中间件 数据通信服务层提供各个设备接口站与实时数据库服务器间的高速而可靠的连 接，调整数据库服务器负载，提高系统的可靠性与网络通信效率。 客户访问层是实时数据库系统提供的用于客户与数据库交互的工具，包括了 客户端组态软件、报表生成软件、浏览器软件等实时应用工具。 2 1 2 实时数据库的管理结构 实时应用是具有定时限制的数据库任务，是实时数据库系统的服务对象。系统 内部分为三大部分：资源管理、实时事务管理和数据管理。实时数据库的管理结 构如图2 2 所示： l o 浙江大学硕士学位论文 图2 2 实时数据库的体系结构 资源管理部分对系统资源进行管理，主要任务是：( 1 ) 对c p u 进行调度管理， 合理调度c p u 资源，满足实时要求；( 2 ) 对时间进行调度管理，触发与时间相关的 实时事务执行；( 3 ) 对存储空间进行分配和管理，考虑定时限制的磁盘调度算法以 及与实时应用有关的i o 调度。 实时事务管理部分包括管理实时事务的产生、执行和结束，主要任务是：( 1 ) 实时调度，最主要的目标是满足事务的截止时间，在最大程度上满足事务的时间 限制，同时保证数据的逻辑一致性和时序一致性；( 2 ) 实时并发控制，保证数据库 中数据的一致性和完整性；( 3 ) 事务恢复机制，当事务失败时努力将数据库恢复到 正确状态。 数据管理实现对数据的存取操作，管理实时数据和历史数据。 2 2 实时数据库的特点 实时数据库系统融合了实时系统和数据库两个领域的技术和特点，从而具备了一 些既不属于实时系统也不属于数据库系统的新特点。 2 2 1 时间特性 时间特性是实时数据库系统不同于其它数据库的本质特征。系统的正确性不 仅依赖于逻辑结果，而且依赖于逻辑结果产生的时间。在实时数据库中数据、事 浙江大学硕上学位论文 件、活动都有与之相联系的时间限制。 实时数据库系统的时间特性包括实时数据库中存在随时间的推进而无效的数 据；实时数据库系统及与之交互的外部世界存在以实时方式发生的事件；实时数 据库系统必须及时完成活动。 实时数据库系统的时间限制包括外部环境所施加的时间限制、系统性能所决 定的时间限制、数据的时间一致性所要求的时间限制以及其它的时间限制。时间 限制归为两类；一类是与事务相连的时间限制，典型的是截至时间；另一类是与 数据相连的时间一致性。 实时数据库中执行的周期性也是非常重要的。如果以固定的时间周期收集被 控系统的实时数据，那么相应的控制系统也必须按照相应的周期处理数据和做出 响应，如果超出了时间周期，就失去了实时控制的意义，甚至产生严重的后果。 2 2 2 数据特征 实时数据库的数据分为两类：实时数据和非实时数据，非实时数据又包括历史 数据和统计数据。实时数据包括从过程控制系统中实时采集的数据、向过程控制 系统实时发送的控制数据以及对实时数据进行各种实时计算直接产生的中间数 据；历史数据是指过时的数据，包含数据值和数据产生的时间；统计数据是指一 段时间内统计操作的结果数据。 对于实时数据库的实时数据，其数值只在一定的时间内是有效的，所在值的 正确性除了满足该测量点应满足的条件外，还必须三个方面的一致性：内部一致 性，外部一致性和相互一致性。 实时数据库中的一个数据对象d 由三个分量组成d ( v a l u e ，t i m e ，a v i ) ，它们分 别为实时数据的当前值、采样时间、外部有效期，有效期即自d 。i 。算起d ，她的有 效时间长度。 对于实时数据库中的每一个数据对象，内部一致性是指d ，妇满足预先定义的 数据库内部状态的完整性和一致性限制，就是传统意义上的数据正确性。外部一 致性设t c 为当前或检测时间，当且仅当( t c d t i 眦) m o d ec r e a t e 进入创建模式 ( c r p i d s ) p i c o n f i g is t rs e t ，s t a t e 输入格式 ( c r p i d s ) p i c o n f ig is t rs e t ，s t a t e ， ( c r p i d s ) p i c o n f ig o n ，o f f ，o n输入状态集 这样o n 这个状态集已经创建完毕，可以输入以下命令验证状态集已经建好。 ( c r p i d s ) p i c o n f i g m o d ei is t进入列表状态 ( l s p i d s ) p i c o n f i g o s t rs e t ，s t a t e s 确定输出格式及内容 ( l s p i d s ) p i c o n f i g s e l e c ts e t = o n 选择输出的状态集的名字 ( l s p i d s ) p l c o n f ig e n d s 0 1 1 ，o f f ，0 n 这说明状态集已经建好，建位号时在开关量的d i g i t a l s e t 一栏中填入o n ，这 个位号的取值范围就是o f f 、o n ，依次建立8 个状态量集合。 3 4 4p i 实时数据库点的建立 实时数据库提供了将实时数据库中的点导入和导出的工具，在建点时，可根 据不同需要选择不同建点工具。p i 数据